Ver a las hormigas optimizar sus estrategias de búsqueda es divertido y motiva la biomimética, pero pocos son los biólogos que consideran qué requisitos de diseño lo hacen posible.

Equipos de investigación de dos universidades observaron recientemente estrategias de navegación para diferentes hormigas que viven en hábitats muy diferentes. Ambos quedaron asombrados con sus habilidades y pensaron que los hallazgos serían útiles para los ingenieros en robótica. Ambos, sin embargo, simplemente le hicieron un pase lateral a Darwin para explicarle lo que observaban. “Evolucionó”, dijeron con desdén, pensando que el trabajo explicativo estaba hecho. Los teóricos del diseño saben mejor. Entienden los requisitos de hardware y software para optimizar un algoritmo de búsqueda.

Hormigas de árbol

El primer equipo, procedente de Stanford y publicado en PNAS, estudió hormigas arbóreas. La hormiga tortuga arbórea (Cephalotes goniodontus), común en los subtrópicos de México, puede resolver el “problema del camino más corto” mientras navega sobre las ramas de árboles y arbustos, dicen estos autores. Encontrar el camino más corto es un problema complicado que enfrentan los proveedores de servicios que entregan bienes. La Universidad de Texas explica el «problema del cartero chino»:

Es el problema al que se enfrenta el cartero chino: desea recorrer todas las calles de una ciudad para entregar las cartas, con la menor distancia posible. El problema es cómo encontrar el recorrido cerrado más corto del gráfico en el que cada borde se recorre al menos una vez, en lugar de exactamente una vez. [Énfasis añadido.]

En un árbol, las ramas se pueden considerar «bordes» y los puntos de ramificación se pueden considerar «vértices». Piense en la complejidad de las ramas que van de un lado a otro, con fuentes de alimento a distancias desconocidas del nido. ¿Cómo minimizan las hormigas el costo energético de buscar, localizar y recuperar su comida? ¿Y qué hacen cuando hay obstáculos en el camino?

Aquí, investigamos cómo las redes de senderos de la hormiga tortuga arbórea (Cephalotes goniodontus) pueden resolver variantes del problema del camino más corto, un problema de optimización básico en grafos. Los algoritmos de libros de texto para este problema encuentran soluciones óptimas utilizando el conocimiento de toda la red. Las hormigas tortuga anidan y se alimentan en la copa de los árboles del bosque tropical; su red de senderos está restringida a estar en un gráfico natural formado por ramas y enredaderas enredadas (Fig. 1), y ninguna hormiga tiene información global sobre la red. Las observaciones de hormigas tortuga en el campo muestran que la red de senderos de una colonia minimiza aproximadamente el número de vértices.

Sin una hoja de ruta, cada hormiga individual debe participar de alguna manera en la solución. El equipo de investigación descubrió, en primer lugar, que las hormigas arrojan feromonas en cada vértice ya lo largo de los bordes. La fuerza de las feromonas decae con el tiempo, brindándoles datos sobre la última visita de otra hormiga. Los científicos notaron que otras dos fuentes de datos ayudan a las hormigas a encontrar el camino más corto: (1) la tasa de flujo bidireccional en un vértice y (2) la «fuga» de hormigas cuando algunas abandonan el camino para explorar. La dinámica de estas entradas ayuda a las hormigas a converger rápidamente en el camino más corto.

En resumen, nuestro modelo de cómo los caminos de las hormigas cambian con el tiempo contribuye al intercambio sinérgico entre la biología y la informática, brindando una explicación plausible de cómo las colonias de hormigas tortuga pueden encontrar caminos que minimizan el número de vértices y sugiriendo un algoritmo sorprendente para el descubrimiento del camino más corto, al aumentar la tasa de flujo, aplicable a los sistemas de ingeniería distribuida.

¿Cómo explican este sorprendente algoritmo? “La evolución ha llevado a algoritmos naturales que regulan el comportamiento colectivo en muchos sistemas biológicos”. ¿Basta de charla?

Hormigas de rocas

Otro equipo de la Universidad de Arizona investigó un tipo diferente de hormiga: una especie diminuta que habita en las grietas de las rocas. “Las hormigas van marchando… metódicamente”, dicen. Su trabajo anuló una suposición sobre la navegación de hormigas: es más metódica de lo que se pensaba anteriormente. Usando una analogía familiar, comienzan,

Al pasear por una tienda de comestibles desconocida, es posible que se encuentre caminando metódicamente por cada pasillo para asegurarse de encontrar todo lo que necesita sin cruzar el mismo camino dos veces. A veces, se desviará de este proceso ordenado, como cuando ve un letrero vibrante de «se vende» en la tienda o se da cuenta de que olvidó algo. Según un estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Arizona, algunas hormigas buscan alimento y refugio de manera similar.

Stefan Popp y Anna Dornhaus recolectaron hormigas de roca (Temnothorax rugatulus) cerca de Tucson y realizaron un experimento en su laboratorio donde pudieron observar sus movimientos con cámaras y software de seguimiento. Esta especie no forma los caminos de hormigas familiares que encontramos en nuestros hogares; más bien, los individuos se alimentan por su cuenta.

La evidencia anecdótica sugiere que en su mayoría se alimentan de pequeños artrópodos vivos o muertos y lamen líquidos azucarados de manera oportunista. Los individuos pueden discriminar sus propias feromonas de las de otras hormigas y no se sienten atraídas ni siguen los rastros de sus compañeras de nido hacia la comida. Sus características de buscar comida individualmente, tener un rango relativamente pequeño en comparación con otras especies de hormigas y el tamaño pequeño de la colonia hacen de estas hormigas una buena especie de estudio para investigar la eficiencia de búsqueda de las forrajeras de Central Place.

Contrariamente a las expectativas, las hormigas individuales no se movían de manera aleatoria, sino que caminaban de un lado a otro mientras exploraban. Los cazadores a menudo entrenan a sus perros para captar olores utilizando un método similar. El perro puede necesitar la guía del cazador cuando está bloqueado por un obstáculo. Sin embargo, estas pequeñas hormigas, cuando se enfrentan a un obstáculo, cambiarán al modo aleatorio para continuar. ¿Cómo logra esta estrategia de navegación optimizar la ruta?

«Hasta ahora, la suposición generalizada era que los animales de búsqueda libre son incapaces de buscar nuevos recursos metódicamente», dijo Popp. «La mayor parte de la investigación previa sobre el comportamiento de búsqueda solo se centró en situaciones en las que el animal ya está familiarizado con el lugar al que se dirige, como volver a la entrada del nido o volver a una fuente de alimento memorable».

“Según estos resultados, muchos animales pueden estar utilizando combinaciones complejas de búsqueda aleatoria y sistemática que optimizan la eficiencia y la solidez en hábitats reales y complejos”, dijo Dornhaus. «Este descubrimiento abre una forma completamente nueva de ver todos los movimientos de los animales».

Al igual que en la investigación anterior, este equipo cree que lo que descubrió ayudará a los diseñadores de robots y a otros solucionadores de problemas. La estrategia de las hormigas también “tiene el potencial de unificar diferentes campos de la ciencia” y proporcionar “aplicaciones para entornos reales donde una búsqueda completamente sistemática fallaría ante un obstáculo”.

Entonces, ¿cómo explica este equipo el origen de esta estrategia de búsqueda robusta y adaptable? Evolucionó. ¡Evolucionó en todo el mundo! «Según los investigadores, la ventaja evolutiva de los meandros que se encuentra en estas hormigas de roca podría haber evolucionado también en otras especies de insectos y animales».

Hormiga lo que solía ser

¿Es útil en ciencia arrojar la explicación de una habilidad compleja a una serie de errores del pasado no explicados? ¿Alguien puede realmente imaginarse a unas pre-hormigas sin estas habilidades logrando las espectaculares innovaciones que hacen que sus habilidades de navegación sean tan atractivas?

Ambos equipos se dan cuenta, por supuesto, de que los ingenieros que usarán sus hallazgos para construir robots u optimizar los algoritmos de búsqueda tendrán que aplicar sus mentes inteligentes con diligencia para tener éxito como lo han hecho estas diminutas hormigas. Sin duda, los ingenieros tendrían que elaborar un conjunto de requisitos antes de crear una aplicación exitosa. ¿Están los biólogos evolutivos pasando por alto los requisitos para la navegación de hormigas?

En su excelente libro Animal Algorithms, pp. 62-65, Eric Cassell comparte asombrosas capacidades adicionales de las hormigas. Menciona que el cerebro de una hormiga tiene un cuarto del tamaño del cerebro de una abeja, con unas 250.000 neuronas. Dentro de ese diminuto cerebro, opera un software elegante que puede realizar el reconocimiento de puntos de referencia, el análisis de vectores y la integración de rutas, utilizando múltiples entradas sensoriales: una brújula solar, feromonas y luz polarizada. Además, el cerebro requiere como mínimo suficiente memoria para almacenar y recuperar la información, un odómetro para medir la longitud del camino y algoritmos de decisión para la quimiotaxis. Todo esto debe estar bajo control central para permitir la integración de rutas. Sin estos requisitos en cada individuo, las hormigas no podrían realizar las maravillas que admiran los científicos. Cassell pregunta al final de esta discusión: «¿Cómo se originaron estos complejos comportamientos programados?» La pregunta merece una mejor respuesta que «Evolucionaron».

Artículo publicado originalmente en inglés por David Coppedge en Evolution News & Science Today