Наука о муравьях 12 букв. Интересные факты из жизни муравьев. Муравья – единственные нечеловекообразные животные, способные учить
Муравьи - одни из самых высокоорганизованных насекомых на планете. Их способности к кооперации и самопожертвованию во благо колонии, высокая приспособляемость, деятельность, по сложности напоминающая разумную, - все это давно привлекало внимание ученых. И сегодня науке известны многочисленные интересные факты о муравьях, о некоторых из которых знает только узкий круг специалистов, а некоторые - опровергают устоявшиеся мифы. Например…
Муравьи - самые многочисленные насекомые на Земле
По подсчетам одного из наиболее уважаемых мирмекологов мира Эдварда Уилсона, на Земле сегодня проживают от 1 до 10 квадриллионов особей муравьев - то есть от 10 в 15-й степени до 10 в 16-й степени отдельных муравьев.
Невероятно, но факт – на каждого живущего человека приходится около миллиона этих созданий, а общая масса их примерно равняется общей массе всех людей.
На заметку
Мирмекология - наука о муравьях. Соответственно, мирмеколог - это ученый, занимающийся в основном изучением этой группы насекомых. Именно благодаря трудам таких ученых стали известны весьма интересные факты о муравьях, расширившие представления науки об этих насекомых.
На тихоокеанском острове Рождества на квадратный метр поверхности почвы приходится около 2200 муравьев и 10 входов в гнездо. А, например, в саваннах западной Африки на каждый квадратный километр площади приходится 2 миллиарда муравьев и 740 000 гнезд!
Такой численности и плотности населения не достигает больше никакая другая группа насекомых.
Среди муравьев встречаются самые опасные насекомые в мире
Пожалуй, ни ядовитых змей, ни крупных хищников, ни пауков жители экваториальной Африки не боятся так, как , - колонна из нескольких миллионов насекомых, солдаты которых вооружены мощными челюстями, уничтожает практически все живое на своем пути. Такие походы – залог выживания муравейника.
Еще интересные факты: бродячие муравьи - одни из самых вообще. Солдат их может достигать в длину 3 см, матка - 5 см.
Когда жители какой-нибудь деревни узнают, что через их поселение должна пройти такая колония, они покидают дома, забирая с собой всех домашних животных. Стоит забыть в стойле козу, и муравьи закусают её до смерти. Зато они же уничтожают в селах всех тараканов, крыс и мышей.
А вот муравей-пуля считается самым опасным муравьем в мире: 30 его укусов на 1 кг массы тела жертвы смертельны. Боль от их укуса превышает по силе таковую от укусов любых ос, и ощущается на протяжении суток.
У индейских племен Южной Америки для посвящения мальчика в мужчины на руку посвящаемого одевается рукав с помещенными в него живыми муравьями. После укусов руки мальчика на несколько дней парализуются и опухают, иногда случается шок и чернеют пальцы.
Яйца муравьев - на самом деле не яйца
То, что в обиходе называется муравьиными яйцами, на самом деле - развивающиеся личинки муравьев. Сами яйца муравьев очень мелкие и для человека практического интереса не представляют.
Зато личинок охотно употребляют в пищу в Африке и Азии - такое блюдо богато белком и жирами. Кроме того, личинки муравьев - идеальный корм для птенцов различных декоративных птиц.
Муравьи - известный деликатес
Самое известное блюдо из муравьев - это соус из древесных муравьев, который используют в Юго-Восточной Азии в качестве приправы.
Очень интересны в этом плане медовые муравьи. В каждом их муравейнике существует от нескольких десятков до нескольких сотен муравьев, использующихся остальными членами колонии в качестве резервуаров пищи. Их специально откармливают в сезон дождей, их брюшко наполняется смесью воды и сахаров и раздувается до таких размеров, что насекомое не может двигаться.
В сухой сезон другие особи из муравейника слизывают постоянно выделяемый этими живыми бочками секрет и могут обходиться без внешних источников пищи. Таких муравьев активно собирают там, где они обитают - в Мексике и на юге США - и употребляют в пищу. На вкус они напоминают мед.
Еще интересный факт гастрономического характера: в Тайланде и Мьянме личинок муравьев употребляют в качестве деликатеса и продают на развес на рынках. А в Мексике личинок крупных муравьев едят так же, как в России икру рыб.
Муравьи и термиты - совершенно разные насекомые
Действительно, муравьи относятся к отряду перепончатокрылых, и их ближайшими родственниками являются осы, пчелы, пилильщики и наездники.
Термиты же - достаточно обособленная группа насекомых, близких к тараканам. Некоторые ученые даже включают их в отряд тараканообразных.
Это интересно
Сложная социальная структура термитника, напоминающая таковую в муравейнике, - это лишь один из примеров конвергенции в животном мире, развитие схожих черт у представителей разных групп, оказывающихся в сходных условиях.
Примечательно, что в экваториальной Африке обитает млекопитающее - голый землекоп, - колонии которого также напоминают колонии муравьев: у землекопов размножается только одна самка, а остальные особи обслуживают её, кормят и расширяют норы.
Подавляющее большинство муравьев - самки
Все рабочие муравьи и муравьи-солдаты в каждом муравейнике - это самки, не способные к размножению. Они развиваются из оплодотворенных яиц, в то время как из неоплодотворенных развиваются самцы.
Интересный факт о муравьях: вырастет из яйца рабочий муравей или будущая матка, зависит от того, как питается личинка. Рабочие муравьи сами могут решать, как кормить расплод и сколько будущих маток выкармливать.
У некоторых матки как таковой нет, а размножаться могут все рабочие самки. Есть и такие виды, в гнездах которых живут несколько маток. Классический пример тому – гнезда домашних муравьев (фараоновых).
Муравьиная матка может жить до 20 лет
Обычный срок жизни матки, сумевшей основать колонию, составляет 5-6 лет, но некоторые доживают до 12 и даже до 20 лет! В мире насекомых это рекорд: большинство одиночных насекомых даже более крупного размера живут от силы несколько месяцев. Только у некоторых цикад и жуков полная продолжительность жизни с учетом личиночной стадии может достигать 6-7 лет.
Этот интересный факт вовсе не означает, что такой продолжительностью жизни обладают все матки: большинство оплодотворенных самок гибнет после лета, а значительная часть основанных колоний также вымирает по разным причинам ещё в первый год своего существования.
Существуют муравьи-рабовладельцы
Связи разных муравьев друг с другом столь разнообразны, что даже люди иногда могут им позавидовать.
Например, у целого рода муравьев-амазонок рабочие муравьи не умеют самостоятельно питаться и ухаживать за гнездом. Зато они умеют нападать на гнезда других, более мелких видов муравьев, и воровать из них личинок. Муравьи, развивающиеся из этих личинок, будут в дальнейшем ухаживать не за своей маткой и солдатами.
У других видов такое поведение дошло до того, что матка просто проникает в чужой муравейник, убивает живущую там царицу, а рабочие муравьи признают её своей и ухаживают за ней и её потомством. Сам муравейник после этого обречен: из яиц такой самки будут развиваться только самки, способные захватить муравейник другого вида, а со смертью всех рабочих муравьев колония опустеет.
Бывают и щадящие случаи рабовладения. Например, матка для основания колонии похищает несколько куколок, а развивающиеся из них муравьи помогают ей на самом начальном этапе развития колонии. Дальше колония развивается силами потомков самой матки.
Муравьи могут обучаться
Интересные факты о муравьях, связанные с феноменом обучения, привлекают пристальное внимание многих ученых.
Например, у некоторых видов муравьев те особи, которые успели найти корм, учат других найти место с пищей. Причем если, например, у пчел эта информация передается в процессе особого танца, то муравей специально обучает другого прохождению конкретного маршрута.
Видео: муравьи своими телами строят живой мост
Экспериментами также проверено, что во время обучения муравей-учитель достигает нужной точки в четыре раза медленнее, чем добрался бы до неё самостоятельно.
Муравьи умеют заниматься сельским хозяйством
Эта интересная особенность муравьев известна давно – южноамериканские используют самую сложную пищевую цепочку в животном мире:
- одни члены колонии отгрызают большой кусок листа дерева и приносят его в муравейник
- более мелкие особи, никогда не покидающие колонию, пережевывают листья, смешивают их с экскрементами и частями специальной грибницы
- полученная масса складывается на специальных участках муравейника - настоящих грядках - где на ней развиваются грибы, обеспечивающие муравьев белковой пищей.
Интересно в муравьях то, что они не едят сами плодовые тела - питаются они специальными разрастаниями грибницы. Часть членов колонии постоянно откусывают появляющиеся плодовые тела, не давая грибнице тратить полезные вещества на бесполезные ножки и шляпки.
Это интересно
Когда оплодотворенная молодая самка покидает гнездо, она уносит в специальном кармане на голове крошечный кусочек грибницы. Именно такой запас - основа благополучия будущей колонии.
Кроме муравьев, только человек и термиты научились культивировать другие живые организмы для своего блага.
Отношения муравьев и тлей
Пастушьи наклонности муравьев известны многим: некоторые муравейники так зависят от стаи тли, что при вымирании последних тоже гибнут. Ученые считают, что выделение секрета в свое время было защитной реакцией тли от нападения врагов, только сам секрет был резко пахнущим и токсичным.
Но однажды естественный отбор подсказал вредителям, что муравьев можно не отпугивать, а приманивать и заставлять охранять себя. Так возник уникальный в своем роде пример симбиоза двух совершенно разных групп насекомых: тли делятся с муравьями сладкими, полезными и сытными выделениями, а муравьи их охраняют.
Выделения тлей, привлекающие муравьев, называются падью. Помимо тлей ею с муравьями делятся щитовки, червецы и некоторые цикады.
Интересно, что многие насекомые научились выделять привлекательный для муравьев секрет для того, чтобы проникать в их гнезда. Некоторые жуки, гусеницы и бабочки питаются запасами самих муравьев в муравейнике, при этом муравьи их не трогают именно из-за их способности делиться падью. Некоторые же такие гости в муравейниках банально пожирают личинок муравьев, а сами муравьи готовы простить им вероломство за каплю сладкого секрета.
Выше приведены лишь некоторые интересные факты о муравьях. В биологии каждого вида этих насекомых можно найти что-то уникальное и оригинальное.
Именно благодаря такой уникальности и обилию специфических приспособительных черт они сумели стать одной из самых многочисленных и продвинутых групп членистоногих вообще.
Интересное видео: битва между двумя колониями муравьев
Они хоть и маленькие, но очень сложные существа. Муравьи способны создать сложные дома с туалетом для себя, использовать лекарства для борьбы с инфекцией, а также учить друг друга новым навыкам.
Вот 15 очень интересных и удивительных фактов про этих насекомых:
1. Муравьи не всегда трудолюбивы.
Несмотря на свою репутацию преданных рабочих, не все муравьи в семье тягают груз, превышающий свой собственный вес.
В одном исследовании одного муравейника в Северной Америке, ученные следили за муравьями из рода Temnothorax. Они обнаружили, что почти четверть муравьев вели себя довольно пассивно за весь период исследования. Пока ученные не могут сказать, почему некоторые муравьи бездействуют.
2. Муравью с удовольствием едят фаст фуд.
В 2014-м году ученные оставили на тротуаре Нью-Йорка хот-доги, картофельные чипсы и другие продукты из фаст фуда, чтобы понаблюдать, сколько человеческой еды муравьи захотят съесть.
Спустя сутки они вернулись на место и взвесили оставшуюся еду, чтобы понять, сколько съели муравьи. Они посчитали, что за год муравьи (и другие насекомые) съедают почти 1 000 кг выброшенной еды.
3. Иногда муравьи выращивают личинок бабочек. Голубянка и мирмик.
Голубянка алькон, дневная бабочка из семейства голубянок, иногда обманывает мирмиков – род мелких земляных муравьев – чтобы те выращивали за них детенышей.
Муравьи порой путают запах личинки гусеницы с запахом своего муравейника, считая, что личинка является частью их семьи. Они забирают личинку с собой в муравейник, снабжают ее нужной пищей и охраняют ее для чужеродных видов.
4. Муравьи делают туалеты в своих муравейниках.
Муравьи не просто ходят туда-сюда. Некоторые справляют нужду вне муравейника в кучу, называемую мусорной ямой.
Другие, как обнаружили недавно ученые, облегчаются в специальных местах внутри своего дома.
Как пример можно взять черных садовых муравьев, которые, несмотря на то, что оставляют мусор и мертвых насекомых вне муравейника, держат свои отходы жизнедеятельности в углах своих домов – месте, которое похоже на маленькую уборную.
5. Муравьи принимают лекарства, когда болеют.
В недавнем исследовании ученые обнаружили, что, когда муравьи сталкиваются со смертельным грибком, они начинают употреблять пищу богатую свободными радикалами, которая помогает бороться с инфекцией.
6. Муравьи могут напасть на добычу во множество раз больше и тяжелее их самих.
Кусачие муравьи из рода Leptogenys, подсемейства Понерины, в основном питаются многоножками, которые во много раз превышают размер самих муравьев. Нужно около дюжины этих насекомых, чтобы сразить многоножку, а сам процесс нападения довольно интересно наблюдать.
7. Муравьи могут чувствовать неуверенность в себе.
Исследование черных садовых муравьев, проведенное в 2015-м году, показало, что муравьи могут понимать, что они чего-то не знают.
Когда ученые поставили муравьев в непредсказуемую ситуацию, вероятность, что насекомые оставят феромонный след для своих сородичей, чтобы те пошли за ними, существенно снижалась.
По словам ученых это означает, что насекомые понимают, что они не уверены, в правильном ли направлении идут.
8. Почему муравьи ходят по воде?
Вы замечали, что во время дождя муравьи не тонут? Они настолько легкие, что даже не могут разорвать поверхностное натяжение воды. Муравьи просто ходят по ней.
9. У муравьев самые быстрые рефлексы во всем животном королевстве.
Муравьи рода Odontomachus (“сражающийся зубами”) являются хищниками и обитают в Южной и Центральной Америке. Они могут захлопнуть свою челюсть со скоростью 233 км/час.
10. У самцов муравьев нет отца.
Самцы появляются из неоплодотворенных яиц и имеют только один набор хромосом, который они получают от своей матери. Самки муравьев, с другой стороны, появляются из оплодотворенных яиц и имеют два набора хромосом: один от матери, другой от отца.
11. Муравьи считают свои шаги.
В ветряных пустынных просторах муравьи после поиска пищи идут домой, считая свои шаги, чтобы вернутся обратно в муравейник.
В 2006-м году было проведено исследование, которое доказало, что муравьи делают одинаковые шаги, даже если им удлинить или укоротить ноги.
12. Муравьи побывали в космосе.
В 2014-м году группа муравьев прибыла на Международную космическую станцию для исследования того, как насекомые ведут себя в условиях микрогравитации. Несмотря на непривычную окружающую обстановку, муравьи продолжали работать вместе, исследуя свою территорию.
13. Муравья – единственные нечеловекообразные животные, способные учить.
В исследовании 2006-го года, ученные обнаружили, что мелкие муравьи из вида Temnothorax albipennis ведут других муравьев своего вида к еде, тем самым показывая им путь, чтобы те запомнили. По словам ученых, это первый случай, когда одно нечеловекообразнее животное обучает другого.
14. Муравьи могут играть роль пестицидов.
Ученые провели детальный обзор более 70-ти исследований, в которых анализировалась возможность использования муравьев-портных для защиты сельхозугодий. Они обнаружили, что эти насекомые отгоняют вредителей от цитрусовых и других плодовых культур.
Муравьи-портные живут в гнездах, которые строят в деревьях. Исследование показало, что сады с деревьями, в которых живут муравьи-портные, имели меньше повреждений, что в свою очередь приводило к богатым урожаям.
15. Муравьи могут клонировать друг друга.
Муравьи-амазонки размножаются с помощью клонирования. В колонии муравьев нет самцов, и ученые так и не нашли их, но вместо этого они обнаружили, что вся колония этих муравьев состоит из клонов королевы.
Сложность жизненного уклада муравьиной семьи удивляет даже специалистов, а для непосвященных вообще представляется чудом. Трудно поверить в то, что жизнь всего муравьиного сообщества и каждого отдельного его члена управляется только врожденными инстинктивными реакциями. Ученым пока не ясно, как происходит координация коллективных действий десятков и сотен тысяч жителей муравейника, каким образом муравьиная семья получает и анализирует информацию о состоянии окружающей среды, необходимую для поддержания жизнеспособности муравейника. Гипотеза, которая рассматривает эти вопросы с внешней по отношению к мирмекологии точки зрения, используя идеи теории информации и управления, может показаться фантастической. Однако полагаем, что она имеет право на обсуждение.
В науке о муравьях — мирмекологии — собран огромный наблюдательный материал, описывающий особенности жизни муравейника. При изучении этого материала бросается в глаза явное несоответствие между высоким «интеллектуальным уровнем» функционирования муравейника в целом и микроскопическими размерами нервной системы отдельного муравья.
Муравейник как единый объект — в высшей степени рациональный и умелый «организм», который очень эффективно использует имеющиеся у него крайне ограниченные средства для поддержания жизнедеятельности. Он хорошо адаптируется не только к циклическим изменениям окружающей среды (смена времен года и времени суток), но и к ее случайным возмущениям (перемены погоды, повреждения в результате внешних воздействий и т. п.).
Муравьиная семья имеет строгую внутреннюю структуру с четко установленными ролями каждого муравья, и роли эти могут меняться с его возрастом, а могут оставаться постоянными. Организационная структура муравейника позволяет гибко реагировать на любое возмущение и выполнять все требующиеся работы, оперативно привлекая для их выполнения необходимые трудовые ресурсы.
Деятельность муравьиной семьи поражает целенаправленностью. Муравьи, например, успешно занимаются «животноводством», разводя тлей. Выделения тлей, так называемая падь, служат для муравьев источником богатой углеводами пищи. Они регулярно «доят» тлей, и муравьи-«фуражиры» носят падь в зобиках, чтобы кормить ею остальных муравьев. При этом муравьи активно заботятся о тлях: защищают от вредителей и нападений других насекомых, переносят на наиболее подходящие участки растения, строят навесы для защиты от солнца, а на зиму уносят тлей-самок в теплый муравейник. Муравьи — умелые «животноводы», поэтому в опекаемых ими колониях скорость развития и размножения тлей значительно выше, чем в «самостоятельных» колониях тлей того же вида.
У муравьев некоторых видов заметную долю кормов составляют семена различных трав. Муравьи собирают их и хранят в специальных сухих хранилищах своих гнезд. Перед едой семена очищают от кожуры и измельчают в муку. Мука смешивается со слюной насекомых-кормильцев, и это тесто скармливают личинкам. Принимаются специальные меры для того, чтобы обеспечить сохранность зерна при длительном хранении. Так, например, после дождей семена выносят из хранилища на поверхность и сушат.
Крошечные амазонские муравьи умеют строить ловушки для насекомых гораздо более крупных, чем они сами. Соотношения размеров таковы, что живо напоминают охоту первобытных людей на мамонтов. Срезая тонкие волоски-волокна травянистого растения, в котором насекомые живут, муравьи плетут из них кокон. В стенках кокона они делают множество маленьких отверстий. Кокон располагают на выходе из полости внутри растения-дома, и в него прячутся сотни рабочих муравьев. Они просовывают головы в отверстия в стенках кокона, выполняя роль маленьких живых капканов, и ждут жертву. Когда на кокон, замаскированный в полости растения, садится какое-нибудь насекомое, то муравьи хватают его за лапки, жвала и антенны и удерживают до прихода подкрепления. Вновь пришедшие муравьи начинают жалить добычу и делают это до тех пор, пока она не будет полностью парализована. Затем насекомое расчленяют и по частям уносят в гнездо. Очень интересно, что при строительстве ловушки муравьи применяют «композитные» материалы. Для повышения прочности кокона они размазывают по его поверхности особый плесневый грибок. Отдельные волоски-волокна склеиваются этим «клеем», стенки кокона становятся жесткими, и их прочность значительно возрастает.
Еще более удивительным кажется то, что делает другой амазонский муравей. В лесах Амазонки встречаются участки леса, на которых растут деревья только одного вида. В амазонских джунглях, где на каждом клочке земли растут растения десятков и даже сотен разных видов, подобные участки не только удивительны, но и пугают своей необычностью. Недаром местные племена индейцев называют такие места «садами дьявола» и считают, что там живет злой лесной дух. Биологи, исследовавшие это явление, недавно выяснили, что виновники появления «садов» — муравьи определенного вида, живущие в стволах деревьев. Длительные наблюдения показали, что муравьи просто убивают ростки других растений, впрыскивая в их листья муравьиную кислоту. Для проверки этого предположения были проведены пробные посадки других растений на площади одного из «садов дьявола»: все саженцы погибли в течение суток. Растения же, посаженные для контроля вне таких «садов», развивались нормально и хорошо прижились. Такая на первый взгляд странная деятельность муравьев имеет простое объяснение: муравьи расширяют свою «жилплощадь». Они удаляют растения-конкуренты, давая свободно разрастаться деревьям, в которых живут. По оценкам исследователей, один из самых больших «садов дьявола» существует уже более восьми веков.
Муравьи некоторых видов устраивают в своих муравейниках грибные плантации для снабжения высококалорийной белковой пищей. Так, муравьи-листорезы, которые строят огромные подземные гнезда, питаются практически одними грибами, и поэтому в каждом гнезде обязательно создается плантация грибов. Эти грибы растут только на специальном грунте — рабочие муравьи изготавливают его из измельченных зеленых листьев и собственных экскрементов. Чтобы поддерживать «плодородие почвы», муравьи постоянно обновляют грунт в грибнице. При создании нового муравейника муравьиная матка во рту переносит из старого муравейника культуру гриба и таким образом закладывает основание под пищевую базу семьи.
Муравьи тщательно следят за состоянием своего жилища. Среднего размера муравейник состоит из 4-6 млн хвоинок и веточек. Ежедневно сотни муравьев переносят их сверху в глубь муравейника, а из нижних этажей — наверх. Так обеспечивается стабильный влажностный режим гнезда, и поэтому купол муравейника остается сухим после дождя, не гниет и не плесневеет.
Оригинально решают муравьи проблему разогрева муравейника после зимы. Теплопроводность стенок муравейника очень мала, и естественный прогрев весною занял бы очень долгое время. Для ускорения этого процесса муравьи приносят тепло внутрь муравейника на себе. Когда начинает пригревать солнце и с муравейника сходит снег, его жители выползают на поверхность и начинают «принимать солнечные ванны». Очень быстро температура тела муравья повышается на 10-15 градусов, и он возвращается обратно в холодный муравейник, согревая его своим теплом. Тысячи муравьев, «принимающих» такие «ванны», быстро поднимают температуру внутри муравейника.
Бесконечно разнообразие муравьев. В тропиках водятся так называемые бродячие муравьи, которые кочуют большими массами. На своем пути они уничтожают всё живое, и остановить их невозможно. Поэтому на жителей тропической Америки эти муравьи наводят ужас. При приближении колонны бродячих муравьев жители с домашними животными бегут из деревни. После прохода колонны через деревню в ней не остается ничего живого: ни крыс, ни мышей, ни насекомых. Двигаясь в колонне, бродячие муравьи соблюдают строгий порядок. По краям колонну охраняют муравьи-солдаты с огромными челюстями, в центре находятся самки и рабочие. Рабочие несут личинок и куколок. Движение продолжается весь световой день. На ночь колонна останавливается, и муравьи сбиваются в кучу. Для размножения муравьи временно переходят на оседлую жизнь, но строят не муравейник, а гнездо из собственных тел в форме шара, полого внутри, с несколькими каналами для входа и выхода. В это время матка начинает откладывать яйца. Рабочие муравьи ухаживают за ними и выводят из них личинок. Отряды муравьев-фуражиров время от времени выходят из гнезда за пищей для семьи. Оседлая жизнь продолжается до тех пор, пока личинки не подрастут. Тогда муравьиная семья опять двигается в путь.
О чудесах муравьиной семьи можно рассказать еще очень много, но вот каждый отдельный обитатель муравейника — это, как ни удивительно, просто мелкое суетливое насекомое, в действиях которого часто трудно найти какую-либо логику и цель.
Муравей перемещается по неожиданным траекториям, тащит в одиночку или в группе какие-нибудь грузы (кусок травинки, муравьиное яйцо, комочек земли и т.д.), но обычно трудно проследить за его работой от начала до результата. Более осмысленно выглядят его, так сказать, «трудовые макрооперации»: муравей сноровисто подхватывает травинку или кусочек хвои, включается в «групповую» переноску, умело и отчаянно сражается в муравьиных битвах.
Поражает не то, что из этого хаоса и, казалось бы, бесцельной суеты складывается многоликая и размеренная жизнь муравейника. Если с высоты сотни метров посмотреть на любое человеческое строительство, то картина будет очень схожа: там тоже сотни работников делают десятки на первый взгляд не связанных друг с другом операций, и в результате возникает небоскреб, домна или плотина.
Удивительно другое: в муравьиной семье не обнаруживается никакого «мозгового центра», который управлял бы общими усилиями для достижения желаемого результата, будь то починка муравейника, добыча пищи или защита от врагов. Больше того, анатомия отдельного муравья — разведчика, работника или муравьиной матки — не позволяет поместить этот «мозговой центр» в отдельном муравье. Слишком малы физические размеры его нервной системы, и слишком велик объем программ и накопленных поколениями данных, необходимых для управления жизнедеятельностью муравейника.
Можно допустить, что отдельный муравей способен автономно на инстинктивном уровне выполнять небольшой набор «трудовых макроопераций». Это могут быть и трудовые и боевые операции, из которых, как из элементарных кирпичиков, складывается трудовая и боевая жизнь муравейника. Но для жизни в муравьиной семье этого мало.
Для существования в своей среде обитания муравьиной семье необходимо уметь оценивать и собственное состояние, и состояние окружающей среды, уметь переводить эти оценки в конкретные задачи поддержания гомеостаза, устанавливать приоритеты этих задач, следить за их выполнением и в режиме реального времени перестраивать работу в ответ на внешние и внутренние возмущения.
Как муравьи делают это? Если принять допущение об инстинктивных реакциях, то достаточно правдоподобный алгоритм поведения может выглядеть следующим образом. В памяти живого существа в том или ином виде должно находиться нечто подобное таблице «ситуация — инстинктивный ответ на ситуацию». В любой жизненной ситуации информация, поступающая от органов чувств, обрабатывается нервной системой и «образ ситуации», созданный ею, сравнивается с «табличными ситуациями». При совпадении «образа ситуации» с какой-либо «табличной ситуацией» выполняется соответствующий «ответ на ситуацию». Если совпадения нет — поведение не корректируется или выполняется некоторый «дежурный» ответ. Ситуации и ответы в такой «таблице» могут быть обобщены, но и при этом ее информационный объем будет очень большим даже для выполнения относительно простых функций управления.
«Таблица» же, которая управляет жизнью муравейника и в которой перечислены варианты ситуаций трудовой деятельности и контактов с окружающей средой при участии десятков тысяч муравьев, становится просто необозримой, и для ее хранения потребовались бы колоссальные объемы «запоминающих устройств» нервной системы. Кроме того, время получения «ответа» при поиске в такой «таблице» также будет очень велико, так как его необходимо выбирать из необозримо большого набора схожих ситуаций. А в реальной жизни эти ответы надо получать достаточно быстро. Естественно, что путь усложнения инстинктивного поведения вскоре заводит в тупик, особенно в тех случаях, когда требуются инстинктивные навыки коллективного поведения.
Для оценки сложности «таблицы инстинктивного поведения» посмотрим хотя бы, какие основные операции приходится выполнять муравьям-«животноводам» при уходе за тлями. Очевидно, что муравьи должны уметь отыскивать на листьях «богатые пастбища» и отличать их от «бедных», чтобы вовремя и правильно перемещать тлей по растению. Они должны уметь распознавать опасных для тлей насекомых и знать способы борьбы с ними. При этом вполне возможно, что способы борьбы с разными врагами отличаются друг от друга, и это, естественно, увеличивает необходимый объем знаний. Важно также уметь опознавать самок тлей, чтобы в определенный момент (в начале зимы) переносить их в муравейник, располагать в специальных местах и обслуживать всю зиму. Весною же надо определить места их повторного расселения и организовать жизнь новой колонии.
Наверное, нет надобности продолжать — уже перечисленные операции дают представление об объеме знаний и умений, нужных муравью. При том надо учитывать, что все подобные операции — коллективные и в разных ситуациях могут выполняться разным количеством муравьев. Поэтому невозможно выполнять эту работу по жесткому шаблону и надо уметь адаптироваться к меняющимся условиям коллективного труда. Например, муравей-«животновод» должен знать не только, как ухаживать за тлями, но и как участвовать в коллективной жизни муравейника, когда и где работать и отдыхать, в какое время начинать и кончать рабочий день и т.д. Для координации действий десятков и сотен тысяч муравьев в безбрежном океане вариантов коллективной трудовой деятельности необходим уровень управления на порядки выше того, который возможен при инстинктивном поведении.
Элементарные интеллектуальные возможности появились у представителей животного мира Земли именно как способ обойти это принципиальное ограничение. Вместо жесткого выбора из «таблицы» стал использоваться метод построения «ответа» на возникающую ситуацию из относительно малого набора элементарных реакций. Алгоритм такого построения хранится в «памяти», и специальные блоки нервной системы в соответствии с ним строят необходимый «ответ». Естественно, что та часть структуры нервной системы, которая ответственна за реакции на внешние возмущения, существенно усложняется. Но такое усложнение окупается тем, что позволяет, не требуя нереально больших объемов нервной системы, практически неограниченно разнообразить поведение особи и сообщества. Освоение нового типа поведения с этой точки зрения требует лишь добавления в «память» нового алгоритма формирования «ответа» и минимального объема новых данных. При инстинктивном же поведении возможности нервной системы быстро ставят предел такому развитию.
Очевидно, что перечисленные выше функции управления муравьиной семьей, необходимые для поддержания равновесия с окружающей средой и выживания, не могут выполняться на инстинктивном уровне. Они близки к тому, что мы привыкли называть мышлением.
Но доступно ли мышление муравью? По некоторым данным, его нервная система содержит всего около 500 тыс. нейронов. Для сравнения: в мозге человека около 100 млрд. нейронов. Так почему же муравейник может делать то, что он делает, и жить так, как он живет? Где размещается «мыслящий центр» муравьиной семьи, если в нервной системе муравья его разместить нельзя? Скажу сразу, что таинственные «психополя» и «интеллектуальная аура» в качестве вместилища этого «центра» здесь рассматриваться не будут. Будем искать реально существующие места возможного расположения такого «центра» и способы его функционирования.
Представим себе, что программы и данные гипотетического мозга достаточно большой мощности разбиты на большое количество малых сегментов, каждый из которых размещен в нервной системе одного муравья. Для того чтобы эти сегменты могли работать как единый мозг, надо соединить их линиями связи и в набор программ мозга включить программу-«надзирателя», которая следила бы за передачей данных между сегментами и обеспечивала нужную последовательность их работы. Кроме того, при «построении» такого мозга надо учесть то, что некоторые муравьи — носители программных сегментов — могут умереть от старости или погибнуть в тяжелой борьбе за выживание, а с ними погибнут и расположенные в них сегменты мозга. Чтобы мозг был устойчив к таким потерям, необходимо иметь резервные копии сегментов.
Программы самовосстановления и оптимальная стратегия резервирования позволяют, вообще говоря, создать мозг очень высокой надежности, который сможет работать продолжительное время, несмотря на военные и бытовые потери и смену поколений муравьев. Такой «мозг», распределенный по десяткам и сотням тысяч муравьев, будем называть распределенным мозгом муравейника, центральным мозгом или супермозгом. Надо сказать, что в современной технике системы, сходные по структуре с супермозгом, не новинка. Так, американские университеты уже используют тысячи компьютеров, подключенных к Интернету, для решения актуальных научных задач, требующих больших вычислительных ресурсов.
Кроме сегментов распределенного мозга в нервной системе каждого муравья должны быть заложены и программы «трудовых макроопераций», выполняемых по командам этого мозга. Состав программы «трудовых макроопераций» определяет роль муравья в иерархии муравейника, а сегменты распределенного мозга работают как единая система, как бы вне сознания муравья (если бы оно у него было).
Итак, предположим, что сообщество коллективных насекомых управляется распределенным мозгом, причем каждый член сообщества является носителем частицы этого мозга. Другими словами, в нервной системе каждого муравья находится небольшой сегмент центрального мозга, который является коллективной собственностью сообщества и обеспечивает существование этого сообщества как целого. Кроме того, в ней находятся программы автономного поведения («трудовые макрооперации»), которые являются как бы описанием его «личности» и которые логично назвать собственным сегментом. Так как объем нервной системы каждого муравья мал, то и объем индивидуальной программы «трудовых макроопераций» тоже получается малым. Поэтому такие программы могут обеспечивать самостоятельное поведение насекомого только при выполнении элементарного действия и требуют обязательного управляющего сигнала после его окончания.
Говоря о супермозге, нельзя обойти проблему связи между его сегментами, расположенными в нервной системе отдельных муравьев. Если мы принимаем гипотезу распределенного мозга, то должны учитывать, что для управления системой муравейника необходимо быстро передавать большие объемы информации между сегментами мозга и отдельные муравьи должны часто получать управляющие и корректирующие команды. Однако многолетние исследования муравьев (и других коллективных насекомых) не обнаружили сколько-нибудь мощных систем передачи информации: найденные «линии связи» обеспечивают скорость передачи порядка единиц бит в минуту и могут быть только вспомогательными.
Сегодня мы знаем лишь один канал, который мог бы удовлетворить требованиям работы распределенного мозга: электромагнитные колебания в широком диапазоне частот. Хотя до настоящего времени такие каналы не найдены ни у муравьев, ни у термитов, ни у пчел, из этого не следует, что они отсутствуют. Правильнее говорить о том, что использованные методики исследования и аппаратура не позволили обнаружить эти каналы связи.
Современная техника, например, дает примеры совершенно, неожиданных каналов связи в хорошо, казалось бы, изученных областях, которые можно обнаружить только специально разработанными методами. Хорошим примером может быть улавливание слабых звуковых колебаний, или, попросту говоря, подслушивание. Решение этой задачи искали и находили и в архитектуре древнеегипетских храмов, и в современных направленных микрофонах, но с появлением лазера неожиданно выяснилось, что есть еще один надежный и высококачественный канал приема весьма слабых акустических колебаний. Причем возможности этого канала далеко превосходят все, что считалось в принципе возможным, и кажутся сказочными. Оказалось, что можно хорошо слышать безо всяких микрофонов и радиопередатчиков все, что вполголоса говорится в закрытой комнате, и делать это с расстояния 50-100 метров. Для этого достаточно, чтобы в комнате было застекленное окно. Дело в том, что звуковые волны, возникающие при разговоре, вызывают колебания оконных стекол с амплитудой в микроны и доли микрона. Лазерный же луч, отражаясь от колеблющегося стекла, дает возможность фиксировать эти колебания на приемном устройстве и после соответствующей математической обработки превращать в звук. Этот новый, ранее неизвестный метод регистрации колебаний позволил улавливать неощутимо слабые звуки в условиях, когда их обнаружение казалось принципиально невозможным. Очевидно, что эксперимент, опирающийся на традиционные способы поиска электромагнитных сигналов, не смог бы обнаружить этот канал.
Почему же нельзя предположить, что распределенный мозг использует какой-то неизвестный нам способ передачи информации по каналу электромагнитных колебаний? С другой стороны, в повседневной жизни можно найти примеры передачи информации по каналам, о физической основе которых ничего не известно. Я не имею в виду исполняющиеся предчувствия, эмоциональную связь между близкими людьми и другие подобные случаи. Вокруг этих явлений, несмотря на их безусловное существование, накопилось столько мистических и полумистических фантазий, преувеличений, а иногда и просто обмана, что я не решаюсь ссылаться на них. Но известно, например, такое распространенное явление, как ощущение взгляда. Практически каждый из нас может припомнить случаи, когда он оборачивался, почувствовав чей-нибудь взгляд. Сомнений в существовании информационного канала, который ответственен за передачу ощущения взгляда, нет, но нет и объяснения, каким образом некоторые особенности состояния психики смотрящего передаются тому, на кого он смотрит. Электромагнитное поле мозга, которое могло бы быть ответственно за этот информационный обмен, практически неощутимо при удалении на десятки сантиметров, а ощущение взгляда передается на десятки метров.
То же можно сказать о таком общеизвестном явлении, как гипноз. Гипнотические способности имеет не только человек: известно, что некоторые змеи используют гипноз при охоте. При гипнозе также происходит передача информации от гипнотизера к гипнотизируемому по каналу, который хотя и безусловно существует, но природа которого неизвестна. Причем если гипнотизер-человек использует иногда голосовые приказы, то змеи звуковой сигнал не используют, но их гипнотическое внушение от этого не теряет силу. И никто не сомневается в том, что можно почувствовать чужой взгляд, и не отрицает реальности гипноза из-за того, что в этих явлениях каналы передачи информации неизвестны.
Все сказанное выше можно рассматривать как подтверждение допустимости предположения о существовании канала передачи информации между сегментами распределенного мозга, физическая основа которого нам еще неизвестна. Так как наука, техника и практика повседневной жизни дают нам неожиданные и неразгаданные примеры разнообразных информационных каналов, то и в предположении о наличии еще одного канала неустановленной природы нет, видимо, ничего необычного.
Для объяснения того, почему линии связи у коллективных насекомых еще не обнаружены, можно привести много различных причин — от вполне реальных (недостаточная чувствительность исследовательской аппаратуры) до фантастических. Проще, однако, допустить, что эти линии связи существуют, и посмотреть, какие следствия из этого вытекают.
Прямые наблюдения за муравьями подтверждают гипотезу о внешних командах, управляющих поведением отдельного насекомого. Типичным для муравья является неожиданное и резкое изменение направления движения, которое нельзя объяснить никакими видимыми внешними причинами. Часто можно наблюдать, как муравей на мгновенье останавливается и неожиданно поворачивает, продолжая движение под углом к прежнему направлению, а иногда и в обратную сторону. Наблюдаемую картину можно правдоподобно истолковать, как «остановку для приема управляющего сигнала» и «продолжение движения после получения приказа о новом направлении». При выполнении какой-либо трудовой операции муравей может (правда, это случается заметно реже) прервать ее и либо перейти к другой операции, либо двигаться в сторону от места работы. Такое поведение также напоминает реакцию на внешний сигнал.
Как изучают жизнь муравьев
Ю. Фролов
Прежде всего, просто наблюдением, причем с незапамятных времен.
Еще в Библии (Притчи царя Соломона) лентяям рекомендуется поучиться трудолюбию у муравья и отмечается децентрализованная организация действий этих общественных насекомых: «Пойди к муравью, ленивец, посмотри на действия его и будь мудрым. Нет у него ни начальника, ни приставника, ни повелителя, но он заготовляет летом хлеб свой, собирает во время жатвы пищу свою».
За муравьями с увлечением следили Аристотель, Плутарх, Плиний, сделав немало тонких и верных наблюдений, но и несколько ошибок. Так, Аристотель принимал окрыленных муравьев за отдельный вид и писал, что муравьи размножаются белыми червячками, сначала округлыми, а затем удлиняющимися. Разумеется, он имел в виду яйца, из которых выходят личинки.
Натуралисты прошлого раскапывали муравейники, чтобы выяснить их структуру, распределение камер разного назначения, понять кастовую организацию общества муравьев.
Ближе к нашим дням стало возможно без таких крайних мер, как раскапывание их жилища, наблюдать не только деятельность муравьев вне муравейника, но и их жизнь дома. Вставляют в стенку муравьиной кучи стекло или просто поселяют колонию муравьев в лабораторном стеклянном муравейнике. Он одномерный: склеивают два больших стекла, оставляя между ними промежуток в несколько миллиметров, засыпают туда стройматериалы и запускают муравьев.
Так как муравьи не любят дневного освещения в своем жилище, следить за ними нередко удобнее при инфракрасном свете. Иногда в муравейник вводят гибкий волоконный эндоскоп с лампочкой на конце, позволяющий делать и фотоснимки.
Для слежения за жизнью и перемещениями отдельных особей их метят капелькой краски, иногда — светящейся, чтобы наблюдать в темноте. Правда, такой метод годится только для относительно крупных видов.
Еще более изощренный способ — мечение слаборадиоактивными изотопами, позволившее изучить трофаллаксис — обмен пищей между муравьями. Им либо дают сахарный сироп с изотопом углерода, либо подбрасывают жертву — гусеницу, выращенную на рационе с добавками радиоактивного фосфора. Затем счетчик Гейгера показывает, как благодаря обмену отрыгнутыми капельками пищи один накормленный муравей распространяет радиоактивность по всему муравейнику.
Строение подземных муравьиных гнезд изучают, либо раскапывая их, либо делая отливки сложных ходов и камер гнезда, заливая в его вход жидкий гипс, быстро застывающие полимеры или легкоплавкий металл.
Очень интересен с точки зрения гипотезы супермозга феномен так называемых ленивых муравьев. Наблюдения показывают, что не все муравьи в семье являются образцами трудолюбия. Оказывается, примерно 20% муравьиной семьи практически не принимает участия в трудовой деятельности. Исследования показали, что «ленивые» муравьи — это не муравьи на отдыхе, которые после восстановления сил включаются в работу. Оказалось, что если удалить из семьи заметную часть работающих муравьев, то соответственно повышается темп работы оставшихся «работников», а «ленивые» муравьи в работу не включаются. Поэтому их нельзя считать ни «трудовым резервом», ни «отдыхающими».
Сегодня предложено два объяснения существования «ленивых» муравьев. В первом случае предполагается, что «ленивые» муравьи — это своеобразные «пенсионеры» муравейника, состарившиеся муравьи, неспособные к активной трудовой деятельности. Второе объяснение еще проще: это муравьи, которые почему-то не хотят работать. Так как других, более убедительных объяснений нет, считаю, что имею право на еще одно предположение.
Для любой распределенной системы обработки информации — а супермозг является разновидностью такой системы — одна из основных проблем — обеспечение надежности. Для супермозга эта задача жизненно важна. Основу системы обработки информации представляет программное обеспечение, в котором закодированы принятые в системе методы анализа данных и принятия решений, что справедливо и для супермозга. Наверняка его программы сильно отличаются от программ, написанных для современных вычислительных систем. Но в том или ином виде они должны существовать, и именно они ответственны за результаты работы супермозга, т.е. в конечном счете за выживание популяции.
Но, как уже говорилось выше, программы и данные, которые ими обрабатываются, не хранятся в одном месте, а разбиты на множество сегментов, расположенных в отдельных муравьях. И даже при очень большой надежности работы каждого элемента супермозга результирующая надежность системы получается невысокой. Так, например, пусть надежность работы каждого элемента (сегмента) равна 0,9999, т.е. сбой в его работе возникает в среднем один раз на 10 тысяч обращений. Но если вычислить суммарную надежность системы, состоящей, скажем, из 60 тысяч таких сегментов, то она оказывается меньше 0,0025, т.е. уменьшается примерно в 400 раз по сравнению с надежностью отдельного элемента!
Разработаны и используются в современной технике различные способы повышения надежности больших систем. Например, резко повышает надежность дублирование элементов. Так, если при той же, что и в приведенном примере, надежности элемента его дублировать, то общее количество элементов возрастет вдвое, но зато суммарная надежность системы возрастет и станет практически равной надежности отдельного элемента.
Если вернуться к муравьиной семье, то нужно сказать, что надежность функционирования каждого сегмента супермозга значительно ниже приведенных величин, хотя бы из-за малого срока жизни и большой вероятности гибели носителей этих сегментов — отдельных муравьев. Поэтому многократное дублирование сегментов супермозга является обязательным условием его нормального функционирования. Но кроме дублирования есть и другие способы повышения суммарной надежности системы.
Дело в том, что система в целом не одинаково реагирует на сбои в разных ее элементах. Есть сбои, которые фатально сказываются на работе системы: например, когда неправильно срабатывает программа, обеспечивающая нужный порядок обработки информации, или когда из-за сбоя теряются уникальные данные. Но если сбой происходит в сегменте, результаты работы которого можно каким-либо способом исправить, то эта неполадка приводит только к некоторой задержке в получении результата. Кстати сказать, в реальных условиях большинство результатов, получаемых супермозгом, относится именно к этой группе и лишь в редких случаях сбои приводят к тяжелым последствиям. Поэтому надежность системы можно увеличить еще и повышением, так сказать, «физической надежности» сегментов, в которых располагаются особо важные и невосстанавливаемые программы и данные.
Исходя из сказанного, можно предположить, что именно «ленивые» муравьи являются носителями специализированных, особо важных сегментов распределенного мозга. Эти сегменты могут иметь различное назначение, например выполнять функции поддержания целостности мозга при гибели отдельных муравьев, собирать и обрабатывать информацию с сегментов нижнего уровня, обеспечивать правильную последовательность выполнения задач супермозга и т. п. Освобождение от трудовой деятельности обеспечивает «ленивым» муравьям повышенную безопасность и надежность существования.
Такое предположение о роли «ленивых» муравьев подтверждается экспериментом, проведенным в Стэнфордской лаборатории известного физика, лауреата Нобелевской премии И. Пригожина, который занимался проблемами самоорганизации и коллективной деятельности. В этом эксперименте муравьиную семью разделили на две части: в одну вошли только «ленивые» муравьи, а в другую — «работники». Через некоторое время выяснилось, что «трудовой профиль» каждой новой семьи повторяет «трудовой профиль» исходной семьи. Оказалось, что в семье «ленивых» муравьев только каждый пятый остался «ленивым», а остальные активно включились в трудовую деятельность. В семье же «работников» та же пятая часть стала «ленивыми», а остальные остались «работниками».
Результаты этого изящного эксперимента легко объяснить с точки зрения гипотезы распределенного мозга. По-видимому, в каждой семье часть ее членов делегируется для хранения особо важных сегментов распределенного мозга. Вероятно, по структуре и строению нервной системы «ленивые» муравьи не отличаются от «работников» — просто в какой-то момент в них загружаются нужные сегменты. Именно это и произошло с новыми семьями в описанном выше эксперименте: центральный мозг выполнил нечто похожее на загрузку нового программного обеспечения, и этим было закончено оформление муравьиных семей.
Уже сегодня можно строить достаточно правдоподобные гипотезы о структуре распределенного мозга, топологии сети, объединяющей его сегменты, и о базовых принципах резервирования внутри нее. Но главное не в этом. Главное в том, что концепция распределенного мозга позволяет непротиворечиво объяснить основную загадку муравейника: где и как хранится и используется управляющая информация, определяющая сверхсложную жизнь муравьиной семьи.
«Наука и жизнь» о муравьях:
Муравей крупным планом. — 1972, № 9.
Ковалев В. Муравьиные коммуникации. — 1974, № 5.
Халифман И. Операция «Муравей». — 1974, № 5.
Мариковский П. Муравьиная служба реанимации. — 1976, № 4.
Васильева Е., Халифман И. Великан у муравейника. — 1980, № 3.
Константинов И. Город муравьев. — 1982, № 1.
Васильева Е., Халифман И. Муравьи-кочевники. — 1986, № 1.
Индивидуальность есть и у муравьев. — 1998, № 12.
Александровский Г. Эволюция муравьев длится 100 миллионов лет. — 2000, № 10.
Старикова О., Фурман М. Муравьи в городе. — 2001, № 1.
Успенский К. Песчаный муравей. — 2003, № 8.
Металлический муравейник. — 2004, № 11.
Муравьи выбирают жилище. — 2006, № 7.
Бит — единица информации, позволяющая выполнить один двоичный выбор: «да-нет», «лево-право» и т. п.
Показать
