Язык муравьев. Язык муравьев до открытия доведет

Новосибирские ученые поставили эксперименты, в которых убедительно показали, что муравьи умеют считать в пределах первых десятков. Также им доступны простейшие арифметические действия - сложение и вычитание, и эти навыки они активно используют при поиске пищи. Как выяснилось, муравьи не только знакомы с началами арифметики, но для передачи счетной информации способны изобрести новые коды, удобные для конкретных случаев. Результаты показывают, что муравьиный язык - это не застывший конгломерат инстинктивных сигналов; он изменяется в соответствии с текущими задачами, подобно другим эффективным средствам общения в группах. Столь непростые информационные потребности может обеспечить не только развитый мозг высших животных, но и нервные ганглии насекомых. Так грань между «высшей» и «низшей» формами мышления постепенно размывается.

Считается, что человек умнее всех других животных. Карл Линней, давший название нашему виду, отразил это в его латинском имени - Человек разумный. Наши современники, склонные к анализу, пытаются всякое свойство оценить количественно. В том числе и разум. Для этого придуманы разные тесты, в частности широко применяемый IQ-тест - Intelligence Quotient . Чем выше этот показатель, тем умнее индивид. Но беда в том, что этот тест придуман людьми и для людей, он оценивает свойства разума, важные именно людям, и средствами, которые доступны человеческому восприятию. Но представьте на секунду, что вам пришлось бы пройти тест на IQ, составленный голубем и предложенный вам голубиным ученым. Нет никакой уверенности, что вы продвинулись бы в этом тесте дальше начальных позиций.

Голуби и пчелы обладают поразительной способностью к классификации, и у них в высшей степени развито пространственное представление об объекте. Видимо, эти свойства среди других, столь же полезных голубям, и лягут в основу голубиного теста на разумность. Если кому-то нужно наглядное доказательство птичьего умственного превосходства, то можно посмотреть видеоролик с «умным» попугаем, решающим головоломки. Попугай справляется с задачей много эффективнее смельчаков, принявших вызов попугая, а один из соревнующихся пареньков, который, видимо, умнее других соперников, даже пытается подсмотреть у попугая способ решения головоломки: если попугая не победить, так хоть задачку решить.

Возвращаясь к звериным тестам на IQ, нужно подчеркнуть, что человек по многим категориям разумности проигрывает тем или иным животным. Крысы, медведи и сойки обладают замечательными способностями к ориентированию и запоминанию объектов на местности, в этом человеку с ними не тягаться. Так что крысиный IQ включал бы пробежки по лабиринтам, где испытуемый человек запутался бы в первых двух коридорах, а крысы бы легко добежали до конца. Сойки-экспериментаторы заставляли бы участников своих экспериментов вспоминать, где спрятаны сотни кладов, и изумлялись бы глупости людей, припомнивших местоположение всего лишь десятка. Шимпанзиный тест на IQ, или даже предложенный бумажными осами, мог бы включать способность к узнаванию и запоминанию множества своих товарищей по лицам и/или другим признакам: и опять же, человек оказался бы среди последних двоечников.

Так что, исследуя разум животных, всегда нужно учитывать, что многие из них развили иные его фрагменты, необходимые для выживания именно этого вида в конкретных условиях его обитания.

Кроме того, изучение тех или иных сторон умственной деятельности животных осложняется еще и «трудностями перевода». Животным, проходящим тесты, нужно сначала понять, чего от них хочет экспериментатор, затем решить экспериментальную задачу, а затем еще и выразить свое решение предпочтительными для экспериментатора средствами. Экспериментатор почему-то не требует от себя понимания и принятия естественной для испытуемого животного символики. Между тем, работа в кодах, предложенных экспериментатором, требует от подопытных животных дополнительных умственных усилий и навыков понимания (попробуйте поучаствовать в уроке математики в китайской школе, пусть даже вместе с первоклассниками; двойка за урок гарантирована).

Неизвестно, кого тестируют люди - среднестатистического представителя подопытного класса или отдельных гениев-переводчиков, способных адекватно понять и отреагировать на предложенное задание. Экспериментаторы Жанна Резникова из новосибирского и Борис Рябко из Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики предложили методику изучения муравьиной разумности, в которой от муравьев не требовалось овладевать сигналами и кодами, придуманными людьми.

Они задействовали в опытах муравьиную систему передачи информации, а об успешности выполнения тестовых заданий судили по конечному результату. При этом изучали не просто наличие или отсутствие разума у муравьев (на эту тему пусть размышляют философы и теологи), а способность муравьев к арифметическому счету. Да-да, проверяли способность к арифметике даже не у высших обезьян, а у муравьев, у которых, подобно остальным насекомым, и мозга-то как такового нет.

Как известно, центральная нервная система муравья состоит из нескольких нервных ганглиев и брюшной нервной цепочки. Надглоточный нервный ганглий, самый большой из них, выполняет функции коры больших полушарий у высших животных; там формируются условные рефлексы. Казалось бы, разумение муравья с его надглоточным ганглием невозможно сравнивать с разумом человека, обладателя гигантского мозга с развитой корой больших полушарий (относительный объем «мозга» муравья Formica 1:280, человека - 1:41). Тем более странно подозревать наличие у муравья знаний в области математики, этой музыки сфер. Тем не менее новосибирские ученые посягнули именно на «музыку сфер».

Дело в том, что математические навыки раскладываются на ряд более простых компонентов, например сравнение объектов по количественным признакам, отвлеченная оценка количеств и их пересчет. Сама арифметика или счет - это не только выполнение арифметических действий, но и некоторые элементарные операции: сопоставление элементов друг с другом в рядах объектов, сравнение числа разнокачественных объектов, сохранение порядка следования объектов - сначала первый, за ним второй, третий и т. д. Таким элементарным счетом пользуются многие животные.

Макаки резус воссоздают число и порядок появления объектов в пределах первого десятка, голуби и крысы могут упорядочить до четырех объектов, пчелы демонстрируют способность считать до четырех. В опытах с пчелами экспериментаторы ставили кормушки с сиропом между третьим и четвертым ориентирами (это были желтые палатки). Ориентиры переставляли с места на место, но пчела всё равно находила третью и четвертую палатку. Если расстояние между палатками сокращали, то пчела, помня не только про счет, но и про расстояние, перелетала за четвертую палатку, останавливалась и летела назад. Если же расстояние между палатками увеличивали, то сбитая с толку большим расстоянием, пчела не долетала до нужной палатки, садилась, а затем летела дальше до третьего ориентира, где ее ждала заслуженная награда. Во время опыта меняли не только расстояние, но и облик ориентиров, оставалось постоянным только положение награды между третьим и четвертым ориентиром. Пчелы успешно справлялись с такой абстракцией.

Как выяснилось, животные могут также без труда складывать и вычитать маленькие числа (1 + 1, 2 + 1, 3 – 1), обезьяны (макаки резусы, капуцины) оперируют числами до 6, примерно так же считают попугаи; голуби могут правильно решить пример на вычитание 12 – 6. Способность к таким простейшим числовым манипуляциям, видимо, придана животным и человеку с рождения. Так, экспериментально доказано, что пятимесячные малыши могут решать задачки 1 + 1 и 2 – 1, и эта способность развивается у них раньше речевых навыков.

Таким образом, способностью к счету и простейшим математическим операциям обладают многие животные, в том числе и насекомые. Но оценить реальные границы этих способностей, на самом деле, нелегко из-за описанной выше экспериментальной неувязки: экспериментатор требует от животных не только понимания задачи, но и общения с помощью предложенного человеком кода. Между тем, развитие математических навыков подразумевает использование собственного кода, основанного на коммуникативных особенностях той или иной группы социальных животных. Новосибирские ученые избавили муравьев от необходимости постигать человеческие символы и позволили им пользоваться собственным «паролем скрещенных антенн», то есть собственным языком.

Эксперименты состояли в следующем. Муравьям из лабораторных муравейников (таких муравейников было два) предоставляли возможность найти спрятанную кормушку. Лабораторные гнезда были прозрачными, что позволяело наблюдать все контакты разведчика и фуражиров, а все муравьи были помечены индивидуальными метками. Нужно отметить, что эта спрятанная кормушка была единственным источником пищи лабораторных муравьев, так что поиск ее составлял насущную жизненную задачу. В муравейнике - и в естественных условиях, и в лабораторных - поиском пищи занимаются команды фуражиров. В каждой команде имеется один разведчик, занятый поиском источников пищи. Найдя пищу, он спешит в муравейник и передает информацию своим товарищам по команде. После фуражиры дружно следуют полученным инструкциям и возвращаются в муравейник нагруженные едой. А разведчик отправляется в следующую поисковую экспедицию.

Ясно, что для эффективной работы команды разведчик должен как можно точнее объяснить товарищам, куда идти и что искать. Муравьи используют для передачи информации собственные средства. В лабораторном муравейнике «объяснение» маршрута было связано с необходимостью передать товарищам счетную информацию, и дело здесь было в хитром расположении кормушки.

Кормушка имела вид расчески с 25–60 равномерно расположенными зубьями, и пища находилась на одном из зубьев.

Исследовать по очереди каждый из зубьев долго и неэффективно, гораздо логичнее и быстрее было бы передать информацию о номере нужного зубца. Так поступил бы человек. И точно так же поступают муравьи.

Ученые измеряли время, которое требовалось разведчику, чтобы передать сведенья о найденной пище и отправить в поход свою команду. (Пока разведчик общался в гнезде с фуражирами, «кормушку-расческу» заменяли на новую, лишая муравьев возможности использовать пахучий след.) Оказалось, чем дальше от края расчески нужный зубец, тем больше требуется времени на передачу информации. И эта зависимость близка к линейной: по-видимому, муравьи используют коды для нумерации зубьев (первый, второй, третий, пятнадцатый и т. д.) или каким-то иным способом количественно отмеривают дистанцию. При этом можно менять форму расчески, ставить ее горизонтально или вертикально, сгибать в круг, но линейная зависимость всё равно остается. Вот так работает муравьиный надглоточный ганглий!

Но этого мало. Ученые усложнили эксперимент, решив проверить способность к созданию новых арифметических кодов. Известно, что для часто используемых понятий (будь то математика или что-то другое), человек изобретает удобное короткое наименование, особый символ. Муравьи, как выяснилось, делают то же самое. Если в кормушке-расческе оставлять пищу на разных зубцах, но на одном из них гораздо чаще, чем на других, то этот зубец муравьи должны запомнить лучше других и изобрести для него особые удобные коды. Это, очевидно, сократит время передачи информации, и фуражиры быстрее отправятся в путь.

Экспериментаторы по очереди выбирали зубцы 7, 14, 10, 20, и муравьи раз за разом получали информацию об этих «частых» зубцах. Затем, после серии таких походов, муравьям вновь предложили случайно выбранный маршрут, то есть убрали намеренную неравномерность расположения кормушки. После вновь построили зависимость времени передачи информации от номера целевого зубца. Новая зависимость сильно отличалась от линейной, имея свои локальные минимумы и максимумы.

Два локальных минимума расположены вблизи точек 10 и 20, которые чаще других были задействованы в муравьиных маршрутах. Ученые предположили, что сокращение времени передачи информации связано с изобретением специальных кодов для обозначения наиболее частых зубцов. А общее распределение времени передачи сигналов относительно этих частых точек позволяет предположить, что муравьи используют простейшие операции сложения и вычитания. Так, чтобы закодировать точку 9, имея специальный сигнал для 10, нужно использовать этот короткий сигнал 10 и вычесть 1. Или же номер 13 кодируется с помощью сложения короткого сигнала 10 + 3. Точно так же римский счет кодирует число XIII (13) как Х + III.

Действительно, на первой стадии экспериментов муравьи тратили около 30 секунд на обозначение точки 4, на третьей стадии те же 30 секунд они стали тратить на передачу информации о точке 14. По всей вероятности, передаваемая информация переводилась бы на человеческий язык как «иди еще на 4 точки после поворота на 10-ю», то есть 10 + 4. Таким образом, когда это становится удобным, муравьи находят и активно используют новые способы кодирования информации. Их язык, в том числе и математический, пластичен. В муравьином языке, как и в любой эффективной системе коммуникации, длина сигнала (слова, символа и т. д.) зависит от частоты его использования.

Это убедительное исследование заставляет задуматься не только о научных частностях (способы постановки экспериментов на других животных, варианты интерпретации полученных данных и даже расшифровка муравьиного языка видится частностью), но о философских вопросах сущности человеческого разума, принципах построения искусственного интеллекта, о месте математики в человеческом мышлении и методах ее преподавания.

"Муравьиный язык" в передаче "В мире животных" с Н.Н. Дроздовым:
http://russia2.tv/video/show/brand_id/3878/video_id/653273

(октябрь 2013)

Про наших муравьев, который умеют считать. Статья Григория Тарасевича в Русском Репортере (апрель, 2013) : Разговоры с муравьями и с людьми

Вот что пишут о наших считающих муравьях Discovery и Animal Planet

после публикации нашей статьи в Behaviour (апрель 2011)

Эксперименты по изучению “языка” муравьев. Здесь можно ознакомиться с иллюстрациями экспериментов (видео Наталии Ацаркиной, 2011) и отзывами о них в прессе (последние отзывы выше). Содержательная часть экспериментов описана в многочисленных публикациях на сайте в разделах «Статьи» и «Publications». Научно-популярная статья - в журнале “Природа” (грант РФФИ на конкурсе научно-популярных статей). Презентация на эту тему на международном конгрессе по теории информации (2011):

Этапы эксперимента с «бинарным деревом»:

Проход разведчика.

Муравей-разведчик идет по бинарному дереву. Кормушка сейчас пустая (идет «экзамен»), поэтому разведчик на ней не задерживается.

Разведчик обменивается информацией о координатах кормушки с группой фуражиров.

Группа муравьев идет по бинарному дереву после контакта с разведчиком. Лабиринт «бинарное дерево» заменен свежим (лишенным пахучего следа, который могли бы оставить муравьи). Кормушка также пуста (идет «экзамен»).

Проход группы 1

роход группы 2

Группа фуражиров на мостике, ведущем на рабочую часть арены, где расположен лабиринт:

Общение муравьев . Рыжие лесные муравьи обмениваются пищей и при этом общаются с помощью быстрых движений антенн. В конце 19-го века немецкий зоолог Э.Вассманн предположил, что они обмениваются информацией с помощью «антеннального кода». Этот код еще никто не расшифровал. Нам удалось на основе видеозаписей экспериментов с бинарным деревом, в соавторстве с австрийской исследовательницей Элизой Фраснелли из Центра Конрада Лоренца (Австрия) выяснить, что при общении муравьи используют в основном правую антенну. Статья о наших муравьях-правшах в РИА Новости: Муравьи-правши

Вот как выглядит процесс обмена жидкой пищей (трофаллаксис) и общения муравьев.

(видео Ивана Яковлева). Муравей, предлагающий пищу - сверху, получающий - снизу.

Муравейник — сообщество отдельных особей, слаженная организация которых требует так или иначе передавать друг другу различные полезные сведения; в частности, муравьи передают и воспринимают информацию о количестве и числе объектов. Фото О. Б. Выгоняйловой, передано авторами обсуждаемой статьи в Behaviour

Новосибирские ученые поставили эксперименты, в которых убедительно показали, что муравьи умеют считать в пределах первых десятков. Также им доступны простейшие арифметические действия — сложение и вычитание, и эти навыки они активно используют при поиске пищи. Как выяснилось, муравьи не только знакомы с началами арифметики, но для передачи счетной информации способны изобрести новые коды, удобные для конкретных случаев. Результаты показывают, что муравьиный язык — это не застывший конгломерат инстинктивных сигналов; он изменяется в соответствии с текущими задачами, подобно другим эффективным средствам общения в группах. Столь непростые информационные потребности может обеспечить не только развитый мозг высших животных, но и нервные ганглии насекомых. Так грань между «высшей» и «низшей» формами мышления постепенно размывается.

Считается, что человек умнее всех других животных. Карл Линней, давший название нашему виду, отразил это в его латинском имени — Человек разумный. Наши современники, склонные к анализу, пытаются всякое свойство оценить количественно. В том числе и разум. Для этого придуманы разные тесты, в частности широко применяемый IQ-тест — Intelligence Quotient. Чем выше этот показатель, тем умнее индивид. Но беда в том, что этот тест придуман людьми и для людей, он оценивает свойства разума, важные именно людям, и средствами, которые доступны человеческому восприятию. Но представьте на секунду, что вам пришлось бы пройти тест на IQ, составленный голубем и предложенный вам голубиным ученым. Нет никакой уверенности, что вы продвинулись бы в этом тесте дальше начальных позиций.

Умный попугай

Неизвестно, кого тестируют люди — среднестатистического представителя подопытного класса или отдельных гениев-переводчиков, способных адекватно понять и отреагировать на предложенное задание. Экспериментаторы Жанна Резникова из новосибирского Института систематики и экологии животных и Борис Рябко из Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики предложили методику изучения муравьиной разумности, в которой от муравьев не требовалось овладевать сигналами и кодами, придуманными людьми.

Центральная нервная система муравья сложена надглоточным нервным ганглием (1a), подглоточным нервным ганглием (1b), грудными нервными ганглиями (2) и брюшной нервной цепочкой (3). Схема с сайта antclub.org

Как известно, центральная нервная система муравья состоит из нескольких нервных ганглиев и брюшной нервной цепочки. Надглоточный нервный ганглий, самый большой из них, выполняет функции коры больших полушарий у высших животных; там формируются условные рефлексы. Казалось бы, разумение муравья с его надглоточным ганглием невозможно сравнивать с разумом человека, обладателя гигантского мозга с развитой корой больших полушарий (относительный объем «мозга» муравья Formica 1:280, человека — 1:41). Тем более странно подозревать наличие у муравья знаний в области математики, этой музыки сфер. Тем не менее новосибирские ученые посягнули именно на «музыку сфер».

Дело в том, что математические навыки раскладываются на ряд более простых компонентов, например сравнение объектов по количественным признакам, отвлеченная оценка количеств и их пересчет. Сама арифметика или счет — это не только выполнение арифметических действий, но и некоторые элементарные операции: сопоставление элементов друг с другом в рядах объектов, сравнение числа разнокачественных объектов, сохранение порядка следования объектов — сначала первый, за ним второй, третий и т. д. Таким элементарным счетом пользуются многие животные.

В опытах Берана (Beran et al., 1998) шимпанзе видит на экране арабскую цифру и выбирает соответствующее число точек. Фото М. Берана, передано авторами обсуждаемой статьи в Behaviour

Макаки резус воссоздают число и порядок появления объектов в пределах первого десятка, голуби и крысы могут упорядочить до четырех объектов, пчелы демонстрируют способность считать до четырех. В опытах с пчелами экспериментаторы ставили кормушки с сиропом между третьим и четвертым ориентирами (это были желтые палатки). Ориентиры переставляли с места на место, но пчела всё равно находила третью и четвертую палатку. Если расстояние между палатками сокращали, то пчела, помня не только про счет, но и про расстояние, перелетала за четвертую палатку, останавливалась и летела назад. Если же расстояние между палатками увеличивали, то сбитая с толку большим расстоянием, пчела не долетала до нужной палатки, садилась, а затем летела дальше до третьего ориентира, где ее ждала заслуженная награда. Во время опыта меняли не только расстояние, но и облик ориентиров, оставалось постоянным только положение награды между третьим и четвертым ориентиром. Пчелы успешно справлялись с такой абстракцией.

Ворона успешно пересчитывает точки в кормушках и выбирает нужную. Фото А. А. Смирновой, передано авторами обсуждаемой статьи в Behaviour

Как выяснилось, животные могут также без труда складывать и вычитать маленькие числа (1 + 1, 2 + 1, 3 - 1), обезьяны (макаки резусы, капуцины) оперируют числами до 6, примерно так же считают попугаи; голуби могут правильно решить пример на вычитание 12 - 6. Способность к таким простейшим числовым манипуляциям, видимо, придана животным и человеку с рождения. Так, экспериментально доказано, что пятимесячные малыши могут решать задачки 1 + 1 и 2 - 1, и эта способность развивается у них раньше речевых навыков.

Эксперименты состояли в следующем. Муравьям из лабораторных муравейников (таких муравейников было два) предоставляли возможность найти спрятанную кормушку. Лабораторные гнезда были прозрачными, что позволяело наблюдать все контакты разведчика и фуражиров, а все муравьи были помечены индивидуальными метками. Нужно отметить, что эта спрятанная кормушка была единственным источником пищи лабораторных муравьев, так что поиск ее составлял насущную жизненную задачу. В муравейнике — и в естественных условиях, и в лабораторных — поиском пищи занимаются команды фуражиров. В каждой команде имеется один разведчик, занятый поиском источников пищи. Найдя пищу, он спешит в муравейник и передает информацию своим товарищам по команде. После фуражиры дружно следуют полученным инструкциям и возвращаются в муравейник нагруженные едой. А разведчик отправляется в следующую поисковую экспедицию.

Кормушка имела вид расчески с 25-60 равномерно расположенными зубьями, и пища находилась на одном из зубьев.

Сироп на одном из зубьев «кормушки-расчески»: команда фуражиров успешно обнаружила требуемый зубец. Фото передано авторами обсуждаемой статьи в Behaviour

Полученная зависимость между номером зубца с пищей (ось абсцисс) и временем, затраченным на передачу информации (ось ординат). Синие крестики показывают обычный эксперимент, розовые квадраты — после тренировки с неравновероятными, частыми зубцами. График из обсуждаемой статьи в Behaviour.

Язык муравьев до открытия доведет

На обложке новой книги автора, опубликованной в издательстве Cambridge University Press, группа муравьев уверенно движется к цели по лабиринту «бинарное дерево». По условиям эксперимента, муравьи лишены возможности использовать пахучий след или какие-либо другие способы ориентации, помогающие найти кормушку. Все, чем они располагают, это информация, полученная ими от разведчика, вернувшегося из удачного похода. Однако разведчика в лабиринт не пускают, группа должна найти цель самостоятельно. Это иллюстрация эксперимента, позволившего описать символический «язык» муравьев, превосходящий по сложности известный «язык танцев» пчел...

Рыжие лесные муравьи стали первыми испытателями нового метода изучения языкового поведения животных, предложенного известным специалистом по теории информации и криптографии профессором Б. Я. Рябко и разработанного в Институте систематики и экологии животных СО РАН (Рябко, Резникова, 1986; Ryabko, 1993; Ryabko, Reznikova, 1996). Этот метод теперь называется теоретико-информационным, в отличие от двух других ранее известных в этологии методов исследования коммуникации животных.

На планете насчитывается около 11 тысяч видов муравьев. Большинство из них решает свои жизненные задачи, не прибегая к таким сложным способам общения, как символический язык. Они используют пахучий след, феромоны тревоги, даже перекидывают с дерева на дерево живые дорожки, сплетенные из собственных тел.
Только немногочисленные «муравьиные приматы», к которым принадлежат обычные для нас рыжие лесные муравьи, могут передавать друг другу содержательные сообщения и способны изменять способы коммуникации в зависимости от решаемой задачи.
Возможно, это одна из причин значительного биологического прогресса этих видов, который выражается в обширных ареалах, захватывающих несколько природных зон, численности семей – до нескольких миллионов особей, сотнях гектаров контролируемой территории

Первый из этих методов основан на попытках расшифровки сигналов. Пытаясь решить одну из самых волнующих проблем этологии – понять, каким образом животные общаются между собой и насколько сложную информацию они могут передать друг другу – исследователи пытались расшифровать «языки» разных видов. Однако в природе очень редки ситуации, когда достаточно выразительные сигналы соответствуют часто повторяющимся и легко наблюдаемым ситуациям. В отсутствие таких ситуаций, которые могли бы служить «ключами» к неизвестному для нас «языку», расшифровка сигналов животных является громоздкой и чаще всего практически неосуществима. Блистательным, но практически единственным успехом в этой области, является пример расшифровки символического языка танцев пчел, осуществленный Карлом фон Фришем. Его исследования, начатые еще в 20-е гг. ХХ в., за которые он в 1973 г. получил Нобелевскую премию, успешно продолжают его ученики, в том числе, Ю. Таутц (см. статью в этом номере журнала).

Настоящую революцию в постижении «лингвистического» потенциала животных осуществили в конце 60-х гг. прошлого столетия исследователи, применившие второй метод, основанный на использовании искусственных языков-посредников между людьми и животными. В частности, язык жестов глухих позволил человеку вступить в прямой диалог с шимпанзе, а картинки-лексиграммы используются в общении как с приматами, так и с дельфинами и даже с собаками. Этот метод, однако, дает возможность общаться с представителями ограниченного количества видов (антропоиды, дельфины, попугаи), способных овладеть языком, предложенным экспериментаторами (Резникова, 2008; Reznikova, 2007). Кроме того, этот метод не дает возможности судить о способах естественной коммуникации животных.

Язык животных и теория информации

Суть нового, теоретико-информационного подхода, состоит в том, что система коммуникации животных исследуется как средство передачи информации – конкретной, количественно измеримой величины. В экспериментах создается ситуация, когда животные вынуждены передать друг другу заранее известное исследователям количество информации. При этом измеряется время, затраченное на ее передачу, т. е. оценивается скорость передачи информации. Этот подход не дает сведений о природе коммуникативных сигналов, зато открывает новые возможности оценки таких свойств систем коммуникации, как скорость передачи информации, адаптивность коммуникативных систем животных, их способность улавливать закономерности и использовать их для «сжатия» передаваемых сообщений.

У одних видов рабочие муравьи различаются размерами головы, а у других – скорее размерами «ума»

В течение многих лет мы исследовали свойства и потенциальные возможности коммуникативной системы муравьев на «лабораторных аренах» с помощью лабиринта «бинарное дерево» (Резникова, Рябко, 1986, 1990). Лабиринты монтировались из пластиковых планок, в кюветах с водой, куда муравьи могли зайти по съемному мостику. В простейшем случае «дерево» состояло из одной развилки, а на концах двух «листьев» находились кормушки: одна пустая, другая с сиропом. Чтобы найти ее, муравьи должны были сообщить друг другу сведения: «иди налево» или «иди направо», т. е. 1 бит информации. В других опытах количество развилок менялось, доходя до шести. На таких разветвленных лабиринтах муравьи могли быстро отыскать корм только в том случае, если получали от разведчика сведения о последовательности поворотов типа «ЛПЛППЛ» (Лево, Право, … и т. д.). При шести развилках в лабиринте разведчикам необходимо было передать 6 битов информации. Для того чтобы оценить потенциальную продуктивность муравьиного языка, выявленную с помощью бинарного дерева, подсчитаем минимальное количество сообщений, необходимое насекомым при работе с лабиринтами. Бинарное дерево с двумя развилками содержит 2 2 возможных пути, с тремя – 2 3 , а с шестью – 2 6 путей; следовательно, общее число возможных путей к цели равно 2 + 2 2 + 2 3 + … 2 6 = 126. Это минимальное количество сообщений, которые разведчики должны передавать, чтобы другие муравьи смогли достичь кормушки, помещенной на любой лист бинарного дерева с шестью развилками.

Открытие символического «языка» муравьев в британской газете The Independent on Sunday (от 15 ноября 1998 г.) названо одним из самых значительных результатов, достигнтых в биологии во второй половине XX в. (Michie, 1998)

В экспериментах муравьев метили индивидуальными цветными метками и наблюдали за ними в прозрачных лабораторных гнездах. Оказалось, что при решении сложных задач среди муравьев выделяются постоянные рабочие группы, состоящие из одного разведчика и 4-8 фуражиров. Каждый разведчик, найдя пищу, вступает в контакт только со своей группой. Когда разведчик возвращался к гнезду после удачного похода за сиропом, мы измеряли длительность его контактов с фуражирами, соответствующую времени передачи информации. В это время лабиринт заменяли тождественным, но «свежим», лишенным каких бы то ни было следов. Даже сиропа уже не было – все кормушки содержали воду. Таким образом, исключалось использование пахучей тропы, которую мог бы оставить муравей в лабиринте, а также самого запаха пищи. При этом фуражиры, пообщавшись с разведчиком, были вынуждены действовать самостоятельно: разведчика изымали пинцетом и временно отсаживали. Важно заметить, что муравьи были чрезвычайно заинтересованы в решении предложенной задачи: они получали пищу раз в два дня и только в лабиринте.

Как мы уже знаем, в опытах с «бинарным деревом» количество информации (в битах), необходимое для выбора правильного пути в лабиринте, равно числу развилок. Оказалось, что у муравьев с групповой организацией фуражировки (высоко социальных муравьиных «приматов», таких как рыжие лесные муравьи), зависимость между временем контакта разведчика с фуражирами и количеством передаваемой информации близка к линейной. Она описывается уравнением t = ai + b , где t – время контакта разведчика с фуражирами, i – число развилок (равное количеству передаваемой информации), a – коэффициент пропорциональности, равный скорости передачи информации (1 бит в минуту), b – константа, введенная нами, так как муравьи, в принципе, могут передавать дополнительную информацию, не имеющую прямого отношения к поставленной задаче, например, сигнализировать: «появился сироп». По полученным эмпирическим данным оценивались параметры уравнения линейной регрессии a и b и вычислялся выборочный коэффициент корреляции r . Такие данные получены для рыжих лесных муравьев и еще для двух высоко социальных видов из того же подсемейства (отметим, что в опытах участвовали и другие виды муравьев, у которых не казалось ничего похожего на «символический язык»). Большие значения коэффициентов корреляции для трех видов «муравьиных приматов» подтвердили гипотезу о том, что зависимость между временем контакта разведчика и фуражиров и количеством передаваемой информации (числом развилок i ) близка к линейной. Полученная закономерность позволила узнать, что скорость передачи информации у муравьев примерно в 10 раз ниже, чем у человека – около 1 бита в минуту. Однако и это немало, а возможности коммуникативной системы насекомых оказались, как мы сейчас увидим, поистине впечатляющими.

Гении общения

«Договорившись» с муравьями, мы научились использовать механизмы их коммуникации для изучения общих свойств интеллекта. Дело в том, что в современной когнитивной этологии накопилось множество сведений, позволяющих предположить, что разные виды животных могут проявлять признаки очень высоко развитых познавательных способностей в пределах довольно узких доменов. Такие области «интеллектуального прорыва» нелегко бывает обнаружить. Например, сойки и белки способны запомнить расположение тысяч тайников, в которых они спрятали пищу, но это еще не значит, что они смогут, скажем, найти выход из сложного лабиринта успешнее, чем это сделает крыса. А вот крыса далеко превзойдет в этом искусстве человека, зато ей не дано индивидуально распознать и запомнить сотни своих сородичей, как это делают приматы (в том числе люди) и слоны. Новокаледонские галки оказались, как это недавно выяснилось, «гениями» орудийной деятельности: в способностях быстро преобразовывать разные предметы и использовать их для решения сложных пространственных задач эти птицы превосходят столь признанных наукой умельцев, как шимпанзе. Теперь, после четвертьвековых исследований, у нас есть веские основания считать, что некоторые виды муравьев являются «гениями общения»: они могут решать сложнейшие, доступные немногим видам животных задачи, но только в тех ситуациях, когда надо запомнить и эффективно передать сородичам информацию о богатом источнике пищи. В других обстоятельствах насекомые демонстрируют скромные интеллектуальные возможности. Однако и этого мостика, который удалось перекинуть в неведомую доселе область когнитивной деятельности существ, столь непохожих на нас, оказалось достаточно, чтобы обнаружить проявления общих закономерностей и предложить методы, которые, можно надеяться, послужат для изучения интеллекта разных видов социальных животных.

Лабиринт «бинарное дерево» позволил нам исследовать одну из важнейших характеристик языка и интеллекта его носителей, а именно: способность быстро подмечать закономерности и использовать их для кодирования, «сжатия», информации. Для языков человека показано, что размер сообщения о некотором объекте или явлении должен быть тем меньше, чем оно «проще», т. е. чем легче в нем обнаружить закономерности. Например, человеку легче запомнить и передать последовательность поворотов на пути к цели «ЛПЛПЛПЛПЛПЛПЛП» (налево-направо, и так 7 раз), чем более короткую, но неупорядоченную последовательность «ПЛЛПППЛП». Опыты с «бинарным деревом» показали, что «язык» и интеллект муравьев позволяют им использовать простые закономерности «текста» для его сжатия (здесь «текст» – последовательность поворотов на пути к кормушке). Так, муравьи затрачивали в несколько раз меньше времени на передачу сообщения «ЛЛЛЛЛ» (пять раз налево), чем на передачу сведений о случайной последовательности той же длины.

Серии опытов с другими экспериментальными установками выявили способность муравьев к счету и даже к осуществлению простейших арифметических операций. В этих опытах муравьи опять-таки были поставлены перед необходимостью передать сородичам информацию о местонахождении приманки, которая помещалась то в одной из точек по-разному искривленных координатных сетей, то на одной из десятков «веточек», отходящих от прямого, горизонтального или вертикального ствола. Система коммуникации муравьев оказалась настолько пластичной, что это позволило им «вводить» особые «обозначения» для тех веток, на которых приманка по воле экспериментаторов оказывалась значительно чаще, чем на остальных.

Описание этих опытов заняло бы слишком много места. Они опубликованы во многих российских и зарубежных журналах и вошли в учебники автора, изданные в Кембридже и в российских издательствах (Резникова, 2005, 2007; Резникова, Рябко, 1995, 1999; Reznikova, Ryabko, 1994, 2001, 2003).

Полученные результаты позволили доказать наличие у муравьев развитого языка и комплекса когнитивных способностей, о которых ранее не могли и думать (способность к улавливанию закономерностей, «сжатию» информации, счету). Можно предположить, что пластичность коммуникативных систем – один из основных критериев интеллекта животных, и этот критерий может быть использован для изучения разных видов социальных животных. Применение нового метода изучения языкового поведения, основанного на идеях и методах теории информации, открывает новые перспективы не только в сравнительной и когнитивной этологии, но также в лингвистике и робототехнике.

Литература

Резникова Ж. И. Различные формы обучения у муравьев: открытия и перспективы // Успехи совр. биологии. 2007. Т. 127, вып. 2. С. 66-174.

Резникова Ж. И. Современные подходы к изучению языкового поведения животных // Разумное поведение и язык. Языки славянских культур. М., 2008. С. 293-337.

Резникова Ж. И., Новгородова Т. А. Индивидуальное распределение ролей и обмен информацией в рабочих группах муравьев // Успехи совр. биологии.1998. Т. 118, вып. 3. С. 345-356.

Резникова Ж. И., Рябко Б. Я. Анализ языка муравьев методами теории информации // Проблемы передачи информации. 1986. Т. XXII, № 3. С. 103-108.

Резникова Ж. И., Рябко Б. Я. Теоретико-информационный анализ «языка» муравьев // Журн. общ. биологии. 1990. Т. 51, № 5. С. 601-609.

Reznikova Zh. Animal Intelligence: From Individual to Social Cognition. Cambridge University Press, 2007. 488 p.

Reznikova Zh. Dialog with black box: Using Information Theory to study animal language behaviour // Acta Ethologica (Springer). 2007. № 10. P. 1-12.

Reznikova Zh., Ryabko B. A study of ants numerical competence // Electronic Transactions on Artificial Intelligence. 2001. № 5. P. 111-126.

Ryabko B., Reznikova Zh. Using Shannon Entropy and Kolmogorov Complexity to study the communicative system and cognitive capacities in ants // Complexity. New York. V. 2, N 2. P. 37-42.

Муравьи - высокоорганизованные общественные насекомые. Их жизнь и поведение сложны, многообразны и таят массу загадок. Одна из этих загадок - способность муравьев к сигнализации.

Умеют ли муравьи разговаривать? Издавна ученые, которым приходилось изучать муравьев, задавали себе этот вопрос. И все они приходили к твердому убеждению: да, муравьи могут передавать друг другу сообщения о находке добычи, о грозящей опасности, умеют просить о помощи и многое другое. Но как они это делают?

Многие ученые склонны думать, что главный язык, с помощью которого общаются муравьи, - химический. Муравьи, выделяя пахучие вещества, или, как их называют, феромоны, обозначают ими направление пути, объявляют тревогу и подают другие сигналы. Последние сообщения о «химическом языке» муравьев вызвали большой интерес читателей. Но о способности муравьев сигнализировать пахучими выделениями было известно давно и установлено еще пионерами мирмекологии . Однако химические сигналы - это только один из способов объяснения муравьев со своими собратьями. В целом же «речь» этих насекомых, способы общения весьма многообразны. Мало того, употребление феромонов не столь уж распространено. Для универсального их применения пришлось бы иметь слишком большой набор желез, выделяющих различные пахучие вещества. Поэтому язык химических сигналов весьма ограничен и далеко уступает другим способам общения.

Муравьи большую часть жизни проводят в темных лабиринтах своего жилища, вырытых в земле или проточенных в древесине, в тесном соприкосновении друг с другом. В гнезде объясняться запахами трудно, да и небезопасно для здоровья. Поэтому у муравьев, по нашему глубокому убеждению, наиболее хорошо развит язык жестов и прикосновений.

Об этой области муравьиного «языкознания» также было высказано немало суждений. К сожалению, большей частью они не шли дальше догадок и предположений. Почему-то среди специалистов по муравьям укоренилось мнение, что муравьи объясняются друг с другом усиками-антеннами. Усики - сложный орган обоняния и других чувств. Различный характер и ритм их движений, прикосновений и поглаживаний выражают, по мнению многих ученых, определенные сигналы. Но все это только догадки. Ими пестрит литература о муравьях, особенно та, что издана в конце прошлого столетия, но они не подкреплены ни одним конкретным примером. До настоящего времени ни один жест, ни одно движение усиков не было разгадано и «переведено» на понятный нам язык. Даже в недавно опубликованной книге о муравьях И. А. Халифмана «Пароль скрещенных антенн» не приводится ни одного «пароля», ни одного конкретного примера того, как муравьи объясняются жестами.

Очевидно, это объясняется тем, что жесты муравьев необыкновенно быстрые. В них отсутствует демонстративность, наглядность и поэтому их трудно заметить наблюдателю. Кроме того, значение жестов очень трудно расшифровывать. Наблюдатель, решивший изучать язык муравьев, попадает в положение человека, неожиданно оказавшегося среди оживленно разговаривающих между собой глухонемых. Необходимо большое прилежание, настойчивость, громадный запас терпения и, главное, многократная проверка наблюдений, чтобы «открыть» тот или иной сигнал, а затем установить его значение.

Несколько лет я наблюдал красногрудого древоточца и много дней провел возле его муравейников. Моим вооружением были бинокль с насадочными линзами, чтобы наблюдать за муравьями под увеличением, да походный стульчик. И, конечно, терпение. Последнее было вознаграждено. Завеса, прикрывавшая тайну языка красногрудого древоточца, слегка приоткрылась.

Язык жестов этого вида насекомых оказался очень богатым. Мне удалось подметить более двух десятков сигналов. Однако разгадано значение только четырнадцати. Ради удобства каждый из них был назван по смысловому значению, переведен, так сказать, с муравьиного языка на человеческий. Это придает их описанию некоторый оттенок антропоморфизма.

Вот сигналы, значение которых было разгадано.

Когда до муравья доносится чужой запах, значение которого пока определить невозможно, он настораживается, слегка приподнимается на ногах и широко раскрывает челюсти. Этот жест лучше всего выражается словом «Внимание!».

Если муравей почуял возле жилища запах незнакомого животного, запах муравья чужого вида или даже муравья своего вида, но выходца из другого, враждебного муравейника, он широко раскрывает челюсти, поднимает кверху голову и с силой ударяет челюстями по дереву. Если запах очень силен, а муравей к тому же возбужден, то он ударяет челюстями несколько раз подряд. Муравьи, находящиеся рядом, принимают позы настороженности и раскрывают челюсти. Значение этого жеста можно передать словами «Внимание! Чужой запах!».

Когда муравейнику угрожает опасность, например, на него напали другие муравьи, муравьи-инициаторы бегают от одного жителя гнезда к другому. Приблизившись к соплеменнику спереди, они трясут головой и ударяют ею сверху вниз по голове встречного. Муравьи, принявшие этот сигнал, возбуждаются и в ответ на него сами принимаются трясти головой. Перевести этот сигнал следует словом «Тревога!».

В гнезде кампонотуса много крупных большеголовых муравьев-солдат. В «мирное» время они очень вялы и медлительны. Очевидно, поэтому они мало едят. Для возбуждения солдат требуется некоторое время. Если муравейник находится в стволе живой ели и выходы его располагаются открыто, то несколько крупных муравьев-солдат располагаются возле главного входа и выполняют роль сторожей. Они время от времени слегка ударяют друг друга головой о голову. Удары эти наносятся в зависимости от положения соседа - спереди, сбоку или слегка сзади. Каждый такой удар несколько возбуждает апатичных муравьев-сторожей. Он тоже является сигналом, который может быть передан словами «Будь бдителен!».

Когда муравей поглощен какой-либо работой, его не всегда легко переключить на выполнение других дел. Муравей, который пробует отвлечь занятого труженика, получает от последнего короткий удар челюстями с расстояния, едва ли не равного корпусу насекомого. Этот сигнал равнозначен слову «Отстань!». Получив его, занятого муравья больше не трогают.

Если на муравейник напали или систематически нападают другие муравьи, жители его становятся осторожными и при встрече друг с другом слегка подскакивают вперед и ударяются челюстями. Этот жест означает «Кто ты?». В спокойной обстановке он заменяется ощупыванием усиками.

Когда муравей наталкивается на предмет с незнакомым запахом, он слегка отдергивается назад всем телом и, медленно возвращаясь в исходное положение, может повторить подобное движение несколько раз. Сигнал этот переводится словами «Какой это запах?».

Насекомое, оказавшееся возле муравейника, может быть несъедобным. Тем не менее муравьи, незнакомые с пришельцем, тотчас атакуют его. В этом случае муравей, очевидно, знающий, что насекомое это бесполезно для его соплеменников, забирается на добычу и демонстративно прыгает с нее вниз. Чаще всего достаточно одного такого движения, чтобы к непривлекательному пришельцу тотчас потеряли интерес. Иногда же этот сигнал приходится подавать многократно. Бывает, сигналящий муравей после бесплодных попыток обратить на себя внимание пытается за усики оттянуть в сторону наиболее ретивых охотников. Этот сигнал можно перевести словами «В пищу негоден». Особенно хорошо проявился он по отношению к одному из ядовитых жуков листогрызов.

При встрече с противником муравей, не желающий вступать в единоборство, высоко приподнимается на ногах, подгибает брюшко и высовывает вперед. Он словно собирается брызнуть струйкой муравьиной кислоты. Муравьи, находящиеся рядом, подражают ему и принимают такую же позу. Этот сигнал можно обозначить словом «Берегись!». Интересно, что древоточец не умеет выбрызгивать кислоту, как это делает обитающий рядом с ним в лесах рыжий лесной муравей. Заимствован ли этот сигнал у соседа или остался с тех времен, когда древоточец тоже умел брызгаться кислотой, - сказать трудно.

Как известно, муравьи, насытившиеся на охоте, приносят еду в зобе и раздают ее своим собратьям. В самый муравейник она приносится древоточцами редко. Чаще всего содержимое зоба уже возле гнезда передается встречным муравьям. Нередко те, которым ничего не досталось, просят еду у насытившихся. Для этого проситель, раскрыв челюсти, поворачивает голову на 90 градусов, приближает ее к голове сытого муравья, одновременно поглаживая его усиками. Этот сигнал означает «Дай поесть!». Насытившийся муравей иногда отказывается отрыгнуть еду из зоба. Тогда следует другой сигнал: муравей, слегка изогнувшись, поворачивает голову на 180 градусов и подставляет ее под челюсти донора. Этот сигнал означает усиленную просьбу «Прошу, дай поесть!».

Если и этот сигнал не оказывает действия, а рядом находится крупный муравей, свидетель происходящего, то подчас он вмешивается в разговор. Широко раскрыв челюсти, он с силой ударяет ими по челюстям сытого муравья. Сигнал является чем-то вроде приказания: «Немедленно дай поесть!» и, как правило, оказывает действие.

При нападении на муравейник противников защитники, удачно расправившись с одним из врагов, прежде чем ринуться в новую схватку, легко, почти молниеносно, ударяют брюшком по дереву. Если удар наносится по тонкой перегородке, его можно даже услышать. Этот сигнал поощрительный и тождествен словам ободрения: «В бой!».

Если муравьи напали на большую добычу, с которой трудно справиться, то один или несколько муравьев быстро описывают подобие круга или петли, изменяя свой путь в зависимости от положения вблизи находящихся муравьев, и головой наносят каждому встречному короткий удар с той стороны, где находится добыча. После этого муравьи или прямо направляются к ней, или следуют за сигналящим муравьем, который, описав круг, возвращается обратно. Сигналы муравья-зазывалы можно обозначить словами «Туда, на помощь!».

Словарь сигналов муравья древоточца, естественно, значительно больше и сложнее, чем было разгадано. Сигналов усиками у муравьев древоточцев я не видал. Весьма возможно, что так называемый «пароль антенн» у них попросту не существует…

Сигналы древоточца могут быть условно разбиты на три группы. Часть их представляет собой направленные прямые действия и воспринимается окружающими зрительно на близком расстоянии. Таковы сигналы: «Дай поесть!», «Прошу, дай поесть!». К этой же группе можно отнести сигналы: «Берегись!» и «Какой это запах?». Это наиболее примитивные сигналы.

Сигналы второй группы отражают ощущение муравья, подающего их. Таковы сигналы: «Внимание!», «Чужой запах!». При необходимости они переходят в реальные действия, направленные на какой-либо объект.

Следующая, третья группа сигналов, по-видимому, наиболее древняя. Она состоит из действий, ставших уже условными, символическими и тем не менее выражающими определенное состояние или потребность. Таковы сигналы: «В бой!», «Тревога!», «На помощь!», «Кто ты?». При этом сигналы: «Чужой запах!» (удар головой о дерево) и «Тревога!» (легкая вибрация головой) - почти одинаковы. Ведь второй сигнал представляет как бы множество следующих друг за другом первых сигналов. Вероятно, второй сигнал - условный и произошел от первого - сигнала-действия. Таким образом, можно предположить, что язык древоточца происходит от прямых действий, которые сперва приобретали оттенок условности, затем, теряя прямую связь с действием, становились отвлеченным сигнальным движением - жестом, то есть настоящей кинетической речью.

Представляют ли сигналы инстинктивное действие или усваиваются подражанием, сказать трудно. По всей вероятности, и то и другое. Во всяком случае, сигнализация наиболее богата в старых муравейниках и беднее в молодых.

Сигналы древоточца были открыты нами более десяти лет назад. Впоследствии удалось наблюдать язык жестов и у других видов муравьев.

Ограничиваются ли языком запахов, жестов и прикосновениями «речевые» возможности муравьев? Наверное, нет! Еще раз повторяю: способы общения муравьев многообразны. Ведь это самые древние общественные животные на нашей планете. Общественный образ жизни у муравьев существовал, по крайней мере, более 20 миллионов лет назад.

Мирмекология - наука о муравьях.