Медовая арифметика: сложение и вычитание в исполнении пчел

в 9:00, , рубрики: арифметика, Биотехнологии, Блог компании ua-hosting.company, восприятие цвета, математика, мозг, Научно-популярное, обучаемость, пчелы

Медовая арифметика: сложение и вычитание в исполнении пчел - 1

Больше не всегда значит лучше. Этой фразой можно четко описать соотношение умственных способностей существа с размером его мозга. Рекордсменом в мире животных является кашалот, чей мозг весит порядка 9 кг. Среди сухопутных существ этот титул заслужил индийский слон с 5 кг мозгов в своем распоряжении. Мозг страуса меньше его глазного яблока и весит 26 грамм. А вот мозг одного из самых интеллектуальных видов пернатых — серых попугаев — весит примерно 118 грамм, то есть около 22 % от общего веса тела. У человека же мозг в среднем весит 1.3 кг, при этом именно человек является венцом эволюции. Эти цифры наглядно демонстрируют, что дело не в количестве, а в качестве, так сказать.

Но что, если мозг существа весит всего лишь около 0.065 грамм и состоит из 950 000 нейронов (для сравнения, у человека их порядка 100 миллиардов)? Сможет ли такое существо показать интеллектуальные способности, способные удивить ученых? Еще как сможет, и этим существом является медоносная пчела, которая дружит с арифметикой. Сегодня мы с вами ознакомимся с исследованием математических способностей пчел, открывающее новые сведения для понимания их индивидуального, а не коллективного интеллекта. Помимо этого ученые стали лучше понимать соотношения веса и структуры мозга с уровнем интеллекта. Как ученые заставили пчел считать без калькулятора, как хорошо справились пчелы с поставленной задачей, и что ученым удалось выяснить? Ответы найдем в докладе исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Когда кто-то говорит «пчелы» и «интеллект», в наших головах сразу возникает ассоциативный ответ — коллективный разум. И не зря, ведь медоносные пчелы действительно показывают невероятную слаженность в вопросах существования роя во главе с королевой-маткой. Мы не привыкли рассматривать пчелу как индивида, способного на высокоинтеллектуальные действия, предпочитая считать их частью сложного биологического организма, коим является весь рой.

В данном ролике показано как исследователи проводят опыты с бабуинами, которые демонстрируют понимание количественной концепции «много/мало» (больше/меньше).

Ученые отмечают, что на данный момент уже известны некоторые виды животных, способных выполнять простые математические действия для достижения какой-либо цели. Однако большая часть зафиксированных случаев относилась к приматам. Хотя и среди существ с менее развитой нервной системой были замечены подобные навыки. К примеру, пауки понимают количество добычи, то есть осознают такие понятия как сложение и вычитание.

Помимо выявления подобных навыков важным аспектом является понимание осознанности действий. Другими словами, понимает ли тот же паук, что у него было 3 мухи, он поймал еще одну, и теперь их 4? Среди множества исследований можно выделить изучение серых попугаев и шимпанзе, которые помимо навыков сложения и вычитания, умели отмечать соответствующей цифрой результат этого математического действия. Таким образом эти существа показывают понимание сути происходящего.

Медоносные пчелы отлично подходят для изучения подобных умений ввиду того, что они уже давно продемонстрировали способность учиться и запоминать определенные действия для решения задач из категорий «выше/ниже», «лево/право», «одинаковое/разное», «большое/маленькое» и т.д. Стоит отметить, что процесс обучения и запоминания у пчел в лабораторных условиях протекает значительно эффективнее и быстрее, если применяется тактика «вознаграждение/наказание», что говорит о наличии внимания и, естественно, долгосрочной памяти у отдельных особей пчел.

Медовая арифметика: сложение и вычитание в исполнении пчел - 2
Тут можно найти атлас мозга медоносной пчелы.

Данное исследование нацелено на более подробное рассмотрение математических способностей пчел, а именно сложение и вычитание, в контролируемых условиях с применением вышеупомянутой тактики. Как устроен эксперимент рассмотрим далее.

Эксперимент

В качестве испытуемых выступили 14 медоносных пчел, помеченные цветными линиями для идентификации. Основными элементами опыта можно назвать лабиринт в форме «Y», цветовые отличия визуальных стимулов (подсказок) и возможность пчел свободно летать.

Медовая арифметика: сложение и вычитание в исполнении пчел - 3
Схема экспериментального лабиринта «Y».

А теперь по порядку. Пчелы были обучены залетать через вход в отсек принятия решений, где перед ними имеется образец, содержащий желтые или синие элементы. Если они синего цвета, то нужно добавить 1 элемент, если желтого — вычесть. Другими словами, пчела видит перед собой 3 желтых квадратика (как на схеме выше), значит нужно 1 вычесть. Приняв правильное решение, пчела должна приземлиться на жердь, над которой изображено решение простой задачки 3-1=2, то есть с двумя желтыми квадратиками. Если же образец синий, то нужно добавить 1 элемент (2+1=3) и совершить ту же последовательность действий.

Ответы (верный и неверный) расположены в 15 см от середины зоны принятия решения. Для правильного ответа предусмотрено вознаграждение в виде 10 µл 50%-ного раствора сахарозы. Для неверного ответа — 60 mM раствор хинина (очень горького на вкус, что пчелам, естественно, не нравится). После каждого приземления пчелы на ту или иную жердь, последняя очищалась 20% спиртом и менялась на новую, дабы полностью ликвидировать какие-либо следы пчел, которые могут стать либо дополнительными подсказками, либо сбивать пчел с толку.

Важно отметить еще одно: если пчела ответила неверно и получила горький хинин, ей давали возможность свободно подлететь к жердочке под правильным ответом к раствору сахарозы. Делалось это для сохранения мотивации. Также были проведены опыты, когда сахароза и хинин были заменены на капельки обычной воды, тем самым нивелируя поощрение и наказание.

Медовая арифметика: сложение и вычитание в исполнении пчел - 4
Все варианты визуальных стимулов (задач и решений): 108 для вычитания и 108 для сложения.

Визуальные стимулы (квадраты, ромбы, круги и треугольники) были изображены на сером фоне 6х6 см и покрыты ламинатом толщиной 80 мкл. Цвета (желтый и синий) были подобраны в соответствии со зрением пчел.

Такое большое число возможных комбинаций из 216 вариантов визуальных стимулов обусловлено желанием ученых удостовериться в том, что пчелы не будут использовать ассоциативное мышление в процессе решения задач. То есть, каждый раз они будут получать новые стимулы.

В течение нескольких тренировочных периодов длиной 30 и 60 минут пчелы обучались находить вход в лабиринт, вход в отсек принятия решений и жердочки, где будет размещаться сахароза и хинин. Всего каждая пчела провела 100 заходов (суммарно по задачам вычитания и сложения, проведенных в случайном порядке).

В задачах на сложение использовались числа 1,2 и 4, то есть неверными ответами были 1, 2, 3, 4 и 5, а верными — 2, 3, 5 (т.е. 1+1, 2+1 и 4+1). В задачах по вычитанию были числа 2, 4 и 5. Верные ответы — 1, 3 и 4, а неверные — 1, 2, 3, 4 и 5. Число 3 не использовалось во время тренировочных заходов, дабы в итоговых тестах послужить неким нововведением.

Во время основных (итоговых) экспериментов пчелы должны были выполнить 4 теста по 10 задач. Также было еще 10 задач без поощрения (сахароза) и без наказания (хинин), а с применением обычной воды (10 мкл) в качестве мотивации для пчелы приземлиться на жердочку. Все тесты проводились в случайном порядке.

Также стоит отметить, что положение верного ответа и неверного было таковым, чтобы пчелы не следовали одному и тому же маршруту (схема выше). То есть, например, слева в двух тестах подряд могли быть правильные ответы либо правильный и неправильный, либо два неправильных подряд. Помимо этого среди задач были и задачи с числом 3, которое не было представлено во время тренировочных тестов.

Результаты экспериментов

Медовая арифметика: сложение и вычитание в исполнении пчел - 5
Графики результатов тренировочных и итоговых тестов.

Уже на этапе тренировки (100 попыток) было отмечено увеличение числа правильных ответов как в задачах по вычитанию, так и по сложению. Напомню, что во время тренировки использовалась тактика поощрения/наказания, что способствовала ускорению обучаемости пчел (уж больно сильно они любят сахар и не любят хинин). На графике А выше мы с вами видим красивую кривую роста верных ответов с числом тренировочных заходов (z = 8,14, P <0,001). Пунктирной горизонтальной линией (на уровне 0.5) отделены случайные верные ответы. Сама же функция роста обучаемости пчел (14 испытуемых особей) была сделана посредством обобщенной линейной смешанной модели. Черные точки на графике это среднее значение (± 95%) правильных ответов в соответствии с доверительными интервалами (фиолетовая область).

Ученые также отмечают, что заметили разницу в скорости обучаемости у разных особей. Это может свидетельствовать об индивидуальном характере восприятия визуальных стимулов (задач и ответов) и индивидуальной восприимчивости к поощрению/наказанию (сахароза/хинин).

Четыре варианта проведенных тестов можно описать следующим образом:

  • Сложение. Неверный ответ с той же стороны, что и верный. Задача — 3, верно — 4, неверно — 5.
  • Сложение. Неверный ответ с противоположной стороны от верного. Задача — 3, верно — 4, неверно — 5.
  • Вычитание. Неверный ответ с той же стороны, что и верный. Задача — 3, верно — 2, неверно — 1.
  • Вычитание. Неверный ответ с противоположной стороны от верного. Задача — 3, верно — 2, неверно — 4.

Степень верных ответов во время всех 4 тестов была достаточно высока, чтобы списать ее на обычную случайность.

В задачах сложения с верным и неверным ответами с одной стороны пчелы выбирали верный ответ (число 4) в 72.1 ± 3.20% случаев (z = 5.05, P < 0.001). В сложении, когда верный и неверный ответы были всегда с разных сторон, пчелы отвечали правильно в 67.9 ± 2.69% случаев (z = 5.05, P < 0.001).

В задачах вычитания с верным и неверным ответами с одной стороны результаты были также на очень хорошем уровне и составили 63.6 ± 2.89% (z = 3.17, P = 0.002), а при расположении верного и неверного ответов всегда с разных сторон — 67.9 ± 3.66% (z = 4.13, P < 0.001). Эти данные представлены на графике результатов В.

Сравнив показатели всех 4 типов тестов, ученые пришли к выводу, что пчелы справляются с ними на одинаковом уровне, то бишь направление верного/неверного ответов или сама задача (вычитание или сложение) не сыграли значительной роли на показателях обучаемости и верном выполнении задач.

Для более детального ознакомления с исследованием настоятельно рекомендую заглянуть доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

На первый взгляд подобные эксперименты выглядят довольно странно и даже нелепо, но от того они не теряют своей информативности. Лично меня больше удивляет не сама цель проведения подобных опытов, а метод их проведения. Нужно обладать немалой фантазией, чтобы додуматься соорудить то, что сделали исследователи.

В выводах к своему же труду ученые затрагивают занятное наблюдение. Во-первых, человеческие дети младшего возраста (ясельного) без знания языка и словесных эквивалентов чисел способны демонстрировать достаточно высокие результаты при выполнении простых арифметических задач на сложение и вычитание. Еще более интересным примером являются индейцы Мундуруку из Южной Америки, в языке которых отсутствуют словесные эквиваленты больших чисел. Мундуруку отлично справляются с простой арифметикой с числами до 5, но испытывают трудности в задачах с большими числами. Однако при этом они способны использовать аппроксимацию (приближение) и достигать относительно точных результатов в своих вычислениях.

Подобные наблюдения наряду с проведенным учеными исследованием подтверждают факт того, что язык и предварительные глубокие знания и понимание чисел не являются необходимыми элементами для выполнения простых задач по сложению и вычитанию. В дальнейшем исследователи пчелиной арифметики собираются усложнить задачи для своих испытуемых, выйдя за пределы числового диапазона 1…5 и добавив большие числа.

Ни размер мозга, ни социальные повадки существ не являются основополагающими критериями для успешного оперирования небольшими числами. Шимпанзе, серые попугаи, пауки, а теперь еще и пчелы являются тому ярким примером.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до весны бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Автор: Dmytro_Kikot

Источник


* - обязательные к заполнению поля