Карусель смерти: как идеальная система муравьёв превращается в смертельный круг

На ролике, который регулярно всплывает в соцсетях, сотни муравьёв бегут по кругу на ровной площадке. Круг плотный, вращается против часовой стрелки, и в нём нет ни входа, ни выхода. Муравьи не заблудились в привычном смысле: каждый уверенно следует за соседом, чувствует свежий запах дороги и делает ровно то, что миллионы лет помогало его виду выживать. Через сутки-двое движение замедлится, на асфальте начнут появляться неподвижные тела, а к концу третьего дня от колонии почти никого не останется.

Это явление называют каруселью смерти, муравьиной спиралью смерти или муравьиным кругом. Ниже объясняется, почему в эту ловушку попадают именно кочевые муравьи, кто впервые её описал, почему эволюция не устранила этот «баг», как он связан с математикой рыбьих косяков и программированием и почему у людей и других животных похожее круговое движение, наоборот, становится защитным приёмом.

Что такое карусель смерти

Карусель смерти — это устойчивое круговое движение группы животных, которое не ведёт ни к пище, ни к дому и не прекращается, пока участники не погибнут от истощения. Классический и самый известный случай связан с кочевыми, или армейскими, муравьями тропиков Америки. В научной литературе на английском это явление называют ant mill, «муравьиная мельница», а в популярных текстах — death spiral, спираль смерти.

Важная деталь, которая отличает карусель от обычной суеты в муравейнике: круг поддерживает сам себя. Каждый муравей, пробегая по нему, оставляет новый слой пахучего вещества. Чем дольше вращается круг, тем сильнее запах, а чем сильнее запах, тем надёжнее он удерживает в кругу и старых участников, и новых муравьёв, которые на него наткнулись.

Как это выглядит со стороны

• Сотни или тысячи муравьёв движутся по замкнутой траектории, обычно в одном направлении.
• Внутри круга часто образуется пустое пространство, а сам «поток» имеет ширину в несколько десятков особей.
• Траектория может быть почти идеальной окружностью, а может напоминать неровную спираль или вихрь.
• Со временем муравьи замедляются, на внешнем и внутреннем краях появляются неподвижные или умирающие особи.
• Иногда часть потока отрывается по касательной и уходит в сторону, и тогда круг может распасться.

Кто попадает в ловушку: кочевые муравьи

Почти все известные случаи карусели смерти связаны не с теми муравьями, которых мы видим в российском лесу, а с особой группой — кочевыми муравьями из подсемейства дорилин (Dorylinae). В Новом Свете это роды Eciton, Labidus, Neivamyrmex и некоторые другие.

Слепые охотники

Рабочие кочевых муравьёв почти или полностью лишены зрения. У одних видов вместо сложных глаз по одному простому фасеточному «глазку», у других глаз нет вовсе. Они не ориентируются по солнцу, деревьям или линии горизонта, как многие другие муравьи. Их мир состоит из запахов и прикосновений, и в этом мире главный ориентир — химический след, оставленный сородичами, и тело муравья, который бежит впереди.

Армия без дома

Кочевые муравьи не строят постоянных муравейников. Колония живёт фазами: в одной она каждую ночь переходит на новое место, в другой несколько недель стоит лагерем, пока матка откладывает яйца. Лагерь называют биваком: это живое гнездо из сцепившихся телами рабочих, внутри которого находятся матка, личинки и куколки. Колония крупных видов вроде Eciton burchellii может насчитывать сотни тысяч особей.

Днём из бивака выходят охотничьи колонны и веером прочёсывают лесную подстилку, хватая насекомых, пауков, скорпионов, иногда мелких позвоночных. Всё это возможно только при одном условии: десятки тысяч слепых насекомых должны двигаться согласованно, не теряя друг друга. И эту задачу у кочевых муравьёв решает одно простое правило.

Одно правило на всех

Упрощённо его можно сформулировать так: иди туда, где сильнее запах следа и где бегут другие. Муравей, который выходит из бивака, выделяет из желез на брюшке феромон, оставляя невидимую дорожку. Следующий муравей чувствует её усиками, следует по ней и добавляет свой слой. Тропа становится всё более насыщенной, и по ней устремляются новые особи. Для огромной колонии в тёмной, загромождённой лесной подстилке это блестящее решение: никакого центрального управления, никаких карт, никакой памяти о местности, а колонна идёт ровно и быстро.

Понять масштаб этого механизма помогает история открытия. Химическую природу муравьиных следов впервые показал американский биолог Эдвард Уилсон: в начале 1960-х он выделил из желёз огненных муравьёв вещество, которое заставляло сородичей идти по нарисованной им линии. С тех пор следовые феромоны найдены у множества видов, но у кочевых муравьёв зависимость от них особенно жёсткая.

Механика ловушки: почему круг не размыкается

Карусель смерти — это не сбой какого-то отдельного муравья. Это правильная работа простого правила в неправильных условиях.

Как возникает круг

Чтобы правило «иди по самому сильному запаху» начало вести к гибели, нужно, чтобы группа муравьёв потеряла связь с основной колонной. Это происходит в нескольких типичных ситуациях:

1. Ливень смывает след. Тропический дождь стирает химическую дорожку, и часть муравьёв оказывается отрезанной от бивака.
2. Колонна разрывается. Ветка, животное, человек или поток воды разделяет поток, и отделившаяся группа начинает искать продолжение тропы.
3. Ровная открытая поверхность. На бетоне, асфальте или камне нет неровностей, которые в лесной подстилке разрывали бы траекторию и уводили муравьёв в стороны.
4. Лабораторная ёмкость. В чашке или на арене со стенками муравьи бегут вдоль края, и стенка сама задаёт кривизну.

Дальше всё решает случай. Муравьи, потерявшие след, начинают двигаться за теми, кто впереди. Траектория головной группы слегка изгибается, хвост группы тянется за ней, и в какой-то момент голова натыкается на собственный свежий след. Для муравья это сигнал «вот она, тропа», и он уверенно идёт по ней. Круг замкнулся.

Почему муравьи не выходят

Ключ в положительной обратной связи. Каждый круг усиливает запах. В лесу след ведёт от бивака к добыче и обратно, и обратная связь делает удачную тропу популярной. На карусели та же обратная связь делает популярной тропу, которая никуда не ведёт.

У отдельного муравья нет способа понять, что он ходит по кругу. Он не видит, не запоминает пройденные места, не считает обороты. Всё, что он воспринимает, говорит ему, что он на правильном пути: под лапами насыщенный феромон, впереди и сзади бегут сородичи. Для муравья в карусели нет признаков беды, пока не наступит истощение.

Чем это заканчивается

Муравьи бегут без еды и воды. Запасы энергии у рабочих небольшие, и через сутки-двое начинается массовая гибель. Тела падают с краёв потока, а оставшиеся продолжают двигаться, пока хватает сил. Если в кругу оказалась значительная часть колонии, колония может погибнуть целиком.

Но исход не всегда трагический. Карусель может разорваться, если:

• часть муравьёв случайно сходит с траектории и формирует новую тропу, на которую переходят другие;
• рядом проходит основная колонна, и её след оказывается сильнее;
• внешнее вмешательство, например поток воды или упавший лист, рвёт круг;
• кривизна траектории постепенно растягивается, и спираль «разматывается».

Некоторые популярные тексты описывают муравьёв-«героев», которые выводят остальных из круга. Красивая формулировка, но разумнее объяснять такие случаи статистикой: в потоке из тысяч особей всегда есть отклонения, и иногда одно из них даёт начало новой тропе.

Хроника каруселей: кто и когда их видел

Уильям Биб, 1921 год

Первое подробное описание оставил американский натуралист Уильям Биб, работавший в тропическом лесу Британской Гвианы, нынешней Гайаны. В книге «На краю джунглей» (1921) он рассказал о круге кочевых муравьёв длиной около 1200 футов, то есть примерно 365 метров по окружности. Каждый муравей, по оценке Биба, тратил на один оборот около двух с половиной часов, и круг вращался больше суток.

Здесь стоит поправить распространённую ошибку: в ряде русскоязычных статей эту цифру выдают за диаметр. Круг диаметром 370 метров был бы длиной больше километра, а это уже совсем другой масштаб. В описании Биба речь идёт о длине окружности.

Теодор Шнейрла, 1944 год

Американский психолог и знаток кочевых муравьёв Теодор Шнейрла посвятил большую часть научной жизни изучению Eciton и Labidus. В 1944 году он опубликовал статью с описанием «уникального случая кругового движения» у муравьёв Labidus praedator, которых застал на бетонной дорожке после дождя на острове Барро-Колорадо в Панаме. По его наблюдениям, муравьи кружили больше суток, и к концу большая часть участников погибла. Шнейрла сделал из этого важный вывод: поведение, которое в обычной обстановке выглядит разумным и согласованным, на деле складывается из простых реакций отдельных особей, и в непривычной среде эти реакции могут работать против колонии.

Жан-Анри Фабр и гусеницы, конец XIX века

Хотя карусель обычно связывают с муравьями, первый знаменитый эксперимент поставили с гусеницами. Французский натуралист Жан-Анри Фабр изучал сосновых походных шелкопрядов, гусениц, которые передвигаются гуськом, нос к хвосту, оставляя шёлковую нить. Фабр подвёл цепочку на край большой каменной вазы так, что голова колонны догнала её хвост. Круг замкнулся, и гусеницы, следуя за нитью и друг за другом, ходили по краю вазы почти неделю, хотя пища была совсем рядом. Цепочка распалась лишь тогда, когда отдельные ослабевшие гусеницы стали сходить с траектории.

Современные наблюдения

С появлением смартфонов видео муравьиных кругов стали регулярно появляться в сети, чаще всего из Латинской Америки и с юга США, где обитают кочевые муравьи рода Neivamyrmex. Биологи используют такие записи как дополнительный материал, а в лабораториях карусели воспроизводят специально, чтобы проверить модели коллективного движения.

Почему эволюция не исправила баг

Логичный вопрос: если поведение способно уничтожить колонию, почему естественный отбор не выработал защиту? Ответ лучше всего сформулировал французский биолог Фредерик Дельсюк в эссе 2003 года с говорящим названием «Кочевые муравьи в ловушке собственной эволюционной истории».

Цена и выгода

Правило «следуй за запахом и соседом» обслуживает каждый шаг жизни колонии: охоту, переселение, доставку добычи, защиту бивака. В естественной среде, в лесной подстилке с её корнями, листьями и неровностями, условия для замкнутого круга возникают редко. Цена редкой катастрофы оказывается ниже выгоды от сверхэффективной системы, которая работает каждый день. Колония, которая стала бы осторожнее, медленнее и «умнее», могла бы чаще проигрывать в охоте и конкуренции.

Изящество простых правил

Другие исследования показывают, насколько тонко кочевые муравьи настроены на жизнь в колонне. Британские биологи Иэн Кузин и Найджел Фрэнкс в 2003 году описали дорожное движение у Eciton burchellii: муравьи, бегущие от бивака, и муравьи, возвращающиеся с добычей, сами собой распределяются по разным полосам, так что столкновений становится меньше. Никто не регулирует этот поток. Полосы возникают из простых реакций при встрече двух муравьёв. Карусель смерти — оборотная сторона той же системы: если простые правила способны создать сложный порядок, они способны создать и сложную ловушку.

Аналогия с людьми

Похожим образом работают многие человеческие эвристики. Привычка доверять мнению большинства в большинстве ситуаций экономит силы и даже спасает жизнь, но в редких случаях приводит к массовым ошибкам. Отказаться от неё целиком было бы дороже, чем иногда ошибаться вместе со всеми.

Карусель в математике стаи

Для тех, кто изучает коллективное движение, муравьиная карусель — частный случай общего явления, которое встречается у рыб, птиц, бактерий и даже роботов.

Три состояния стаи

В 2002 году Иэн Кузин с коллегами опубликовал модель, в которой каждая особь подчиняется трём правилам: не подходить к соседям слишком близко, выравнивать направление движения с ближайшими и не отрываться от группы. Меняя радиусы, в которых действуют эти правила, исследователи получили три характерных типа поведения:

• Рой — особи держатся вместе, но двигаются беспорядочно.
• Параллельное движение — все плывут или летят в одном направлении, как косяк сельди.
• Тор, или мельница — группа вращается вокруг пустого центра.

Третье состояние и есть математический родственник муравьиной карусели. У рыб такой вращающийся косяк, например у барракуд или каранксов, служит защитой и способом держаться вместе. У слепых муравьёв, привязанных к следу, это состояние оказывается ловушкой, потому что у них нет внешних сигналов, способных его разрушить.

Почему именно круг

Замкнутая траектория — естественный результат, когда каждый участник следует за впереди идущим, а группа не имеет внешней цели. Любая линия, у которой нет конца, при небольшом постоянном изгибе превращается в окружность. Для муравьёв этот изгиб даёт асимметрия движения, неровности поверхности или стенка лабораторной ёмкости.

Чему муравьи научили программистов

Самый неожиданный поворот в истории карусели смерти связан с компьютерами.

Муравьиный алгоритм

В начале 1990-х итальянский исследователь Марко Дориго предложил алгоритм оптимизации, основанный на поведении муравьёв. Виртуальные «муравьи» ищут короткий путь в графе, оставляя на рёбрах цифровой «феромон». Чем короче путь, тем больше муравьёв успевает пройти по нему, тем сильнее «запах» и тем больше новых муравьёв выбирает это направление. Такие алгоритмы применяют для маршрутизации, логистики и составления расписаний.

Испарение как защита от карусели

Разработчики быстро столкнулись с проблемой, знакомой муравьям: система может «застрять» на неудачном пути, который случайно получил много феромона. Решение — искусственное испарение: на каждом шаге количество «запаха» на всех рёбрах уменьшается. Старые пути постепенно забываются, и система продолжает искать новые варианты. По сути, программисты добавили в алгоритм то, чего не хватает муравьям в карусели: возможность разлюбить дорогу, которая никуда не ведёт.

Роевые роботы и бесконечные циклы

В робототехнике, где группы простых роботов учат двигаться согласованно, карусели тоже возникают. Если правило «следуй за соседом» не дополнено чем-то ещё, роботы могут начать бесконечно ездить по кругу. Поэтому в программы добавляют элементы случайности, ограничения по времени или внешние ориентиры.

Программисты узнают в карусели смерти и знакомую ошибку — бесконечный цикл, когда программа повторяет одни и те же шаги, потому что условие выхода никогда не выполняется. Отсюда популярная метафора «баг в прошивке муравьёв», которую любят популярные издания. Метафора удачная, но с оговоркой: это не ошибка в коде, а цена за код, который в обычных условиях работает безупречно.

Кто ещё ходит по кругу

Круговое движение до изнеможения — не исключительно муравьиная история.

Гусеницы-походники

Походные шелкопряды, которых изучал Фабр, обитают и в Европе, включая юг России. Их гусеницы переходят с дерева на дерево цепочкой, и если цепочка замыкается, может повториться сценарий, описанный французским натуралистом. Сами гусеницы покрыты жгучими волосками, поэтому трогать их руками не стоит.

Рыбы

Вращающиеся косяки барракуд, каранксов и других рыб — эффектное зрелище, которое любят дайверы. В отличие от муравьёв, рыбы видят и в любой момент могут выйти из вращения. Для них это способ держать косяк вместе и затруднить хищнику выбор жертвы.

Овцы, которые ходили по кругу почти две недели

В ноябре 2022 года мир облетело видео из Внутренней Монголии в Китае: стадо овец почти две недели ходило по кругу на скотном дворе. Объяснений предлагали несколько: стереотипное поведение от долгого содержания в тесноте, стадный инстинкт, при котором овцы следуют за впереди идущими, и даже заболевание, при котором животные склонны двигаться по кругу. Окончательного вывода в открытых источниках так и не появилось, но сходство с муравьиной каруселью бросилось в глаза многим.

Северные олени

У северных оленей круговое движение — защитная реакция. При нападении хищника стадо начинает бежать по кругу, и выбрать отдельное животное становится трудно. Оленеводы хорошо знают это поведение и учитывают его при работе со стадом.

Приём «карусель»: когда круг спасает

Запрос «приём карусель смерти» показывает, что круговое движение интересует людей не только как природная ловушка. В истории есть немало примеров, когда люди сознательно использовали «карусель» как приём, и в этих случаях круг работал на выживание.

Кавалерийский караколь

В XVI–XVII веках европейская кавалерия с колёсцовыми пистолетами использовала манёвр караколь. Шеренги всадников по очереди подъезжали к противнику, давали залп и уходили назад по дуге, чтобы перезарядиться, уступая место следующей шеренге. Строй непрерывно вращался, обеспечивая почти постоянный огонь. Само слово «карусель» в европейских языках происходит от конных военных игр, где всадники двигались по кругу.

Оборонительный круг в авиации

Во время Первой мировой войны распространился лётный приём, известный как круг Люфбери, по имени франко-американского аса Рауля Люфбери. Группа самолётов вставала в замкнутый круг, и каждый лётчик прикрывал хвост летящего впереди. Атаковать такую группу было трудно: любой нападающий попадал под огонь следующей машины. Во Второй мировой войне похожий оборонительный круг использовали экипажи штурмовиков, в том числе советских Ил-2, а в мемуарах лётчиков такие построения нередко называют каруселью.

Ковбои и стадо в панике

Американские погонщики XIX века знали приём, который почти дословно повторяет муравьиную «мельницу», только с обратным знаком. Когда стадо быков в панике неслось вперёд, ковбои на лошадях обгоняли головных животных и разворачивали их, пока стадо не начинало кружить на месте. Это называлось milling, тем же словом, которым позже стали обозначать муравьиный круг. Кружащее стадо постепенно теряло скорость и успокаивалось, вместо того чтобы сорваться с обрыва или разбежаться по прерии.

Общая закономерность

Разница между спасительной и смертельной каруселью сводится к одному: есть ли у участников способ выйти из круга. Рыбы, олени и лётчики видят обстановку и прерывают вращение, когда опасность миновала. Ковбои управляют стадом снаружи. У слепых муравьёв, привязанных к собственному запаху, выхода нет.

Карусель смерти как метафора

Яркий образ давно вышел за пределы биологии. Психологи, экономисты и публицисты используют его, чтобы описать ситуации, в которых люди продолжают делать одно и то же, потому что каждый шаг кажется правильным, а целое ведёт в никуда.

Психология

Психологи сравнивают с каруселью руминацию — навязчивое прокручивание одних и тех же мыслей. Каждый новый круг тревожных размышлений создаёт ощущение работы над проблемой, но не приближает к решению, а только «усиливает след»: мысль становится всё более привычной и всё труднее от неё отвлечься. Выход, как и у муравьёв, обычно лежит за пределами круга: смена обстановки, разговор с другим человеком, действие вместо размышления. Если такие циклы мыслей мешают жить, стоит обратиться к специалисту.

Экономика и общество

Похожие механизмы описывают и для групп людей. Инвесторы покупают актив, потому что его покупают другие, и рост цены сам становится аргументом для новых покупок. Информационные пузыри в соцсетях работают по сходной схеме: алгоритм показывает то, что набрало реакцию, реакция усиливает показ, и круг замыкается. Аналогия не точная, люди не слепы и могут выйти из потока, но образ муравьёв, уверенно бегущих по замкнутой тропе, хорошо передаёт, как коллективное поведение может обманывать каждого участника.

Можно ли увидеть карусель смерти в России

Короткий ответ: в природе вряд ли. Муравьи, которые живут в российских лесах, — рыжие лесные, луговые, чёрные садовые и другие — устроены иначе, чем кочевые.

Почему наши муравьи не попадают в ловушку

• Они видят. У рыжих лесных муравьёв развитые сложные глаза, и они ориентируются по солнцу, кронам деревьев и ориентирам на местности.
• У них есть дом. Постоянный муравейник служит точкой отсчёта, а дороги к нему используются годами.
• Они запоминают маршруты. Многие муравьи способны учиться и использовать знакомые зрительные ориентиры, а не только запах.
• Им не нужно двигаться огромной колонной. Фуражиры часто ходят поодиночке или небольшими группами, а одиночного муравья след не затянет в многотысячный водоворот.

Если вам попадётся группа муравьёв, бегающих по кругу у крыльца или на тротуаре, это скорее временная суета вокруг упавшей приманки или разрушенного участка тропы. Через несколько минут такие круги обычно распадаются.

Где посмотреть

Тем, кто хочет увидеть кочевых муравьёв в природе, стоит ехать в тропики Центральной и Южной Америки. Биостанции Коста-Рики и Панамы, например остров Барро-Колорадо, где работал Шнейрла, давно принимают учёных и натуралистов. Встретить колонну кочевых муравьёв там удаётся довольно часто, карусель смерти — гораздо реже, и это, пожалуй, к лучшему для муравьёв.

Интересные факты о карусели смерти

• Слово «карусель» происходит от итальянского carosello, которым называли конные военные игры, и лишь позже оно стало обозначать аттракцион.
• В английском языке муравьиный круг называют ant mill, «муравьиная мельница», потому что поток напоминает вращение мельничного жернова.
• По оценке Уильяма Биба, один муравей в его круге тратил на полный оборот около двух с половиной часов.
• Колония кочевых муравьёв может не иметь постоянного дома и жить в «гнезде» из собственных тел сцепившихся рабочих.
• Рабочие некоторых кочевых муравьёв полностью слепы, но колонна из сотен тысяч особей движется так согласованно, что в ней возникает разделение на полосы встречного движения.
• Гусеницы Фабра ходили по краю вазы почти неделю, хотя пища находилась на расстоянии нескольких сантиметров.
• Программисты, создавая «муравьиные» алгоритмы, специально добавили испарение цифрового феромона, чтобы система не попадала в аналог карусели смерти.
• Тот же термин milling, что описывает муравьиный круг, ковбои использовали для приёма, которым останавливали паническое бегство стада.
• Математически муравьиная карусель родственна вращающимся косякам рыб, только у рыб это защита, а у муравьёв ловушка.
• Карусель смерти наблюдали и на природе, и в лаборатории, но до сих пор нет надёжных данных о том, как часто она случается в диком лесу: большинство кругов, вероятно, просто никто не видит.