Маленькие труженики большой науки » Интеллект муравьев — на службу науке

На обложке книги «Animal Intelligence: From Individual to Social Cognition» /Эта книга, написанная автором статьи, опубликована в Кембридже (2007)./ группа муравьев движется по лабиринту «бинарное дерево». Это иллюстрация нашего эксперимента, позволившего описать символический «язык» муравьев, превосходящий по сложности известный «язык танцев» пчел /Это открытие в газете «The Independent on Sunday» названо одним из самых значительных результатов в биологии второй половины XX в./. Рыжие лесные муравьи стали первыми испытателями нового метода изучения языкового поведения животных. Этот метод, предложенный известным специалистом по теории информации и криптографии Б.Я.Рябко и разработанный в пашей лаборатории, теперь называется теоретико-информационным

. Он принципиально отличается от двух других ранее известных в этологии: прямой расшифровки сигналов животных (что громоздко и чаще всего практически неосуществимо) и применения искусственных языков-посредников, позволяющих нам общаться с представителями ограниченного количества видов (антропоидами, дельфинами, попугаями), способных овладеть языком, предложенным экспериментаторами. Суть теоретико-информационного подхода 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 экспериментатору количество информации. При этом измеряется время, затраченное на ее передачу, т.е. оценивается скорость передачи информации , 3].

В течение многих лет мы исследовали свойства и потенциальные возможности коммуникативной системы муравьев на лабораторных аренах с помощью лабиринта «бинарное дерево». Лабиринты монтировались в кюветах с водой, из пластиковых планок, 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 опытах количество развилок менялось, доходя до шести. На таких разветвленных лабиринтах муравьи могли быстро отыскать корм, только если получали от разведчика сведения о последовательности поворотов типа «ЛПЛППЛ» (Лево, Право и т.д.). При шести развилках разведчикам необходимо было передать шесть битов информации, и в этом случае минимальное число сообщений в «языке» муравьев равнялось количеству конечных «листьев», т.е. 26 = 64.

В экспериментах муравьев метили индивидуальными цветными метками и наблюдали в прозрачных лабораторных гнездах. Оказалось, что при решении сложных задач среди муравьев выделяются постоянные по составу рабочие группы, состоящие из одного разведчика и 4—7 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 «свежим», лишенным каких бы то пи было следов. Даже сиропа уже не было, все кормушки содержали воду. Так исключалось использование пахучей тропы, которую мог бы оставить муравей в лабиринте, а также самого запаха пищи. 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 уже сказано, в опытах с «бинарным деревом» количество информации (в битах), необходимое для выбора правильного пути в лабиринте, равно числу развилок. Оказалось, что у видов муравьев с групповой организацией фуражировки (высокосоциальных муравьиных «приматов») зависимость между временем контакта разведчика с фуражирами и количеством передаваемой информации близка к линейной. Зависимость эта описывается уравнением t = ai + b, где t — время контакта, а — коэффициент пропорциональности, равный времени, затрачиваемому на передачу одного бита информации, а b — константа, введенная нами потому, что муравьи в принципе могут передавать дополнительную информацию, не имеющую прямого отношения к выбору пути, например сигнализировать «появился сироп». Полученная закономерность позволила узнать, что скорость передачи информации у муравьев по крайней мере в 10 раз ниже, чем у человека: около 1 бита в минуту. Однако и это немало, а возможности коммуникативной системы насекомых оказались, как будет видно, поистине впечатляющими.

Мы научились использовать механизмы коммуникации муравьев 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 областей. 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 так, как это делают приматы (в том числе люди) и слоны. Новокаледонские галки оказались, как 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 полагать, что некоторые виды муравьев — «гении 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 у насекомых весьма скромные интеллектуальные показатели. 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.

Применив лабиринт «бинарное дерево», мы исследовали одну из важнейших характеристик языка и интеллекта его носителей, а именно способность быстро подмечать закономерности и использовать их для кодирования, сжатия, информации. При сжатии размер сообщения о некотором объекте или явлении должен быть тем меньше, чем они проще, т.е. чем легче в них обнаружить закономерности. Например, человеку легче запомнить и передать последовательность поворотов на пути к цели «ЛП-ЛП-ЛП-ЛП-ЛП-ЛП-ЛП» (Лево, Право, и так семь раз), чем более короткую, но неупорядоченную последовательность «ПЛЛПППЛП». В опытах выяснилось, что «язык» муравьев и их интеллект 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

.

В серии опытов с другими установками мы выявили способность муравьев к счету и даже к простейшим арифметическим операциям. Муравьи опять-таки были поставлены перед необходимостью передать сородичам информацию о месте нахождения 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 они могли вводить «особые «обозначения» 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 отечественных издательствах и в Кембридже (см., например,

, 6]).

Полученные результаты доказывают наличие у муравьев развитого языкового поведения и целого комплекса когнитивных способностей, которых ранее не могли и предполагать (способность улавливать закономерности, «сжимать» информацию, считать). Не исключено, что пластичность коммуникативных систем — один из основных критериев интеллекта животных и может быть использован для изучения разных видов.