Czy pszczoły potrafią liczyć? Co mówi nauka

Informacje o zwierzętach » Insectos » Czy pszczoły potrafią liczyć? Co mówi nauka

Pomysł, że malutki owad potrafi wykonywać obliczenia matematyczne, brzmi, delikatnie mówiąc, osobliwie. Jednak w ostatnich latach kilka zespołów badawczych wykazało, że pszczoły miodne potrafią sobie z tym poradzić. zaskakujące koncepcje liczboweOd liczenia małych ilości, przez rozumienie zera, po rozróżnianie, czy grupa pierwiastków jest parzysta, czy nieparzysta. Wszystko to z mózgiem ważącym mniej niż miligram.

Dalekie od anegdoty, te odkrycia zmieniają sposób, w jaki naukowcy rozumieją inteligencję zwierząt. Eksperymenty przeprowadzone na uniwersytetach w Niemczech, Australii, Włoszech i Francji pokazują, że pszczoły potrafią… abstrakcyjne reguły matematyczneWykraczają poza podstawowe wskazówki wizualne i uczą się reguł, które następnie ekstrapolują na nowe sytuacje. W ten sposób inspirują nowe idee w dziedzinie sztucznej inteligencji.

Niesamowity umysł liczbowy pszczół

Przez dziesięciolecia zdolność owadów do rozwiązywania złożonych zadań była traktowana z dużym sceptycyzmem. Wielu neurobiologów uważało, że przy tak małej liczbie neuronów zwierzęta te mogły reagować jedynie poprzez… proste odruchy i podstawowe skojarzeniaJednak ostatnie badania stopniowo obalają ten bardzo ograniczony pogląd.

W konkretnym przypadku pszczół miodnych (Apis mellifera), w tym wariantów takich jak: Afrykańska pszczołaKilka grup badawczych wykazało, że owady te nie tylko tworzą mentalne mapy swojego otoczenia lub rozpoznają kwiaty, ale także potrafią sobie radzić problemy numeryczne, które uważaliśmy za „ludzkie”: liczenie do określonej ilości, wybieranie najmniejszego zbioru, rozróżnianie do czterech obiektów, a nawet radzenie sobie z pojęciem niczego.

Kluczowy wkład w tę zmianę perspektywy pochodził z Uniwersytetu Monash w Australii, gdzie zespół kierowany przez badaczkę Scarlett Howard zaprojektował serię eksperymentów, aby sprawdzić, czy maleńki mózg pszczół może działać z podstawowe pojęcia matematyczneAby to osiągnąć, naukowcy nauczyli te owady wybierać pomiędzy różnymi liczbami liczb, oferując im słodkie nagrody za poprawne podanie odpowiedzi.

Odkryli, że pomimo posiadania mniej niż miliona neuronów, pszczoły potrafią przetwarzać złożone informacje wizualne, a co więcej, stosować abstrakcyjne reguły do ​​tego, co widzą. Innymi słowy, nie tylko reagują na bodźce; zdają się konstruować swego rodzaju „wewnętrzna reguła liczbowa” który kieruje ich decyzjami.

Malutki mózg zdolny do obsługi liczby zero

Jednym z najbardziej uderzających odkryć tych badań było wykazanie, że pszczoły potrafią pojąć koncepcję zera, co historycznie było trudne nawet dla społeczności ludzkich. Zespół Scarlett Howard uwzględnił w swoich testach szczególnie delikatny warunek: powierzchnię całkowicie pusty, bez żadnych obiektów, co oznaczało całkowity brak pierwiastków.

W głównym eksperymencie pszczoły nauczyły się bardzo prostej zasady: zawsze musiały wybierać opcję z najmniejszą liczbą figur geometrycznych, aby otrzymać nagrodę w postaci pożywienia. Poprzez wielokrotne próby ze słodkimi nagrodami i gorzkimi karami, pszczoły w końcu zastosowały się do tej zasady. Zasada „Wybierz najmniejszy” ze znaczną dokładnością.

Kluczowy moment nastąpił później. W fazie testowej naukowcy po raz pierwszy przedstawili pszczołom całkowicie pustą tackę, a nie taką, która zawierała od jednego do sześciu obiektów. Pszczoły, które zostały wyszkolone do wybierania mniejszej liczby obiektów, zaczęły spontanicznie poruszać się w kierunku pustej tacki. taca bez przedmiotówjakby rozumieli, że „nic” jest mniejsze niż „jeden, dwa lub trzy”.

Aby jeszcze bardziej doprecyzować wynik, zespół przeprowadził eksperyment kontrolny. Chcieli upewnić się, że pszczoły nie kierują się wyłącznie bardzo podstawowymi szczegółami wizualnymi, takimi jak ilość tuszu czy złożoność figury. Pusta powierzchnia, pozbawiona porównywalnego kształtu lub częstotliwości przestrzennej, pozwoliła im wykluczyć te czynniki. niskopoziomowe sygnały percepcyjneMimo to pszczoły nadal wybierały pustą opcję, zgodnie z wyuczoną regułą.

Co ciekawe, gdy pusta tacka konkurowała z inną, zawierającą bardzo niewiele obiektów, zadanie stawało się dla pszczół trudniejsze. W takich przypadkach czas potrzebny na podjęcie decyzji wydłużał się, podobnie jak liczba błędów. Wskazuje to, że chociaż pszczoły potrafią pojąć pojęcie zera, różnica między „prawie niczym” a „niczym” stanowi dla nich wyzwanie. poważne wyzwanie poznawcze, coś podobnego do tego, co dzieje się u ludzi, gdy porównujemy bardzo bliskie wielkości.

Zasada „wybierz najmniejszą ilość” i jej zakres

Jednym z najciekawszych aspektów pracy Howarda i współpracowników jest sposób tresury pszczół. Zastosowali metodę nauki opartą na nagrodzie i karze: pszczoły, które prawidłowo wybrały opcję z mniejszą liczbą pierwiastków, otrzymywały roztwór cukru, a te, które popełniły błąd, otrzymywały… gorzka chininaJuż po kilku sesjach wiele pszczół osiągnęło wskaźnik sukcesu bliski 80%.

W opisanym powyżej eksperymencie kontrolnym pszczoły wyszkolone zgodnie z zasadą „wybierz najmniejszą ilość” zaczęły wybierać pusty bodziec, mimo że nie był on prezentowany w fazie uczenia się. Oznacza to, że ekstrapolowały tę zasadę na nowa i bardziej abstrakcyjna sytuacja z którymi nie mieli wcześniej żadnego doświadczenia.

Ten punkt jest kluczowy z punktu widzenia neuronauki. Gdyby zachowanie pszczół wynikało wyłącznie z prostego automatyzmu wzrokowego – na przykład z poruszania się w kierunku obrazu z mniejszą liczbą „plamek” – byłoby dla nich bardzo łatwo pusta taca złamała wzórJednak ich sposób reagowania bardziej pasuje do idei, że wewnętrznie kierują się ogólną regułą liczbową typu „im mniej, tym lepiej”.

Autorzy badania podkreślają, że odbiega to od klasycznego wyjaśnienia opartego na skojarzeniach mechanicznych. Wydaje się, że decyzje pszczół są kierowane przez pewien rodzaj abstrakcyjne rozumowanie liczbowe, w którym elastycznie przetwarzają otrzymane informacje w oparciu o wyuczoną regułę.

Niniejsza praca wpisuje się w nurt badań, który podważa obsesję na punkcie mierzenia inteligencji wyłącznie za pomocą kryteriów ludzkich. Howard podsumował to, wskazując, że kluczowe jest unikanie uprzedzenia antropocentryczne Badając umysł zwierząt, stwierdzamy, że ludzie postrzegają i doświadczają świata zupełnie inaczej niż inne żywe istoty, więc udawanie, że wszyscy myślą „tak jak my”, może prowadzić do błędnej interpretacji złożonych zachowań.

Krytyka, współpraca i zmiana perspektywy

Przez długi czas niektórzy specjaliści podchodzili sceptycznie do tego typu wyników, argumentując, że zachowania liczbowe obserwowane u zwierząt można wyjaśnić prostymi skojarzeniami sensorycznymi. Jednak najnowsze badania nad pszczołami obalają tę krytykę, coraz bardziej udoskonalone projekty eksperymentalne.

W badaniu liczby zero uczestniczył na przykład neurobiolog Mirko Zanon z Uniwersytetu w Trydencie. Jego wkład pomógł podkreślić, że wiele zastrzeżeń znika, gdy weźmie się pod uwagę szczególna biologia pszczół:jak postrzegają świat, jak przetwarzają informacje wizualne i w jaki sposób ich układ nerwowy maksymalnie wykorzystuje bardzo ograniczone zasoby.

Autorzy podkreślają, że obserwowane zachowania nie dają się pogodzić z prostym, mechanicznym powtarzaniem. Pszczoły nie tylko zapamiętują konkretny obraz, ale elastycznie stosują regułę liczbową do różnych kombinacji kształtów i ilości. Ten sposób reagowania sugeruje bardziej wyrafinowane strategie poznawcze tego, czego można by oczekiwać od bezkręgowców.

Wszystko to wymusiło ponowną analizę głęboko zakorzenionych uprzedzeń dotyczących związku między wielkością mózgu a inteligencją. Fakt, że owad mający mniej niż milion neuronów jest zdolny do rozumienia pojęć takich jak zero, rodzi pytanie, czy inteligencja jest rzeczywiście jedynym czynnikiem wpływającym na wielkość mózgu. wydajność i organizacja sieci neuronowych Mogą być równie ważne — lub ważniejsze — niż prosta całkowita liczba neuronów.

Szerzej rzecz ujmując, badania te pokazują, że pozornie proste zachowania, takie jak wybór najbardziej odpowiedniego kwiatu lub orientacja w krajobrazie, mogą być wspierane przez ewolucyjnie złożone mechanizmy poznawczeLiczenie, porównywanie ilości i rozpoznawanie wzorców liczbowych może zapewnić wyraźne korzyści w kontekście znajdowania pożywienia i przetrwania w obliczu zagrożeń, takich jak... wirus zdeformowanych skrzydeł.

Pszczoły rozróżniają także ilości i wiedzą „do czterech”

Zanim rozpoczęto badania nad zerem, wiadomo było już, że pszczoły posiadają pewną zdolność liczenia. Zespół naukowców z Uniwersytetu w Würzburgu w Niemczech przeprowadził długotrwały eksperyment – ​​trwający dwa lata – aby ocenić, w jakim stopniu te owady potrafią rozróżniać i liczyć obiekty.

W tym przypadku pszczoły w ulu musiały systematycznie przelatywać przez rurki metakrylanowe z kilkoma wyjściami. Różne zestawy obiektów – na przykład koła, trójkąty lub inne kształty – były namalowane przy wejściu i przy każdym z możliwych wyjść, aby pszczoły mogły wykorzystać te informacje do odnalezienia drogi. ścieżka prowadząca do jedzenia.

Pszczoły szybko nauczyły się, że jeśli zobaczą trzy postacie przy wejściu do rurki, powinny szukać wyjścia, które również miało trzy postacie, niezależnie od tego, jaki to był konkretny obiekt. Dla nich liczył się liczba elementów, a nie ich kształtNawet gdy typ obiektu był zupełnie nowy, nadal byli w stanie dopasować liczbę elementów.

Dzięki tym eksperymentom naukowcy byli w stanie stwierdzić, że pszczoły posiadają funkcjonalną zdolność liczenia do około czterech elementów. W tym zakresie ich zachowanie jest porównywalne z zachowaniem innych kręgowców, takich jak szympansy, jeśli chodzi o… rozróżniać małe ilości bez konieczności liczenia po kolei, jak robią to dorośli.

Ten rodzaj szybkiego liczenia – znany u ludzi jako „subityzacja”, czyli zdolność do szybkiego rozpoznania, czy jest jeden, dwa, trzy czy cztery obiekty – wydaje się występować również u pszczół. Od tego momentu ich dokładność spada, co jest zgodne z ideą… przybliżony system liczbowy przydatne do codziennych zadań proekologicznych.

Liczenie pszczół: od „ile ich jest” do „nie ma żadnej”

Badania Howard nad zerem wyznaczyły nowy standard w tej dziedzinie. Podczas prezentacji w Portugalii biolog wyjaśniła, jak poprzez trening ze słodkimi nagrodami i gorzkimi karami, jej zespół nauczył różne kasty pszczół – królowe, robotnice i trutnie – Wskaż miejsce, w którym jest najmniej obiektów..

Zasady gry były proste: pszczoły, które poprawnie wybrały platformę z najmniejszą liczbą figurek, otrzymywały słodki smakołyk, a te, którym się nie udało, spotykały się z nieprzyjemną chininą. Po okresie treningowym pszczoły osiągnęły skuteczność około 80% w swoich wyborach. taca z najmniejszą liczbą przedmiotów.

Zaskoczenie nastąpiło, gdy zaoferowano im wybór między tacą z jednym do sześciu obiektów a drugą, całkowicie pustą. Wiele pszczół, nie będąc specjalnie przeszkolonymi do takiej sytuacji, podeszło do pusta tacaco oznacza, że ​​brak pierwiastków uważali za ilość jeszcze mniejszą niż jeden, dwa lub trzy.

To zachowanie dowodzi, że pszczoły potrafią nie tylko oszacować liczbę obiektów, ale także dość niezawodnie wykryć, gdzie ich nie ma. Chociaż zadanie stawało się nieco trudniejsze, gdy druga tacka zawierała bardzo mało obiektów, fakt, że często wybierały opcję pustą, wzmacnia przekonanie, że są w stanie… odliczanie „do zera” pod względem funkcjonalnym.

Ponownie, nie chodzi o to, że pszczoły mają w umysłach zapisane „zero”, tak jak my, ludzie, ale o to, że ich zachowanie wpisuje się w system, który porządkuje ilości, w tym sytuację „braku elementu”, gdy zasada skaliTo już naprawdę ogromny postęp jak na tak mały mózg.

Parzyste i nieparzyste: pszczoły rozumiejące zasadę parzystości

Kolejne uderzające badanie nad zdolnościami matematycznymi pszczół przeprowadził zespół z Australii i Francji, również pod kierownictwem Scarlett R. Howard, tym razem we współpracy z Centrum Ekologii Integracyjnej Uniwersytetu Deakina (Burwood, Australia). Celem było sprawdzenie, czy owady te potrafią odróżniać ilości parzyste i nieparzyste, zadanie klasyfikacji liczbowej, którego ludzie uczą się zazwyczaj w dzieciństwie.

Do tej pory kategoryzacja parzystości – czyli decydowanie, czy liczba lub zbiór obiektów jest parzysty, czy nieparzysty – nie była badana u gatunków innych niż człowiek. Prawdopodobnie wynikało to z faktu, że nikt nie sądził, że może ona przynieść interesujące lub przydatne wyniki. Jednak pszczoły wykazały już podstawowe zdolności liczbowe, dlatego zespół postanowił je zbadać. pójść o krok dalej.

W eksperymencie poszczególne pszczoły trenowano za pomocą kart zawierających od jednego do dziesięciu elementów geometrycznych. Owady podzielono na dwie grupy: w jednej pszczoły uczyły się, że liczby parzyste są powiązane z nagroda w postaci wody z cukrem a w przypadku nieparzystych próbek roztworu gorzkiej chininy zależność była odwrotna (nieparzyste były dodatnie, a parzyste ujemne).

Szkolenie kontynuowano, aż pszczoły w każdej grupie osiągnęły około 80% trafności w wyborze właściwej karty zgodnie z przypisaną im regułą parzystości. Ten próg wydajności pokazał, że były zdolne do… uczyć się konsekwentnie czy „dobry” był powiązany z liczbą parzystą czy nieparzystą, można było stwierdzić jedynie na podstawie obserwacji zbiorów punktów lub figur.

Po opanowaniu tej fazy, sytuacja zrobiła się interesująca: testowano je nowymi liczbami, z którymi nie zetknęły się podczas szkolenia, a konkretnie zestawami 11 i 12 elementów. Mimo że te przypadki były dla nich zupełnie nowe, pszczoły poradziły sobie sklasyfikuj je jako parzyste lub nieparzyste z dokładnością około 70%.

Uprzedzenia, uczenie się o parytecie i porównywanie z ludźmi

Autorzy badania byli szczególnie zaintrygowani tempem uczenia się obu grup pszczół. Odkryli, że pszczoły nauczone kojarzenia liczb nieparzystych z nagrodą w postaci cukru łatwiej przyswajały tę regułę. szybciej niż te z grupy „pozytywnej pary”.

Ten wynik jest ciekawy, ponieważ u ludzi obserwuje się zazwyczaj odwrotną tendencję: mamy tendencję do szybszego kategoryzowania liczb parzystych niż nieparzystych. W przypadku pszczół tendencja uczenia się wydaje się być odwrócona, co sugeruje, że mogą one mieć… inna „intuicja liczbowa” do naszego i że ich systemy przetwarzania ilościowego nie działają dokładnie tak samo.

W każdym razie fakt, że osiągnęli oni wyraźnie lepszy wynik niż wynikałoby to z przypadku, gdy uogólniali regułę parzystości na nowe liczby (11 i 12), potwierdza tezę, że ich mózgi są zdolne do do uchwycenia abstrakcyjnych wzorców liczbowychNie ograniczają się do zapamiętywania konkretnych przypadków, lecz wyciągają ogólną regułę, którą następnie stosują do nieznanych dotąd przykładów.

Staje się to jeszcze bardziej imponujące, gdy weźmiemy pod uwagę skalę ich układu nerwowego. Ludzki mózg ma około 86.000 miliardów neuronów, podczas gdy mózg pszczoły ma ich około 960.000 miliardów. To, że potrafią zarządzać tymi procesami, dysponując tak ogromną różnicą zasobów, jest zdumiewające. takie drobne klasyfikacje liczbowe Daje dobry obraz tego, jak skuteczna może być ewolucja w optymalizacji funkcji poznawczych.

Równocześnie, odkrycia te łączą się z wcześniejszymi badaniami, które wykazały, że pszczoły potrafią rozpoznawać ludzkie twarze, wykonywać proste dodawanie i odejmowanie oraz podejmować złożone decyzje dotyczące swojego otoczenia. Wszystko wskazuje na to, że ich umysłowy „zestaw narzędzi” jest znacznie bogatszy, niż początkowo sądzono, pomimo ich… ograniczenia wielkości i liczby neuronów.

Od ula do laboratorium: dlaczego pszczoły są idealnym modelem

Jednym z powodów, dla których pszczoły są nadal wykorzystywane w tego typu badaniach, jest to, że są to zwierzęta stosunkowo łatwe do utrzymania i obserwacji w warunkach laboratoryjnych oraz w inicjatywach zrównoważone i odpowiedzialne pszczelarstwoMają bardzo zorganizowane życie społeczne, są dostępni i pozwalają na powtarzalne eksperymenty z wieloma osobami, co jest niezbędne do uzyskania statystycznie wiarygodne wyniki.

Co więcej, ich naturalne zachowanie obejmuje już szereg dość skomplikowanych zadań poznawczych: muszą pamiętać lokalizację kwiatów, porównywać jakość różnych źródeł nektaru i pyłku oraz komunikować się z innymi pszczołami robotnicami za pomocą słynnego „taniec pszczół” i adaptować się do zmian w otoczeniu. Wszystko to czyni je idealnymi kandydatami do badania, jak mały mózg rozwiązuje złożone problemy.

Z perspektywy ekologicznej zasugerowano, że zdolność liczenia płatków lub struktur kwiatowych może pomóc pszczołom w wyborze kwiatów najbardziej pożywnych lub najłatwiejszych do wykorzystania. Jeśli gatunek kwiatu zazwyczaj oferuje więcej korzyści w określonym zakresie liczby płatków lub pręcików, pszczoła zdolna do… oszacować te kwoty Dałoby im to niewielką przewagę przy optymalizacji prac żniwnych.

Sugerowano również, że ich pojęcie „ilości” może wpływać na sposób, w jaki oceniają liczbę towarzyszy odwiedzających to samo źródło pożywienia, lub na to, jak oceniają, czy warto kontynuować eksploatację danego kwiatu. Łącznie te zdolności liczbowe przyczyniają się do zwiększona wydajność w codziennym życiu ulaco pomaga wyjaśnić, dlaczego ewolucja tak je faworyzowała.

Wreszcie, z metodologicznego punktu widzenia, pszczoły pozwalają nam projektować kontrolowane zadania, w których prezentowane są im bardzo precyzyjne warianty kształtów, ilości i nagród. Ułatwia to wyizolowanie sygnałów percepcyjnych, których używają, i stopniowe odrzucanie prostych wyjaśnień, aby dotrzeć do tych najdokładniejszych. prawdziwe, podstawowe zdolności poznawcze.

Czego pszczoły uczą sztuczną inteligencję

Odkrycia dotyczące zdolności matematycznych pszczół nie tylko pomagają nam lepiej zrozumieć inteligencję zwierząt, ale także inspirują nowe pomysły w dziedzinie sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego. Zespół Scarlett Howard poszedł o krok dalej i zaprojektował niezwykle prosta sztuczna sieć neuronowa aby sprawdzić, czy udało się odtworzyć zadanie parzystości.

Sieć ta składała się z zaledwie pięciu neuronów, co stanowi absurdalnie małą liczbę w porównaniu z milionami neuronów u pszczoły. Pomimo tej skrajnej prostoty, system był w stanie poprawnie klasyfikować sekwencje impulsów – od 0 do 40 – jako parzyste lub nieparzyste z… 100% dokładnościTo znaczy bez popełniania błędów w zestawie zadań parzystości.

Wynik ten sugeruje, że przynajmniej w teorii, kategoryzacja parzystości nie wymaga dużego mózgu ani ogromnej sztucznej sieci neuronowej do rozwiązania. Bardzo mały zbiór jednostek, odpowiednio zorganizowany, może poradzić sobie z tym zadaniem bez większych problemów, co jest zgodne z ideą, że Wydajność jest tak samo ważna jak skala w systemach inteligentnych.

Sami autorzy ostrzegają jednak, że nie oznacza to, iż pszczoły i sieć neuronowa wykorzystują dokładnie ten sam mechanizm do rozwiązania problemu. Wręcz przeciwnie, przyznają, że nadal nie wiadomo dokładnie, jakich procesów poznawczych używają pszczoły do ​​oddzielenia liczb parzystych od nieparzystych. Oczywiste jest, że ich metoda służy jako źródło inspiracji do projektowania lżejszych algorytmów i wydajni w dziedzinie sztucznej inteligencji.

Sztuczne sieci neuronowe opierają się na bardzo ogólnej idei zaczerpniętej z neuronów biologicznych, a ten kierunek prac pokazuje, że warto przyjrzeć się bliżej małym, ale bardzo wydajnym mózgom, takim jak mózg pszczoły, aby znaleźć kompaktowe strategie obliczeniowe które można przenieść na technologię.

Łącznie połączenie eksperymentów z pszczołami — od podstawowego liczenia po obsługę zera lub parzystości — z minimalistycznymi modelami sztucznej inteligencji otwiera obszar badań, w którym granica między biologią a informatyką się zaciera. staje się szczególnie rozproszona i żyzna.

Wszystkie te badania malują obraz, w którym pszczoły przestają być jedynie niezbędnymi owadami robotniczymi i zapylaczami, stając się małymi „mózgami modelowymi”, które zmuszają nas do ponownego przemyślenia tego, co rozumiemy przez inteligencję, w jaki sposób można zorganizować myślenie przy bardzo ograniczonych zasobach neuronowych i w jaki sposób te naturalne mechanizmy mogą pomóc nam w projektowaniu bardziej wydajne i pomysłowe technologie.