Слизевики и дороги (1/2) Гений топологии

Все сети, природные или рукотворные, развиваются по одному и тому же принципу. Требуется решение комбинаторной задачи, смысл которой состоит в сбалансированном распределении усилия между несколькими целями. В нашем случае речь о нахождении компромисса между поиском кратчайшего расстояния между точками и минимальным количеством путей, необходимых для этого.

Природные объекты, даже такие внешне простые, как слизевик физарум многоглавый (Physarum polycephalum), способны оптимально распределять связи между важными точками, что по мнению учёных открывает путь к неожиданному способу проектирования топологических сетей. У физарума полностью отсутствует нервная система, при этом он старается избегать яркого света и способен обнаруживать еду, трансформируясь в эффективную сеть тонких трубок, расширяющуюся в направлении наибольшего количества питательных веществ. Физарум всегда пробует несколько вариантов поиска пищи, быстро отказывается от неудачных путей и выбирает самый эффективный, выполняя даже неприятные для него вещи ради её получения (преодоление мостиков из соли или кофе — такой эксперимент проводился в университете Тулузы).

Существо, способное ориентироваться в пространстве методом перебора вариантов и при этом строить оптимальные маршруты к источникам пищи, не могло не привлечь внимание исследователей. В 2000 году учёные из университета Хоккайдо под руководством Тосиюки Накагаки экспериментально показали, что физарум умеет находить кратчайший выход из лабиринта. Слизевику давали заполнить лабиринт, а потом возле входа и выхода помещали кусочки еды, и через несколько часов физарум формировал единственный толстый тяж по самому короткому пути между источниками пищи, а тяжи в тупиковых и длинных ходах утончались и исчезали.

Так было положено начало целой серии исследований, в основе которых лежит способность слизевика выстраивать оптимальную структуру питания, напоминающую в том числе сеть дорог. Если взять плоское влажное блюдо и на подложке из агара, вырезанной по форме географического региона, разместить на месте городов кусочки овсяных хлопьев, то слизевик, помещённый в центр такой карты, максимально рациональным способом соединяется со всеми кусочками пищи. Для достоверности картины вместо географических препятствий использовался свет разной степени яркости.

Исследователи из Института Восточной Англии взяли карту Пиренейского полуострова и поместили слизевиков в центры Испании и Португалии. В точках расположения крупных городов положили овсяные хлопья, а озёра и горы подсветили, чтобы слизевик избегал их. Созданный узор в точности совпал с картой дорог на полуострове. В эксперименте учёных из Оксфорда и университетов Хоккайдо и Хиросимы слизевик многократно воспроизвёл карту железных дорог вокруг Токио. Аналогичным образом были воспроизведены рисунки транспортных сетей для 17-ти регионов планеты, причём, чем точнее задавались начальные условия, тем реалистичнее выглядела сеть, выстроенная физарумом. Для большей объективности каждый из этих экспериментов был воспроизведён не менее десятка раз.

Данные эксперименты позволили прийти к вполне однозначному выводу: если выстроить компьютерную модель поведения физарума, она может давать решения в различных областях от астрофизики до эволюционной биологии, и в том числе поможет находить оптимальные решения при проектировании транспортных сетей.

Для археологов это означает, что при наличии известных стоянок можно реконструировать маршруты древнейшего обмена, либо, наоборот, зная транспортные коридоры, определять расположение ещё не найденных поселений.

Источники:
📖 Кто такие слизевики, как они моделируют транспортные сети и как они могут помочь в поиске темной материи?⁠⁠
📖 Rules for Biologically Inspired Adaptive Network Design.
📖 Are motorways rational from slime mould's point of view?
📖 Evaluation of French motorway network in relation to slime mould transport networks.
📖 Approximating Mexican highways with slime mould.

#моё@cliomechanics
#ПравилаИгры@cliomechanics
#cm_модели
#cm_логистика

⚙️ Механика истории — подписаться