Доктор биологических наук Жанна РЕЗНИКОВА, заведующая лабораторией поведенческой экологии сообществ Института систематики и экологии животных СО РАН и кафедрой сравнительной психологии Новосибирского государственного университета, доктор технических наук Борис РЯБКО, проректор по научной работе и профессор Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики, ведущий научный сотрудник Института вычислительных технологий СО РАН (Новосибирск)

Эксперименты, построенные на идеях и методах теории информации, позволили открыть у муравьев сложную систему коммуникации, с помощью которой они передают друг другу абстрактные сведения, оптимизируют сообщения, "сжимая" их, и могут использовать в этих процессах даже простейшие арифметические операции. Предложенные подходы применимы и при изучении языка и интеллекта социальных животных разных видов.

Есть поворотные точки в научном познании, заставляющие нас увидеть мир по-новому, распрощаться с, казалось бы, незыблемыми представлениями. Это как поворот волшебного кольца царя Соломона - об обретении с его помощью понимания языка зверей и птиц мечтал один из основателей современной этологии, австрийский зоолог, нобелевский лауреат 1973 г. Конрад Лоренц. Увы, реальные пути, доступные исследователям, более прозаичны - это разработка схем экспериментов, способствующих продвижению в изучении Природы. Об одном из таких путей и пойдет речь.

Вопрос существования "языка" социальных видов животных привлекал внимание людей тысячелетиями, но предметом научного познания стал лишь в XIX в. К концу XX в. в этой области сложилась парадоксальная ситуация: было показано, что некоторые виды обезьян, дельфинов, попугаев способны освоить специальные, придуманные людьми языки-посредники, а вот наличие "собственного", используемого в естественной среде обитания, языка доказано пока только для медоносных пчел и африканских зеленых мартышек. Причем оказалось, что либо расшифрованные учеными "языки" довольно просты, либо поняты лишь их небольшие фрагменты. Так, пчелы при помощи "языка танцев" передают сведения о направлении полета к источнику пищи и расстоянии до него; мартышки же используют определенные звуковые сигналы для информирования сородичей о появлении разных хищников.

Зоологи пытались составить "англо-слоновый", "немецко-волчий" и т.п. словари. Однако природа редко дарит нам ситуацию, когда из потока сигналов можно выделить достаточно выразительные элементы. Ключом же к их расшифровке служат часто повторяемые сочетания обстоятельств естественной жизни животных. "Язык криков" мартышек уже разгадан, а вот из воя волков вычленено лишь одно "слово" - сигнал одиночества. Анализ множества разнообразных звуков, издаваемых дельфинами, приводит биологов и математиков к мысли о том, что их сложная система коммуникации* обладает свойствами языка, но из произносимых "слов" удалось уловить только имена собственные. Это открытие - дельфины называют друг друга по именам! - сделано совсем недавно в Университете Сент-Эндрю (Шотландия). Подобные фантастические результаты порождают ощущение, что из моря сигналов выхватываются лишь гребешки отдельных волн, утекающих сквозь пальцы.

Но вернемся к языкам-посредникам. В 1960-х годах американские психологи Аллен и Беатриса Гарднеры обучили шимпанзе основам жестового языка глухих. Их работы стали сенсацией, положили начало многочисленным подобным экспериментам с другими видами животных, с использованием иных систем знаков, т.е. совершилась настоящая революция в нашем понимании ментального и коммуникативного потенциала соседей по планете. Но речь идет об искусственных языках. Отсутствие же знаний о естественных языках животных говорит, скорее, не о том, что их нет, а о том, что этологи не обладают адекватными методами поиска. И мы попытались их найти.

ИДЕЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

На обложке учебника "Интеллект животных: от индивидуума к социуму", опубликованного одним из авторов данной статьи Жанной Резниковой в изда-

* См.: М. Иванов. Коммуникация дельфинов. - Наука в России, 2009, N 2 (прим. ред.).

тельстве Кембриджского университета (Великобритания, 2007) помещено фото: группа муравьев движется по лабиринту "бинарное дерево" в поисках кормушки с сиропом. Это иллюстрация нашего эксперимента, позволившего доказать существование языка муравьев. Задача, поставленная перед насекомыми, отражает реалии их повседневной жизни. Рыжие лесные муравьи строят большие муравейники, контролируют значительные участки леса, а численность их семей достигает миллиона особей. В поисках пропитания они вынуждены постоянно искать колонии живущих в кронах деревьев тлей - поставщиков углеводной пищи. Для этих насекомых жизненно важно сообщать друг другу сведения о вновь найденных скоплениях тлей. Мы предположили: муравьи должны обладать достаточно сложной системой коммуникации, чтобы в кратчайшие сроки передать и запомнить путь в переплетении ветвей. Вот почему они, с нашей точки зрения, - достойный объект для применения принципиально нового метода изучения языка животных.

Теория информации, на идеях которой основан предложенный нами подход, первоначально развивалась как математическая теория связи. Однако вскоре стало ясно: сформулированные в ней понятия должны играть важную роль в изучении и технических, и других систем коммуникации. Наши эксперименты показали: положения этой теории позволяют не только оценить те или иные характеристики сигнальной деятельности животных, но и могут служить основой опытов, позволяющих ответить на ключевой вопрос о наличии или отсутствии у них "языка".

В чем суть теоретико-информационного подхода к изучению коммуникации животных? Создается ситуация, в которой испытуемые вынуждены передать друг другу заранее заданное количество информации. При этом измеряется время, затраченное на этот процесс.

Многие этологи и лингвисты сходятся в том, что важнейшее из свойств, позволяющее назвать систему коммуникации "языком", - продуктивность, т.е. возможность составления большого (потенциально бесконечного) числа осмысленных текстов (фраз). Мы считаем, что язык должен обладать, по крайней мере, еще одним свойством: длина сообщения (а значит, и время, затрачиваемое на его передачу) должна быть пропорциональна количеству информации в нем. Коротко поясним: после введенного основоположником теории информации американским математиком Клодом Шенноном в конце 1940-х годов понятия "количество информации" было обнаружено, что во многих человеческих языках длина сообщения пропорциональна количеству информации в нем.

Что такое информация по Шеннону? Если подбросить монету, то в итоге возможны два равновероятных варианта - сверху будет либо герб, либо цифра. Неопределенность опыта равна 1 биту (бит - единица измерения информации). И если кто-нибудь сообщит нам о результате, он передаст 1 бит информации. Вообще, если опыт имеет n равновероятных исходов и нам сообщают его результат, то мы получаем tog₂(n) битов информации.

Исходя из этих представлений, являющихся основой, на которой базируются современные средства

связи, мы исследовали систему коммуникации животных именно как средство передачи информации, т.е. конкретной, количественно измеримой величины.

МУРАВЬИ И... БИТЫ

Для того чтобы заставить муравьев передавать известное экспериментатору количество информации, мы предлагали им поделиться друг с другом сведениями о кормушке с сиропом, помещенной на одну из конечных веток лабиринта "бинарное дерево". В экспериментах насекомых метили цветными метками и наблюдали за ними в прозрачных лабораторных гнездах. Каждая семья содержала около 2 тыс. муравьев. Лабораторные арены были разделены на две части: в меньшей помещалось гнездо, в большей - лабиринт, в котором насекомые получали пищу. Попасть сюда они могли по съемному мостику, а чтобы исключить их подход к кормушке "напрямую", лабиринт помещали в кювету с водой.

Как оказалось, при решении сложных поисковых задач в семье рыжих лесных муравьев выделяются постоянные по составу рабочие группы, состоящие из одного разведчика и 3 - 8 фуражиров. Каждый разведчик, найдя пищу, вступает в контакт только со своей группой. В наших экспериментах муравьи получали сироп лишь в том случае, если передавали друг другу информацию о последовательности поворотов, ведущих к кормушке. Для этого и служило "бинарное дерево". В простейшем случае оно состояло из одной развилки, а на концах двух "листьев" находились кормушки: одна - пустая, другая - с пищей. Чтобы найти ее, муравьи должны сообщить друг другу сведения "иди налево" или "иди направо", т.е. 1 бит информации. В разных опытах использовались лабиринты с разным количеством развилок. При одинаковом количестве развилок в разных сеансах приманка помещалась на различные конечные "листья дерева". Последовательность поворотов, ведущих к кормушке, мы определяли для каждого опыта случайным образом, подбрасывая монету ("орел" - направо, "решка" - налево). Максимальное число развилок в наших опытах доходило до 6. Только на одном из "листьев" находилась кормушка с сиропом, остальные были пусты. В таких опытах муравьи могли быстро отыскать корм, если получали сведения о последовательности поворотов типа "ЛПЛППЛ" (налево, направо, и т.д.). При 4 развилках в лабиринте им необходимо было передать 4 бита информации, при пяти - 5 битов, и т.д. Всего в наших многолетних экспериментах с "бинарным деревом" участвовало 335 успешных разведчиков и их групп. Слово "успешный" здесь не случайно. Дело в том, что число разведчиков, способных запомнить путь к кормушке, уменьшалось в зависимости от сложности задачи.

В каждом опыте по возвращении разведчика к гнезду после удачного похода за сиропом измеряли длительность его контактов с фуражирами (в секундах), соответствующую, как мы предположили, времени передачи информации. Началом контакта считалось прикосновение усиками к первому муравью, окончанием - выход из гнезда первых двух фуражиров. Во время контакта "информатора" с его группой фуражиров лабиринт заменяли тождественным, но "свежим", лишенным каких бы то ни было следов. Даже сиропа уже не было - все кормушки содержали воду. Таким образом, исключалось использование пахучего следа, который мог бы оставить муравей в лабиринте, а также и самого запаха пищи. При этом фуражиры, пообщавшись с "информатором", были вынуждены действовать самостоятельно: разведчика изымали пинцетом и временно отсаживали (видеоклипы опытов доступны на сайте: http://www.reznikova.net/infotransf.html). В течение каждого сеанса к лабиринту допускали только одну группу фуражиров. Мы считали безошибочным нахождением те случаи, когда группа двигалась к нужной ветке, и отставших муравьев было не более одного. Как только насекомые приходили к цели, им сразу же ставили туда кормушку с едой. Статистические расчеты и специальные контрольные опыты подтвердили наши предположения, что муравьи не используют иные способы ориентации, кроме сведений, сообщенных им разведчиком.

Как мы уже знаем, в опытах с "бинарным деревом" количество информации (в битах), необходимое для выбора правильного пути в лабиринте, равно числу развилок. Мы предположили, что время контакта раз-

ведчика с группой фуражиров (t) должно быть равно ai + b, где i - число развилок, a - коэффициент пропорциональности, равный времени, затрачиваемому на передачу одного бита, а b - постоянная. Ее мы вводим потому, что муравьи могут передавать информацию, не имеющую прямого отношения к поставленной задаче, например, сигнализировать: "есть пища". По полученным данным оценивались параметры уравнения линейной регрессии (a и b) и вычислялся выборочный коэффициент корреляции (r). Оказалось, что зависимость между временем контакта разведчика и фуражиров и количеством передаваемой информации (числом развилок i) близка к линейной. Заметим, полученные нами величины скорости передачи информации у муравьев - около 1 бита в минуту - примерно в 10 раз ниже, чем у человека. Однако и это немало, а возможности коммуникативной системы насекомых оказались, как сейчас увидим, поистине впечатляющими.

Для оценки потенциальной продуктивности муравьиного языка подсчитаем минимальное количество сообщений, необходимое насекомым при поиске цели. "Дерево" с двумя развилками содержит 2² возможных путей, с тремя - 2³, с шестью - 2⁶; следовательно, общее число возможных путей к цели равно 2+2²+ 2³ +...2⁶ =126. Это минимальное количество сообщений, которые должны быть способны передавать разведчики в описанных опытах, чтобы достичь кормушки.

КОЛМОГОРОВСКАЯ СЛОЖНОСТЬ, ИНТЕЛЛЕКТ И ЯЗЫК

Лабиринт "бинарное дерево" позволил нам исследовать еще одну важнейшую характеристику языка и интеллекта его носителей: способность быстро подмечать закономерности и использовать их для кодирования, "сжатия" информации. Размер сообщения о некотором объекте или явлении должен быть тем меньше, чем они "проще". Например, 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". Опыты с "бинарным деревом" показали, что язык муравьев и их интеллект позволяют им использовать простые закономерности "текста" для его сжатия (здесь "текст" - последовательность поворотов на пути к кормушке). Так, они затрачивали вдвое меньше времени на передачу сообщения "ЛЛЛЛЛ" ("пять раз налево"), чем сведений о случайной последовательности той же длины (например, "ЛППЛП"). Примечательно, что муравьи начинают "сжимать" информацию только при достаточно больших "текстах", т.е. начиная с 4 - 5 развилок. Время, затраченное разведчиком на передачу информации о "закономерных" последовательностях поворотов, было по крайней мере вдвое меньше, чем на передачу "случайного текста".

Выявленная нами в муравьином языке закономерность связана с понятием Колмогоровской сложности. Алгоритмическое определение информации и сложности, введенное в 1965 г. российским математиком академиком Андреем Колмогоровым, относится к словам (текстам), составленным из букв алфавита, допустим, состоящего из двух букв: Л. П. Неформально сложность (и неопределенность) слова равна длине его наименьшего описания. Например,

Схема экспериментальной арены с лабиринтом "бинарное дерево".

слово "ЛЛЛЛЛЛЛЛ" может быть описано как "8 Л", т.е. довольно коротко. Сложность и неопределенность его невелика. В наших опытах оказалось, что муравьи передают друг другу сообщение тем дольше, чем больше информации оно несет "по Колмогорову". Точнее говоря, Колмогоровская сложность слова не вычислима, и мы можем утверждать только то, что, по-видимому, и для людей, и для муравьев проще запомнить и передать "слово" ЛЛЛЛЛЛ, чем ЛПЛПЛП и уж тем более ЛППЛПЛ.

Итак, выяснилось, что муравьи способны передавать друг другу довольно много различных сообщений, а время передачи сообщения пропорционально количеству информации в нем. Более того, эти насекомые способны подмечать закономерности и использовать их для "сжатия" информации. Видимо, такую развитую коммуникативную систему можно назвать языком.

Заметим, что среди примерно 12 тыс. видов муравьев, подавляющее большинство, по-видимому, не нуждается в развитом языке. У многих видов семьи малочисленные, и их члены справляются с добыванием пищи в одиночку. Другая, довольно большая группа видов использует для мобилизации фуражиров пахучий след. И лишь немногие, своего рода "приматы" достигли высшего уровня социальной организации, в том числе и рыжие лесные муравьи. Мы исследовали разные виды, и только представители высокосоциальной группы демонстрировали "языковые" способности.

МУРАВЬИ УМЕЮТ НЕ ТОЛЬКО СЧИТАТЬ

Научившись использовать механизмы коммуникации муравьев и возможности нового теоретико-информационного подхода, мы показали, что рыжие лесные муравьи могут передавать друг другу сведения о количественных характеристиках объектов и даже способны к простейшим арифметическим операциям. Поначалу результаты наших экспериментов выглядели фантастичными. Однако в последние годы они стали дополняться все новыми сведениями других исследователей о считающих обезьянах, птицах, слонах, пчелах и даже... мучных хрущаках. Но муравьи все равно уверенно держат планку первенства в этой области, хотя, скорее всего, это объясняется не их особой одаренностью, а отсутствием схем экспериментов для изучения соответствующих способностей других видов животных.

Для обучения муравьев счету мы использовали так называемые "счетные лабиринты". Они имели вид горизонтально расположенных "гребенок" с 40 "зубьями" (мы называем их "стволом" и "ветками") длиной 10 см; на каждой "ветке" устанавливалась одна кормушка с сиропом, остальные с водой. Общая схема экспериментов была такой же, как при использовании "бинарного дерева". Фуражиры после общения с разведчиком должны были самостоятельно найти нужную "ветку". И в подавляющем большинстве случаев группа сразу приходила к кормушке, не совершая ошибочных просмотров (в ходе эксперимента ее помещали на разные ветки - от первой до тридцатой).

Опишем сначала эксперименты, показывающие способность муравьев к оценке числа объектов и к передаче этой информации. В этих сериях опытов участвовало в общей сложности 32 группы фуражиров. Они 152 раза выходили из гнезда после контакта с разведчиком и направлялись к кормушкам. При этом в 117 случаях сразу приходили к нужной ветке, не совершая ошибочных заходов к пустым кормушкам. В остальных случаях муравьи приходили к пустым кормушкам и начинали искать пищу путем перебора соседних веток. Во всех 35 опытах, когда фуражиры кормушку не находили, работали одни и те же "неспособные" разведчики. Они выявлялись в ходе опытов и в дальнейшем не допускались на рабочую часть арены.

Анализ длительности муравьиных сообщений позволил предположить, что разведчик передавал фуражирам информацию о номере ветки. Мы показали это, используя принятые в статистике методы, а так-

же проводя специальные контрольные опыты. Гипотетически насекомые могли бы передавать сведения не о номере ветки, а, скажем, о расстоянии до нее или о каких-либо других параметрах, например, о числе муравьиных шагов до кормушки и т.п. Даже если это предположение справедливо, то следует вывод, что муравьи оперируют количественными характеристиками и информируют о них друг друга. Для проверки этого заключения мы в многочисленных сериях опытов варьировали форму и ориентацию самой установки (например, лабиринт "гребенку" ставили не в горизонтальном, а в вертикальном положении, или сгибали в виде круга, а также изменяли как длину веток, так и расстояние между ними). Во всех случаях, как и в приведенных выше экспериментах с "бинарным деревом", зависимость времени передачи сообщения t от номера ветки хорошо описывалась эмпирическими уравнениями вида t=ai+b. To есть значения параметров a и b близки для всех вариантов. Поэтому весьма вероятен вывод о том, что муравьи передают друг другу сведения именно о номере ветки. При этом получалось, что время "произнесения" муравьями числа 20 примерно в 2 раза больше, чем числа 10, и в 10 раз больше, чем числа 2.

Нужно сказать, что в современных языках человека ситуация совсем иная. Длина записи целого положительного числа i в десятичной системе счисления примерно равна log_w(i). Но люди не всегда ее использовали. Известно, что в некоторых архаичных языках при представлении числа длина записи (и произнесения) была пропорциональна его собственной длине, как у муравьев! Так, числу 1 соответствовало слово "палец", числу два - "палец, палец", числу три - "палец, палец, палец" и т.д. Десятичная же система счисления появилась в результате длительного и сложного развития. Однако это еще не свидетельствует о примитивности муравьиного языка. Дело в том, что в "оптимальном" языке длина слова должна быть согласована с частотой его использования. Поэтому говорить о "совершенстве" системы счисления нельзя без анализа частоты встречаемости разных числительных в рассматриваемом языке.

Идея экспериментов по выявлению способности муравьев к сложению и вычитанию станет понятной, если проанализировать представление чисел в современных языках человека. Использование числительных требует некоторых арифметических операций. Особенно отчетливо это видно на примере римских цифр. Так, VI=V+I, IX=X-I и т.д. В своих опытах мы специально "вырабатывали" у муравьев систему обозначения номера ветки с кормушкой, напоминающую "римский" способ представления чисел. Это, конечно, не означает, что муравьи обладают системой счисления, подобной "римской", и используют ее в своей повседневной жизни, но по условиям эксперимента от насекомых требовалось умение складывать и вычитать в пределах пяти.

Перейдем к описанию экспериментов, позволивших исследовать пластичнось языка муравьев и их способности к арифметическим операциям. Наши опыты основаны на том теоретико-информационном факте, что в "оптимальных" системах коммуникации время передачи сообщения (t) и частота его встречаемости (P) связаны соотношением t = -log(P) (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 какого-либо сообщения длина кодирующего его слова уменьшается. В значительной

Схематическое изображение счетных лабиринтов.

степени этой 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. Муравьям предлагалась такая же установка ("гребенка"), как и раньше. В первой части эксперимента номер ветки с кормушкой для очередного опыта выбирался с помощью таблицы случайных чисел в пределах 30. Оказалось, что время передачи сообщения "кормушка на ветке i" в этой части эксперимента было примерно пропорционально i, как и в ранее проведенных аналогичных опытах. Во второй части эксперимента мы увеличили необходимость использования двух сообщений - "кормушка на ветке 10" и "кормушка на ветке 20", устанавливая ее на каждой из них с вероятностью 1/3, а на каждой из остальных 28 веток - с вероятностью 1/84. В разные годы в качестве таких "особых" веток использовались разные номера - 10 и 20, 7 и 14, в одном из вариантов - одна "особая" ветка (N 15).

Рассмотрим для примера ситуацию, в которой роль "особых" играли ветки 10 и 20. Разумеется, внешне они никак не отличались от остальных. Их "особенность" для муравьев, по условию опыта, состояла в том, что сироп появлялся на каждой из них значительно чаще, чем на остальных. После нескольких десятков повторных опытов муравьи существенно сократили время передачи сообщений "кормушка на ветке 10" и "кормушка на ветке 20" по сравнению с первой частью эксперимента, когда кормушки устанавливали на любой из 30 веток с равной вероятностью. Это позволяет предположить, что насекомые изменили свою систему коммуникации, уменьшив продолжительность двух часто встречающихся сообщений.

На третьем этапе опытов номер ветки с приманкой опять выбирался с равной вероятностью, в диапазоне от 1 до 30, т.е. так же, как на первом. Оказалось, у муравьев зависимость времени передачи (t) сведений о том, что кормушка находится на ветке i на третьем этапе опытов совсем иная, чем на первом. Время передачи информации о номере ветки было в среднем тем меньше, чем ближе эта ветка находилась к одной из "особых" - 10 или 20, или же к началу "гребенки". Например, на передачу сообщения о том, что кормушка находится на ветке N 11, на первом этапе муравьи затрачивали 70 - 82 с, а на третьем - 5 - 15 с (вспомним римские цифры: XI = X+I). Можно предположить, что в последнем случае сообщения разведчика состояли из двух частей: во-первых, информации о том, к какой из особых веток ближе ветка с кормушкой, во-вторых, расстоянии от особой ветки до ветки с кормушкой. Иными словами, муравьи, видимо, передавали "имя" особой ветки, ближайшей к кормушке, а затем - число, которое надо прибавить или отнять для нахождения искомой ветки. Этот вывод был подтвержден статистически. Как уже отмечалось, аналогичные опыты проводились по той же схеме, но с другими номерами для "особых" веток. Результаты во всех случаях были сходными.

Таким образом, наши эксперименты, основанные на идеях и методах теории информации, показывают, что язык муравьев достаточно пластичен и отнюдь не примитивен, они могут складывать и вычитать небольшие числа (одно из слагаемых и вычитаемые в наших опытах изменялись от 1 до 5). Похоже, что "чудеса интеллекта" муравьи проявляют в тех случаях, когда им жизненно необходимо передать сородичам сведения о координатах источника пищи. Однако и этого мостика, который удалось перекинуть в неведомую доселе область познавательной деятельности существ, столь не похожих на нас, оказалось достаточно, чтобы обнаружить проявления общих закономерностей и предложить методы, которые могут служить для изучения интеллекта разных видов социальных животных.

Мы считаем, что полученные результаты могут радикально изменить представление человечества о его месте и роли в биосфере и космосе.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: