Max_Evil
23.11.2004 13:27, 12 месяцев назад
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 по10 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.
Методика
Эксперименты проводили в 1992 – 1995 гг., после апробации методики в1991 г. Для исследований были выбраны муравьи Formica polyctena, отличающиеся высоким уровнем социальной организации. В разные годы использовалось 5 лабораторных семей этого вида, взятые из муравейников лесопарковой зоны Новосибирского Академгородка. Лабораторная семья численностью около 2 тысяч особей помещалась на арену площадью2 м2, в прозрачном гнезде (10 x20 см), позволявшем учитывать контакты между ними. Арена была разделена на две части – меньшую, жилую, где располагалось гнездо, и большую, рабочую, где помещалась лабораторная установка. На рабочую часть вел мостик, который можно было убрать для того, чтобы заменить установку или изолировать муравьев. Все муравьи, участвовавшие в опыте, были помечены индивидуальными метками, с помощью цветных точек нитрокраски, нанесенных на разные части тела. Муравьи получали пищу раз в 3 дня и только на экспериментальной установке, которая имела вид горизонтально расположенного «ствола» с 40 «ветками» длиной по10 см, на каждой из которых находилась кормушка, но только одна из них содержала сироп, а остальные – воду. В начальную точку «ствола» муравьи попадали по специальному мостику. Для получения пищи муравьям было необходимо передавать сведения о номере ветки с кормушкой.
В более ранних экспериментах мы выяснили, что у муравьев исследуемого вида при необходимости группового решения сложных задач фуражировочная деятельность организована следующим образом: действуют постоянные по составу группы (4-8 особей), в каждой из которых поиском пищи занят один разведчик. Обнаружив пищу, он сообщает о ней только своей группе фуражиров. Во всех опытах мы специально подсаживали разведчика на «ветку» с пищей. Самостоятельно возвратившись в гнездо, разведчик иногда сразу начинал контактировать с членами своей группы. После контакта вся группа выходила из гнезда и двигалась по направлению к установке. В этом случае мы изымали разведчика пинцетом и временно изолировали, заставляя тем самым группу фуражиров отыскивать пищу самостоятельно. Но чаще после ознакомления с местонахождением пищи разведчик возвращался к кормушке один: иногда он ошибался и находил пищу после посещения нескольких пустых кормушек. Число одиночных рейсов разведчика могло достигать четырех, прежде чем он выводил свою группу. Во всех случаях мы фиксировали время контакта с фуражирами в гнезде. Началом контакта считалось прикосновение к первому муравью, окончанием – выход из гнезда первых двух фуражиров. Для расчетов использовали время последнего контакта разведчика с фуражирами, после которого группа выходила из гнезда за пищей. Как правило, предварительные контакты были короткими (около 5 сек.) и сопровождались обменом пищей.
Для того чтобы исключить гипотетически возможное использование пахучего следа, а также запаха самого сахарного сиропа, установка заменялась на тождественную в то время, когда разведчик находился в гнезде и контактировал с фуражирами. При этом на замененной установке все кормушки были без сиропа. Если группа сразу совершала правильный выбор, на “ветку ” быстро помещалась кормушка с сиропом, т.е. муравьи сразу получали вознаграждение за правильно переданную и усвоенную информацию. Если часть муравьев (более одного) совершала ошибку, выбор группы в целом считался ошибочным. Опыт с этой группой в этот день заканчивался. В ходе эксперимента кормушка помещалась на разные ветки – от первой до тридцатой. Пока длился сеанс с одной группой, фуражиры и разведчики из остальных групп на установку не допускались.
Результаты исследований
1. Пластичность «системы счисления» у муравьев.
Идея данной серии экспериментов основана на том теоретико-информационном факте, что в «оптимальных» системах коммуникации время передачи сообщения (t) и частота его встречаемости (Р) связаны соотношением t= -log Р (в качестве сообщения можно рассматривать букву, слово, фразу и т.п.). Это соотношение проявляется, в частности, в том, что в естественных языках человека при возрастании частоты использования какого-либо сообщения длина кодирующей его фразы (или слова) уменьшается (например, даже в официальных документах вместо «правительство Российской Федерации» часто используют слово «Кремль»). В значительной степени этой же цели служат слова профессиональных жаргонов, аббревиатуры, местоимения и т.п.
В описываемых ниже опытах специально создавалась ситуация, когда частота использования одних чисел была существенно больше, чем других. При этом проверялась способность муравьев изменять длину сообщения в зависимости от частоты его встречаемости. Опыты проводились в 1992 – 1995 гг. на 4 семьях F. polyctena (данные1992 г. носят предварительный характер, так как не содержат достаточно повторностей для статистического анализа). Использовалась лабораторная установка «горизонтальный ствол», с 40 «ветками», но приманка помещалась только на ветки 1-30.
Рассмотрим связь между временем, затрачиваемым муравьями-разведчиками на передачу сведений о ветке с кормушкой, и номера этой ветки. На первой стадии эксперимента эта зависимость близка к линейной (коэффициент корреляции, характеризующий силу связи, равен 0.95 в 1993 и 0.96 в 1994). На третьей стадии картина иная: время, затрачиваемое муравьями на передачу информации, во-первых, резко уменьшилось, и, во-вторых, зависимость между временем передачи информации и номером ветки нелинейная – на графике заметны понижения в окрестностях «специальных » точек (10 и 20 в1993 г.). В1995 г. мы использовали только одну специальную точку, А («ветка» № 15).
На первой и на третьей стадиях эксперимента пища появлялась на ветках с равной вероятностью (1/30). На второй стадии на ветке № 15 пища появлялась с вероятностью 1/2, и с вероятностью 1/58 – на любой из остальных 29 веток.
На первой стадии зависимость между временем передачи информации и номером ветки близка к линейной, тогда как на третьей стадии время резко сократилось, особенно для «специальной» ветки № 15 и близких к ней.
Таким образом, картина зависимости между временем передачи информации о ветке и ее номером, совершенно различна на первой и на третьей стадии эксперимента, хотя условия их проведения одинаковы. Это позволяет предположить, что муравьи изменили в своей системе коммуникации способ передачи информации о номере ветки. Более того, можно видеть, что в окрестностях «специальных» веток время, затраченное муравьями-разведчиками на контакт с фуражирами, в среднем, тем короче, чем ближе ветка с кормушкой находится к «специальной». Например, в1993 г. на первой стадии эксперимента муравьи затрачивали 70-82 сек., чтобы передать информацию о том, что кормушка находится на ветке № 11, и 8-12 сек. на то, чтобы передать сведения о ветке №1. На третьей стадии контакт разведчика с фуражирами после его возвращения с ветки № 11, занимал 5-12 сек.
Рассмотрим кратко поведение муравьев на 2-м этапе, когда они формировали новый способ «представления чисел». В 1992-1994 гг. на второй стадии эксперимента, в течение 40- 50 опытов (то есть с 12-го по 15-й дни эксперимента) разведчики, вернувшиеся со «специальных» веток затрачивали на контакт с фуражирами в среднем столько же времени, сколько и на первой стадии (например, в1994 г., когда приманка была на ветке № 10 («А»), это время составляло 62-80 сек., а когда на ветке № 19 («B»), – 100- 120 сек. Затем наступал такой период, когда муравьи, вернувшись со «специальных» веток, посвящали контактам с фуражирами исключительно длительное время: 200-350 сек., а в отдельных случаях до 500 сек. После таких контактов наблюдалась массовая неспецифическая активация фуражиров на арене, но при этом только «информированная» группа направлялась к мостику, ведущему на рабочую часть арены. Такие периоды занимали по 2 экспериментальных дня в 1992 и в1994 г. и 4 дня в1993 г. В1995 г. мы не наблюдали такого явления, что, возможно, было связано с тем, что использовалась лишь одна «специальная» ветка. После таких периодов время контакта разведчика с фуражирами резко сокращалось, что и было зафиксировано на третьей стадии всех экспериментов.
