Từ hỗn loạn thành trật tự: Kiến tìm thức ăn như thế nào?

Loài kiến có tài chiến lược giải quyết các vấn đề phức tạp, điều này có thể áp dụng rộng rãi như là các kĩ thuật tối ưu hóa. Một con kiến riêng lẻ đi lang thang để tìm kiếm thức ăn theo một cách ngẫu nhiên, các nhà sinh vật học phát hiện thấy điều này.

Tuy nhiên, hành vi kiếm ăn tập thể của đàn kiến lại không như vậy, như một nghiên cứu toán học được trình bày trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences cho thấy: Các chuyển động của loài kiến tại một điểm nhất định thay đổi từ hỗn độn thành trật tự. Điều này xảy ra theo cách tự tổ chức hiệu quả một cách đáng ngạc nhiên. Sự hiểu biết về kiến có thể giúp phân tích các hiện tượng tương tự.

“Loài kiến có một chiếc tổ và vì vậy chúng cần thứ gì đó giống như một chiến lược để mang thức ăn mà chúng tìm thấy về tổ”, tác giả chính của nghiên cứu, Lixiang Li, người kết nối chặt chẽ với cả trung tâm bảo mật thông tin Information Security Center, phòng thí nghiệm State Key Laboratory về công nghệ mạng lưới và chuyển mạch (State Key Laboratory of Networking and Switching Technology) tại Posts and Communications thuộc trường Đại học Bắc Kinh và với Viện nghiên cứu về tác động môi trường Potsdam (Potsdam Institute for Climate Impact Research) nói.

“Chúng tôi cho rằng đây là một nhân tố, đến nay bị đánh giá thấp, thực sự xác định hành vi của kiến”.

Để lại một dấu vết mùi

Nhóm nghiên cứu Trung Quốc - Đức về cơ bản đã đưa hầu như tất cả các thông tin đã biết về cách tìm kiếm thức ăn của kiến vào phương trình và các thuật toán và nạp vào các máy tính của họ. Họ cho rằng, có ba giai đoạn trong quá trình di chuyển tìm kiếm thức ăn phức tạp của một đàn kiến: Ban đầu, kiến trinh sát thực sự bò loanh quanh một cách hỗn loạn. Khi kiệt sức, nó quay trở lại tổ để ăn uống và nghỉ ngơi. Tuy nhiên, khi một trong số kiến trinh sát tìm thấy các thức ăn trong vùng lân cận xung quanh tổ, nó sẽ mang một mảnh nhỏ thức ăn về tổ, để lại một mùi hương gọi là các kích thích tố (pheromone).

Những con kiến khác sẽ đi theo con đường được đánh dấu bởi mùi hương đó để tìm thức ăn và mang một ít về tổ. Tuy nhiên, do còn quá ít pheromone đã đánh dấu trên đường nên đàn kiến còn thưa thớt. Do đó, những con kiến đi theo đường đã được đánh dấu lại tiếp tục tiết ra pheromone để đánh dấu. Điều này dẫn tới một sự tối ưu hóa của đoạn đường dẫn đến chỗ có thức ăn: Khi các kích thích tố bay hơi, mùi hương càng mạnh hơn thì đoạn đường là ngắn hơn – vì vậy mà nhiều con kiến đi theo đường ngắn nhất, tiếp tục để lại dấu vết mùi kích thích tố. Điều này sinh ra một hiệu ứng tự củng cố hiệu quả - những con kiến ít bị lãng phí thời gian hơn là chúng cứ tiếp tục tìm kiếm thức ăn trong hỗn loạn.

Quan trọng hơn, các nhà nghiên cứu phát hiện thấy kinh nghiệm của từng cá thể kiến cũng góp phần vào thành công khi tìm kiếm thức ăn của chúng - một cái gì đó cũng bị bỏ quên trong nghiên cứu trước đây. Những con kiến già hơn có một hiểu biết tốt hơn về môi trường xung quanh các tổ. Sự tìm kiếm thức ăn của những con kiến trẻ hơn là một quá trình học tập chứ không phải là một sự đóng góp hiệu quả để tìm thực phẩm, theo nghiên cứu này cho biết.

Một mạng lưới phức tạp hiệu quả cao

"Trong khi một con kiến đơn độc chắc chắn là không thông minh, các hành vi tập thể của đàn kiến có thể gọi là thông minh”, đồng tác giả của nghiên cứu Jürgen Kurths, người dẫn đầu nghiên cứu Transdisciplinary Concepts and Methods của PIK nói. “Nguyên tắc tự tổ chức được biết đến như trong đàn cá chẳng hạn, nhưng đây là hành trình về tổ, điều đó làm cho lũ kiến thật thú vị”. Trong khi nghiên cứu về hành vi tìm kiếm thức ăn của kiến ​​chắc chắn có tầm quan trọng sinh thái, các tác giả của nghiên cứu này chủ yếu quan tâm đến sự hiểu biết các mô hình cơ bản của hiện tượng phi tuyến. "Những con kiến ​​hình thành một mạng lưới phức tạp có hiệu quả cao", Kurths giải thích. "Và đây là cái mà chúng ta thấy trong nhiều hệ thống tự nhiên và xã hội".

Vì vậy, các mô hình toán học phát triển trong nghiên cứu kiến được áp dụng không chỉ đối với các loại động vật khác nhau có cùng đặc điểm rằng chúng có một tổ để quay về, ví dụ như chim hải âu lớn. Nghiên cứu này cũng cung cấp một cái nhìn mới về mô hình hành vi của con người trong các lĩnh vực đa dạng như sự phát triển của các dịch vụ mạng lưới và hệ thống giao thông thông minh.