Преодоление встроенных ограничений системы: пример из биологии

в 8:03, , рубрики: биология, Блог компании FirstVDS, врожденное поведение, Научно-популярное, танец пчел, эволюционная оптимизация
Преодоление встроенных ограничений системы: пример из биологии - 1

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 мозги 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.

Люди привыкли к глобальной системе координат, привязанной к планете (слева). Но пчеле за отсутствием инструментов удобнее пользоваться относительной системой отсчета, привязанной к улью и текущему положению солнца на небе (справа). Направление на восток она в данный момент воспринимает как «на 30 градусов левее солнца».
Люди привыкли к глобальной системе координат, привязанной к планете (слева). Но пчеле за отсутствием инструментов удобнее пользоваться относительной системой отсчета, привязанной к улью и текущему положению солнца на небе (справа). Направление на восток она в данный момент воспринимает как «на 30 градусов левее солнца».

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 мозгу ложные данные, до невозможности компенсировать порывы ветра. Тем не менее данная координатная система работоспособна и может быть запомнена пчелой.

Пчела ориентируется на некое привычное значение скорости «визуального потока», пейзажа вокруг. В природе её окружают далеко расположенные контрастные объекты, движущиеся относительно неё сравнительно медленно. В то же время, если она пролетит такое же расстояние в экспериментальном тоннеле (справа), контрастные пятна на стенках будут проноситься мимо её глаз в больших количествах, создавая ощущение, что она покрыла на огромной скорости большое расстояние. Изображение из статьи K. Cheng, 2000 (https://link.springer.com/content/pdf/10.3758/BF03199768.pdf)
Пчела ориентируется на некое привычное значение скорости «визуального потока», пейзажа вокруг. В природе её окружают далеко расположенные контрастные объекты, движущиеся относительно неё сравнительно медленно. В то же время, если она пролетит такое же расстояние в экспериментальном тоннеле (справа), контрастные пятна на стенках будут проноситься мимо её глаз в больших количествах, создавая ощущение, что она покрыла на огромной скорости большое расстояние. Изображение из статьи K. Cheng, 2000 (https://link.springer.com/content/pdf/10.3758/BF03199768.pdf)

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:

Преодоление встроенных ограничений системы: пример из биологии - 4

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.

Рисунок более подробно разъясняет, как именно переносятся на вертикальную поверхность направления. Поскольку все пчёлы чувствуют, в какой стороне находится верх, им достаточно заложить на врожденном уровне идею, что верх – это направление в сторону солнца. Тогда путём наблюдения за танцующей пчелой они поймут направление вылета из улья относительно солнца.
Рисунок более подробно разъясняет, как именно переносятся на вертикальную поверхность направления. Поскольку все пчёлы чувствуют, в какой стороне находится верх, им достаточно заложить на врожденном уровне идею, что верх – это направление в сторону солнца. Тогда путём наблюдения за танцующей пчелой они поймут направление вылета из улья относительно солнца.

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

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js