Las abejas, la selección natural, la complejidad (2) y las matemáticas

Introducción

Es indudable que existe una relación de coexistencia en la naturaleza entre los conceptos que designan las cuatro palabras que aparecen como título de este artículo.

Para empezar, hablaré de las costumbres de la abeja de la miel (apis mellifera). Es de sobra conocido que las abejas tienen un comportamiento que aparentemente parece indicar la existencia de una gran inteligencia en estos alados insectos, y que se manifiesta fundamentalmente entre otros en tres hechos, a saber, la perfección de los panales, el empleo de un baile de comunicación entre ellas, y la perfecta distribución del trabajo entre los miembros de una comunidad (colmena). Pero,…, ¿cómo es posible que exista tal inteligencia en unos insectos cuyos cerebros apenas ocupan la cabeza de un alfiler?. La respuesta a esta pregunta es sencillamente que tal inteligencia no es tal, esto es, no existe, sino que su comportamiento resulta de la emergencia de ciertos patrones en un sistema complejo en el que sus partículas constituyentes -las abejas- se relacionan entre sí mediante sustancias químicas, dando lugar a propiedades globales del sistema completo (el enjambre), y que a su vez realimentan en el propio comportamiento de las partículas. Es algo similar a lo que ocurre con otros insectos sociales como las hormigas o las termitas. Pero esto que aquí describo sucintamente merece un análisis más profundo, que acometeré en las siguientes secciones.

Las abejas y el problema isoperimétrico

Ya en el libro «El origen de las especies», escrito por Charles Darwin, y publicado en 1859, se hacía mención al fenómeno conocido como «problema isoperimétrico» aplicado a las abejas. Es un dato bien conocido que toda colmena está constituida por panales, y estos panales estan formados por celdillas exagonales, donde se deposita la miel o bien donde la abeja reina pone sus huevos, de los que saldrán nuevas abejas. En cada panal hay pues celdas en las que hay miel almacenada, convenientemente sellada mediante una capa de cera, o bien una futura abeja en su etapa de cría.

¿Por qué las abejas construyen celdas y por qué las hacen exagonales?. La respuesta a esto tiene que ver con la selección natural y con un conocido problema matemático conocido como problema isoperimétrico. Este problema se enuncia del siguiente modo… de todos los polígonos de igual perímetro, ¿cuál de ellos tiene más superficie?… La respuesta a este interrogante es el círculo.

Ahora bien, con círculos no podemos recubrir el plano, quedarían muchos intersticios sin cubrir, y tendrían que usarse diferentes tamaños de círculos para aproximarnos a un plano casi cubierto. Si quisiéramos una solución efectiva y lo más sencilla posible, deberíamos utilizar todas las figuras iguales y regulares, para que el recubrimiento pudiese ser un proceso repetitivo y rutinario…¿Qué figuras regulares planas recubren el plano?…Pues la respuesta a esto, es que para teselar el plano (teselación es lo mismo que recubrimiento del plano) podemos emplear triángulos, cuadrados, rectángulos o exágonos…Pero de estas figuras, y a igualdad de perímetro, ¿cuál es la que ocupa una mayor área?… La respuesta es el exágono, que es precisamente la figura que usan las abejas.

Usando el exágono, las abejas consiguen con un mínimo gasto de cera -lo cual conviene- un máximo almacenamiento de miel -lo cual también conviene de cara al duro invierno, en el que los alados insectos no tienen flores a las que acudir-. Se trata de producir el máximo de miel, a costa claro está del mínimo de cera. Por otra parte, el tamaño de las celdas viene fijado por las propias medidas físicas de cada abeja, no sólo por su tamaño operativo de trabajo sino también por el hecho de que en muchas de esas celdas se criarán otras abejas. ¿Por qué han llegado las abejas a construir los panales de este modo?. La respuesta está clara si utilizamos la teoría de la selección natural de Darwin… Los enjambres que construían sus panales con celdas exagonales tenían ventaja frente a los que no los construían así, pues con una mínima producción de cera podían almacenar una gran cantidad de miel para alimentarse en el invierno. De este modo, aquellos enajambres que desarrollaron la variación consistente en construir las celdas exagonales podrían sobrevivir en mayor medida frente a los que no la desarrollaron y terminaron por imponerse a los otros. Esto se fue amplificando a lo largo de los siglos y los genes implicados en tal comportamiento permanecieron hasta hoy en el código genético de las abejas.

Las abejas y su comunicación mediante danzas

También es un hecho bien conocido que, en virtud a la especialización del trabajo en una colmena, las abejas obreras cuando buscan emplazamientos donde se halle alimento -néctar y pólen- , y hallan algún lugar propicio para obtenerlo, para  la posterior producción de miel, jalea o cera, avisan a sus compañeras obreras del lugar y la distancia de dicho alimento, y las que aprenden los datos informados vuelven a repetir el mensaje para que otras obreras se enteren.

Para esta comunicación, y también como resultado del azar y de la selección natural, utilizan una danza en la cual el modo de dibujar la figura en el panal denota la dirección y la mayor o menor vibración de la cola indica la distancia. ¿Por qué las abejas han aprendido esta técnica de comunicación?. Indudablemente, y como decía más arriba, un cerebro como la cabeza de un alfiler no puede acumular este conocimiento, es algo que está grabado en el ADN de las abejas y que empezó como variaciones (llamadas exaptaciones en el libro de Darwin), generadas mediante mutaciones en el código genético, que fueron seleccionadas por la propia naturaleza al proveer a los enjambres que las practicaban ventaja frente a otros en su contienda por el pólen y el néctar -recursos limitados implican contienda por ellos, así funciona la naturaleza, e implica supervivencia de los ejemplares (enjambres en este caso) mejor adaptados-. Todo esto fue mejorando a lo largo de las generaciones hasta la actualidad, siempre con la actuación lenta e invisible de la mano de la selección natural.

Las abejas y la especialización del trabajo

Otro aspecto a reseñar en los enjambres es el fenómeno de la división del trabajo, que también desarrollan otros insectos sociales. Evidentemente este es otro caso donde la selección natural ha actuado, pues está claro que evolutivamente y de cara a la supervivencia es preferible que haya abejas que acometan tareas únicas y bien definidas en vez de que todas las abejas sean capaces de desarrollar todas las tareas de una colmena -entre otras cosas serían animales mucho más complicados y la naturaleza siempre provee de soluciones lo más sencillas posibles, siempre al ritmo que marca la aparición de mutaciones (divergencia de caracteres), la recombinación genética y la selección natural.

Lo que yo pienso de todo esto. Especulaciones propias y el papel de las matemáticas para entender las abejas y su comportamiento.

La pregunta que pretendo contestar con estas especulaciones no es otra que el porqué de todos estos comportamientos, es decir, ¿cómo se ha llegado a dichos comportamientos actuales en la especie apis mellifera y en otros insectos sociales dotados de pequeñísimos cerebros?.

Para entender mi contestación a esta pregunta recomiendo que se lea primero el artículo que publiqué en esta misma bitácora sobre Alan Turing y los números computables.

En primer lugar, ¿cómo podemos modelar por ejemplo la danza de las abejas o el mecanismo de construcción de los panales?. Evidentemente se trata de procedimientos en los cuales ante un conjunto de entradas de información se obtiene una secuencia de salida -por ejemplo en el caso de la danza, las entradas serían las posiciones y distancias del alimento y la salida sería la secuencia obtenida por las posiciones sucesivas de la abeja en el baile y el ímpetu vibratorio del abdomen-. Estos procedimientos se denominan en matemáticas «algoritmos».

Un algoritmo puede ser descrito mediante una máquina de Turing, la cual posee una tabla de configuraciones en que se refleja el comportamiento de la misma ante la secuencia de estados de configuración anteriores y ante unas determinadas entradas. Ante unos estímulos, la máquina, siempre en función de su estado, bascula su estado interno de configuración y da una salida. Y esto se va prolongando en el tiempo. Según esto, tanto la danza de las abejas como la construcción de panales son dos algoritmos matemáticos o se pueden ver así.

Ahora bien, ¿cómo han llegado las abejas a desarrollar estos algoritmos de forma espontánea si carecen de inteligencia o tienen muy poca?. La respuesta, como ya se puede intuir de los párrafos anteriores, se halla en la selección natural.

Pero,…, ¿cómo podríamos modelar esto matemáticamente de forma que fuera algo autoexplicativo?. A mí lo que se me ocurre es lo siguiente: la tabla de configuración que dirige el comportamiento de la máquina de Turing de cada algoritmo actual tiene una descripción estándar o número de descripción que la describe. Pues bien, podría imaginarse una máquina de Turing en la cual está implementado un algoritmo maestro de búsqueda del algoritmo óptimo, y que esta máquina maestra unida a una máquina universal dan lugar a la generación a un ritmo muy lento en el tiempo, con el paso de las generaciones, de nuevos algoritmos, descritos por su número de descripción estándar y que alimentan a la máquina de Turing Universal, capaz de reproducir la operativa indicada por esos números de descripción, con un ritmo de cambio de los algoritmos creados muy lento a medida que transcurren las generaciones. De este modo el funcionamiento en serie de las dos máquinas, primero la M del algoritmo maestro y luego la U (máquina universal), dan lugar en cada generación a un comportamiento a unas entradas determinadas y a un algoritmo de baile o de construcción de panales, según sea el caso.

¿Qué algoritmo estaría implementado en la máquina M?. Pues la respuesta no es difícil…Se trataría de un algoritmo genético…

Un algoritmo genético es un procedimiento en el cual se parte de un genotipo aleatorio (conjunto de genes -bits-), que tienen un número finito de parejas de seres, y mediante la mutación y la recombinación genética, cambiando algún bit, y mezclando los dos cortes de los genotipos de dos progenitores para dar un hijo, respectivamente, complementado con la selección natural -la cual se aplica obteniendo una medida de lo bien adaptado que estaría ese ser para sobrevivir en el ecosistema, y que daría lugar a una poda de los peor adaptados-; se van obteniendo nuevas generaciones de seres cada vez mejor adaptados para la supervivencia según el criterio establecido. Esto da lugar a una optimización del genotipo, que sería la que resolvería cada problema particular.

En el ejemplo que nos ocupa, el algoritmo genético implementado en la máquina M sería capaz de encontrar aquel genotipo óptimo (número de descripción estándar en este caso) que aplicado a la máquina U daría lugar al mejor algoritmo de danza o de construcción de celdillas. Por tanto, el algoritmo maestro o director que emplea la naturaleza para optimizar el comportamiento de las abejas, sería un algoritmo genético, y una medida de performance o grado de desempeño de cada genotipo obtenido en cada generación, probablemente sería el mayor grado de aproximación de la relación miel almacenada / cría almacenada a un valor en el que la miel diera exactamente para sobrevivir en el invierno y alimentar la colmena, pues en ese caso en el que no habría mucho excedente de miel sino sólo el estrictamente necesario se conseguiría un máximo de la cría obtenida y un máximo en el tamaño del enjambre en la siguiente generación -mayor tamaño = mayores posibilidades de sobrevivir-.

De todas maneras, esto también se podría modelar de una forma más real o natural si se quiere, añadiendo un nivel más : habría una tercera máquina P que utilizaría un algoritmo genético también y  en la cual se decidiría la relación óptima celdas ocupadas con miel / celdas ocupadas con cría, para una razón de partida aleatoria, o mejor aún, y de manera equivalente a eso, las propias máquinas M, con sus números de descripción estándar específicos (genotipos individuales) competirían y serían los individuos de un super-algoritmo genético que los tuviese dentro de sí como seres evolucionantes, y que tomase como medida de performance la supervivencia del enjambre en un mayor número de generaciones.