Существует не так много путей создания сложного технического изделия. Первый путь – создание с нуля, проектирование, прототипирование и отладка. Второй – реверс-инжиниринг существующего, приобретение новых знаний на основе чьей-то практики, возможно даже переосмысление и создание на основе этой технологии совершенно новых изделий.
Так уж повелось, что фундаментальная биология почти всегда начинает со второго пути. Поймать, разрезать, сфотографировать, картировать, измерить электрические импульсы или содержание веществ в тканях, локально повредить и изучить отклонения – вот принципиальный арсенал исследователя. Тем интереснее попробовать посмотреть на живых существ со стороны первого подхода – эволюционной оптимизации.
Железо и прошивка
Да, конечно, эволюция – крайне неудачный архитектор систем. «Новые версии» появляются благодаря случайным процессам. При этом механизм этой изменчивости (мутации и кроссинговер) позволяют эволюционировать «модели» (виду) и гораздо реже приводят к возникновению новых «линеек» (у разных видов разный кариотип – а такое изменение приобретается намного сложнее и реже).
Не существует возможности «откатить изменения», в генотипе огромное мусорное «легаси», в том числе самые натуральные куски кода вирусов. Но помимо физиологии организма, с определенного момента у живых организмов появляется развитый «софт» – интеллект. Именно благодаря нему совершается переход от чистой физиологии, граничащей уже с банальными химическими реакциями (например, одноклеточные, двигающиеся по градиенту концентрации глюкозы в ту часть емкости, где слаще) до сложных интеллектуальных и социальных взаимодействий позвоночных животных. Интеллект гораздо пластичнее своих биологических носителей, хотя некоторые функции в нем детерминированы, но многое также зависит от анализа ситуации в реальном времени и от обучения. И как раз интеллекта и будет касаться дальнейший разговор.
Ретро-ностальгия
Почему многие люди занимаются оживлением устаревших устройств, ретро-компьютеров и кнопочных мобильных телефонов? Не только потому, что вспоминают свое детство. Для профессионалов интересно вспомнить или открыть миру заново, какие архитектурные и софтверные решения принимались ранее в условиях более ограниченной производительности компонентов и устаревших технологий.
Простой жидкокристаллический дисплей, малый объём памяти требуют изящества решений, оптимизации, нетривиального использования ресурсов. Это и вызывает интерес, восхищение стараниями инженеров, разработчиков и дизайнеров. Именно поэтому «Doom» стараются запустить на самых разных устройствах. Есть ли пример подобного в живом мире, ведь далеко не все виды оказались на эволюционной свалке и живут нами бок о бок с древности практически без изменений? Пожалуй, нужный пример есть, и это также предмет одного из классических исследований, давших начало новым ветвям науки. Давайте же рассмотрим этот эксперимент не со стороны учёного, а со стороны воображаемого разработчика системы.
Мысленный эксперимент
Вы – очень маленькое животное. Такое маленькое, что можете летать по воздуху. Как и у всех живых организмов, у вас есть своя многочисленная семья, молодняк, коллеги, которые живут и складируют пищу в убежище. Ваша массовость – залог выживания. Но и пищи из-за этого надо много. Лично вам тоже – вы ведь летаете, причем активно и осознанно, а это – процесс энергозатратный.
Пищу добыть относительно несложно. Она встречается массово в радиусе сотен метров, если не повезёт – пары километров от вашего убежища. Ваш организм умеет как переваривать ее, так и запасать для нужд семьи. Но все равно, ваш вклад – маленькая лепта, поэтому летать до пищи нужно много раз. Вы как будто перевозите бочки с авиационным горючим: сжигаете то же топливо, что нужно перевезти.
Этого топлива могут быть небольшие области или бескрайние просторы, но о нём нужно рассказать соседям – один в поле не воин, на открытое «месторождение» надо дать наводку всем свободным воздушным юнитам, чтобы пополнить запасы в убежище. Не долететь и остаться без сил тоже не вариант, завести отряд в неправильном направлении смертельно опасно для всех участников. Слишком сильно у вашего организма связаны терморегуляция и ваш быстрый метаболизм. К тому же области, где можно найти пищу, меняют местоположение в течение недель, даже если вы не успеете собрать её всю до последней крошки.
Итак, вам отчаянно нужен способ коммуникации! Любым способом вы должны запомнить координаты найденной пищи и суметь передать её остальным, быть понятым и принести пользу семье. Но проблема в том, что у вас нет голоса и даже обычного рта. Нет пальцев для жестикуляции, звуковых и световых органов. Есть глаза, лапы, чтобы ползать, крылья, чтобы летать, и на миллион нейронов, чтобы не забыть, куда вы летали и нашли ли то, что искали. Что делать в такой ситуации?
Решение
Все, наверное, поняли, что загаданное существо – это обыкновенная пчела. Теперь же соотнесём вышеуказанное «техзадание» с её способностями и синтезируем решение.
Поскольку пчела выполняет «транспортные миссии», логично предположить, что её главным пунктом назначения всегда будет улей. Отсюда вывод: улей должен быть отправной точкой в системе координат. И ещё одно следствие: это будет радиальная система координат, основанная на направлениях и расстояниях – дорога туда и обратно по кратчайшему пути. Звучит достаточно просто даже для насекомого.
Для определения направления можно использовать самый универсальный природный ориентир – солнце. Конечно, у пчёл нет часов и знания широты, чтобы соотнести время дня и направления по сторонам света. Но если время одного вылета мало по сравнению с перемещением солнца, то его также можно принять за реперную точку («нулевой меридиан») для направления. Дополнительным преимуществом у пчёл является возможность восприятия глазом ультрафиолетовой части спектра – в ней более прозрачны облака, поэтому пчела не теряет направление в пасмурную погоду. Кроме этого, атмосфера благодаря облакам и пыли поляризует солнечный свет, и угол поляризации также виден пчелами. Таким образом, мы получаем первую составляющую, геометрический угол к солнцу, проведённый из точки улья.
Что касается расстояния, здесь пчеле приходится трудно. Её зрительный анализатор не способен фокусироваться на цели полета, как это делают хищные птицы. Но летая с постоянной скоростью и на известной высоте, пчела способна вычислить расстояние по тому, сколько контрастных деталей окружающего пейзажа проносится мимо – что-то вроде примитивного временного параллакса. Отдельными экспериментами было показано, что пчелы, которых приучили летать до пищи в короткой узкой трубе с контрастным рисунком на стенках, думали, что они пролетают сотни метров. Это происходило из-за того, что близко расположенные стенки «мельтешили» в глазах пчелы быстрее, чем это было бы в природе, создавая впечатление более насыщенного и длительного полёта.
Несовершенство такого способа очевидно – от вышеописанного способа подсунуть пчелиному ложные данные, до невозможности компенсировать порывы ветра. Тем не менее данная координатная система работоспособна и может быть запомнена пчелой.
Коммуникация
Ну и наконец, главное: мы смогли измерить и запомнить два координатных параметра (угол и расстояние). Как нам это передать сородичам? Вспоминаем всё, что у нас есть. Модулировать звук жужжания крыльев? Но весь улей гудит. Прикосновения? То же самое, множество насекомых всё время переползают, наступают друг на друга, и никакой коммуникации на фоне случайных касаний не получится. Может быть, выпустить определенный запах, заставив часть насекомых лететь за собой? Но в случае смерти лидера группы от хищника остальные не долетят до пищи, а то и заблудятся. Надо передавать информацию сразу многим, чтобы они копировали и запомнили её сами. Как же можно наглядно показать путь, без презентаций или рисунков на бумаге? Нужно его воспроизвести в маленьком масштабе. Так, чтобы остальные не мешали и обратили внимание.
Подумаем абстрактно, а как мы можем показать расстояние и угол внутри улья, где не светит солнце? Что будет являться для нас нулевым углом? Тут можно дать однозначный ответ – в мире есть нечто, что чувствуют все живые существа, особенно летающие. Это гравитация. Направление «вверх-вниз» - это ощущаемый всеми пчёлами готовый нулевой вектор. Осталось только указать угол относительно него. Соответственно, пчела должна спроецировать свою модель полета на вертикальной поверхности.
Эта «презентация» выполняется пчелой следующим образом: она садится на соты или вертикальную стенку и ползает по ней как бы восьмёркой или скорее двумя зеркальными буквами D с общей прямой чертой. Эта прямая посередине – и есть направление относительно вертикали, которое обозначает угол к солнцу относительно летка – точки вылета из улья. В этом и заключается тот самый танец пчелы, который вскользь упоминается в учебниках биологии и снабжается стандартной простой схемой:
Что означает волнистая линия? Чтобы привлечь внимание к части своего танца, обозначающей фазу полета (и, соответственно, направление), пчела ведет себя необычно – часто и крупно трясется из стороны в сторону. Длительность тряски отражает запомненное пчелой «количество проплывшего мимо нее пейзажа» – и показывает, по разным данным, от 700 м до 1 км на секунду.
Наиболее же наглядно танец можно увидеть в видео, где хорошо видно не только «танцующую» пчелу, но и вплотную наблюдающих за ней других особей, запоминающих навигационные данные.
Открытие
Танец пчёл открыл и описал австрийский ученый Карл фон Фриш. Он посвятил науке около 70 лет жизни, из которых большую часть времени исследовал пчёл, открыв многие аспекты их пищевого и социального поведения. Он стал одним из родоначальников этологии – науки о поведении животных.
Пчёлы в этом аспекте оказываются замечательным примером сложного врожденного поведения, с социальными взаимодействиями и оригинальным способом коммуникации. Разумеется, всё вышесказанное о танце пчёл – не теоретические размышления, а доказанные практикой заключения.
Классический эксперимент по изучению пчелиного танца заключался в том, что отдельный улей изучали в контролируемой учёными среде. В разных сторонах от улья было установлено два аттрактанта в виде сладкой пищи, возле которых сидели экспериментаторы; третий наблюдал за самим ульем. Наблюдатели возле пищи аккуратно красили прилетающих за едой пчёл в определенный цвет. Наблюдатель возле улья внимательно отслеживал танец вернувшихся пчёл. Был сделан однозначный вывод: пчёлы своим танцем чётко указывали на направление к источнику пищи, откуда они прилетели, в соответствии со своими цветами. Направление для них оказывается критически важным параметром: если не просто переставить, но даже повернуть улей летком в другую сторону, пчелы теряются и не сразу могут попасть внутрь. Впрочем, для естественных условий, где люди не вмешиваются в природу, встроенных механизмов навигации пчеле вполне достаточно. А на пасеках ульи расставляют в определенном порядке и красят в разные цвета.
Вот так, имея довольно ограниченный набор входящих данных и в отсутствие специальных органов для коммуникации, с маленькой памятью и примерной ориентацией в пространстве, живет семейство из нескольких тысяч видов пчел. Наглядный пример, когда из системы с самыми базовыми анализаторами и небольшой интеллектуальной мощностью можно выжать максимум полезных навыков в навигации и социальном общении.
Автор статьи @Vsevo10d
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
Автор:
FirstJohn
