TI ÚŽASNÍ, MALÍ PŘÁTELÉ – VČELKY – Start in Science (vědecký časopis pro školáky)

Každé léto relaxuji na dači. Naše rodina tráví spoustu času ve včelíně. Úly máme v zahradě a když stromy kvetou, můžete pozorovat včely při práci. Létají také na naše jabloně, jiné keře a květiny. Je to velmi pracovitý hmyz.

Všiml jsem si, že některé z nich odletěly někam ve skupinách, jiné, stoupající nízko do vzduchu a neustále směřující hlavou k úlu, se několik minut prakticky vznášely na místě a pak rychle odletěly zpět do svého domova.

Když jsem se na ně díval, měl jsem mnoho otázek. Zaujalo mě, proč některé včely odlétají, zatímco jiné se třepotají po úlu. Chtěl jsem vědět, jak je včelí kolonie strukturována, co znamená ten zvláštní „tanec“ včel. Chtěl jsem se dozvědět, jaký užitek přinášejí lidem.

Relevance Moje práce spočívá v tom, že jsem se nedávno dozvěděl, že včely byly poprvé zapsány v Červené knize. Už si zapsaly své místo v knize bolesti a úzkosti. Je velmi důležité sdělit všem, že včely mohou z naší planety Země zmizet. Včely byly poprvé zapsány na seznam ohrožených druhů ve Spojených státech amerických. Musíme zajistit, aby se tento hmyz neobjevil na stránkách Červené knihy Ruska.

Účel Účelem mé práce bylo, aby mé informace pomohly všem pochopit, jak úžasný hmyz je to, co způsobuje mizení včel a jaké výhody přinášejí.

Abych dosáhl stanoveného cíle, musel jsem sám vyřešit řadu problémů. Kromě toho jsem si na toto téma přečetl literaturu, studoval materiály na internetu, ptal se dospělých.

Myslím, že praktický význam mého sdělení spočívá v tom, že jej lze využít v hodinách o okolním světě, při psaní celoruské testovací práce ve 4. třídě a v hodinách zoologie ve vyšších ročnících.

Složení včelí rodiny

Každé včelstvo se skládá z jedné královny a několika tisíc dělnic. V létě se v něm nacházejí i samci – trubci.

V úlu nejsou žádní šéfové ani podřízení, dozorci, mistři ani účetní. Nikdo včelám neřídí práci ani jim nedává žádné úkoly. Každá včela sama, poslouchajíc svůj přirozený instinkt, vykonává velmi specifický rozsah povinností.

Mladé včely čistí úl, starají se o své potomstvo, staví plástve a zpracovávají nektar na med. Jak stárnou, začínají z úlu vylétávat a hledat nektar a pyl. Jejich zadní nohy mají speciální kartáčky a košíčky pro sběr a přenášení pylu. Pyl, který jim dopadne na chlupaté tělo během letů z květu na květ, včela zadními nohami seškrábne a umístí do těchto štětinatých košíčků. Po návratu včela pyl z košíčků odstraní a umístí ho do pláství, čímž doplní zásobu potravy pro celou kolonii.

Ústřední postavou včelí rodiny je královna, její pokračovatelka. Asi týden po narození královna dosáhne dospělosti a po výběru teplého slunečného dne vyletí z úlu na „líbánky“. Po návratu do úlu se zvětší, ztrácí schopnost létat a začne klást vajíčka. [3, s. 28]

Královna může naklást až 2 tisíce vajíček denně. Během tak intenzivní kladení královna prostě nemá čas chodit do medových buněk a krmit se. Veškerou potravu jí poskytuje 8-10 dělnic, které jsou součástí její stálé „dominy“. Čistí královnu, krmí ji vysoce výživnou potravou – mateří kašičkou. Složení družiny se neustále obnovuje.

Jazyk včelích „tanců“

Včely, stejně jako lidé, potřebují komunikovat. K tomu, stejně jako lidé, používají hmat, čich, zrak a sluch.

Včely ale mají neobvyklejší způsob přenosu informací.

Když se včela vrací domů s porcí nektaru, často používá složitý „tanec“, kdy před svými společnicemi třepe křídly a vrtí břichem. Na základě vzoru a rytmu tohoto tance ostatní včely určují, kde šťastná sběračka našla dobrý zdroj nektaru a jak tam letět. [3, s. 41]

Hodně jsem se naučil o „tanečním jazyce“ včely medonosné, který ve 20. letech 20. století objevil slavný zoolog Karl von Frisch. Včely tomuto „tanci“ rozumějí natolik dobře, že svým druhům dokážou vysvětlit, kde je zdroj potravy, jak daleko letět pro nektar, jak se dostat na správné pole, kde se odbočit nebo jakým překážkám se vyhnout.

Dozvěděl jsem se, jak k tomuto objevu došlo. Vědci už dlouho věděli, že včely mají vynikající zpravodajskou službu, ale nebylo mu jasné, jak skupina včelích kolegů organizuje své výpravy za kořistí. Aby vědec identifikoval mechanismy takové komunikace, sledoval chování včel-skautek, které ochutnaly cukrový sirup v krmítku. Byl ohromen, když po návratu do úlu včelka předvedla kruhový tanec na plástvech. Další výzkum ukázal, že včelí tanec je mnohem složitější, než se zpočátku zdálo.

Objev K. Frische zůstával dlouho předmětem pochybností; předpokládalo se, že průzkumník používá čich k vyzvání lidí k letu. Vědci nevěřili, že by včela byla schopna přenášet informace pomocí složitého systému pohybů. Ideálním řešením sporu mohly být výsledky experimentu s robotickou včelou tančící pod lidskou kontrolou. A skutečně, tímto způsobem bylo možné navázat dialog s rodinou včel, která vnímala tanec umělé včely jako informaci o vzdálenosti ke krmítkům. Samotný fakt, že včely používají „taneční jazyk“, byl potvrzen, jehož dešifrování stále probíhá. Karl von Frisch získal Nobelovu cenu a svět byl nucen uznat, že nejen tzv. „vyšší“ živočichové, ale i skromný bezobratlý tvor – včela – jsou schopni přenášet informace v symbolické formě. [3, s. 47]

Informace o zdroji potravin

Zvědové, kteří provádějí svůj tanec, s ním sdělují ostatním včelám sběračkám informace o umístění potravy, směru letu k bohatému zdroji potravy a další informace. Pokud je potrava blízko, provádí se kruhový tanec – včela se pohybuje v kruhu.

Pokud je vzdálenost k potravě větší než 100 m, provádí se kymácející se tanec. Tento tanec obsahuje komplexní informace o vzdálenosti k potravě i směru letu. Vzdálenost je kódována jako délka přímého běhu v tanci, doprovázená určitým bzučivým zvukem. [2, s. 18]

A směr letu vzhledem ke Slunci je sdělován pomocí úhlu mezi linií přímého letu a směrem gravitace. Zvěd je tak obdařen schopností nejen pamatovat si orientační body a vytvářet „vnitřní mapu“ letu ke zdroji potravy, ale také tyto informace kódovat, aby je vyjádřil jazykem tance a předal je svým druhům.

Zároveň včela skautka funguje jako zkušený kodér, který má geneticky zakotvené kódy a metody pro jejich aplikaci. Ostatní sběračky pečlivě sledují povahu jejích pohybů a překládají „jazyk tance“ do informací o tom, kde se zdroj nachází. Zároveň pro cílený pohyb k potravě pozorovatelské včely opět přepočítávají hodnotu úhlu tance ve vztahu k gravitaci a úhlu ve vztahu ke Slunci.

Výhody včel v lidském životě.

Všechny produkty životní činnosti včelí rodiny bez výjimky mají nutriční a léčivou hodnotu. I ten hrozný včelí jed je účinným lékem. I po své smrti včela přináší lidem užitek: z mrtvých včel se vyrábí lék.

Propolis je včelí lepidlo, které včely používají k utěsnění trhlin ve svých úlech. Propolis má příjemnou vůni a hořkou chuť.

Propolis má výrazné účinky proti mikrobům a virům, snižuje bolest, zastavuje zánětlivé procesy a má mnoho dalších léčivých vlastností.

Včelí jed je unikátní produkt životní činnosti včel, velmi starý léčivý prostředek. Včelí jed je průhledný, má ostrou vůni připomínající med a hořkou a pálivou chuť. [1, s. 14]

Včelí vosk je pevná látka s příjemnou medovou vůní a jednotnou strukturou. Používá se v lékařství. Je součástí některých náplastí, mastí a krémů.
Květinový pyl je přírodní koncentrát všech látek nezbytných pro normální vývoj těla. Má dobrý terapeutický účinek při následujících onemocněních: anémie, gastritida, zácpa, neurózy, zánětlivá onemocnění nervové soustavy a další.

Med není jen chutná věc, ale také bohatý zdroj vitamínů a minerálů. Obsahuje všechny vitamíny skupiny B, K, E, C, provitamin A. Med pomáhá zvyšovat imunitu organismu, zlepšuje trávení, posiluje kosti, zlepšuje funkci srdce a pomáhá člověku rychle se zotavit z nachlazení nebo virových infekcí. Med našel široké uplatnění v kosmetologii.

Díky činnosti včel lidstvo získává tisíce tun zeleniny, ovoce a semen. V důsledku opylování včelami se zvyšuje kvalita a množství semen v rostlinách, zlepšuje se chuť plodů, zvyšuje se jejich velikost a šťavnatost.[2, s. 31]

Vyhynutí včel na planetě

Světoví vědci dosud identifikovali dva hlavní důvody vymírání včel.

1. Globální oteplování planety. Faktem je, že včely jsou velmi citlivé na náhlé změny teplot a příliš dlouhá zima nebo příliš horké léto může výrazně snížit populaci kolonií. Bylo zjištěno, že vysoké teploty jsou pro včely škodlivé, nemohou v zimě plně hibernovat a spalovat tukové zásoby dlouho před jarem. V důsledku toho se na jaře přeživší hmyz probouzí slabý a rychle umírá, aniž by zanechal potomstvo.

2. Používání pesticidů na polích. Bylo zjištěno, že hmyz v potravinách

které obsahovaly látky používané lidmi k boji proti škůdcům, umíraly dvakrát častěji. Důsledky pesticidů na tělo včel jsou velmi závažné. Včela otrávená pesticidy nejprve ztratí schopnost létat v přímé linii, poté se přestane orientovat v prostoru a může se dokonce ocitnout v cizí kolonii a poté, když se koncentrace chemikálie stane kritickou, uhyne.

Pokud včely vymřou, zmizí z povrchu zemského různé rostliny, včetně zeleniny a ovoce, a to je více než 80 % druhů, a sníží se produkce potravin. Včely opylují důležité pícniny, které zajišťují výživu a rychlý, plný růst zvířat. Včely opylují plodiny, jako je bavlna a len, ze kterých šijeme oblečení a boty.

Podle vědců povede pokračující vysoká úmrtnost k vymizení včel v roce 2035. V současné době vědci po celém světě hledají řešení tohoto problému.

Práce na tomto poselství mě velmi fascinovala. Z odborné literatury jsem se dozvěděl mnoho poučného a užitečného. Patří sem role včel na Zemi a léčivé vlastnosti propolisu, medu a dalších produktů, které včely produkují. Získal jsem malý vhled do tajemství chování včel, do jejich čeledí.

Zaujala mě jejich praktičnost a organizace života.
Z výše uvedeného jsem dospěl k závěru, že včely jsou vysoce organizovaný, přátelský, sdílející zodpovědnost a milující čistotu.

A proto bych rád zakončil své poselství Kuprinovými slovy, jenže on mluvil o špačkovi, a já bych je rád přeformuloval ve vztahu k včelám:

„Jsou stejní jako my, jen jsou malí a my jsme velcí. Chovejme se tedy ke všem živým tvorům jako k sobě rovným. Jsme články jednoho řetězu, který se nazývá živá příroda, ale my – lidé, jako koruny přírody, musíme být rozumnější, mnohem prozíravější.“

Řekneme vám, jak mravenci a včely pomohli programátorům a matematikům vytvářet nové algoritmy.

Autor článků o IT technologiích. Učitel, docent. Vysokoškolským vzděláním inženýr, vysokoškolským novinář. Kandidát technických věd.

Lidé objevili mnoho zajímavých technických řešení u zvířat a rostlin. Například ptačí křídla inspirovala první výrobce letadel k vytvoření letadel a trny lopuchu přispěly k vývoji suchých zipů.

Počítačoví vědci se také obracejí k okolnímu světu a hledají lepší řešení. Algoritmy a modely převzaté z přírody nazývají bioinspirovanými – tedy inspirovanými živou přírodou.

Snad nejoblíbenějším bioinspirovaným modelem jsou umělé neuronové sítě, které napodobují práci lidských mozkových buněk. V tomto článku si však povíme o méně známých modelech: mravenčím algoritmu a algoritmu včelí kolonie. Vědci je vyvinuli pozorováním práce tisíců hmyzu, které společně řešily nepředstavitelně složité problémy.

Rojová inteligence

Jsme zvyklí vnímat mravence jako moudré tvory: staví obrovská hnízda, zabývají se „chovem dobytka“ a dokonce zajímají své příbuzné do otroctví. Paradoxem však je, že jednotlivý mravenec je velmi hloupý. Pouze společným jednáním může tento hmyz dosáhnout působivých výsledků. Jedinci s primitivními reflexy spolu interagují a projevují překvapivě efektivní chování.

Vědci se po mnoho let snažili pochopit mechanismy fungování mravenčí společnosti. Zajímal je zejména jeden fakt: při přesunu z mraveniště ke zdroji potravy si hmyz vždy zvolil nejkratší cestu. Zpočátku se snažili tento jev vysvětlit záhadnými psychopolemi, s jejichž pomocí mravenci údajně interagují.

Belgický výzkumník Marco Dorigo naštěstí vytvořil matematický model, který tento proces vědecky popsal. Publikoval ho ve své disertační práci v roce 1992 a implementoval jej jako počítačový algoritmus. Dorigův model optimalizace mravenčí kolonie (ACO) přilákal další vědce ke studiu inteligence roje.

Rojová inteligence popisuje systémy sestávající z mnoha jednotlivců, nazývaných agenti. Agenti mohou být buď skuteční roboti, nebo virtuální objekty v počítačové simulaci. Interagují spolu podle určitých pravidel a společně nacházejí řešení společného problému.

Během 30 let od objevení mravenčího algoritmu vědci vytvořili několik desítek biologicky inspirovaných modelů. A na základě inteligence roje implementovali modely, které napodobují kolonie včel, světlušek (Firefly Algorithm) a hejn ryb (Fish School Search).

Stopa feromonů

Vědci vysvětlili volbu nejkratší trasy při přesunu mravenců k potravě schopností používat feromony – páchnoucí sekrety, kterými si hmyz značí cestu. Zvláštností feromonů je, že se rychle odpařují a ztrácejí svůj zápach.

Obecně proces vypadá takto. Nejprve mravenec-zvěd prozkoumává okolí a postupně se od mraveniště vzdaluje. Když najde něco chutného (například jablko, které spadlo na zem), vrátí se do hnízda a cestu k místu si označí potravou s feromony.

Vůně, kterou po sobě zanechává, přitahuje další mravence. Cesta, kterou si zvěd zvolil, ale s největší pravděpodobností není nejkratší. Budou ji sledovat k potravě, ale někteří se omylem odchýlí od původní trajektorie.

Všechny alternativní cesty, které mravenci objeví, jsou také označeny feromony. Každý mravenec, který se pohybuje z hnízda k jablku, tak neustále narazí na rozdvojení feromonových cest. Mravenec si cestu vybírá podle jednoduchého pravidla: sledujte cestu s nejsilnějším zápachem.

Feromony se rychle odpařují. Je zřejmé, že za jednotku času projde po krátké trase více mravenců než po dlouhé. S každým novým průchodem mravence se krátká cesta stává voňavější a atraktivnější a neúčinné dlouhé trasy v důsledku odpařování feromonů mizí.

Po chvíli se téměř veškerý hmyz vydá nejkratší cestou. Jedinci, kteří se ztratili, nic nezmění: roj si při pohybu po feromonové stopě udrží svůj silný zápach.

Jak implementovat algoritmus mravenčí kolonie

Problém, který řeší mravenci, je podobný problému obchodního cestujícího: musíte navštívit několik měst najednou, zvolit nejkratší trasu mezi nimi a vrátit se do výchozího bodu.

Zvláštností problému je, že i s malým počtem měst bude počítač potřebovat několik miliard let, aby prošel všemi možnostmi. S mravenčím algoritmem však lze problém vyřešit mnohem rychleji.

Pro přehlednost se silniční síť, po které se obchodní cestující (v našem případě mravenec) pohybuje, obvykle znázorňuje jako graf, kde body odpovídají městům a hrany silnicím mezi městy. Při implementaci mravenčího algoritmu na počítači se do programu zadává počet bodů a délky všech cest.

Před spuštěním algoritmu definujeme konstanty: koeficient odpařování feromonů a koeficient jeho vlivu na volbu nové trasy.

Pak vytvoříme proměnné pro ukládání reálných čísel, která odpovídají množství feromonů na každé hraně grafu. Možná cesta mezi body bude odpovídat dvěma číslům – její délce a množství feromonů. Délka je konstantní hodnota, ale množství feromonů se bude měnit s každou iterací cyklu.

Jedna iterace cyklu se rovná jednomu průchodu mravence po uzavřené trase. Čím více iterací, tím více podmíněných mravenců projde po silniční síti a tím vyšší je pravděpodobnost nalezení nejkratší trasy. Po splnění výstupní podmínky (může se jednat například o předem určený počet iterací) cyklus skončí a program uloží optimální trasu.

Pseudokód algoritmu:

V každé iteraci jsou mravenci znovu inicializováni. To simuluje hledání cesty z nového bodu (to je možné, protože hledáme uzavřenou trasu).

V každém uzlu grafu se mravenec podle jednoduchého pravidla rozhodne, kterou z možných tras bude pokračovat ve svém pohybu. Mravenec si vybírá další bod, který navštíví, s pravděpodobností přímo úměrnou množství feromonu na cestě a nepřímo úměrnou délce cesty.

Poté, co mravenec dokončí celou trasu a dorazí do výchozího bodu, se aktualizují hodnoty proměnných s počtem feromonů na každé hraně grafu.

Nejprve se vynásobí koeficientem frakčního odpařování (konstantou) a tím se sníží. A na cestách, které mravenec prošel, se množství feromonu zvyšuje nepřímo úměrně délce cesty: čím kratší cesta, tím více feromonu přidáváme.

Proces se mnohokrát opakuje: mravenci se začínají pohybovat z nových uzlů grafu. Hladiny feromonů připojené ke každé hraně nesou informaci o předchozích průletech virtuálního hmyzu. Po ukončení cyklu se trasa s největším počtem feromonů uloží jako optimální.

Existuje několik variant mravenčího algoritmu. Model může například mít elitní jedince, kteří se pohybují po lepších trasách a zanechávají více feromonů než jejich běžní bratři.

Vědci prokázali konvergenci některých verzí algoritmu. Jinými slovy, čím déle mravenci chodí mezi body grafu, tím lepší řešení algoritmus produkuje.

Tanec a včely

Včely také prokazují úžasné schopnosti nacházet optimální řešení. Pruhované dělnice nacházejí trsy květů, aby sbíraly nektar a pyl, několik kilometrů od úlu a pak o nich „vyprávějí“ svým druhům pomocí… tance.

Ano, včely si dokážou navzájem přenášet informace s „geografickými souřadnicemi“ pomocí rytmických pohybů. Zároveň na základě intenzity tance svých příbuzných včely vyvozují závěry o počtu květů v daném bodě prostoru (čím více květů, tím aktivnější pohyby). Tento neobvyklý jev objevil v polovině 20. století výzkumník hmyzu Karl Frisch. Za svou práci získal Nobelovu cenu.

Po mnoho let se metody vyhledávání včel zabývali pouze biologové. V roce 2005 se o jejich výsledky začal zajímat profesor Dervis Karaboga, který pracoval na katedře informatiky na Erciyes University v Turecku. Publikoval vědecký článek a popsal model inteligence roje, inspirovaný včelími tanci. Model byl nazván algoritmem umělé včelí kolonie.

Jak implementovat algoritmus včelstva

Všechny včely se dělí na 3 typy: zvědy, dělnice a pozorovatele. Nejprve z úlu vyletí několik zvědů různými náhodně zvolenými směry. Po nalezení nektaru se vrátí do úlu a informují pozorovatelské včely na „tanečním parketu“ o místech svých nálezů.

Na základě intenzity tance pozorovatelé vybírají zvědy, kteří našli oblasti s nejbohatším nektarem, a vylétají správným směrem. Na místě sběru nektaru se pozorovatelé promění ve včely dělnice. Létají po stanovišti a odhadují počet květů. Pak jsou možné dvě možnosti.

První: Včela najde jiné blízké místo s větším počtem květů a odtud sbírá nektar, přičemž na staré místo zapomene. Poté se vrátí do úlu, kde tancem informuje včely-pozorovatele o souřadnicích nového zdroje nektaru.

Za druhé: Včela nenajde lepší místo a sbírá nektar tam, kde původně letěla. Doma včelám řekne o stejném místě.

Proces se mnohokrát opakuje. Po vletu do úlu dělnice tancem sdělují parametry místa, ze kterého nasbíraly nektar, a proměňují se v pozorovatele. V další iteraci si na základě tanců svých příbuzných vyberou nové atraktivní místo, doletí tam a opět se stanou dělnicemi.

Po nějaké době se všechny včely soustředí na sběr pylu a nektaru z nejlepších zdrojů a souřadnice bodů méně bohatých na květy budou jednoduše zapomenuty.

Pseudokód algoritmu:

Velké IT firmy stále více potřebují odborníky na umělou inteligenci. Zapište se na online bakalářský program Datová věda a strojové učení a staňte se vyhledávaným IT specialistou s diplomem ze státní univerzity.

Mravenci se starají o mšice a poté jedí sladkou šťávu, kterou vylučují.