Муравьи считают лучше британских пятиклассников

Определений языка в науке существует великое множество. Все они более или менее сводятся к тому, что язык — это знаковая система, используемая для коммуникации, анализа, структурирования, хранения и передачи информации. Ранее считалось, что язык присущ одному лишь человеку, хотя еще Аристотель предполагал, что пчелы-разведчицы умеют передавать пчелам в улье информацию о местах массового цветения растений. В последние десятилетия ученые, исследуя коммуникативные практики животных, птиц и насекомых, находят все больше и больше свидетельств тому, что они также пользуются четкими знаковыми системами для запоминания и передачи не только конкретной (опасность, готовность к спариванию), но и абстрактной информации.

Герои «Кибериады», произведения фантаста Станислава Лема, исследуя процессы мироздания, создавали одну за другой крошечные цивилизации и, меняя условия развития, наблюдали под микроскопом их расцветы и крушения. Но никакая фантастическая модель не заменит настоящей, непредсказуемой и загадочной «цивилизации» на лабораторном столе, которую можно изучать, задавая все более сложные вопросы и получая все более интригующие ответы, если только вы овладели искусством общения с муравьями.

Эти маленькие шестиногие создания, покрытые хитиновым панцирем и смотрящие на мир фасеточными глазами, сталкиваются в своей жизни с множеством проблем, общих для всех высокосоциальных видов, включая и наш собственный. Ведь проблемы взаимопонимания и координации совместной деятельности требуют надежных систем коммуникации, обработки информации и разделения труда между членами сообщества.

На обложке моей книги «Animal Intelligence: From Individual to Social Cognition» (Cambridge University Press, 2007) группа муравьев движется по лабиринту «бинарное дерево», имеющему несколько развилок. Дело в том, что издательство просит авторов помещать на обложке иллюстрацию эксперимента, которым они больше всего гордятся. На бинарном дереве муравьи выбирают путь на каждой развилке (налево или направо) в соответствии с «указаниями», полученными от муравья-разведчика. Это иллюстрация теоретико-информационного подхода к изучению коммуникации животных, разработанного совместно с известным специалистом по теории информации и криптографии Борисом Рябко, который позволил нам описать символический язык муравьев. Его открытие газета The Independent on Sunday назвала одним из самых значительных результатов в биологии второй половины XX века.

Система коммуникации муравьев, как оказалось, позволяет им передавать абстрактную информацию — координаты точки в пространстве.

Мы и не пытались расшифровать сигналы муравьев, а исследовали их коммуникацию как средство передачи информации — конкретной, количественно измеримой величины. Количество информации, которое они должны передать, задается самим экспериментатором. В этом и заключается суть теоретико-информационного подхода, который является универсальным и в будущем, возможно, позволит, не прибегая к декодированию сигналов, исследовать потенциальные возможности коммуникации не только муравьев, но и других социальных животных.

При решении сложных задач среди муравьев выделяются постоянные по составу рабочие группы, состоящие из одного разведчика и четырех-семи фуражиров

Рассуждая дальше об особенностях нашего подхода, следует сказать вот что. Большинство определений языка животных сходятся на требовании, чтобы язык обладал большим, практически неограниченным запасом потенциально возможных фраз и сообщений. Мы считаем, что помимо этого свойства язык должен обладать еще одним: размер сообщения должен быть пропорционален количеству информации в нем. Измерение количества информации было предложено основателем теории информации, американским математиком Клодом Шенноном: бит — это количество информации, необходимое для различения двух равновероятных возможностей (например, «орел» или «решка»). В сообщении о том, налево ли нужно повернуть или направо, заключен один бит информации. В наших экспериментах создается ситуация, когда муравьи, чтобы привлечь своих сородичей к пище, должны передать сведения о последовательности поворотов на пути к цели. Число бинарных выборов на этом пути и будет соответствовать количеству информации в передаваемом сообщении: скажем, четыре развилки — это четыре бита. Если при этом измерить время, затраченное на передачу сообщения, можно оценить скорость передачи информации.

Канал Animal Planet назвал муравьев лучшими математиками животного мира, а Discovery отметил, что муравьи считают лучше британских пятиклассников.

В течение многих лет мы исследовали свойства и потенциальные возможности языка муравьев на лабораторных аренах с помощью лабиринта «бинарное дерево». Для опытов были выбраны «муравьиные приматы» — рыжие лесные муравьи, которые строят в лесу большие муравейники с населением до миллиона особей. Каждая семья контролирует территорию примерно до 100 м в диаметре, а колония, состоящая из родственных муравейников, может «владеть» целым лесом. Вспомнив сказку Виталия Бианки «Как муравьишка домой спешил», можно представить себе мир муравья и оценить, насколько сложно найти определенную точку в трехмерном пространстве дерева. Бинарное дерево эту задачу, в общем-то, и формализует. В простейшем случае дерево состоит из одной развилки, а на концах двух «листьев» находятся кормушки: одна — пустая, другая — с сиропом. Чтобы передать сородичам информацию о том, как ее найти, муравьи должны быть способны давать друг другу указания «иди налево» или «иди направо», то есть сообщать 1 бит информации. В наших опытах количество развилок менялось, доходя до шести. Как оказалось, 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», то есть 26 = 64.

Лабиринты монтировались в кюветах с водой из пластиковых планок, куда муравьи могли зайти по съемному мостику с жилой части арены. 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 четырех-семи фуражиров. Каждый разведчик, найдя пищу, вступает в контакт только со своей группой. Эти контакты сопровождаются быстрыми движениями антенн (усиков) и ног муравьев. В каждом эксперименте, когда разведчик возвращался к гнезду после удачного похода за сиропом, мы измеряли длительность его контактов с фуражирами, которую считали соответствующей времени передачи информации. В это время лабиринт заменяли «свежим», лишенным каких бы то ни 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.

Оказалось, что у нескольких высокосоциальных видов муравьев, к которым относятся и рыжие лесные, зависимость между временем контакта разведчика с фуражирами и количеством передаваемой информации близка к линейной, как и у человека. А вот скорость передачи информации у муравьев по крайней мере в десять раз ниже, чем у нас: около 1 бита в минуту. Однако и это немало, а возможности коммуникативной системы этих насекомых поистине впечатляющие.

Виды муравьев с более простым образом жизни и не столь большими семьями, как показали наши исследования, не способны использовать дистантную передачу абстрактной информации. Если их лишить возможности использовать пахучий след, они не смогут привлечь к кормушке сородичей.

Мы научились использовать механизмы коммуникации муравьев для изучения общих свойств интеллекта животных. Дело в том, что разные виды животных могут проявлять признаки очень высокоразвитых познавательных способностей в пределах довольно узких доменов. 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. Голуби обладают выдающимися способностями к классификации, позволяющими им распознавать картины художников, работающих в разной манере, а новокаледонские вороны — «гении» орудийной деятельности: в способностях быстро преобразовывать разные предметы и использовать их для решения сложных пространственных задач эти птицы превосходят шимпанзе. Наши многолетние исследования дают нам основания полагать, что высокосоциальные виды муравьев — «гении общения»: они могут решать задачи, доступные немногим видам животных, но, похоже, это умение ограничено ситуациями, когда надо запомнить и эффективно передать сородичам информацию о богатом источнике пищи.

Применив лабиринт «бинарное дерево», мы впервые в мире исследовали одну из важнейших характеристик языка животных 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, то есть 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». Если рассматривать последовательность поворотов как некий «текст», то мы видим, что язык муравьев и их интеллект позволяют им использовать простые закономерности «текста» для его сжатия. 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 опытах с другими экспериментальными установками мы выявили способность муравьев к счету и даже к простейшим арифметическим операциям. Муравьи 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». В основной серии экспериментов установка имела вид гоpизонтально pасположенной «гребенки» с 40 «зубьями» (мы употребляли названия «ствол» и «ветки») длиной по 10 см, на каждой из котоpых находилась коpмушка, но только одна из них содеpжала сиpоп, а остальные — воду. В начальную точку «ствола» муpавьи попадали по мостику. Для получения пищи муpавьям было необходимо пеpедавать сведения о том, на какой «ветке» находится коpмушка. Как и в опытах с бинарным деревом, измеряли время контакта вернувшегося от кормушки разведчика с группой фуражиров. Затем разведчика временно изолировали, и группа искала кормушку самостоятельно. Установку меняли на свежую, исключая использование пахучего следа.

Мы впервые в мире исследовали одну из важнейших характеристик языка животных и интеллекта его носителей, а именно: способность быстро подмечать закономерности и использовать их для кодирования, сжатия информации

Анализ длительности «сообщений» разведчика позволил предположить, что он (точнее, она: рабочие муравьи, как и пчелы,— девицы) передавал фуражирам информацию о номере «ветки». Пpи этом оказалось, что зависимость вpемени пеpедачи инфоpмации от номеpа «ветки» близка к линейной. Гипотетически муравьи 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. Даже если это предположение справедливо, то следует вывод о том, что муравьи оперируют количественными характеристиками и передают информацию о них друг другу. Чтобы проверить это, мы в многочисленных сериях опытов варьировали форму и ориентацию самой установки (например, лабиринт-«гребенку» ставили не в горизонтальное, а в вертикальное положение, или сгибали в виде круга), а также изменяли как длину «веток», так и расстояние между ними. Во всех случаях зависимость времени передачи сообщения t от номера «ветки» одинаково хорошо описывалась эмпирическими уравнениями вида t=ai+b, где i — число развилок, а — коэффициент пропорциональности, равный скорости передачи информации (число битов в минуту), а b — постоянная. Ее мы вводим потому, что муравьи могут передавать информацию, не имеющую отношения к поставленной задаче, например сигнализировать «есть пища». При этом значения параметров a и b близки для всех вариантов и не зависят ни от длины «веток», ни от других параметров установок. Получалось, 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 целого положительного числа i в десятичной системе счисления примерно равна log10(i). Но люди не всегда использовали десятичную систему счисления. Так, в архаичных языках длина записи (и произнесения) числа могла быть пропорциональна его длине — как у муравьев! К примеру, числу 1 соответствовало слово «палец», числу 2 — «палец, палец», числу 3 — «палец, палец, палец» и т. д. Десятичная же система счисления появилась в результате длительного и сложного развития.

Можно ли расшифровать сигналы муравьев, как это было сделано для медоносных пчел?

«Язык танцев» пчел основан на движениях пчелы-разведчицы, прилетевшей с цветущего дерева или поляны. По количеству «восьмерок», которые описывает разведчица на поверхности пчелиных сот, пчелы-фуражиры могут судить о расстоянии до источника нектара, а ось «восьмерки» указывает направление, в котором нужно лететь. За открытие пчелиного языка немецкий ученый Карл фон Фриш получил в 1973 году Нобелевскую премию.

Однако это еще не говорит о примитивности муравьиного языка. Считается, что длина слова в языке коррелирует с частотой его использования. Именно на этом свойстве основана схема наших экспериментов, показавших арифметические способности муравьев. Дело в том, что в современных человеческих языках запись чисел требует некоторых арифметических операций. Особенно отчетливо это видно при использовании римских цифр. Например, записывая «шесть» в виде VI, мы вычисляем: VI=V+I, аналогично XII=X+II, IX=X–I и т. д. В эксперименте мы специально вырабатывали у муравьев «систему счисления», напоминающую «римский» способ представления чисел. Опыт состоял из трех этапов. На первом этапе, как и ранее, кормушка располагалась то на одной, то на другой «ветке» в случайном порядке. На втором этапе мы резко увеличили необходимость использования двух сообщений: «кормушка на ветке 10» и «кормушка на ветке 20», устанавливая кормушку на каждой из этих «веток» c вероятностью 1/3, а на каждой из остальных 28 «веток» — с вероятностью 1/84. После серии опытов из нескольких десятков итераций муравьи существенно сократили время передачи сообщения «кормушка на ветке 10» и «кормушка на ветке 20» по сравнению с первой частью эксперимента, когда кормушки устанавливались на любой из 30 «веток» с равной вероятностью. Значит, насекомые изменили свою систему коммуникации, сократив продолжительность передачи двух часто встречающихся сообщений. На третьем этапе номер «ветки» с приманкой опять выбирался с равной вероятностью, в диапазоне от 1 до 30, то есть так же, как на первом этапе. Оказалось, что зависимость времени передачи (t) сведений о том, что кормушка находится на «ветке» с номером i, на третьем этапе совсем иная, чем на первом: время передачи информации о номере «ветки» было в среднем тем меньше, чем ближе она находилась к одной из «особых», ранее выделенных — 10 или 20, или к началу установки. Так, например, на передачу сообщения о том, что кормушка находится на «ветке» 11, на первом этапе муравьи затрачивали 70–82 сек., а на передачу сообщения о первой «ветке» — от 8 до 12 сек. На третьем же этапе на передачу сообщения о «ветке» 11 затрачивалось 5–15 сек. (вспомним римские цифры: XI=X+I). Анализ времени передачи сообщений позволяет предположить, что на третьем этапе эксперимента сообщения разведчика состояли из двух частей: информации о том, ближе к какой из особых «веток» находится «ветка» с кормушкой, и затем — расстояние от особой «ветки» до «ветки» с кормушкой. Иными словами, муравьи, видимо, передавали «имя» ближайшей к кормушке особой «ветки», а потом — число, которое надо прибавить или отнять для нахождения «ветки» с кормушкой. Таким образом, система коммуникации муравьев оказалась настолько пластичной, что они могли вводить специальные обозначения тех «веток», на которых приманка по воле экспериментаторов оказывалась чаще, чем на остальных.

После публикации нашей с Борисом Рябко статьи о математических способностях муравьев в журнале Behaviour в 2011 году канал Animal Planet назвал муравьев лучшими математиками животного мира, а Discovery отметил, что муравьи считают лучше британских пятиклассников.

В 2017 году в издательстве Springer вышла моя книга «Studying Animal Language without Translation: An Insight from Ants» — о том, как изучение языка муравьев может помочь понять и даже использовать языки других животных. Суть в том, что мы впервые применили для изучения интеллекта животных свойства их собственной коммуникации. Так, многие исследования, посвященные способностям медоносных пчел решать различные когнитивные задачи, в частности на понимание закономерностей взаиморасположения геометрических фигур, не используют возможностей их удивительного и сложного языка и выполнены на одиночных насекомых. Только что вышла в свет статья, посвященная способностям пчел отнимать и прибавлять по единице к количеству в пределах пяти, и опять-таки в экспериментальной установке насекомые работают поодиночке. Применение нашей схемы экспериментов, основанной на необходимости передать информацию о пище сородичам, могло бы внести ясность в понимание как естественной коммуникации, так и математических способностей разных видов социальных животных, в частности шимпанзе и других приматов.