Haben Sie jemals bemerkt, wie Ameisenkolonien die Ressourcen der Welt so erfolgreich erforschen und ausbeuten … um zum Beispiel beim Picknick am 4. Juli Nahrung zu finden? Sie können es nervig finden. Aber als Ökologe, der Ameisen und kollektives Verhalten studiert, finde ich es faszinierend – vor allem die Tatsache, dass alles ohne zentrale Kontrolle geschieht.
Was besonders bemerkenswert ist: die engen Parallelen zwischen den Netzwerken der Ameisenkolonien und den vom Menschen entwickelten. Ein Beispiel ist „Anternet“, wo wir, eine Gruppe von Forschern in Stanford, herausgefunden haben, dass der Algorithmus, den Wüstenameisen zur Regulierung der Nahrungssuche verwenden, dem Traffic Control Protocol (TCP) ähnelt, das zur Regulierung des Datenverkehrs im Internet verwendet wird. Sowohl Ameisen- als auch menschliche Netzwerke verwenden positives Feedback: entweder von Bestätigungen, die die Übertragung des nächsten Datenpakets auslösen, oder von mit Lebensmitteln beladenen Rückkehrern, die den Austritt eines anderen ausgehenden Sammlers auslösen.
Diese Forschung veranlasste einige, den Einfallsreichtum der Ameisen zu bestaunen, die in der Lage waren, uns vertraute Systeme zu erfinden: wow, Ameisen verwenden seit Millionen von Jahren Internetalgorithmen! (Wired flirtete auch mit dem Konzept des „Anternet“ in seiner Jargon Watch-Kolumne im letzten Jahr.)
Aber das Verhalten von Insekten, das menschliche Netzwerke nachahmt – ein weiteres Beispiel sind die ameisenähnlichen Lösungen für das Problem des reisenden Verkäufers, die vom Ameisenkolonie-Optimierungsalgorithmus bereitgestellt werden – ist eigentlich nicht das Interessanteste an Ameisennetzwerken. Viel interessanter sind die Parallelen in die andere Richtung: Was haben die Ameisen ausgearbeitet, woran wir Menschen noch nicht gedacht haben?
Was Ameisenkolonie-Netzwerke uns darüber erzählen können, was als nächstes für menschlich konstruierte kommt
#### Deborah Gordon
##### Über
Deborah M. Gordon ist Professorin am Department of Biology in Stanford. Sie untersucht die Evolution kollektiver Organisation, indem sie die Ökologie und das Verhalten von Ameisenkolonien untersucht, und wurde mit Stipendien des Guggenheim und des Center for Advanced Study in Behavioral Sciences ausgezeichnet. Gordon ist Autor zweier Bücher, *Ants at Work* und *(http://www.amazon.com/Ant-Encounters-Interaction-Networks-Behavior/dp/0691138796): Interaction Networks and Colony Behavior*.
In den rund 130 Millionen Jahren, in denen es Ameisen gab, hat die Evolution die Algorithmen der Ameisenkolonien so abgestimmt, dass sie mit der Variabilität und den Einschränkungen umgehen, die durch bestimmte Umgebungen festgelegt wurden.
Ameisenkolonien nutzen dynamische Netzwerke kurzer Interaktionen, um sich an veränderte Bedingungen anzupassen. Keine einzelne Ameise weiß, was los ist. Jede Ameise verfolgt nur ihre jüngsten Erfahrungen mit anderen Ameisen, entweder in Einzelgesprächen, wenn Ameisen Antennen berühren, oder wenn eine Ameise auf eine von einer anderen abgelagerte Chemikalie trifft.
Solche Netzwerke haben die phänomenale Vielfalt und Fülle von mehr als 11.000 Ameisenarten in jedem erdenklichen Lebensraum auf der Erde ermöglicht. Anternet und andere Ant-Netzwerke haben uns also viel beizubringen. Ant-Protokolle können Wege vorschlagen, um unsere eigenen Informationsnetzwerke aufzubauen…
Umgang mit hohen Betriebskosten
Harvesterameisenkolonien in der Wüste müssen Wasser ausgeben, um Wasser zu bekommen. Die Ameisen verlieren Wasser, wenn sie in der heißen Sonne nach Nahrung suchen, und erhalten ihr Wasser, indem sie es aus den Samen, die sie sammeln, verstoffwechseln. Da Kolonien Samen lagern, verschwendet ihr System der positiven Rückmeldung keine Futtersuche, wenn die Wasserkosten hoch sind – selbst wenn es bedeutet, dass sie einige Samen „auf dem Tisch“ (oder besser gesagt, Boden) lassen, um an einem anderen, feuchteren Tag erhalten zu werden.
Auf diese Weise ermöglicht das Anternet der Kolonie, mit hohen Betriebskosten umzugehen. Im Internet verhindert das TCP-Protokoll auch, dass das System Daten über das Internet sendet, wenn keine Bandbreite verfügbar ist. Aufwand wäre verschwendet, wenn die Nachricht verloren geht, also lohnt es sich nicht, sie zu versenden, es sei denn, sie ist sicher, ihr Ziel zu erreichen.
In jüngerer Zeit habe ich gezeigt, wie natürliche Selektion derzeit den Anternet-Algorithmus optimiert. Ich verfolge seit mehr als 25 Jahren eine Population von 300 Harvesterameisenkolonien und mithilfe von genetischen Fingerabdrücken haben wir herausgefunden, welche Kolonien mehr Nachkommen hatten.
Kolonien lagern Nahrung im Nest als Überlebenstaktik. An besonders heißen Tagen sind Kolonien, die wahrscheinlich niedrig liegen, anstatt mehr Nahrung zu sammeln, diejenigen, die über ihre 25-jährige Lebensdauer mehr Nachwuchskolonien haben. __Restraint __stellt sich daher als die beste Strategie auf Kolonieebene heraus. Langlebige Kolonien in der Wüste regulieren ihr Verhalten nicht, um die Nahrungsaufnahme zu maximieren oder zu optimieren, sondern um weiterzumachen, ohne Ressourcen zu verschwenden.
Angesichts der Knappheit entwickelt sich der Algorithmus, der den Energiefluss reguliert, eher zur Minimierung der Betriebskosten als zur sofortigen Akkumulation. Dies ist eine nachhaltige Strategie für jedes System, wie eine Wüstenameisenkolonie oder das mobile Internet, wo es wichtig ist, langfristige Zuverlässigkeit zu erreichen und gleichzeitig verschwendeten Aufwand zu vermeiden.
> In den rund 130 Millionen Jahren, in denen es Ameisen gab, hat die Evolution die Algorithmen der Ameisenkolonie optimiert.
Skalierung von kleinen zu großen Systemen
Was passiert, wenn ein System skaliert? Wie von Menschen entwickelte Systeme müssen Ameisensysteme robust sein, um mit dem Wachstum der Kolonie zu skalieren, und sie müssen in der Lage sein, den Ausfall einzelner Komponenten zu tolerieren.
Da große Systeme eine gewisse Unordnung zulassen, nutzen die idealen Lösungen die Beiträge jeder zusätzlichen Ameise so, dass der Nutzen eines zusätzlichen Arbeiters die Kosten für die Herstellung und Fütterung einer Ameise überwiegt.
Die Werkzeuge, die große Kolonien gut bedienen, sind daher Redundanz und minimale Informationen. Enorme Ameisenkolonien funktionieren mit sehr einfachen Interaktionen zwischen namenlosen Ameisen ohne Adresse.
In technischen Systemen suchen auch wir nach Wegen, um zuverlässige Ergebnisse zu gewährleisten, wenn unsere Netzwerke skaliert werden, indem billige Operationen verwendet werden, die Zufälligkeit nutzen. Elegante Top-Down-Designs sind ansprechend, aber die Robustheit von Ant-Algorithmen zeigt, dass das Tolerieren von Unvollkommenheiten manchmal zu besseren Lösungen führt.
Optimierung für First-Mover-Vorteil
Die Vielfalt der Ameisenalgorithmen zeigt, wie die Evolution auf unterschiedliche Umgebungsbedingungen reagiert hat. Wenn die Betriebskosten niedrig sind und Kolonien eine kurzlebige Delikatesse suchen – wie Blumennektar oder Wassermelonenschalen – ist die Suchgeschwindigkeit unerlässlich, wenn die Kolonie den Preis einfangen soll, bevor er austrocknet oder weggenommen wird.
Da Ameisenkolonien miteinander konkurrieren und viele auf der Suche nach dem gleichen Futter sind, hat die erste Kolonie, die ankommt, möglicherweise die besten Chancen, an dem Futter festzuhalten und die anderen Ameisen fernzuhalten.
Wie erreicht eine Kolonie diesen First-Mover-Vorteil ohne zentrale Steuerung? Die Herausforderung in dieser Situation besteht darin, dass die Kolonie den Fluss der Ameisen so steuert, dass sie fast immer fast überall eine Ameise hat. Ziel ist es, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass eine Ameise nahe genug ist, um auf alles zu stoßen, was auftaucht.
Eine Strategie, die Ameisen anwenden (bekannt aus unseren eigenen Datennetzen), besteht darin, einen Kreislauf permanenter Autobahnen einzurichten – wie ein Netzwerk von Mobiltelefontürmen -, von denen aus Ameisen lokal suchen. Die invasiven argentinischen Ameisen sind Experten darin; Sie werden jede Krume finden, die auf Ihrer Küchentheke landet.
Die argentinischen Ameisen passen auch ihre Pfade an und wechseln von einem zufälligen Spaziergang, wenn viele Ameisen in der Nähe sind, was jede Ameise dazu bringt, in einem kleinen Bereich gründlich zu suchen, zu einem geraderen Pfad, wenn nur wenige Ameisen in der Nähe sind, so dass die ganze Gruppe mehr Boden bedecken kann.
Wie bei einem verteilten Demand-Response-Netzwerk erzeugen die aggregierten Antworten jeder Ameise auf lokale Bedingungen das Ergebnis für das gesamte System, ohne dass eine zentrale Richtung oder Kontrolle erforderlich ist.
> Angesichts der Knappheit entwickelt sich der Algorithmus, der den Energiefluss reguliert, eher zur Minimierung der Betriebskosten als zur sofortigen Akkumulation.
Bewältigung von Sicherheitsverletzungen und Katastrophen
In den Tropen, wo Hunderte von Ameisenarten dicht beieinander liegen und um Ressourcen konkurrieren, müssen sich Kolonien mit Sicherheitsproblemen auseinandersetzen. Dies hat zur Entwicklung von Sicherheitsprotokollen geführt, die lokale Informationen zur Erkennung von Eindringlingen und zur Reaktion verwenden.
Eine Kolonie könnte Informationen von einer anderen verwenden („ausleihen“ oder „stehlen“, wie Menschen sagen würden), wie chemische Spuren oder die Dichte von Ameisen, um Ressourcen zu finden und zu nutzen.
Anstatt jedoch zu versuchen, Einfälle vollständig zu verhindern, schaffen Ameisen lose, stochastische Identitätssysteme, in denen eine Spezies ihr Verhalten als Reaktion auf das Ausmaß des Einbruchs von einer anderen reguliert.
Es gibt offensichtliche Parallelen zur Computersicherheit. Es wird klar (betrachten Sie die jüngsten Ereignisse!), dass auch wir eine lokale Bewertung und Reparatur von Eingriffen durchführen müssen, wobei ein gewisses Maß an Unvollkommenheit toleriert wird. Die Ameisen haben Wege gefunden, ihre Systeme auf die Einfälle der anderen reagieren zu lassen, ohne zu versuchen, eine zentrale Behörde einzurichten, die Hacks reguliert.
> Ameisen haben Sicherheitsprotokolle entwickelt, die lokale Informationen für die Erkennung und Reaktion von Eindringlingen verwenden.
Einige unserer Netzwerke scheinen sich in Richtung Methoden zu bewegen, die von den Ameisen eingesetzt werden.
Nehmen Sie die Notfallwiederherstellungsprotokolle von Ameisen, die in Bäumen suchen, in denen Äste brechen können, sodass die Gefahr eines Bruchs hoch ist. Ein Ringnetz, bei dem Signale oder Signale in beide Richtungen fließen, ermöglicht hier eine schnelle Wiederherstellung; Nach einer Unterbrechung des Flusses in einer Richtung kann der Fluss in der anderen Richtung eine Verbindung wiederherstellen.
In ähnlicher Weise wurden frühe Glasfaserkabelnetze oft durch Landmaschinen und andere Geräte gestört: Ein Bruch könnte das System zum Erliegen bringen, da es jede Last isolieren würde. Ingenieure entdeckten bald, wie Ameisen es bereits getan hatten, dass Ringnetze Netzwerke schaffen würden, die leichter zu reparieren sind.
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Unsere Netzwerke werden sich weiter verändern und weiterentwickeln. Durch die Untersuchung und den Vergleich der Algorithmen, die von Ameisen in der Wüste, im tropischen Wald und den invasiven Arten, die unsere Küchen besuchen, verwendet werden, ist es bereits offensichtlich, dass die Ameisen neue Lösungen gefunden haben, die uns etwas darüber beibringen können, wie wir unsere Systeme konstruieren sollten.
Mit einfachen Interaktionen wie der kurzen Berührung von Antennen – nicht unähnlich unseren flüchtigen Statusaktualisierungen in kurzlebigen sozialen Netzwerken – erstellen wir Netzwerke, die auf eine Welt reagieren, die sich ständig ändert, mit Ressourcen, die in Patches angezeigt werden und dann verschwinden. Diese Netzwerke sind leicht zu reparieren und können wachsen oder schrumpfen.
Ameisenkolonien wurden im Laufe der Geschichte als Vorbilder für Industrie, Gehorsam und Weisheit verwendet. Obwohl die Ameisen selbst träge, rücksichtslos und geradezu dumm sein können, können wir aus den Protokollen der Ameisenkolonie viel lernen. Die Ameisen haben Wege der Zusammenarbeit entwickelt, von denen wir noch nicht geträumt haben.
Wired Meinungsredakteur: Sonal Chokshi @smc90