Муравьи говорят и считают?
Исследования, которые проводит заведующая лабораторией Института систематики и экологии животных СО РАН, профессор Новосибирского государственного университета Жанна Резникова, вызывают много споров. «Полит.ру» публикует этот текст в ожидании плодотворной дискуссии о методах, границах возможностей и задачах этологии.
Они живут рядом с нами. Занимаются сельским хозяйством и скотоводством. Некоторые их традиции не могут не шокировать современное цивилизованное общество. Так, например, границу своей территории они помечают трупами соотечественников.
Когда вы жалуетесь на авторитарность какого-либо строя, возможно, стоит вспомнить, что у них иметь потомство может только правящая верхушка. При этом любой житель федерации не задумываясь отдаст жизнь за своих соотечественников. Наши ученые даже не надеются когда-либо создать словарь их языка: слишком много мелких движений задействовано в речи, а возможно еще и участвуют запахи…
Они живут рядом с нами. Буквально у нас под ногами: в муравейниках ближайшего парка, на наших дачах, а порой даже на наших кухнях.
Цивилизация под ногами
Всего муравьев на нашей планете более 12 тыс. видов. В лесах новосибирского Академгородка или в Подмосковье можно насчитать около 30 видов муравьев. Жанна Ильинична Резникова занимается в некотором смысле «приматами» среди этих насекомых – рыжими лесными муравьями. Из них же в свою очередь в поле ее научных исследований попадают «интеллектуальная элита» – разведчики и фуражиры.
– У муравьев есть достаточно сложное разделение труда. Даже среди ползающих по деревьям можно выделить насекомых, которые пасут тлей, тех, кто носит «молочко» до муравейника (им много ума не надо, это своеобразные «живые вагончики»), охранников, которые охраняют пастухов, разведчиков, которые ищут новые пастбища, новых «коров» и какую-то еду, – перечисляет Жанна Ильинична. – В наших экспериментах наиболее ярко проявились разведчики и фуражиры (пастухи). Возможно, среди муравьев, прокладывающих новые пути в наземном ярусе или среди охотников есть свои гении. Но нам было проще отследить, как действуют и как передают информацию именно эти группы.
Биологические полиглоты
Жанна Резникова в своих исследованиях наибольшее внимание уделяла способности муравьев считать и передавать информацию. Идея о том, что у социальных животных должна быть сложная система обмена информацией, как и попытки этот «язык» расшифровать, появились еще в начале прошлого века. Сначала исследователи попробовали, конечно, составить своеобразные «словари». Наибольших успехов эти попытки достигли у пчел и у некоторых видов млекопитающих с достаточно выразительными и легко уловимыми человеком акустическими сигналами.
Танец пчел, с помощью которого они передают информацию о найденных источниках нектара, впервые исследовал Карл фон Фpиш: он наблюдал поведение пчел в специально сконструированном улье со стеклянными стенками. Оказалось, что расстояние до источника корма коррелирует с 11 параметрами танца. Его первые статьи на немецком появились в 1920-ые годы. Но мировое научное сообщество весьма бурно отреагировало на полученные результаты только к 1950-ым годам, когда вышла в свет книга фон Фриша на английском. Однако споры и поток критических замечаний не прекращался даже после получения фон Фришем Нобелевской премии в 1973 году. Окончательно убедиться в том, что у пчел все же есть символический язык, человечество смогло только в 1990-ые годы, уже после смерти австрийского ученого.
– Наверное, не случайно это открытие было сделано в городе Оденсе. На родине Ганса Христиана Андерсена, под пером которого родился механический соловей, – с азартом рассказывает мне о перипетиях открытия Карла фон Фриша Жанна Ильинична, сама в этот момент похожая на опытную сказочницу. – Датский инженер Б. Андерсен и руководитель Центра изучения акустической коммуникации животных А. Михельсен создали пчелу-робота, которая передавала живым пчелам информацию о богатой кормушке с сиропом, каждый раз задаваемую компьютером. Пчелы летели из улья на поляну, руководствуясь только лишь указаниями пчелы-робота, которая сама никогда не покидала искусственного улья».
Американский исследователь Т. Стpузейкеp, а потом Р. Сифард и Д. Чини составили «словарь» верветок, выделив 25 по-разному звучащих сигналов. Но наиболее легко различимы были только крики, издаваемые мартышками в ответ на появление трех разных хищников: леопардов, орлов и змей.
Особой страницей в исследовании звериного языка стало обучение некоторых животных языкам-посредникам. Ученые, совсем как англичане времен колонизации, которые не спешили учить язык туземцев, предпочитая их обучать английскому, тоже обучали животных языку, понятному им. Конечно, говорить даже самого умного шимпанзе по-английски, по-французски или по-русски не сможет даже самый гениальный дрессировщик – просто из-за физиологических особенностей. Зато целая плеяда талантливых ученых обучала, а затем общалась с приматами с помощью языка жестов, используемого для общения глухих людей, а затем уже с помощью специальных символов, набираемых на экране компьютера или на магнитной доске.
– Шимпанзе могут составлять осмысленные фразы, использовать прошлое и будущее время, комбинировать известные им слова для обозначения новых понятий, и даже обучать элементам языка своих детей. Это соответствует принципиальным свойствам человеческих языков: перемещаемости, продуктивности и даже. некоторой культурной преемственности, – рушит стереотипы об уникальности свойств человеческой речи Резникова. – Ученые считают, что «лингвистический потенциал» приматов соответствует уровню четырехлетнего ребенка, а это означает, что животные в принципе способны к использованию символического языка. Однако, возможности их естественной коммуникации до сих пор оставались неизвестными!
На стыке биологии и информатики
Жанна Резникова и ее соавтор, специалист по теории информации Борис Рябко предложили совершенно новый, теоретико-информационный подход к исследованию языка и интеллекта животных. Они отказались от попыток прямой расшифровки «языка муравьев» и решили оценить, как меняется скорость передачи информации с изменением объема. Для муравьев, которые жили в лаборатории, построили специальный лабиринт «бинарное дерево», состоящий из развилок. Каждая развилка – это выбор «налево или направо», а значит – один бит информации. На одной из веток бинарного дерева муравья-разведчика ждал сахарный сироп. По сути, ему следовало передать информацию такого типа: «направо, потом налево, опять направо» Сначала на рабочую часть арены пропускали только разведчиков, выявленных в предварительных экспериментах. Затем к поискам допускали только тех муравьев, которые контактировали с первыми, но сами в лабиринте раньше не были.
– А может, они по пахучему следу шли или запах сиропа чуяли? – не могу удержаться я от скептического замечания.
– Да, этот вопрос всегда задают, – понимающе улыбается Жанна Ильинична. – Элементы лабиринта после прохождения разведчика мы меняли, сироп убирали и возвращали на ветку только когда туда приходили фуражиры. Более того, в контрольных опытах мы запускали поисковые группы и тех муравьев, которые не общались с разведчиком. Они ни разу не нашли кормушки. Информированные фуражиры находили нужную ветку уже через 2 минуты.
Оказалось, что и среди интеллектуальной элиты муравьев есть свои гении и посредственности. Кто-то из разведчиков мог запомнить максимум две развилки, кто-то легко доходили до пяти-шести.
В опытах Резниковой и Рябко оказалось, что время контакта разведчика с фуражирами коррелирует с количеством развилок, то есть напрямую зависит от количества битов передаваемой информации. Более того, муравьям, как и нам с вами, гораздо легче запомнить и быстрее передать информацию типа «пять раз налево» или «налево-направо и так три раза», чем сведения о таком же количестве случайных поворотов. Это означает, что насекомые способны воспринимать закономерности в предложенной им задаче и использовать их для оптимизации передаваемой информации.
В отдельной серии опытов ученые «заставили» муравьев считать. Кормушки устанавливали в лабиринте, больше всего напоминающем большую гребенку с 40 зубцами. Кормушка располагалась в конце то одного, то другого зубчика. Оказалось, что муравьи способны передавать сведения о «номере» ветки. Более того, время, затрачиваемое муравьями на передачу определенного числа, коррелирует с его величиной. Счет идет, как в примитивных человеческих языках: «палец, палец, палец. ».
Но если мы очень часто в речи употребляем какую-то фразу, то общая длина кодирующих ее слов уменьшается. Например, даже в официальных документах вместо «Правительство Российской Федерации» можно встретить «Белый дом». Для муравьев такую часто встречаемую фразу создали искусственно. На всех зубцах гребенки кормушка с сиропом появлялась в случайном порядке, а на двух «специальных» – с вероятностью 1/3.
– И что же? Анализ времени, затрачиваемого разведчиками в многочисленных экспериментах на передачу сведений о «номере» нужной ветки показал, что они, если выразится коротко, ввели специальные обозначения для веток, на которых приманка появлялась чаще, чем на остальных, – не скрывая гордости и победных интонаций в голосе, рассказывает Резникова. – Теперь они могли передавать сведения не о ветке 14 или ветке 8, а о ветке 10+4 или 10–2 (если особой веткой была десятая)».
Научное общество созрело
Большинство из описанных выше экспериментов Резниковой и Рябко сегодня можно смело назвать классикой. Они начали их проводить с 80-ых годов прошлого века. Свои результаты Резникова и Рябко публиковали не только в российских, но и в международных журналах с 90-х годов. Неоднократно выступали на международных конференциях. В 1997 году с их экспериментами ознакомился, приехав в Новосибирск, шотландский ученик Клода Шеннона Долальд Мичи. Статья об этом вышла в «The Independent on Sunday». Результаты к началу XXI века можно было считать признанными, но бурного интереса они не вызывали.
В 2011 году журнал «Behaviour» предложил исследователям опубликовать на эту тему обобщающую статью. Дальше Discovery, Animal Planet и другие научно- популярные издания запестрели заголовками: «Муравьи считают лучше пятиклассников!», «Кто самый умный в животном царстве? Не муравей ли?».
– Неужели дело в “Behaviour”? – недоумеваю я.
– Нет. Просто ко времени появления этой статьи накопилось множество данных о способности животных оперировать количественными признаками объектов, – объясняет Жанна Ильинична. – Так, появились доказательства способности новорожденных цыплят прибавлять и отнимать по одному в пределах четырех. Такая же способность была найдена у детей–ползунков. Да у кого только не исследовали способность к счету в последние годы! Это и лошади, и медведи, и разные виды приматов, не говоря уж о собаках и кошках!
А еще – рыбы, пчелы и даже пауки. В том числе наша лаборатория добавила в «клуб считающих животных» диких полевых мышей. Оказалось, что эти вредители приусадебных участков способны отличать 8 предметов от 9. Если уж новорожденные цыплята способны к простейшим арифметическим операциям, а мыши считают не хуже шимпанзе, то почему бы не предположить похожих способностей у насекомых. Именно к этому времени «клуб считающих животных» расширился настолько, что люди были морально готовы включить туда и муравьев.
Они живут рядом с нами… Мы привычно смотрим на них, как на маленьких надоедливых насекомых с крошечным мозгом. Но для тех, кто знает, что муравьи не только говорят друг с другом, но и умеют сжимать информацию, считать, отнимать и складывать, пожалуй, уже не будет смотреть на них свысока.
Жанна Ильинична Резникова – профессор Новосибирского государственного университета, увлеклась изучением муравьев еще на студенческой скамье. Сегодня она один из сильнейших специалистов в этологии животных, автор нескольких монографий об интеллекте и языке животных, в том числе учебника «Animal Intelligence: From Individual to Social Cognition», изданного в 2007 году в Cambridge University Press.
Источник
Муравейник живет
Муравьи — одни из наиболее социально развитых насекомых, но как они общаются между собой? Для поддержания жизни муравейника нужны лидеры-интеллектуалы и слаженная организация. Но проявляют ли муравьи свои индивидуальные способности в координации коллективной работы? Чтобы выяснить роль отдельных особей в направлении групповых действий, ученые из лаборатории поведенческой экологии Института систематики и экологии животных СО РАН исследовали распределение поведенческих черт и когнитивных функций в колониях муравьев в их зависимости от способов организации добывания пищи. Посвященная этому статья вышла в журнале Frontiers in Ecology and Evolution.
Говоря о муравьях, мы, как правило, представляем кипящий жизнью муравейник, населенный тысячами усердных тружеников. Науке уже давно известно, что муравьи способны обучаться, проявлять гибкость поведения в сложных ситуациях, их деятельность основана на разделении труда, и при этом они вступают в симбиотические отношения с другими насекомыми. Однако лишь в исследованиях последних лет ученым-мирмекологам удалось обнаружить у муравьев феномен личности, находящийся в тесной взаимосвязи с механизмами их самоорганизации. В этологии — науке о поведении животных — понятие «личности» (personality) существенно отличается от термина, применяющегося к людям, и обозначает сохранение у индивидуумов в разных обстоятельствах устойчивого сочетания разных поведенческих свойств, таких как уровень агрессивности, исследовательская активность, подвижность, смелость или робость, память, способности к обучению.
В мире известно более 14 000 видов муравьев, а их общий вес составляет пятую часть всей биомассы Земли. При этом размножением занимается лишь малый процент муравьиного сообщества. Превалирующее большинство составляют рабочие особи, которые распределены по разным кастам и субкастам. В зависимости от этапов и темпов роста колонии усложняется и общественная организация, что требует решения новых задач. Среди них — выбор стратегий группового взаимодействия и кооперации, а также регуляция количественного состава каст и субкаст.
«Мы исследовали разные виды муравьев для разных целей, — рассказывает заведующая лабораторией ИСиЭЖ СО РАН профессор Новосибирского государственного университета , доктор биологических наук Жанна Ильинична Резникова . — Для изучения “личностных” характеристик мы выбрали виды, во-первых, обладающие сложной социальной системой, а это характерно для видов с численностью семей не менее миллиона особей. Во-вторых, у выбранных нами видов члены касты рабочих все примерно одинаковые, среди них нет разделения на субкасты — скажем, солдат с их огромными головами и челюстями, микроскопических нянек и средних по размеру фуражиров. К таким видам, у которых разделение функций в многочисленной и сложно устроенной семье основано только на поведенческих, а не на морфологических характеристиках, относятся хорошо всем знакомые рыжие лесные муравьи. Их большие — иногда в рост человека — муравейники из хвои и веточек мы часто видим в лесу. Наши многолетние эксперименты в соавторстве с известным специалистом в области теории информации профессором Борисом Яковлевичем Рябко , выявили у этих видов систему коммуникации, превосходящую своей сложностью и эффективностью всем известный язык танцев медоносных пчел. По нашему мнению, эта система основана на когнитивной специализации рыжих лесных муравьев, которая опирается на их “личностные” характеристики».
В большинстве поведенческих исследований общественных насекомых объектом изучения служат колонии, функционирующие как единый организм, каждый член которого работает на благо коллектива. При таком подходе анализируется усредненная реакция группы, например в случае угрозы нападения или резкого изменения среды, либо исследовательская активность при поиске пищи или новых территорий. «Личностные качества» общественных насекомых ранее рассматривались на уровне семьи как единого целого, а не ее конкретных членов.
Сотрудники ИСиЭЖ СО РАН впервые изучили когнитивные способности и особенности поведения отдельных особей, от которых, как оказалось, зависит профессиональное разделение на разведчиков, фуражиров, пастухов, охранников. «Именно особенности организации социума рыжих лесных муравьев, связанные с распределением ролей в семье, давно привлекли наше внимание, — рассказывает Жанна Резникова . — Открыв у муравьев “профессии”, мы с сотрудниками ИСиЭЖ СО РАН — доктором биологических наук Татьяной Александровной Новгородовой и кандидатом биологических наук Иваном Константиновичем Яковлевым — задались вопросом: профессия выбирает муравья или муравей выбирает профессию? Как выяснилось, скорее, выбирает профессия, причем специализация закрепляется на всю жизнь. Есть набор качеств, которые проявляются уже в юном возрасте: агрессивность, интеллект, предприимчивость, скорость реакций, умение взаимодействовать с сородичами и чужими. Сочетание этих особенностей складывается в определенные “личностные типы”. В зависимости от них муравей получает свою профессию».
Определить личностные особенности рыжих лесных муравьев помогла серия лабораторных тестов. Об уровне агрессии говорила разная реакция во время встреч с жужелицами — конкурентами и врагами муравьев. Исследовательская деятельность измерялась количественной оценкой времени, затраченного муравьями на взаимодействие с пластиковыми моделями, имитирующими элементы естественной среды: камни, стволы деревьев, стебли травы. Пространственная ориентация оценивалась, исходя из способности запоминать последовательность поворотов в лабиринте бинарного дерева.
«Охранниками становятся те особи, которые уже в раннем возрасте проявляют агрессивность и без колебаний бросаются защищать общие ресурсы, — добавляет Жанна Резникова . — Наши недавние эксперименты выяснили, что пастухи обладают лучшей памятью и способностями к обучению, чем охотники. А интеллектуальной элитой, составляющей около 1 % муравейника, являются разведчики. Изучив “личностные” свойства представителей разных профессий совместно с сотрудницей Научно-исследовательского института физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова кандидатом биологических наук Натальей Вадимовной Ацаркиной и кандидатом биологических наук Иваном Константиновичем Яковлевым, мы получили вот такой психологический портрет разведчика: он очень умен, в меру храбр, но осторожен, и при опасности никогда не жертвует собой. У них высока исследовательская активность, и они часто переключаются с одного объекта на другой».
Муравьи постоянно обмениваются жизненно важной для всего сообщества информацией о найденных источниках пищи. После того как разведчик обнаружил пищу, он должен тем или иным способом сообщить фуражирам данные о ее расположении. Исследователи выделяют несколько основных типов мобилизации на источник пищи. У огромного количества видов муравей-разведчик, обнаружив еду, оставляет на пути к гнезду пахучий след, по которому затем ориентируются фуражиры. «В этой системе массового рекрутирования все рабочие хотя и различаются по своим «личностным» качествам (например, сочетание смелости, подвижности, исследовательской активности), но каждый может поучаствовать в фуражировке и как разведчик, и как мобилизуемый, — объясняет Жанна Резникова . — У некоторых видов привлечение к пище основано на парном взаимодействии разведчиков и фуражиров: в таком тандеме муравей, найдя пищу, быстро приводит к ней еще одного. Значительно меньшее число видов обладает групповой системой мобилизации, опирающейся на взаимодействие лидеров и небольших временных коллективов, создающихся для решения возникающей задачи: например, расчленить и утащить крупное насекомое. У них и сигналы более разнообразны: и воинственные танцы, и прямые похлопывания-подталкивания сородичей, и следовые феромоны. Свойствами лидеров обладают уже не все особи, а лишь имеющие склонность к такой деятельности. Но роль лидеров непостоянна. Возникнет другая задача, и решать ее будет новый временный коллектив. И, наконец, система, основанная на действиях интеллектуальной элиты — лидеров-разведчиков. У них разведчики работают на постоянной основе, большую часть своей жизни, взаимодействуют с постоянными по составу рабочими группами фуражиров и передают им точную информацию о координатах цели. Об эффективности сложной системы коммуникации и когнитивной специализации в семьях высокосоциальных видов (например, рыжих лесных муравьев) говорит биологический прогресс этой группы настоящих формик (Formica s.str): они распространены по всей бореальной зоне и являются одной из самых многочисленных групп наземных насекомых».
В ряде экспериментальных исследований была выявлена взаимосвязь между профессиями, поведенческими особенностями и когнитивными способностями рыжих лесных муравьев. Разведчик, помещенный в лабиринт с пищей, возвращался в гнездо и передавал данные своего маршрута небольшой группе фуражиров. Состав групп оставался постоянным, с периодом от нескольких дней до нескольких недель, при этом везде продолжал активно работать один и тот же разведчик. Оказалось, что обязанности разведчиков и фуражиров четко распределены, в зависимости от их «личностных» особенностей.
«Наши многолетние эксперименты в соавторстве с Б. Я. Рябко показали, что у рыжих лесных муравьев, использующих систему “лидер-разведчик”, немногочисленные разведчики способны не просто запоминать путь в сложно устроенном лабиринте, но и улавливать закономерности и использовать их для оптимизации сообщений, которые они передают фуражирам, — рассказывает Жанна Резникова . — Ранее такие способности у насекомых известны не были. При этом фуражиры могут воспринимать и запоминать сообщения разведчиков, но сами они к интеллектуальным подвигам не способны. Они только могут действовать в соответствии с полученной инструкцией. По нашему мнению, именно на этой когнитивной специализации, опирающейся на “личностные” характеристики, и основана сложная система коммуникации высокосоциальных видов».
Мирмекологам еще многое предстоит узнать о когнитивных способностях и особенностях коммуникации муравьев разных видов. Может быть, нам уже сейчас стоит чему-то научиться у них, если не в личностном, то хотя бы в социальном плане? «Пытаясь ответить на этот вопрос, мы, боюсь, не пойдем дальше поверхностных аналогий, — считает Жанна Резникова . — Это и профессиональная ориентация в муравейнике, и оптимальный размер рабочей группы индивидуумов (пять-семь особей), и даже фиаско принципа “у нас незаменимых нет” на примере высокосоциальных и самых процветающих видов муравьев. Однако сказка (поверхностные аналогии) — ложь, да в ней намек. Общность механизмов социального поведения животных и людей, возможно, кроется весьма глубоко. Так, недавно было обнаружено фундаментальное сходство нейрохимического базиса поискового поведения у пчел и млекопитающих, включая человека. Можно лишь еще раз удивиться поразительной схожести закономерностей, проявляющихся в организации социумов у представителей столь далеких эволюционных ветвей».
Источник