Včely řeší složitý matematický problém

Helena Vrecková  |  Příroda
Foto: Shutterstock.com

Problému obchodního cestujícího (viz Wikipedia) se věnuje mnoho vědců a matematiků. Snaží se najít způsob, jak při plánování trasy co nejrychleji najít nejkratší možné cesty procházející všemi zadanými body na mapě.

Že stačí prohledat všechny možné varianty a vybrat tu nejkratší? Obtíž je v tom, že se zvyšujícím se počtem měst počet možných cest velmi rychle roste. Hlavním cílem je tedy najít rychlý způsob hledání nejkratších cest.

Z kytky na kytku, z města do města

O včelách většina lidí ví, že žijí v úlech a sbírají nektar z květin. Zatím ale nikoho nenapadlo blíže se zaměřit na trasy, kterými včely při sběru pylu létají. Tomuto problému se začali věnovat vědci z univerzity Queen Mary v Londýně. A výsledek byl nečekaný.

Při zkoumání trasy letu zjistili, že včela vybírá květiny v co nejkratší možné vzdálenosti. Také se nikdy na žádný květ nevrací dvakrát. Efektivně tak řeší Problém obchodního cestujícího.

Vědci k výzkumu použili počítačem řízené umělé květiny. Rozmístili je do prostoru a monitorovali pohyb včely. Po přeměření vzdáleností květin došli k závěru, že včela využila nejkratší možné cesty. Poté přidali další květiny, promíchali je s rostlinami, které již včela navštívila. Očekávali, že včela nejdříve navštíví již známé květiny a teprve poté poletí k novým. Avšak včela i v nových podmínkách našla nejefektivnější trasu, aniž by nejdříve letěla ke známým květům.

Foto: Wikipedia

Včelí taktika letu vychází z nutnosti najít v přírodě nejkratší cestu k opylování největšího možného počtu květin a zároveň pak spolehlivě najít cestu domů. Může se to zdát triviální, ale musíme brát v úvahu, že to dokáže živočich s mozkem o velikosti menší než je špendlíková hlavička. Navíc zvládne vyhodnotit situaci mnohem rychleji než současné počítače.

Počítače sice dokážou během pár minut nalézt nejvhodnější trasu, avšak pouze s minimálním počtem zadaných míst. Se zvyšujícím se počtem měst se zvyšuje i doba potřebná k vyřešení úkolu. Proto v případech s vysokými počty míst počítače nevyhledají nejlepší řešení, ale jen takové, které přibližně odpovídá zadaným parametrům (nejkratší vzdálenost a nejnižší možný čas).

Na tomto principu fungují také automobilové navigace. Pokud hledáme trasu v přehledné silniční síti, pak navigace vyhodnotí optimální cestu. Ovšem v případě větší vzdálenosti a vyššího počtu dopravních uzlů přístroj zvolí přibližně nejvhodnější trasu. Jestli vás toto téma zajímá, přečtěte si, jak navigace hledají optimální trasu.

Včela má – oproti technice – také schopnost rozhodnout se o trase za letu, bez nutnosti přepočítání veškerých možností. I přesto však otázka praktického využití včely jako efektivního plánovače trasy stále zůstává otevřena.

Bakterie řeší matematický problém

Další živočišnou alternativou k řešení Problému obchodního cestujícího jsou bakteriální počítače. Výzkumný tým z ústavu biologie na Western State University v Missouri dokázal hledat trasu pomocí bakterie Escherichie coli.

Výhodou bakteriálního počítače je, že miliony bakterií zkoumají všechny možné trasy najednou, zatímco klasický počítač se zabývá vždy jedinou možností. Množení bakterií navíc vede ke zvyšování výkonu počítače.

Černobílý snímek bakterie Escherichie coli. Foto: Wikipedia

Vědci bakteriím poupravili DNA tak, aby se při nalezení správné odpovědi pozměnila jejich původní barva. Bakteriím zakódovali zjednodušenou formu problému. Města zastupovala určitá kombinace genů, která se ve výsledku projevila schopností zářit červeně nebo zeleně. Bakterie produkující správnou odpověď získaly žlutou barvu (zkombinovaná červená a zelená barva).

Naprogramování bakterií ale opět není jednoduchou záležitostí, proto se v nejbližší době s rozšířením této techniky pravděpodobně nesetkáme.

Další čtení

O výzkumu včelího letu informuje web Popular Science nebo Chicago journals. Podrobně se o bakteriálních počítačích dočtete v časopise pro biologické inženýrství (PDF) nebo česky na webu Gate2Biotech. Článek bakteriím věnoval i web Science Daily.

Nejčtenější