Муравьи-разведчики нашли обходной путь для застрявших в лабиринте сородичей
Муравьи несут силиконовое кольцо через лабиринт со случайно расставленными препятствиями
Aviram Gelblum et al. / eLife, 2020
Муравьи-разведчики помогают своим сородичам, которые несут добычу в гнездо, выбраться из ловушки-лабиринта и найти обходной путь. Эти насекомые исследуют пространство на некотором расстоянии от группы грузчиков, и если глубина ловушки не превышает расстояние до группы, разведчики помогают обойти препятствие. Авторы статьи, опубликованной в журнале eLife, с помощью математических моделей показали, что для успешного прохождения лабиринта достаточно радиуса разведки на порядок меньше размера арены.
Навигация в пространстве может быть основана на простых реакциях организма, как хемотаксис (движение по градиенту концентрации химических веществ), а может использовать когнитивные способности особи или даже коллективный разум целой популяции. Социальные животные могут совместно принимать решения, идти за лидером и проходить социальное обучение — все эти способности помогают членам группы в различных ситуациях.
С помощью коллективного разума некоторые животные решают навигационные задачи, с которыми не справляется отдельная особь. Так, когда муравьи совместно перемещают предметы, часть насекомых несет груз, а часть бегает вокруг. Свободный муравей может примкнуть к несущей группе, стать лидером и задавать направление движения. Возможно, такие насекомые являются разведчиками, узнают наиболее выгодный путь и направляют по нему своих сородичей.
Израильские ученые из Института Вейцмана под руководством Офера Фейнермана (Ofer Feinerman) исследовали поведение длиннорогих сумасшедших муравьев (Paratrechina longicornis) в лабиринте, похожем на естественную среду с препятствиями. На арене 70 на 50 сантиметров в случайном порядке были расставлены кубики ребром 0,8 сантиметров. С трех сторон лабиринт ограничили стенками, а с четвертой располагалось гнездо муравьев. На противоположном от гнезда краю арены клали кусочки кошачьего корма, пока насекомые не выработали маршрут от гнезда к кормушке и обратно.
Затем корм заменили силиконовым кольцом диаметром один сантиметр — до этого оно ночь лежало в мешке с кошачьей едой, муравьи принимали его за пищу и совместно переносили в дом. Насекомые могли свободно огибать препятствия и двигаться любым маршрутом, но кольцо проходило не везде — расстояние между соседними кубиками далеко не всегда превышало диаметр кольца. Чтобы обогнуть все препятствия, муравьи должны были построить сложный маршрут.
Муравьи несут силиконовое кольцо по лабиринту
Aviram Gelblum et al. / eLife, 2020
Ученые ставили в лабиринт различное число кубиков и наблюдали за тем, смогут ли муравьи преодолеть его (попытка считалась успешной, если насекомые доставляли кольцо в гнездо меньше чем за восемь минут). Результат насекомых сравнивали с долей успешных решений математической модели пинбола (игра, в которой шарик катится по наклонной поверхности, сталкиваясь с препятствиями) — в ней кольцо проходит лабиринт по случайной траектории.
Чем больше кубиков стояло на арене, тем сложнее насекомым было проходить лабиринт с грузом; однако они справлялись с задачей, даже если на арене было 300 кубиков и 55 процентов площади было занято препятствиями. Это высокий показатель — согласно расчетам по теории перколяции (или теории просачивания — математической модели, с помощью которой описывают протекание жидкости через пористые материалы) порог протекания для этой среды составляет 60 процентов занятой площади; если препятствий больше, арена считается разбитой на несвязанные участки и непроходимой.
Пример маршрута, которым муравьи несли кольцо в гнездо (синий). Красный — кратчайший маршрут до гнезда с кольцом, розовый — для отдельного муравья
Aviram Gelblum et al. / eLife, 2020
В простых лабиринтах и арене без кубиков муравьи решали задачу с такой же эффективностью, что и модель пинбола. Однако чем больше препятствий находилось в среде, тем больше насекомые выигрывали у модели — им удавалось успешно пройти лабиринт в большем числе случаев.
Чтобы объяснить это, исследователи наблюдали за поведением муравьев-разведчиков, которые не несли груз. Когда кольцо заходило в ловушку из кубиков, свободные насекомые рассредотачивались на 10 сантиметров вокруг кольца (это расстояние обозначили как радиус чувствительности), а если муравьи не попадали в ловушки, масштабы коллективной разведки сокращались. Авторы работы предположили, что разведчики присоединяются к несущей группе и направляют ее по обходному маршруту в пределах радиуса чувствительности.
Чтобы проверить гипотезу, модель пинбола дополнили: после попадания в ловушку кольцо двигалось не в случайном направлении, а с учетом конфигурации среды в некотором радиусе вокруг препятствия. Затем сравнивали эффективность преодоления отдельных препятствий муравьями и двумя моделями — длину пути, которое проходило кольцо, чтобы освободиться из ловушки. Учитывали сложность ловушки: ее глубину и кратчайший маршрут, которым ее можно обойти.
Муравьи преодолевали ловушки, глубина которых не превышала радиус чувствительности, эффективнее, чем базовая модель пинбола. Когда ловушка была глубже, успешность ее преодоления резко снижалась; расширенная модель пинбола вела себя схожим образом. Эффективность преодоления всего лабиринта с тем же восьмиминутным порогом в расширенной модели была близка к показателям муравьев.
Пример маршрута, которым муравьи несли кольцо в гнездо, на схематичном изображении лабиринта. Ловушки отмечены цветами (красный — самые глубокие, синий — самые простые)
Aviram Gelblum et al. / eLife, 2020
Длина траектории, по которой муравьи (синий) или модели пинбола (красный — базовая модель, розовый — расширенная) выбирались из ловушки. По горизонтальной оси — глубина ловушки
Aviram Gelblum et al. / eLife, 2020
Успешность прохождения лабиринта в зависимости от количества препятствий. Синий — муравьи,красный — базовая модель, розовый — расширенная, черный — наличие решений лабиринта
Источник
Бинарное дерево и римские цифры для рыжих лесных муравьёв, или как эти насекомые считают
Так муравьи, столкнувшись где-нибудь,
Потрутся рыльцами, чтобы дознаться,
Быть может, про добычу и про путь.
Но только миг объятья дружбы длятся,
И с первым шагом на пути своем
Одни других перекричать стремятся.
С этой цитаты часто начинает разговор о муравьях этолог Жанна Резникова, которая вместе со специалистом по теории информации Борисом Рябко изучает язык и системы исчисления этих насекомых. Хотя муравьи не умеют умножать и делить, они способны складывать и вычитать.
Передача данных длится не быстро, как описывал Данте — чтобы рассказать о правильном пути в лабиринте из шести поворотов, муравей тратит 200 секунд, но про несколько одинаковых поворотов тот же муравей расскажет в три раза быстрее — а это значит, что муравьи способны оптимизировать и сокращать информацию. Для проверки способностей муравьёв учёные использовали «бинарное дерево» и простой лабиринт-гребёнку.
Бинарное дерево
Разведчики — очень важные специалисты в семье муравьёв, от них зависит, найдут ли насекомые еду. Как и людям-разведчикам, таким муравьям нужен острый ум и находчивость, они обязаны отлично ориентироваться в пространстве, запоминать дорогу, а кроме этого — передавать информацию сородичам, занимающимся сбором и доставкой пищи. Чтобы оценить способности разведчиков, российские учёные Жанна Резникова и Борис Рябко использовали бинарное дерево.
Бинарное дерево представляет собой лабиринт, в котором спрятана приманка — смоченная сиропом ватка. В лабиринте муравей делает выбор из двух вариантов на каждой развилке: вправо или влево. Такой вариант — это один бит информации. Таким образом максимальный объём информации, который разведчик должен передать из такого лабиринта — шесть бит, потому что семь поворотов запомнит не каждый человек.
Учёные были удивлены количеством времени, которое нужно для передачи сложного пути. На шесть поворотов разведчик затрачивал 200 секунд. Расшифровать язык муравьёв оказалось сложно, потому что они делают слишком много разнообразных движений в течение длительного времени. Позже учёные выяснили, что на описание пути из нескольких поворотов в одну сторону уходит в три раза меньше времени.
Жанна Резникова говорит о частых возражениях: муравьи-разведчики ничего не рассказывают, а фуражиры идут по пахучему следу. На самом деле в рамках эксперимента используют два идентичных лабиринта, заменяя старый, в котором побывал разведчик, на новый, по которому пойдут только фуражиры.
Римские цифры
Другой вариант лабиринта, который использовали учёные, представляет собой гребёнку из 15 конечных точек. Чем дальше от входа находится приманка — тем больше времени разведчику нужно, чтобы описать путь фуражирам. Но если на какую-либо веточку приманку помещают чаще, то муравьи начинают эту веточку использовать в качестве новой точки отсчёта.
Если часто используется веточка номер 10, то для описания пути к 11 веточке тратится времени чуть больше, чем на 10 — то есть муравьи описывают путь как «10+1». И точно такой же результат по времени показывает веточка 9 — то есть «10-1». Это напоминает римскую систему исчисления — X, XI, IX. Так учёные доказали, что муравьи способны складывать и вычитать.
Элита муравьиного общества
В семье рыжих лесных муравьёв разведчики составляют до 0,3% населения. Эксперименты с этими «специалистами» показали, что они при небольшом своём количестве являются одной из важнейших групп.
Учёные так увлеклись экспериментом, во время которого отселили разведчиков из одного муравейника, что не заметили, что почти половина населения гнезда погибла. Муравьи забаррикадировались и отказывались принимать пищу. В контрольном муравейнике, где все специалисты были на своих местах, такого не наблюдалось. Это событие Резникова сравнивает с «философским пароходом».
Все муравьи умеют доить тлей, но сборщик пади (пастух для тлей) не сможет запомнить и рассказать о дороге к пище, как разведчик.
Источник
Муравьи в лабиринте
Задача
Изучая способность муравьев к общению, российские ученые Жанна Резникова и Борис Рябко в 1984 году провели следующий эксперимент. Экспериментаторы прятали корм в лабиринте. Муравей-разведчик самостоятельно находил корм, после чего возвращался и вступал в «разговор» (контакт усиками) с муравьями-фуражирами. После таких «разговоров» фуражиры быстро находили корм. Если разведчику не давали пообщаться с фуражирами, то те искали пищу значительно дольше или вовсе не находили ее. Эксперимент проводили много раз, с разными муравьями и разными лабиринтами.
Ниже приведены схемы некоторых лабиринтов (настоящие лабиринты тоже состояли из спичек, но были укреплены в кювете с водой, чтобы исключить возможность «схода с пути»). Начало лабиринта отмечено монеткой (муравьи продвигаются по спичкам); место, где находился корм, — черным крестиком. Для каждого лабиринта указана средняя продолжительность разговора разведчика и фуражира, то есть время (в секундах), которое потребовалось разведчику, чтобы «объяснить» дорогу фуражиру. Некоторые числа пропущены, причем известно, что это 78, 88, 130 и 220.
Задание. Восстановите правильные значения вместо знаков вопроса. Объясните ваше решение.
Подсказка 1
Длительность разговора зависит от количества информации, которое разведчик должен передать фуражиру. А от каких свойств лабиринта зависит это количество?
Подсказка 2
Один фактор — длина пути, то есть количество развилок, про которые разведчик должен сообщать, направо надо повернуть или налево. Из приведенных данных, однако, очевидно, что длина — не единственный фактор.
Решение
Чтобы найти корм, фуражиру надо пройти несколько развилок и на каждой знать, в какую сторону повернуть: направо или налево. Эту информацию ему, по-видимому, и сообщает разведчик. Запишем последовательность необходимых поворотов для каждого лабиринта:
| Номер лабиринта | Длительность разговора, в секундах | Последовательность поворотов |
| 1 | 100 | ЛПЛЛ |
| 2 | 90 | ЛЛЛЛЛЛ |
| 3 | ? | ЛПЛПЛП |
| 4 | 120 | ПЛЛЛП |
| 5 | 135 | ПЛПЛПЛ |
| 6 | 180 | ПЛППЛЛ |
| 7 | ? | ППППП |
| 8 | ? | ППЛППП |
| 9 | 150 | ППЛПЛ |
| 10 | ? | ПППППП |
Логично предположить, что чем длиннее последовательность, тем больше времени нужно, чтобы ее передать. Отчасти это действительно так: последовательность ЛПЛЛ требует меньше времени (100 секунд), чем ПЛЛЛП (120) или ППЛПЛ (150), которые, в свою очередь, передаются быстрее, чем ПЛППЛЛ (180). Эту закономерность нарушают две последовательности: ЛЛЛЛЛЛ (90) и ПЛПЛПЛ (135). Очевидно, однако, что обе они, в отличие от прочих, имеют отчетливую внутреннюю структуру, их необязательно запоминать целиком или передавать посимвольно. Человек, например, мог бы сказать «шесть раз Л» или «три раза ПЛ». Приходится предположить, что муравьи тоже умеют эффективно сжимать информацию, когда сообщение предоставляет такую возможность.
Очевидно, что речь идет не о строгих законах, а о тенденциях, и информации у нас довольно мало. Мы не знаем, например, почему ПЛЛЛП требует меньше времени (120), чем ППЛПЛ (150): это случайная флуктуация или же муравьи умеют сжимать первое сообщение более эффективно, чем второе. К счастью, лабиринты, которым нам надо сопоставить данные числа, отличаются друг от друга значительно.
Логично предположить, что меньше всего времени потребуется на описание лабиринта 7 (ППППП): последовательность короче прочих и сжимаема. Сопоставим ему 78 секунд. Лабиринт 10 (ПППППП) устроен так же, но чуть длиннее: сопоставим ему 88 секунд (заметим, что на лабиринт 2, имеющий структуру ЛЛЛЛЛЛ, требуется 90 секунд; близость чисел показывает, что мы на верном пути). Лабиринт 3 (ЛПЛПЛП) посложнее, но тоже сжимаем, если мы сопоставим ему 130 секунд, то получим почти то же значение, что для эквивалентного лабиринта 5. Остается 220 секунд, которые мы сопоставим длинному и несжимаемому (ППЛППП) лабиринту 8.
Послесловие
Передавать друг другу (или врагу) информацию умеют не только люди, хотя человеческий язык далеко превосходит по сложности и выразительности системы коммуникации, которые используются другими видами. Следует, однако, иметь в виду следующее высказывание, которое приписывается знаменитому исследователю социального поведения приматов Роберту Сейфарту (Robert M. Seyfarth): размер коммуникационного репертуара любого вида пропорционален количеству часов, потраченному людьми на исследование данного вида. Иными словами, при ближайшем рассмотрении коммуникационные системы животных нередко оказываются сложнее и мощнее, чем казалось до тщательных исследований. Но и на данный момент известно немало впечатляющих примеров.
Самые знаменитые примеры — это обезьяны, которых обучали человеческому языку в неволе, в первую очередь шимпанзе Уошо, горилла Коко и бонобо Канзи. Приматы оказались способны выучить сотни слов: понимать на слух звучащие слова, воспроизводить слова жестового языка, пользоваться специальным искусственным языком (йеркиш). В природе у приматов систем такой сложности не обнаружено, но коммуникация, имеющая некоторое сходство с человеческим языком, встречается, см., например, задачу «Мартышки Кемпбелла».
Общаются не только «умные животные», такие как приматы, киты, дельфины и птицы, но и, вероятно, все или почти все живые существа, включая бактерий. Даже части живых существ (например, клетки многоклеточных организмов) успешно коммуницируют. Неудивительно, что высокосоциальные насекомые тоже способны к общению.
Широко известен танец пчел, в первую очередь благодаря работам австрийского этолога Карла фон Фриша, лауреата Нобелевской премии. Фриш обнаружил, что пчелы, обнаружившие источник питания, «танцуют» перед другими членами улья, сообщая им, в какую сторону нужно лететь до него и как долго. Открытия Фриша некоторое время оспаривались, но впоследствии было убедительно показано, что танец пчел действительно существует.
Изучая коммуникативные способности муравьев, Резникова и Рябко приняли остроумное решение. Они отказались от попыток расшифровать «язык» муравьев. Танец пчел, например, расшифрован очень подробно: известно, какие элементы танца какую информацию кодируют и как именно пчелы, увидевшие танец, используют эту информацию при полете к источнику питания. У муравьев, однако, значительная часть общения происходит при контакте антеннами (разумеется, не только: муравьи могут и метить путь пахучими веществами, и принимать определенные позы, но наиболее «языкоподобное» общение, связанное с передачей абстрактной информации, по-видимому, происходит при тактильном взаимодействии), который технически чрезвычайно трудно проанализировать. Ученые приняли как данность, что код останется «черным ящиком» (по крайней мере, временно) и решили изучить те его свойства, которых легко поддаются анализу. Этого оказалось достаточно, чтобы выяснить ряд важных вещей.
Чем сложнее объект, тем длиннее его описание (на эту идею опирается колмогоровская сложность). Чем сложнее лабиринт, тем больше времени муравьи тратят на «разговор». Это, во-первых, подтверждает, что «разговор» — это именно передача описания лабиринта (хотя это и так следует из результатов эксперимента: фуражиры были лишены иных возможностей узнать путь к корму), во-вторых, показывает, что муравьиная коммуникация схожа с человеческой: муравьи умеют эффективно сжимать информацию, описывая лабиринты типа ЛЛЛЛЛЛ или ЛПЛПЛП короче, тем типа ППЛППП. Как именно, мы опять же не знаем.
В других сериях экспериментов те же авторы показали похожими методами, что у муравьев есть впечатляющие способности к счету. Лабиринт был устроен в виде расчески с несколькими десятками зубьев, на одном из которых находился корм. В таком случае разведчику удобнее всего передавать фуражирам номер нужного зубца (или идентифицировать его иным похожим образом), и примерно это муравьи, судя по линейной зависимости продолжительности разговора от удаленности зубца, и делали. Более того, муравьи и здесь оказались способны сжимать информацию: если на определенном зубце (например, на 20-м) корм размещался заметно чаще, чем на остальных, то зависимость продолжительности разговора от номера зубца переставала быть линейной. Время, необходимое для того, чтобы направить фуражиров к частотному зубцу или к нескольким соседним с ним, было заметно меньше, чем предсказывала линейная зависимость. То есть муравьи не только изобретали какое-то специальное короткое наименование для частотного зубца, но и использовали его как точку отсчета для нескольких соседних зубцов в обе стороны.
Почему у животных есть такие способности, но всё же нет языка, сравнимого с человеческим, до конца неизвестно. Некоторые гипотезы гласят, что у них нет способностей к ключевым синтаксическим операциям, то есть только человек способен объединять слова в предложения так, чтобы получался язык. Некоторые предполагают, что дело скорее в семантике и родственных областях: животные неспособны запомнить столько слов, сколько человек, и неспособны так членить реальность, чтобы уметь всегда эффективно описать новую ситуацию, даже незнакомую. Еще один возможный фактор — низкая способность к так называемой кумулятивной культурной эволюции. Люди не только способны учиться чему-то, но и накапливать знания, постоянно улучшая и шлифуя знания, которые передаются из поколения в поколение. Многие исследователи предполагают, что эта способность сыграла ключевую роль в возникновении языка: из гипотетического примитивного протоязыка (который, возможно, походил на языки животных) путем культурной эволюции постепенно возник язык в том виде, в котором мы знаем его сейчас. Способности животных к кумулятивной культурной эволюции значительно уступают человеческим (хотя новые эксперименты показывают, что они всё же существуют — вспомним высказывание Сейфарта), поэтому они не могут из «зачатка» языка создать полноценный язык.
Наконец, возможный ответ на вопрос, почему же у животных нет или почти нет этих (или каких-то других) ключевых способностей, — потому что не было давления отбора в нужном направлении. Иными словами, для человеческого вида, который опирается на интеллект и высочайшую социальную структуру, наличие языка могло быть вопросом выживания, а для животных, которые занимают другие эволюционные ниши, — нет. Им хорошо и так.
Задача использовалась на первом туре Латвийской олимпиады по лингвистике в 2015 году.
Источник