Мурахи вважають краще британських п’ятикласників

Фото: dpa-Zentralbild/DPA/ТАСС

Визначень мови в науці існує великий натовп. Всі вони більш-менш зводяться до того, що мова — це знакова система, що використовується для комунікації, аналізу, структурування, зберігання і передачі інформації. Раніше вважалося, що мова притаманна одній лише людині, хоча ще Арістотель припускав, що бджоли-розвідниці вміють передавати бджолам у вуликах інформацію про місця масового цвітіння рослин. В останні десятиліття вчені, досліджуючи комунікативні практики тварин, птахів і комах, знаходять все більше і більше свідчень того, що вони також користуються чіткими знаковими системами для запам’ятовування і передачі не тільки конкретної (небезпека, готовність до спарювання), але й абстрактної інформації.

Герої «Кіберіади», твори фантаста Станіслава Лема, досліджуючи процеси світобудови, створювали одну за одною крихітні цивілізації і, змінюючи умови розвитку, спостерігали під мікроскопом їх розквіти і аварії. Але ніяка фантастична модель не замінить справжньої, непередбачуваної і загадкової «цивілізації» на лабораторному столі, яку можна вивчати, ставлячи все більш складні питання і отримуючи все більш інтригуючі відповіді, якщо тільки ви оволоділи мистецтвом спілкування з мурахами.

Ці маленькі шестиногі створіння, вкриті хітиновим панцирем і дивляться на світ фасеточними очима, стикаються у своєму житті з безліччю проблем, спільних для всіх високосоціальних видів, включаючи і наш власний. Адже проблеми взаєморозуміння та координації спільної діяльності потребують надійних систем комунікації, обробки інформації та поділу праці між членами спільноти.

Група мурашок на бінарному дереві. Фото: Наїль Бікбаєв

На обкладинці моєї книги Animal Intelligence: From Individual to Social Cognition (Cambridge University Press, 2007) група мурашок рухається лабіринтом «бінарне дерево», що має кілька розвилок. Справа в тому, що видавництво просить авторів поміщати на обкладинці ілюстрацію експерименту, яким вони найбільше пишаються. На бінарному дереві мурахи вибирають шлях на кожній розвилці (наліво або направо) відповідно до «вказівок», отриманих від мураха-розвідника. Це ілюстрація теоретико-інформаційного підходу до вивчення комунікації тварин, розробленого спільно з відомим фахівцем з теорії інформації та криптографії Борисом Рябком, який дозволив нам описати символічну мову мурахів. Його відкриття газета The Independent on Sunday назвала одним з найбільш значних результатів у біології другої половини XX століття.

Система комунікації мурахів, як виявилося, дозволяє їм передавати абстрактну інформацію — координати точки в просторі.

Ми і не намагалися розшифрувати сигнали мурашок, а досліджували їх комунікацію як засіб передачі інформації — конкретної, кількісно вимірюваної величини. Кількість інформації, яку вони повинні передати, задається самим експериментатором. У цьому і полягає суть теоретико-інформаційного підходу, який є універсальним і в майбутньому, можливо, дозволить, не вдаючись до декодування сигналів, досліджувати потенційні можливості комунікації не тільки мурахів, а й інших соціальних тварин.

Розмірковуючи далі про особливості нашого підходу, слід сказати ось що. Більшість визначень мови тварин сходяться на вимозі, щоб мова мала великий, практично необмежений запас потенційно можливих фраз і повідомлень. Ми вважаємо, що крім цієї властивості мова повинна мати ще одну: розмір повідомлення повинен бути пропорційний кількості інформації в ньому. Вимірювання кількості інформації було запропоновано засновником теорії інформації, американським математиком Клодом Шенноном: біт — це кількість інформації, необхідна для розрізнення двох рівновірогідних можливостей (наприклад, «орел» або «решка»). У повідомленні про те, чи наліво потрібно повернути або направо, укладено один біт інформації. У наших експериментах створюється ситуація, коли мурахи, щоб залучити своїх сородичів до їжі, повинні передати відомості про послідовність поворотів на шляху до мети. Число бінарних виборів на цьому шляху і буде відповідати кількості інформації в повідомленні: скажімо, чотири розвилки — це чотири біти. Якщо виміряти час, витрачений на передачу повідомлення, можна оцінити швидкість передачі інформації.

Вид експериментальної арени. Фото: Наїль Бікбаєв

Протягом багатьох років ми досліджували властивості і потенційні можливості мови мурашок на лабораторних аренах за допомогою лабіринту «бінарне дерево». Для дослідів були обрані «мурашині примати» — руді лісові мурахи, які будують у лісі великі мурашники з населенням до мільйона особин. Кожна сім’я контролює територію приблизно до 100 м в діаметрі, а колонія, що складається з споріднених мурашників, може «володіти» цілим лісом. Згадавши казку Віталія Біанки «Як мурашка додому поспішав», можна уявити собі світ мураха і оцінити, наскільки складно знайти певну точку в тривимірному просторі дерева. Бінарне дерево це завдання, загалом, і формалізує. У найпростішому випадку дерево складається з однієї розвилки, а на кінцях двох «листя» знаходяться годівниці: одна — порожня, інша — з сиропом. Щоб передати сородичам інформацію про те, як її знайти, мурахи повинні бути здатні давати один одному вказівки «йди наліво» або «йди направо», тобто повідомляти 1 біт інформації. У наших дослідах кількість розвилок змінювалася, доходячи до шести. Як виявилося, на таких розгалужених лабіринтах мурахи могли швидко відшукати корм, тільки якщо отримували від розвідника відомості про послідовність поворотів типу «ЛПЛППЛ» (ліво, право тощо). При шести розвилках розвідникам необхідно було передати шість бітів інформації, і в цьому випадку мінімальна кількість повідомлень у мові мурахів дорівнювала кількості кінцевого «листя», тобто 2⁶ = 64.

Лабіринти монтувалися в кюветах з водою з пластикових планок, куди мурахи могли зайти по знімному містку з житлової частини арени. В експериментах мурашок мітили індивідуальними кольоровими мітками і спостерігали в прозорих лабораторних гніздах. Виявилося, що при вирішенні складних завдань серед мурахів виділяються постійні за складом робочі групи, що складаються з одного розвідника і чотирьох-семи фуражирів. Кожен розвідник, знайшовши їжу, вступає в контакт тільки зі своєю групою. Ці контакти супроводжуються швидкими рухами антен (усиків) і ніг мурахів. У кожному експерименті, коли розвідник повертався до гнізда після вдалого походу за сиропом, ми вимірювали тривалість його контактів з фуражирами, яку вважали відповідною часу передачі інформації. У цей час лабіринт замінювали «свіжим», позбавленим будь-яких слідів. Навіть сиропу вже не було, всі годівниці містили воду. Так виключалося використання пахучої стежки, яку міг би залишити мураха в лабіринті, а також самого запаху їжі. Фуражири, поспілкувавшись з розвідником, були змушені діяти самостійно: розвідника вилучали пінцетом і тимчасово відсаджували.

Контакт розвідника з фуражирами. Фото: Наїль Бікбаєв

Виявилося, що у декількох високосоціальних видів мурашок, до яких відносяться і руді лісові, залежність між часом контакту розвідника з фуражирами і кількістю переданої інформації близька до лінійної, як і у людини. А ось швидкість передачі інформації у мурахів принаймні вдесятеро нижча, ніж у нас: близько 1 біта на хвилину. Однак і це чимало, а можливості комунікативної системи цих комах справді вражаючі.

При вирішенні складних завдань серед мурахів виділяються постійні за складом робочі групи, що складаються з одного розвідника і чотирьох-семи фуражирів

Види мурахів з більш простим способом життя і не такими великими сім’ями, як показали наші дослідження, не здатні використовувати дистантну передачу абстрактної інформації. Якщо їх позбавити можливості використовувати пахучий слід, вони не зможуть залучити до годівниці сородичів.

Мурашник рудих лісових мурашок. Фото: Сінькова Ольга

Ми навчилися використовувати механізми комунікації мурашок для вивчення загальних властивостей інтелекту тварин. Справа в тому, що різні види тварин можуть проявляти ознаки дуже високорозвинених пізнавальних здібностей в межах досить вузьких доменів. Наприклад, сойки і білки здатні запам’ятати розташування тисяч схованок, в яких вони сховали їжу, але це ще не означає, що вони зможуть, скажімо, знайти вихід зі складного лабіринту успішніше, ніж це зробить щур. А ось щур далеко перевершить в цьому мистецтві людину, зате їй не дано індивідуально розпізнати і запам’ятати сотні своїх сородичів так, як це роблять примати (в тому числі люди) і слони. Голуби мають видатні здібності до класифікації, що дозволяють їм розпізнавати картини художників, які працюють у різній манері, а новокаледонські ворони — «генії» гарматної діяльності: у здібностях швидко перетворювати різні предмети і використовувати їх для вирішення складних просторових завдань ці птахи перевершують шимпанзе. Наші багаторічні дослідження дають нам підстави вважати, що високосоціальні види мурашок — «генії спілкування»: вони можуть вирішувати завдання, доступні небагатьом видам тварин, але, схоже, це вміння обмежене ситуаціями, коли треба запам’ятати і ефективно передати сородичам інформацію про багате джерело їжі.

Застосувавши лабіринт «бінарне дерево», ми вперше в світі досліджували одну з найважливіших характеристик мови тварин та інтелекту її носіїв, а саме: здатність швидко підмічати закономірності і використовувати їх для кодування, стиснення інформації. При стисненні розмір повідомлення про певний об’єкт або явище повинен бути тим менше, чим вони простіші, тобто чим легше в них виявити закономірності. Наприклад, людині легше запам’ятати і передати послідовність поворотів на шляху до мети «ЛП ЛП ЛП ЛП ЛП ЛП» («ліво — право», і так сім разів), ніж більш коротку, але неупорядковану послідовність «ПЛЛППЛП». Якщо розглядати послідовність поворотів як якийсь «текст», то ми бачимо, що мова мурашок і їх інтелект дозволяють їм використовувати прості закономірності «тексту» для його стиснення. Так, мурахи витрачали в кілька разів менше часу на передачу повідомлення «ЛЛЛЛЛ» («п’ять разів наліво»), ніж на передачу відомостей про випадкову послідовність тієї ж довжини.

Ми вперше в світі досліджували одну з найважливіших характеристик мови тварин та інтелекту її носіїв, а саме: здатність швидко підмічати закономірності і використовувати їх для кодування, стиснення інформації

В дослідах з іншими експериментальними установками ми виявили здатність мурашок до рахунку і навіть до найпростіших арифметичних операцій. Мурахи були поставлені перед необхідністю передати сородичам інформацію про місце знаходження приманки, яка поміщалася то в одній з точок по-різному викривлених координатних мереж, то на одній з десятків «гілочок», що відходять від прямого, горизонтального або вертикального «ствола». В основній серії експериментів установка мала вигляд горизонтально розташованої «гребінки» з 40 «зубами» (ми вживали назви «ствол» і «гілки») довжиною по 10 см, на кожній з яких знаходилася годівниця, але тільки одна з них містила сироп, а решта — воду. У початкову точку «ствола» мурахи потрапляли по містку. Для отримання їжі мурахам було необхідно передавати відомості про те, на якій «гілці» знаходиться годівниця. Як і в дослідах з бінарним деревом, вимірювали час контакту розвідника з групою фуражирів, який повернувся від годівниці. Потім розвідника тимчасово ізолювали, і група шукала годівницю самостійно. Установку міняли на свіжу, виключаючи використання пахучого сліду.

Група фарбованих мурахів, що «з’ясовують стосунки». Фото: Яковлєв Іван

Аналіз тривалості «повідомлень» розвідника дозволив припустити, що він (точніше, вона: робочі мурахи, як і бджоли, — дівиці) передавав фуражирам інформацію про номер «гілки». При цьому виявилося, що залежність часу передачі інформації від номера «гілки» близька до лінійної. Гіпотетично мурахи могли б передавати відомості не про номер «гілки», а, скажімо, про відстані до неї або про будь-які інші параметри — наприклад, про кількість мурашиних кроків до годівниці. Навіть якщо це припущення справедливе, то випливає висновок про те, що мурахи оперують кількісними характеристиками і передають інформацію про них один одному. Щоб перевірити це, ми в численних серіях дослідів варіювали форму і орієнтацію самої установки (наприклад, лабіринт- «гребінку» ставили не в горизонтальне, а у вертикальне положення, або згинали у вигляді кола), а також змінювали як довжину «гілок», так і відстань між ними. У всіх випадках залежність часу передачі повідомлення t від номера «гілки» однаково добре описувалася емпіричними рівняннями виду t = ai + b, де i — число розвилок, а — коефіцієнт пропорційності, рівний швидкості передачі інформації (число битів на хвилину), а b — постійна. Її ми вводимо тому, що мурахи можуть передавати інформацію, яка не має відношення до поставленого завдання, наприклад сигналізувати «є їжа». При цьому значення параметрів a та b близькі для всіх варіантів і не залежать ні від довжини «гілок», ні від інших параметрів установок. Виходило, що час «виголошення» мурахами числа 20 приблизно в 2 рази більше, ніж числа 10, і в 10 разів більше, ніж числа 2.

У сучасних мовах людини ситуація зовсім інша. Довжина запису цілого додатного числа i в десятковій системі обчислення приблизно дорівнює log10 (i). Але люди не завжди використовували десяткову систему обчислення. Так, в архаїчних мовах довжина запису (і виголошення) числа могла бути пропорційна його довжині — як у мурахів! Наприклад, число 1 відповідало слово «палець», числу 2 — «палець, палець», числу 3 — «палець, палець, палець» тощо. Десяткова ж система обчислення з’явилася в результаті тривалого і складного розвитку.

Фото: picture alliance / Arco Images G / DPA / ТАСС

Однак це ще не говорить про примітивність мурашиної мови. Вважається, що довжина слова в мові корелює з частотою її використання. Саме на цій властивості заснована схема наших експериментів, що показали арифметичні здібності мурашок. Справа в тому, що в сучасних людських мовах запис чисел вимагає деяких арифметичних операцій. Особливо чітко це видно при використанні римських цифр. Наприклад, записуючи «шість» у вигляді VI, ми обчислюємо: VI = V + I, аналогічно XII = X + II, IX = X ‑ I тощо. В експерименті ми спеціально виробляли у мурашок «систему обчислення», що нагадує «римський» спосіб представлення чисел. Досвід складався з трьох етапів. На першому етапі, як і раніше, годівниця розташовувалася то на одній, то на іншій «гілці» у випадковому порядку. На другому етапі ми різко збільшили необхідність використання двох повідомлень: «годівниця на гілці 10» і «годівниця на гілці 20», встановлюючи годівницю на кожній з цих «гілок» з імовірністю 1/3, а на кожній з інших 28 «гілок» — з імовірністю 1/84. Після серії дослідів з декількох десятків ітерацій мурахи істотно скоротили час передачі повідомлення «годівниця на гілці 10» і «годівниця на гілці 20» порівняно з першою частиною експерименту, коли годівниці встановлювалися на будь-якій з 30 «гілок» з рівною ймовірністю. Отже, комахи змінили свою систему комунікації, скоротивши тривалість передачі двох повідомлень, що часто зустрічаються. На третьому етапі номер «гілки» з приманкою знову вибирався з рівною ймовірністю, в діапазоні від 1 до 30, тобто так само, як на першому етапі. Виявилося, що залежність часу передачі (t) відомостей про те, що годівниця знаходиться на «гілці» з номером i, на третьому етапі зовсім інша, ніж на першому: час передачі інформації про номер «гілки» був в середньому тим менше, чим ближче вона перебувала до однієї з «особливих», раніше виділених — 10 або 20, або до початку установки. Так, наприклад, на передачу повідомлення про те, що годівниця знаходиться на «гілці» 11, на першому етапі мурахи витрачали 70-82 сек., а на передачу повідомлення про першу «гілку» — від 8 до 12 сек. На третьому ж етапі на передачу повідомлення про «гілку» 11 витрачалося 5-15 сек. (згадаймо римські цифри: XI = X + I). Аналіз часу передачі повідомлень дозволяє припустити, що на третьому етапі експерименту повідомлення розвідника складалися з двох частин: інформації про те, ближче до якої з особливих «гілок» знаходиться «гілка» з годівницею, і потім — відстань від особливої «гілки» до «гілки» з годівницею. Іншими словами, мурахи, мабуть, передавали «ім’я» найближчій до годівниці особливої «гілки», а потім — число, яке треба додати або відняти для знаходження «гілки» з годівницею. Таким чином, система комунікації мурахів виявилася настільки пластичною, що вони могли вводити спеціальні позначення тих «гілок», на яких приманка з волі експериментаторів виявлялася частіше, ніж на інших.

Чи можна розшифрувати сигнали мурашок, як це було зроблено для медоносних бджіл?

«Мова танців» бджіл заснований на рухах бджоли-розвідниці, яка прилетіла з квітучого дерева або галявини. За кількістю «вісімок», які описує розвідниця на поверхні бджолиних сот, бджоли-фуражири можуть судити про відстань до джерела нектару, а вісь «вісімки» вказує напрямок, в якому потрібно летіти. За відкриття бджолиної мови німецький вчений Карл фон Фріш отримав у 1973 році Нобелівську премію.

Цей приклад розшифровки сигналів тварин досі залишається найвдалішим, хоча відомі вже значення деяких «слів» у звуковій комунікації окремих видів мавп, а також китоподібних. Однак, на відміну від бджіл, мурахи ніяких «фігур танцю» не показують, а швидкі рухи антен і ніг при контакті розвідника і фуражирів декодуванню не піддаються.

Після публікації нашої з Борисом Рябком статті про математичні здібності мурашок у журналі Behaviour 2011 року канал Animal Planet назвав мурашок кращими математиками тваринного світу, а Discovery зазначив, що мурахи вважають кращими за британських п’ятикласників.

Канал Animal Planet назвав мурахів кращими математиками тваринного світу, а Discovery зазначив, що мурахи вважають краще британських п’ятикласників

У 2017 році у видавництві Springer вийшла моя книга Studying Animal Language without Translation: An Insight from Ants — про те, як вивчення мови мурашок може допомогти зрозуміти і навіть використовувати мови інших тварин. Суть у тому, що ми вперше застосували для вивчення інтелекту тварин властивості їх власної комунікації. Так, багато досліджень, присвячених здібностям медоносних бджіл вирішувати різні когнітивні завдання, зокрема на розуміння закономірностей взаєморозташування геометричних фігур, не використовують можливостей їх дивовижної і складної мови та виконані на одиночних комах. Щойно вийшла у світ стаття, присвячена здібностям бджіл забирати і додавати по одиниці до кількості в межах п’яти, і знову-таки в експериментальній установці комахи працюють поодинці. Застосування нашої схеми експериментів, заснованої на необхідності передати інформацію про їжу сородичам, могло б внести ясність у розуміння як природної комунікації, так і математичних здібностей різних видів соціальних тварин, зокрема шимпанзе та інших приматів.