Một tổ kiến thu hoạch đỏ ở sa mạc Bắc Mỹ quyết định mỗi ngày cử bao nhiêu kiến đi tìm hạt mà không có con nào đếm, không có con nào ra lệnh. Mỗi con kiến ở cửa tổ chỉ để ý một điều: nó có hay gặp những con trở về tha hạt hay không. Gặp nhiều thì đi, gặp ít thì ở nhà. Nhà sinh thái học Deborah Gordon đã theo dõi các tổ kiến này hơn ba mươi năm và cho thấy nhịp gặp nhau đơn giản ấy điều tiết cả một "nền kinh tế" của tổ.
Kiến thu hoạch đỏ và người theo dõi chúng
Kiến thu hoạch đỏ (Pogonomyrmex barbatus) sống ở vùng khô hạn tây nam nước Mỹ và Mexico. Chúng ăn hạt cỏ và hạt cây bụi, tha về cất trong các buồng dưới đất. Mặt tổ là một khoảng đất trống phẳng, giữa có một cửa hang. Một tổ trưởng thành có cỡ vài nghìn tới hơn mười nghìn kiến thợ, và vì kiến chúa sống được hai ba chục năm, một tổ có thể tồn tại chừng ấy thời gian ở cùng một chỗ.
Từ giữa thập niên 1980, Deborah Gordon, sau này là giáo sư ở Đại học Stanford, cùng sinh viên của mình năm nào cũng trở lại một khu nghiên cứu ở vùng sa mạc đông nam bang Arizona, gần biên giới New Mexico. Họ lập bản đồ hàng trăm tổ, biết tuổi từng tổ, theo dõi tổ nào sinh tổ con, tổ nào chết. Ít có nghiên cứu động vật hoang dã nào theo dõi được cả quần thể "tổ" qua nhiều thế hệ như vậy.
Bốn nghề ngoài cửa tổ
Những kiến thợ làm việc bên ngoài tổ được Gordon chia thành vài nhóm nghề chính:
| Nhóm | Làm gì | Ghi chú |
|---|---|---|
| Tuần tra | Ra sớm nhất buổi sáng, đi quanh mặt tổ, kiểm tra nguy hiểm và nguồn thức ăn | Việc chúng quay về an toàn là tín hiệu cho nhóm kiếm ăn xuất phát |
| Kiếm ăn | Đi xa tìm hạt, mỗi con tha một hạt về | Nhóm lớn nhất, tốn nước nhiều nhất |
| Bảo trì tổ | Mang đất, sỏi từ trong ra, giữ đường hầm thông | Thường là kiến trẻ hơn |
| Dọn rác | Gom vỏ hạt, xác vụn thành đống rác cạnh tổ | Sắp xếp lại đống rác theo cách riêng |
Kiến có thể chuyển nghề. Trong các thí nghiệm đầu tiên, Gordon tạo thêm việc cho một nhóm, chẳng hạn rải tăm ra mặt tổ để nhóm bảo trì phải dọn, hoặc rải thêm hạt. Bà thấy số kiến ở các nhóm khác cũng thay đổi theo. Tổ phản ứng như một khối: thay đổi ở một nghề kéo theo điều chỉnh ở nghề khác, mà không có ai điều phối trung tâm.
Gặp nhau ở cửa tổ: cách kiến "đếm" hạt
Câu hỏi then chốt là làm sao tổ biết hôm nay nên cử nhiều hay ít kiến đi kiếm ăn. Mỗi chuyến đi đều có cái giá: kiến mất nước dưới nắng sa mạc, có thể bị thằn lằn hay chim bắt. Nếu hôm đó hạt khan, cử nhiều kiến là lãng phí.
Câu trả lời nằm ở cái chạm râu. Kiến nhận ra nhau qua lớp hợp chất hydrocarbon trên vỏ cơ thể; kiến đi kiếm ăn có "mùi nghề" riêng, khác kiến làm việc trong tổ. Một con kiến kiếm ăn đang chờ ở gần cửa sẽ chạm râu với những con trở về. Nếu nó gặp kiến kiếm ăn quay về mang hạt với nhịp dày, nó ra đi. Nếu nhịp thưa, nó ở lại.
Logic này rất gọn: kiến quay về nhanh nghĩa là hạt gần và nhiều. Kiến quay về chậm nghĩa là phải đi xa mới tìm thấy, hoặc không tìm thấy. Không con nào biết có bao nhiêu hạt ngoài kia; tổ đọc thông tin từ tốc độ quay vòng.
Thí nghiệm hạt cườm thủy tinh
Để chứng minh, Michael Greene và Gordon dùng những hạt cườm thủy tinh nhỏ phủ chiết xuất hydrocarbon từ kiến kiếm ăn, thả vào cửa tổ theo nhịp định sẵn, trong lúc tạm giữ những con kiến thật đang trở về. Khi hạt cườm "mang mùi kiến kiếm ăn" rơi vào với nhịp đủ dày, số kiến ra đi tăng lên. Hạt cườm sạch hay mang mùi nghề khác thì không có tác dụng ấy. Nghĩa là kiến phản ứng với cả mùi lẫn nhịp gặp.
"Anternet": khi kiến giống mạng Internet
Năm 2012, Gordon cùng nhà khoa học máy tính Balaji Prabhakar và Katherine Dektar xây mô hình toán cho cách kiến điều tiết số chuyến đi. Họ nhận ra nó giống một cơ chế đã có trong mạng Internet: giao thức TCP điều tiết tốc độ gửi dữ liệu dựa trên tốc độ nhận được tín hiệu xác nhận. Gói dữ liệu được xác nhận nhanh thì máy gửi tăng tốc; xác nhận về chậm thì máy gửi chậm lại, vì có thể mạng đang nghẽn.
Ở kiến, "tín hiệu xác nhận" là con kiến mang hạt trở về. Báo chí đặt cho phát hiện này biệt danh "anternet". Điều thú vị là kỹ sư mạng thiết kế TCP vào thập niên 1980 mà không biết gì về kiến; hai hệ thống đi tới cùng một lời giải vì cùng một bài toán: phân phối nguồn lực khi không ai nhìn thấy toàn cục và chi phí của mỗi lần thử là có thật.
| Tổ kiến | Mạng TCP |
|---|---|
| Kiến ra đi kiếm ăn | Gói dữ liệu được gửi |
| Kiến mang hạt trở về | Tín hiệu xác nhận đã nhận |
| Hạt khan, kiến về chậm | Mạng nghẽn, xác nhận chậm |
| Bớt số kiến ra đi | Giảm tốc độ gửi |
Tổ "biết kiềm chế" sống lâu hơn
Gordon không chỉ hỏi kiến làm thế nào, mà hỏi vì sao cách làm ấy được chọn lọc. Năm 2013, bà công bố trên tạp chí Nature kết quả từ nhiều năm dữ liệu: các tổ khác nhau ở mức độ "dè dặt". Có tổ cắt giảm kiếm ăn mạnh vào những ngày khô nóng; có tổ vẫn ra đi đều đặn.
Bằng phân tích di truyền, nhóm của bà xác định tổ nào là "mẹ" của các tổ con trong khu vực. Kết quả: những tổ biết giảm kiếm ăn vào ngày khô nóng lại có nhiều tổ con hơn. Ở sa mạc, nước khan hơn hạt; tiết kiệm nước còn quan trọng hơn gom thêm vài hạt. Tức là tính "biết lúc nào nên nghỉ" của cả tổ được chọn lọc tự nhiên ưu ái.
Bài học cho người điều phối khá rõ: tối đa hóa khối lượng công việc mỗi ngày không phải lúc nào cũng là chiến lược tốt. Khi chi phí mỗi chuyến tăng, hệ thống giỏi là hệ thống biết thu nhỏ hoạt động.
Không ai giao việc, sao việc vẫn được chia
Ngoài nhịp gặp nhau, các nhà nghiên cứu côn trùng xã hội còn dùng một ý tưởng gọi là mô hình ngưỡng phản ứng. Mỗi cá thể có một ngưỡng riêng cho từng loại việc. Khi "nhu cầu" của việc đó, như mùi ấu trùng đói hay lượng rác ứ lại, vượt ngưỡng của một con, con đó bắt tay làm. Con có ngưỡng thấp làm trước; nếu nhu cầu vẫn tăng, những con ngưỡng cao hơn mới nhập cuộc.
Mô hình này giải thích vì sao tổ côn trùng phân công được mà không cần quản đốc, và vì sao nó co giãn tốt: việc nhiều thì nhiều con làm, việc ít thì chỉ vài con chuyên. Ở nhiều loài kiến, các nhà nghiên cứu còn ghi nhận một phần đáng kể kiến thợ hầu như không làm gì trong phần lớn thời gian. Có giả thuyết cho rằng đó là lực lượng dự trữ, sẵn sàng thay thế khi kiến làm việc bị mất; vấn đề này vẫn đang được nghiên cứu.
So với một tổng đài điều phối
Một trung tâm điều phối của con người làm ngược lại: thu thông tin về một chỗ, rồi phân bổ từ đó. Cách này nhanh và chính xác khi thông tin đầy đủ, nhưng sụp khi trung tâm tê liệt. Cách của kiến chậm hơn, kém chính xác hơn với từng quyết định, nhưng gần như không có điểm yếu duy nhất: mất vài trăm kiến, tổ vẫn chạy. Nhiều hệ thống hiện đại, từ mạng điện tới mạng giao hàng, kết hợp cả hai: trung tâm đặt khung, phần tinh chỉnh để các nút tự làm theo tín hiệu tại chỗ.
Góc nhìn hôm nay: quan sát kiến ngay ở sân nhà
Kiến thu hoạch đỏ không sống ở Việt Nam, nhưng có thể thấy nguyên lý tương tự với kiến trong vườn. Thử đặt một mẩu bánh ngọt cách tổ vài mét, đếm số kiến đi ra trong mỗi phút trước và sau khi chúng tìm thấy. Rồi chuyển mẩu bánh xa hơn và đếm lại. Bạn sẽ thấy dòng kiến tăng giảm theo độ dễ của nguồn ăn, không cần ai chỉ đạo. Đừng dùng thuốc diệt kiến khi quan sát, và tránh xa kiến lửa cùng các loài kiến đốt đau.
Người muốn đọc kỹ hơn có thể tìm sách Ant Encounters: Interaction Networks and Colony Behavior (2010) của Deborah Gordon, viết ngắn và dễ đọc. Bà cũng có những bài nói chuyện công khai giải thích vì sao tổ kiến "không có ai làm chủ".
Câu hỏi thường gặp
Kiến chúa có ra lệnh cho kiến thợ không?
Không. Ở kiến thu hoạch đỏ và hầu hết loài kiến, kiến chúa chỉ đẻ trứng. Việc phân công diễn ra nhờ tương tác cục bộ giữa kiến thợ, như chạm râu và ngửi mùi, chứ không có lệnh từ trên xuống.
Deborah Gordon nghiên cứu gì?
Deborah Gordon là nhà sinh thái học Mỹ, giáo sư ở Đại học Stanford, nổi tiếng với việc theo dõi các tổ kiến thu hoạch đỏ ở Arizona hơn ba mươi năm. Bà nghiên cứu cách tổ kiến điều tiết công việc nhờ mạng tương tác giữa các cá thể.
Anternet là gì?
Anternet là biệt danh cho phát hiện năm 2012 rằng cách kiến thu hoạch điều tiết số con đi kiếm ăn giống giao thức TCP của Internet. Kiến quay về mang hạt đóng vai tín hiệu xác nhận: về nhanh thì tổ cử thêm kiến, về chậm thì bớt đi.
Kiến biết khi nào nên đi kiếm ăn bằng cách nào?
Kiến ở cửa tổ để ý nhịp gặp những con trở về mang thức ăn, nhận ra chúng qua mùi trên vỏ cơ thể khi chạm râu. Gặp dày thì ra đi, gặp thưa thì ở lại. Buổi sáng, kiến tuần tra quay về an toàn cũng là tín hiệu để nhóm kiếm ăn xuất phát.
Vì sao có kiến thợ dường như không làm gì?
Ở nhiều loài, một phần kiến thợ ít hoạt động trong phần lớn thời gian. Một giả thuyết cho rằng chúng là lực lượng dự trữ sẵn sàng thay thế khi cần; các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu điều này.
