С точки зрения интеллекта самым развитым живым организмом на планете Земля считается человек. Мозг, будучи сложнейшим и доселе малоизученным органом, позволяет человеку не только выполнять самые необходимые для выживания организма функции, но и творить. Корабли, позволяющие отправиться в космос, лекарства, излечивающие ранее неизлечимые болезни, и даже поэзия, проникающая в саму душу читателя — все это результат работы мозга человека. Однако, подавляющее число навыков не берутся ниоткуда, а являются результатом той или иной формы обучения. Коммуникация между индивидами также может считаться формой обучения, поскольку происходит обмен информацией. Как это устроено у людей, вполне понятно. Но как это происходит в мире насекомых? Ученые из Лондонского университета королевы Марии (Великобритания) решили провести опыты на шмелях, дабы узнать, может ли один шмель передать другому определенные знания. Как именно ученые проверяли шмелей, насколько насекомые справились с поставленной задачей, и какие выводы можно сделать по результатам опытов? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Некоторые виды насекомых демонстрируют невероятно развитую внутривидовую социальную структуру с разделением труда и четкой иерархией. Далеко не все млекопитающие, за исключением только человека, способны похвастаться таким. Как правило, говоря о социализации насекомых, мы подразумеваем, к примеру, муравейник, где обитает определенная группа муравьев одного вида. Другими словами, семья. Но среди насекомых существует и высокоразвитая коммуникация внутри вида, но за пределами семьи.

Изначально набор навыков, которым обладает тот или иной вид, подгруппа или конкретная особь, считался результатом предварительно запрограммированных реакций на внешние стимулы, возникающие в результате эволюционных процессов проб и ошибок. Но за годы исследований ученые доказали, что насекомые способны обучаться новым навыкам, которые выходят за рамки врожденных.

Имитация пчелиного танцевального языка, возможно, является наиболее характерным примером социального обучения, описанного еще в 1884 году Чарльзом Дарвином. Он предположил, что навык «хищения нектара» цветов, который демонстрируют шмели, может распространяться между особями. Считается, что в дикой природе хищение нектара неоднократно возникало как независимые события и распространялось среди местных популяций шмелей посредством быстрого социального обучения.

Теория эволюции, основанная на фенотипе, также известная как эффект Болдуина, описывает, как полезные поведенческие черты, приобретенные в течение жизни, могут передаваться потомству посредством отбора, который способствует приобретению такого поведения, например, в отношении способности к обучению или поведенческих предубеждений. Если усвоенная, полезная поведенческая инновация должна поддерживаться в популяции с помощью социального обучения, то отбор должен быть направлен в пользу индивидов, более способных к обучению тому или иному поведению. Следовательно, теория о том, что определенные навыки и поведение, которые кажутся просто инстинктивными, являются результатом обучения, может объяснить эволюционное происхождение многих сложных форм поведения.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые исследовали возможность того, что социальное обучение может способствовать появлению уникальных поведенческих нововведений у социальных насекомых.


B. terrestris

B. terrestris (земляной шмель) образует подземные колонии, которые в среднем достигают примерно 160 особей, а при отсутствии экологических опасностей продолжительность жизни рабочих особей достигает 2 месяцев. Их колонии сохраняются в течение одного сезона в умеренном климате, а затем разрушаются. Выживают только новые матки, которые уходят, чтобы основать новые колонии следующей весной.

В лабораторных условиях было подтверждено, что шмели способны передавать как простую (выбор цвета цветка), так и сложную (новый метод сбора нектара) информацию.

Для того чтобы изучить социальное обучение у шмелей, ученые создали кормушки-головоломки с двумя вариантами решения. Затем был разработан протокол открытой диффузии, который позволял фиксировать распространение навыка по открытию головоломки в группе. При этом в колонии шмелей помещались особи-демонстраторы, обученные выполнять одно из двух возможных вариантов поведения.

Результаты опытов

Изображение №1

Чтобы определить, могут ли шмели приобретать и поддерживать поведенческую изменчивость, использовались головоломки, которые можно было открыть, повернув прозрачную крышку нажатием на красный язычок по часовой стрелке или на синий язычок против часовой стрелки («красные поведенческий вариант» и «синий поведенческий вариант»). Наградой за правильное выполнение этого действия был 50% раствора сахарозы (1A).

Видео №1

Видео №2

На 1B показан протокол обучения демонстраторов, которые были обучены выполнять один из вариантов поведения (красный демонстратор и синий демонстратор). Всего было проведено №3 эксперимента, причем эксперименты №1 и №2 включали внедрение одного обученного демонстратора в популяцию шмелей. Также была контрольная группа особей, в числе которой не было демонстратора, а потому они могли самостоятельно пытаться решить головоломку. Эксперимент №3 подразумевал внедрение нескольких демонстраторов в популяцию (включая 2 красных и 2 синих демонстратора).

Для экспериментов с открытой диффузией на летной арене были размещены 8 головоломок, и все особи были допущены на летную арену, чтобы свободно взаимодействовать с ними. Каждый день шмели проходили 30-минутную предварительную подготовку с ящиками без крышек (открытые кормушки), что оставляло пищу полностью доступной и позволяло шмелям формировать ассоциацию между желтой мишенью и 50% раствором сахарозы. За этим тренировочным периодом следовал 3-часовой экспериментальный период, в течение которого коробки с головоломками были закрыты, и шмелям приходилось нажимать на один из двух язычков, чтобы получить доступ к награде. После того как коробка была открыта и награда была съедена, она убиралась с арены. В это время ученые отслеживали, как часто открывались головоломки, и какая именно особь совершала каждое открытие.

В общей сложности 6 колоний шмелей использовали для 6-дневной открытой диффузии с одним демонстратором в эксперименте №1: 2 колонии с красным демонстратором; 2 колонии с синим демонстратором; 2 контрольные колонии.

Необученные особи открывали головоломки во всех 4 экспериментальных колониях, и число этих пчел (n = 14) соответствовало критерию обучения, который был установлен учеными для данных опытов (1C). Напротив, в 2 контрольных колониях только одна особь открыла головоломку, несмотря на то, что эти колонии были сопоставимы по размеру с экспериментальными. Эта особь также соответствовала критериям обучения, хоть и открывала головоломку весьма нерегулярно (всего n = 5 случаев; 1D).

Шмели, которые соответствовали критерию обучения в присутствии обученного демонстратора, были значительно более опытными, чем те, которые делали это без него. Появление этого «самопроизвольного» ученика в отсутствие какого-либо демонстратора (опыты с контрольными группами) потребовало проведения эксперимента №2: открытые диффузии с одним демонстратором проводились в течение 12 дней вместо 6, чтобы определить, появится ли больше самопроизвольных учеников в течение более длительного периода.

Всего для этих экспериментов использовали 4 колонии: 1 колония с красным демонстратором, 1 колония с синим и 2 контрольные колонии. Необученные особи из всех 4 групп соответствовали критериям, позволяющим считать их обучающимися (таблица 1).


Таблица №1

Хотя открытие коробок могло происходить спонтанно в отсутствие социального обучения, было обнаружено, что шмели, которые учились у демонстраторов, были значительно более успешными в открывании головоломок, чем особи из контрольных групп (1D).

Затем ученые объединили учеников из экспериментов №1 и №2 и рассчитали индивидуальные индексы мастерства, чтобы можно было сравнить особей, которые достигли порога обучения в разные моменты времени. Эти индексы рассчитывались следующим образом: общее количество индивидуальных открытий / общее количество дней, проведенных в качестве учащегося, включая день, когда был достигнут порог обучения.


Изображение №2

Разница между учениками из экспериментальных и контрольных колоний была значительной: ученики из экспериментальных колоний открывали значительно больше головоломок, чем самопроизвольные ученики из контрольных колоний (2A). Эта разница в навыках на индивидуальном уровне трансформировалась в различия на уровне группы в частоте открывания головоломок. Это предполагает, что, хоть социальное обучение и не требуется для открытия головоломки, оно необходимо, чтобы это поведение закрепилось на индивидуальном (или популяционном) уровне.

Затем ученые проанализировали влияние присутствия демонстраторов на уровень знаний особей-учеников с течением времени. Для этого было проведено сравнение частоты открытия головоломки в первый и третий день от начала опытов (2B).

Анализ выявил статистически значимую корреляцию между обработкой (экспериментальные по сравнению с контрольными) и днем (первый день по сравнению с третьим). При этом шмели в экспериментальной группе показали большее увеличение мастерства на третий день по сравнению с первым, чем шмели в контрольной группе. Это подтверждает, что присутствие демонстратора приводит к повышению мастерства и более стойкому поведению учеников в экспериментальных колониях. Это указывает на то, что наличие социальной информации имело решающее значение для долгосрочного сохранения нового поведения и поведенческой вариативности внутри группы.

Также опыты показали, что при демонстрации лишь одного варианта поведения (только красный или только синий) особи приобрели сильное предпочтение к именно этому варианту, которое сохранялось даже при демонстрации альтернативного поведения. Проще говоря, если шмелям изначально показывали только красный вариант, то они всегда пытались реализовать именно его, даже если им затем давали и красный, и синий. При наличии обоих вариантов решения головоломки доминирующим становится тот, которым пользовался демонстратор (таблица ниже).


Таблица №2

Склонность выбирать конкретный вариант решения, полученный от демонстратора, на индивидуальном уровне превратилась в поразительную тенденцию на уровне колонии: в среднем 98.6% открытий головоломок было сделано с использованием этого варианта решения.

Стоит отметить, что шмели очень любят синий цвет, что было неоднократно подтверждено опытным путем. Потому неудивительно, что в контрольных группах, где не было особи, демонстрирующей определенный вариант решения, шмели выбирали в основном синий. Тем не менее сравнение поведения шмелей из контрольной группой и экспериментальной показало, что сила обучения (использовать красный) преодолевает врожденное предпочтение синему цвету.

В целом, результаты экспериментов №1 и №2 показали, что самопроизвольные ученики из контрольных групп менее успешны в открывании ящиков, чем социальные ученики. Социальные ученики приобретали сильные предпочтения в отношении продемонстрированного варианта, хотя более половины попробовали альтернативный. Это привело к большему мастерству и сильному предпочтению одного варианта на уровне колонии.


Изображение №3

Эксперимент №2 также дал некоторое представление о вероятности того, что поведение открывания головоломок сохранится с течением времени и/или через несколько поколений учеников. На графиках выше показана ежедневная частота открывания ящиков наблюдателями на протяжении всех опытов с одним демонстратором.

Частота открывания имела выраженную положительную корреляцию с порядковым номером экспериментального дня в 5/6 экспериментальных колониях, в то время как в 3/4 контрольных колониях значимой корреляции не было. Сравнение также показало, что поведение, возникающее в контрольных колониях, с меньшей вероятностью сохраняется с течением времени по сравнению с поведением в экспериментальных колониях, даже когда количество особей-учеников сопоставимо.


Изображение №4

Далее ученые провели дополнительный эксперимент, в котором шмели имели доступ к двум вариантам поведения. Как и в экспериментах №1 и №2, в эксперименте №3 использовалось несколько демонстраторов и такие же головоломки. Однако тестовая камера была изменена, чтобы можно было разместить 16 головоломок и одновременно поместить туда 2 колонии (4A). Всего в популяцию было внедрено 4 демонстратора, 2 из которых были обучены выполнять красный поведенческий вариант, а 2 — синий. Этот эксперимент был проведен дважды и были названы: 1R2B2 и 2R2B2.


Таблица №3

В общей сложности 18 наблюдателей достигли порога обучения в популяции 1R2B2, причем 9 из них открыли ящик более 10 раз и, таким образом, были названы опытными учениками. В 2R2B2 8 наблюдателей соответствовали критерию обучения, и 4 из них были классифицированы как опытные ученики (4B и таблицы №3). Примечательно, что к 12-му дню красный вариант поведения стал доминирующим среди наблюдателей в популяции 1R2B2, тогда как синий вариант преобладал в популяции 2R2B2 (4C и 4D). Стоит также отметить. Что на шестой день опытов все демонстраторы в этой популяции прекратили свою деятельность либо из-за смерти, либо из-за перехода на другую работу в колонии. Это означает, что все открытия головоломок в течение оставшихся 6 дней производились исключительно наблюдателями.

В популяции 1R2B2 до 8-го дня преобладание одного варианта из двух варьировалось (4C и 4D). Однако, начиная с 9-го дня, красный поведенческий вариант становился все более преобладающим, и к 12-му дню 97.3% из 263 открытий головоломки были выполнены красным вариантом. В популяции 2R2B2 наблюдатели предпочитали синий вариант красному во все дни, кроме первого, когда 16 из 18 случаев открытия выполнялись красным вариантом. Однако на 11-й и 12-й дни наблюдалось резкое снижение активности наблюдателей, несмотря на отсутствие явного снижения общего числа открывания головоломок. Это было вызвано активностью двух обученных демонстрантов, которые оба оставались активными на 12-й день.


Изображение №5

Несмотря на то, что во время эксперимента учащиеся обычно выполняли оба варианта поведения, как только учащийся вырабатывал предпочтение одному из вариантов, он сохранял это предпочтение и не проявлял признаков переключения на другой (графики выше).

Сдвиги в предпочтениях на уровне колонии, по-видимому, были связаны с появлением новых учеников (которые развили свои собственные индивидуальные предпочтения) и прекращением деятельности по добыче пищи особями с установленными предпочтениями, а не с тем, что в настоящее время активные собиратели изменяют свое поведение, чтобы соответствовать текущему большинству.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые провели ряд весьма необычных опытов с участием земляных шмелей. Задачей данного исследования было выяснить, могут ли шмели передавать знания друг другу.

Экспериментальная среда, в которой пребывали шмели, была оснащена ящиками-головоломками. Чтобы открыть ящик, нужно было или толкать красный язычок, или синий. В случае успеха открывался доступ к вознаграждению (раствор сахарозы). Заранее были подготовлены специальные особи, названные демонстраторами, которых обучили открывать головоломку, используя конкретный язычок (только красный или только синий). Затем их запускали в группу других шмелей, которых назвали наблюдателями (или учениками). Потом дело было за малым — наблюдать за тем, как ученики будут открывать головоломки.

Результаты опытов были впечатляюще однородными, так как подавляющее большинство учеников выбирало вариант решения головоломки, которым обладал демонстратор. Шмели, как известно, обожают синий цвет, но даже это врожденное предпочтение уступало по силе эффекту обучения, если демонстратор использовал красный язычок. Если точнее, то 97.3% из 263 открытий головоломок было выполнено именно красным вариантом.

Считается, что шмели, как и другие беспозвоночные, не способны демонстрировать поведение, связанное с обменом опытом, как это делают приматы или птицы. Даже в самых социально развитых видах насекомых любое поведение и взаимодействие между особями считается чисто инстинктивным и врожденным. Однако результаты исследования показали, что социальное обучение все же имеет место и среди насекомых. Факт того, что шмели успешно наблюдали и учились новому поведению, а потом формировали предпочтения, говорит о том, что они гораздо умнее, чем мы думали ранее. Это указывает на то, что такие виды существ могут адаптироваться к изменениям окружающей среды динамически, не полагаясь исключительно на эволюцию, которая протекает крайне медленно и дает результаты спустя сотни, а то и тысячи поколений.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?