В основу дискуссии должны быть положены опыты с бинарным деревом. Счет и особенно арифметические способности трудны при объяснении схемы опытов, по крайней мере, начинать надо не с них, а с применения идей теории информации к изучению коммуникации, то есть с нового методологического подхода, который и позволил открыть муравьиный «язык». Эти опыты кратко изложены в книге Ж.И.Резниковой «Интеллект и язык. Животные и человек в зеркале эксперимента» (М.: Наука, 2000). Ниже то, что касается этих экспериментов.
Теоретико-информационный подход к исследованию языка животных. Суть этого подхода в том, что в экспериментах испытуемым животным предлагается передать заранее известное экспериментатору количество информации, и при этом измеряется время, затраченное на ее передачу, т.е. оценивается скорость передачи информации. Мы исходим из того, что кроме таких свойств языка, как продуктивность, символичность, перемещаемость, язык должен обладать еще одним - размер сообщения должен быть пропорционален количеству информации в нем.
Поясним это требование. После введенного К.Шенноном в конце 40-х годов строгого понятия «количество информации» были исследованы многие естественные языки человека и обнаружено, что во всех этих языках длина сообщения пропорциональна количеству информации, в нем содержащейся. Это означает, что на двух страницах книги можно разместить в два раза больше сведений, чем на одной.
Что же такое информация по Шеннону? В опыте «орел или решка» возможны два равновероятных исхода: подброшенная монета падает вверх либо гербом, либо цифрой. Если кто-нибудь сообщит нам результат такого опыта, он передаст 1 бит информации (бит - единица измерения информации). Вообще, если опыт имеет n равновероятных исходов и нам сообщают его результат, то мы получаем log 2 n битов информации.
На рассмотренном понятии информации основана современная теория и практика построения систем связи (основополагающая работа Шеннона так и называлась - «Математическая теория связи»). В дальнейшем оказалось, что эта же величина играет фундаментальную роль в психологии, лингвистике и других областях.
Исходя из этих представлений, система коммуникации животных исследовалась как средство передачи информации - конкретной, количественно измеримой величины. Объектом исследования служили муравьи - чрезвычайно удобный объект для исследования социального поведения.
В описываемых опытах муравьи могли получить пищу лишь в том случае, если они передавали друг другу заданное экспериментатором количество информации. Когда муравьи дистанционным путем должны были передать информацию об одной из 120 «веток», они передавали log 120 = 7 битов информации.
В новой серии опытов муравьям предлагали пищу в специальном лабиринте, названном «бинарным деревом». В простейшем случае он состоял из одной развилки, в вершинах которой 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. Максимальное число развилок в опытах доходило до 6, и только в вершине одной из них находилась кормушка с сиропом, остальные были пустыми. В таких опытах муравьи могли быстро отыскать корм, если получали сведения о последовательности поворотов типа «ЛПЛППЛ» (налево, направо и т.п.). При 6 развилках в лабиринте им необходимо было передать 6 битов информации. В опытах исключали использование муравьями пахучего следа. Чтобы знать муравьев «в лицо», их метили индивидуальными цветными метками.
Оказалось, что при решении сложных задач среди муравьев выделяются постоянные по составу рабочие группы, состоящие из одного разведчика и 4-7 фуражиров. В каждом опыте измерялась общая длительность контактов разведчиков с фуражирами в гнезде после возвращения туда разведчиков, обнаруживших пищу. При этом фуражиры вынуждены действовать самостоятельно: разведчика изымали пинцетом и временно отсаживали в баночку.
В опытах с бинарным деревом количество информации (в битах), необходимое для выбора правильного пути в лабиринте, равно числу развилок. Оказалось, что у трех видов муравьев с групповой организацией доставки пищи зависимость между временем контакта разведчика с фуражирами и количеством передаваемой информации (числом развилок) близка к линейной, и описывается уравнением t = ai + b , где t - время контакта , a - коэффициент пропорциональности, равный скорости передачи информации (число битов в минуту), а b - постоянная, введенная потому, что муравьи могут передавать информацию, не имеющую прямого отношения к поставленной задаче, например, сигнализировать «есть пища». Отметим сразу, что скорость передачи информации у муравьев по крайней мере в 10 раз ниже, чем у человека - около 1 бит в минуту.
Одной из важнейших характеристик языка и интеллекта его носителей следует считать способность быстро подмечать закономерности и использовать их для кодирования, «сжатия» информации. Тогда размер сообщения о некотором объекте или явлении должен быть тем меньше, чем они проще, т.е. чем больше в них закономерностей. Hапример, человеку легче запомнить и передать последовательность поворотов на пути к цели «ЛП ЛП ЛП ЛП ЛП ЛП ЛП» (налево-направо, и так 7 раз), чем более короткую, но неупорядоченную последовательность «ПЛЛПППЛП». Оказалось, что язык муравьев и их интеллект позволяют им использовать простые закономерности «текста» для его сжатия (здесь «текст» - последовательность поворотов на пути к кормушке).
Здесь, пожалуй, уместно вернуться к человеку и вспомнить, что нейрофизиологи считают одной из основных функций речи так называемое когнитивное сжатие - то, что помогает расчленять окружающий мир, сводить с помощью языка множество понятий в одном символе. Конечно, в данном случае это не более чем аналогия.
Итак, выяснилось, что муравьи способны передавать друг другу довольно много различных сообщений, а время передачи сообщения пропорционально количеству информации в нем. Более того, оказалось, что эти насекомые способны подмечать закономерности и использовать их для «сжатия» информации.
Последующие опыты, построенные по тому же принципу, но с несколько измененной методикой, в которых муравьи должны были передавать сведения о номере планочки с приманкой (экспериментальная установка напоминала длинную гребенку, установленную в разных вариантах вертикально, горизонтально или замкнутую в круг) выявили у муравьев даже некую систему счисления, сходную с архаичными системами счисления у человека. В последние годы была разработана и проведена серия экспериментов, позволивших исследовать способность муравьев к сложению и вычитанию.
Видимо, такую развитую коммуникативную систему вполне можно назвать «языком». Заметим только, что среди огромного числа видов муравьев подавляющее большинство не нуждается в развитом языке. Многие виды в естественных условиях действуют как одиночные фуражиры: небольшая часть семьи ведет активный поиск добычи на кормовом участке, справляясь со всеми задачами в одиночку или взаимодействуя через подражание. Другая, довольно большая группа видов, использует пахучий след, с помощью которого немногочисленные разведчики мобилизуют на поиск пищи массу пассивных фуражиров. Лишь немногие муравьиные «приматы» достигли высшего уровня социальной организации и максимально возможного для этой группы биологического прогресса. Только представители этих видов продемонстрировали в наших опытах «языковые» способности. Муравьи других видов старались привлекать фуражиров с помощью пахучего следа, а когда по условиям опыта это оказывалось невозможно, переходили к одиночной фуражировке.
Теоретико-информационный подход к исследованию языка животных может быть применен не только к муравьям, но и к другим общественным животным - дельфинам, обезьянам, термитам. При этом разумеется, техника экспериментов должна быть изменена с учетом особенностей поведения и размеров объектов исследования.
Из статьи Ж.И.Резниковой и Б.Я.Рябко «Экспериментальные исследования способности муравьев к сложению и вычитанию небольших чисел» (Журн. высш. нервн. деят. 1999. Т.49. Вып.1).
В экспериментах с установкой в виде горизонтального «ствола» с «ветками», муравьи для получения пищи должны были передавать друг другу сведения о номере одной из 40 «веток» с кормушкой. Однако на двух заранее выбранных ветках кормушка появлялась значительно чаще, чем на остальных. Оказалось, что муравьи, во-первых, способны перестроить свою систему коммуникации при необходимости согласования продолжительности сообщений с частотой их встречаемости, и, во-вторых, прибавлять и вычитать небольшие числа при передаче сообщений о номере кормушки.
Вопрос о том, в какой мере рассудочная деятельность животных опирается на количественные оценки различных объектов и их признаков, давно интересовал исследователей. В последние годы в этом плане наметилась интересная тенденция сближения когнитивных возможностей представителей различных филогенетических ветвей. Так, долгое время считалось, что истинный счет, основанный на использовании символьных систем исчисления, может быть присущ только человеку. Однако в опытах с шимпанзе и попугаем было показано, что животным доступны некоторые элементы истинного счета, в том числе способность к использованию символов для обозначения числа элементов в небольших множествах. Врановые оказались способны к переносу сфомированного обобщения на новый диапазон ранее никогда не предъявлявшихся множеств, содержащих до 20 элементов. По мнению авторов, это не является пределом для птиц, хотя до сих пор способность к восприятию и достаточно точной оценке таких больших одномоментно предъявленных множеств не была известна у животных.
Такая деятельность требует высокого уровня абстрагирования, что само по себе оказалось возможным не только для позвоночных животных, но и для насекомых. Известно, что общественные перепончатокрылые способны к элементам абстрагирования и экстраполяции, обладают индивидуальной иерархией и лабильной системой коммуникации. Новый экспериментальный подход к исследованию рассудочной деятельности и коммуникации животных, основанный на идеях и методах теории информации, позволил выяснить, что муравьи из всех высоко социальных видов обладают развитым символическим языком, причем языком более сложным, чем язык танцев медоносной пчелы; при этом они способны улавливать закономерности и использовать их для увеличения скорости передачи информации.
В последние годы нами было выяснено, что в процессе передачи информации об источнике пищи муравьи способны оценивать число объектов в пределах нескольких десятков и передавать эти сведения друг другу для получения пищи. Поскольку описываемые в данной работе опыты проводились на той же экспериментальной установке, а новую схему опытов трудно изложить вне результатов, полученных ранее, мы приводим здесь краткое описание предшествующего этапа экспериментов.
В опытах 1984-1992 гг. экспериментальная установка имела вид «ствола» с разным числом «веток» (до 60), длиной по 10 см, на каждой из которых находилась кормушка, но только одна из них содержала сироп, а остальные - воду. В лабораторных семьях рыжих лесных муравьев Formica polyctena в разные годы в экспериментах участвовало в общей сложности 32 рабочих группы муравьев, состоящие из разведчика и фуражиров, использующих передаваемую информацию. Разведчика специально подсаживали на ветку с приманкой. После того, как он возвращался в гнездо и контактировал с фуражирами, его изолировали, и группа находила приманку самостоятельно, причем использование пахучего следа исключалось. Всего 152 раза группы фуражиров выходили из гнезда после контакта с разведчиком и направлялись к кормушкам. При этом в 117 случаях группа фуражиров сразу приходила к нужной «ветке», не совершая ошибочных заходов к пустым кормушкам. Для всех установок, имеющих различную форму и ориентацию, а также различную длину «веток» и разное расстояние между ними, зависимость времени передачи информации t от номера "ветки" i одинаково хорошо описывается эмпирическим уравнением вида t = a i + b . При этом значения параметров a и b близки для всех вариантов и не зависят от характеристик установок. Это позволило полагать, что муравьи передают сведения о номере «ветки».
Другими словами, оказалось что время «произнесения» муравьями числа 20 примерно в 2 раза больше, чем числа 10, и в 10 раз больше, чем числа 2. В современных языках человека ситуация совсем иная. Длина записи (и произнесения) числа i в десятичной системе счисления примерно пропорциональна log i. Но люди не всегда использовали десятичную систему счисления. Известно, что в некоторых архаичных языках использовалось представление чисел, при котором время записи (и произнесения) числа было пропорциональна его длине (как у муравьев). Так, числу 1 соответствовало слово «палец», числу два - «палец, палец», числу три - «палец, палец, палец» и т.д., а десятичная система счисления появилась в результате длительного и сложного развития. Однако это сравнение еще не говорит о примитивности муравьиного «языка». Дело в том, что в «оптимальном» языке длина слова должна быть согласована с частотой его использования. Именно на этом свойстве основана схема наших последних экспериментов.
В данной работе исследуется способность муравьев к использованию простейших арифметических операций. Идея экспериментов основана на том, что у муравьев формируется «система счисления», напоминающая использование римских цифр. При представлении чисел, присущем современным языкам человека, использование числительных требует некоторых арифметических операций. Особенно отчетливо это видно при использовании римских цифр. Например, YI = Y + I, IX = X - I , и т.д. Мы сознательно вырабатывали у муравьев систему счисления, напоминающую «римский» способ представления чисел, что заставляло их складывать и вычитать. Для этого мы варьировали частоту появления приманки на разных ветках, так, чтобы муравьи-разведчики усвоили, что на одной или двух «особых» ветках пища появляется значительно чаще, чем на остальных. Вначале было выяснено, что система коммуникации муравьев достаточно пластична: они могут, по-видимому, присвоить некое «имя» такой особой «ветке» и тем самым уменьшить продолжительность часто встречающегося сообщения. Анализ времени передачи сообщений на последних этапах эксперимента позволил предположить, что сообщения разведчика состояли из двух частей: информация о том, к какой из особых веток ближе находится ветка с кормушкой, и затем - расстояние от особой ветки до ветки с кормушкой.
Иными словами, муравьи, видимо, передавали «имя» особой ветки, ближайшей к кормушке, а потом - число, которое надо прибавить или отнять для нахождения ветки с кормушкой.
(от лат. intellectus познание, понимание, рассудок), способность мышления, рационального познания. Латинский перевод древнегреческого понятия нус («ум»), тождественный ему по смыслу.
муравьи ведущие поиск и доставку добычи в муравейник.
Фуражиры активные - муравьи, ведущие самостоятельный поиск добычи и мобилизующие на нее пассивных фуражиров.
Фуражиры пассивные - муравьи, не способные к самостоятельному поиску добычи: мобилизуются на добычу активными фуражирами. Часть пассивных фуражиров имеет закрепленные функции (сборщики пади).
восприятие муравьями в качестве сигнала характерных движений других особей одной общины («язык поз»).
класс беспозвоночных типа членистоногих. Тело разделено на голову, грудь и брюшко, 3 пары ног, у большинства крылья. Дышат трахеями. Развитие, как правило, с метаморфозом яйцо, личинка, нимфа (или куколка), взрослое насекомое. Самая многочисленная и разнообразная группа животных на Земле.
основная форма существования общественных насекомых. Состоит из репродуктивных (самки, самцы) и функционально бесполых особей (рабочие).
участок, используемый муравьями для добычи пищи.
отряд общественных насекомых. Общины, разделенные на касты, состоят из крылатых и бескрылых особей. Строят подземные и наземные (до 15 м высотой) гнезда (термитники). Ок. 2600 видов, главным образом в тропиках; в России 2 вида: один в районе Сочи, второй, вероятно, завезенный из Японии или Китая, во Владивостоке. Многоядны. Разрушают древесину, портят бумагу, кожу, сельскохозяйственные продукты и др. Термиты, обитающие в почве, полезны как почвообразователи.
надсемейство летающих насекомых отряда перепончатокрылых, родственное осам и муравьям. Существует около 20 тысяч видов пчёл. Распространены на всех континентах, кроме Антарктиды. Пчёлы питаются нектаром и пыльцой, используя нектар главным образом в качестве источника энергии, а пыльцу для получения белков и других питательных веществ.
