Stel je voor dat je lid bent van de Cephalotes goniodontus-soort, een boommier met een Darth Vader-achtige kop die mensen heeft geïnspireerd om je 'schildpadmieren' te noemen. Je beweegt langs een tak van de verwarde boomkruin in Jalisco, Mexico, het volgen van een geurspoor achtergelaten door andere mieren uit je kolonie, maar je komt abrupt tot een einde waar de tak is gebroken. Hoe weet je waar je heen moet?

Deborah Gordon, hoogleraar biologie aan de Stanford University, wilde deze en vele andere vragen beantwoorden toen ze in 2011 deze mieren begon te bestuderen. Terwijl ze in de bomen tuurde - soms vanaf een ladder - besteedde Gordon uren aan het opnemen van welke kruispunten de mieren kiezen.

Gordons werk, online gepubliceerd op 29 september door de Amerikaanse natuuronderzoeker , heeft geleid tot de ontwikkeling van een eenvoudig algoritme dat uitlegt hoe mieren creëren, herstel en snoei een netwerk binnen een complex doolhof van vegetatie. Dit algoritme zou andere biologische processen kunnen verklaren of technische oplossingen kunnen bieden.

Een mierenalgoritme

De mieren die Gordon bestudeerde verlaten nooit hun bladerdak, in plaats daarvan bewegend door een wirwar van wijnstokken, struiken en bomen langs een circuit van paden die vele nesten en voedselbronnen met elkaar verbinden. Omdat deze voedselbronnen komen en gaan, nesten verdwijnen en takken breken, het circuit verandert enigszins van dag tot dag.

Gordon bracht deze complexe paden in kaart en zette experimenten op om te bestuderen hoe de mieren reageerden wanneer nieuw voedsel verscheen of takken braken. Samen met Arjun Chandrasekhar en Saket Navlakha van het Salk Institute of Biological Studies aan de Universiteit van Californië, San Diego, Gordon analyseerde de resulterende gegevens om te modelleren hoe de mieren hun padennetwerk repareren en snoeien.

"Bij elke knoop mieren kunnen verdwalen als anderen er recentelijk niet genoeg zijn geweest om een ​​chemisch spoor achter te laten, "zei Gordon. "Dus er is een continu proces dat niet het netwerk met de kortste weg creëert, maar het netwerk met de minste knooppunten waar mieren een beslissing moeten nemen en de verkeerde kunnen nemen. Het lijkt erop dat de evolutie de voorkeur heeft gegeven aan het bij elkaar houden van de mieren op hetzelfde netwerk, in plaats van hen moeite te besparen in hoe ver ze moeten lopen."

Mieren van C. goniodontus kiezen welke route ze nemen op een kruispunt door het feromoon te volgen dat is gelegd door de mieren die onlangs dat kruispunt zijn overgestoken. Het feromoon verdampt, dus het pad dat onlangs de meeste mieren had, is het aantrekkelijkst. Door de mieren te markeren met nagellak, Gordon ontdekte dat dezelfde mieren de neiging hebben om dezelfde paden te volgen vanuit een nest.

Maar als een spoor wordt verbroken, de mieren hebben een eenvoudig plan om opnieuw verbinding te maken met het padennetwerk. Ze gebruiken wat bekend staat als "hebzuchtig zoeken, " de breuk in het pad omzeilen door terug te gaan naar de dichtstbijzijnde kruising en vanaf dat punt een nieuw pad te kiezen.

"Zelfs als er voor ons een nettere oplossing beschikbaar is door een paar knooppunten terug te gaan, dat gebruiken ze nooit "zei Gordon. "Ze gaan altijd terug naar het knooppunt dat het dichtst bij de pauze ligt en gaan van daar naar het dichtstbijzijnde knooppunt, enzovoort. Omdat de vegetatie zo verward is, ze zijn in staat om een ​​weg naar de andere kant van de pauze te vinden."

Zoals vaak gebeurt in de wetenschap, algoritmen kunnen door de natuur geïnspireerde oplossingen bieden voor technische problemen, wat leidt tot robuuste en elegante oplossingen. De algoritmen die natuurlijke netwerken produceren en repareren, zoals het netwerk van neuronen en hun synapsen in de hersenen, ons helpen bij het ontwerpen en navigeren van vele soorten technische netwerken, zoals Facebook of metrosystemen. Dit algoritme, gemaakt door schildpadmieren in het tropische bladerdak, is een ander voorbeeld van een uitstekende geëvolueerde oplossing, zei Gordon.