Дрессировка шмелей

Биологи из университета королевы Марии в Лондоне показали, что шмелей можно научить сложным манипуляциям, непохожим на обычное поведение шмелей в природе. Обученные шмели становятся образцами для подражания: наблюдая за ними, их товарищи быстро перенимают новый навык. При этом наблюдатель не слепо копирует чужую последовательность действий, а оптимизирует ее, чтобы быстрее достичь цели. Кроме того, шмели оказались способны к «генерализации» усвоенного навыка, применяя его к объектам, отличающимся от исходного образца. Исследование показало, что умственные способности насекомых до сих пор сильно недооценивались.

Изучение когнитивных (познавательных или попросту умственных, см. cognition) способностей животных в последние годы продвигается очень быстро, о чем «Элементы» не раз рассказывали. Выяснилось, что многие интеллектуальные функции и достижения, когда-то считавшиеся свойственными только человеку, можно обнаружить не только у нашей ближайшей обезьяньей родни, но и у многих других позвоночных и даже беспозвоночных животных — нужно только правильно поставить эксперимент (подробнее см. в книге Франса де Вааля «Достаточно ли мы умны, чтобы судить об уме животных?».

По мере развития когнитивной этологии безвозвратно уходит в прошлое привычное представление о насекомых как о запрограммированных автоматах, поведение которых полностью определяется врожденными инстинктами. Новое исследование зоопсихологов из университета королевы Марии в Лондоне в очередной раз показало, как мало мы еще знаем об умственных способностях насекомых и как сильно их недооцениваем.

Ранее авторы уже обучали шмелей сложным задачам, таким как вытаскивание контейнера с сиропом из недоступного места за веревочку, и показали способность шмелей к социальному обучению, то есть к перенятию полезных навыков у сородичей (см.: Шмели перенимают новые знания от товарищей, «Элементы», 31.10.2016). Впрочем, это поведение гипотетически может отчасти базироваться на врожденных инстинктах: при большом желании можно найти сходство между вытягиванием награды за веревочку и теми задачами, которые шмелям приходится решать в природе, когда они добывают пыльцу и нектар из цветков различной конструкции. Поэтому в своем новом исследовании Ларс Читтка (Lars Chittka) и его коллеги решили научить своих подопечных таким манипуляциям с объектами, которым трудно подыскать аналог в естественном поведении шмелей. Считается, что способность справляться с нетипичными задачами является более надежным показателем интеллекта, потому что животное в ходе эволюции вряд ли могло обзавестись наследственными «заготовками» для их решения.

Исследование состояло из двух частей. В первом эксперименте шмелей поэтапно учили выполнению необычной последовательности действий. Задача состояла в том, чтобы закатить деревянный шарик в середину круглой арены. Если шмелю удавалось это сделать, в центре арены открывалась маленькая дверца, под которой находилась награда — ёмкость с сахарным сиропом.

Необученные шмели, конечно, не могли сразу догадаться, чего от них хотят. Поэтому экспериментаторы «подсказывали» им, толкая шарик к центру арены пластиковым макетом шмеля на длинной и тонкой прозрачной ручке. Как только шарик оказывался в центре, живой шмель получал награду. Такая помощь предоставлялась тем шмелям, которые в течение пяти минут не смогли справиться с задачей самостоятельно.

Шмели оказались хорошими учениками: большинство из них после десятка-другого «уроков» научились ловко и быстро закатывать шарик в центр арены. По мере тренировки время, затрачиваемое на решение задачи, постепенно сокращалось, а траектория, по которой шмель катил шарик, становилась все более прямой.

Эксперимент показал, что шмелей, как цирковых собачек, можно научить замысловатым трюкам при помощи дрессировки. Это говорит о хороших способностях к обучению, тем более что задача была мало похожа на те, с которыми шмели сталкиваются в природе. Например, в ходе выполнения задания шмель должен сначала отправиться на край арены за шариком, удаляясь при этом от центра, где появляется награда, а потом двигаться спиной вперед (шмели не толкают шарик перед собой, а тянут на себя). При добыче пыльцы и нектара шмель, наоборот, движется всегда по направлению к награде и головой вперед. Немаловажно и то, что данная задача связана с использованием орудий. Ведь шарик не имеет непосредственного отношения к сиропу и используется именно как орудие, необходимое для получения желанной награды. Орудийную деятельность еще не так давно считали чуть ли не главным показателем интеллекта.

Второй эксперимент был поставлен для оценки способности шмелей к социальному обучению. В нем участвовали наивные (необученные) шмели, а также опытные шмели-демонстраторы, которых предварительно обучили выполнять задачу быстро и без ошибок. Задание на этот раз упростили, чтобы ученику не требовалось так много «уроков», как в первом эксперименте. Для этого на арене устроили три канавки, расходящиеся из центра под углом 120°. В каждой канавке на разных расстояниях от центра лежало по одному желтому деревянному шарику. Канавки помогают катить шарик прямо и тем самым сильно упрощают задачу. Для получения награды нужно было закатить в центр арены любой из шариков. Как только шарик оказывался в центре, экспериментатор при помощи длинной пипетки выдавал умному шмелю каплю сиропа.

Рис. 1. Эксперимент для оценки способности шмелей к социальному обучению. На первом этапе (Training) каждый шмель проходил обучение одним из трех способов. В первом случае (Social demonstration) он наблюдал за поведением предварительно обученного шмеля-демонстратора (trained demonstrator), который ловко закатывал один из трех желтых шариков в центр (inner circle) круглой арены. После этого оба шмеля получали каплю сиропа. Во втором случае (Ghost demonstration) шарик «сам» двигался к центру арены (на самом деле им управлял экспериментатор при помощи магнита). В третьем случае (No demonstration) и шарик, и капля сиропа (sucrose solution) находились в центре арены с самого начала. На втором этапе (Test) шмель должен был решить задачу уже без всяких подсказок. На третьем этапе (Generalization test) шарик, находящийся ближе всех к центру, был не желтым, а черным. Это делалось, чтобы проверить, сможет ли шмель применить выученный навык к объекту, отличающемуся от исходного образца. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Дизайн эксперимента изображен на рис. 1. Сначала каждый шмель проходил курс обучения по одной из трех методик.

В первом случае на арену вместе с необученным шмелем выпускали шмеля-демонстратора, который быстро закатывал шарик в центр арены. Шмель-демонстратор всегда проделывал это с шариком, расположенным дальше всех от центра, потому что два других шарика были приклеены к арене (см. видео).

Во втором случае шарик перемещался в центр при помощи магнита, расположенного под ареной и управляемого человеком, так что шмелю должно было казаться, будто шарик катится сам собой. После этого шмель тоже получал награду. Как и в первом случае, двигался всегда шарик, изначально расположенный дальше всех от центра, а два других были приклеены (см. видео).

Наконец, в третьем случае и шарик, и капля сиропа с самого начала находились в центре арены, так что и делать ничего было не нужно (см. видео).

Каждый из трех «курсов обучения» прошли по 10 шмелей. Затем они должны были показать, чему научились. Каждого шмеля 10 раз выпускали на арену, где все три шарика не были приклеены и могли свободно кататься. Результаты тестирования показаны на рис. 2.

Выяснилось, что обучение пошло шмелям на пользу. Хотя в данном случае, когда задача была упрощена благодаря желобкам, найти решение нередко удавалось даже необученным шмелям, те из них, кто наблюдал живого шмеля-демонстратора, справились лучше всех — и по числу удачных тестов (левая диаграмма на рис. 2), и по скорости решения задачи (средняя диаграмма). На втором месте — шмели, наблюдавшие «безличную» демонстрацию при помощи магнита, на последнем — не видевшие движения шарика в процессе обучения.

Это результат подтверждает прежние выводы о способности шмелей к социальному обучению, а также показывает, что шмели лучше учатся, наблюдая за сородичами, чем за неодушевленными предметами (как и человеческие дети, см.: Детские ошибки помогают понять эволюцию разума, «Элементы», 07.10.2008).

Кроме того, эксперимент показал, что шмели не слепо копируют действия демонстратора, а подходят к делу «с умом», то есть пытаются оптимизировать решение. В ходе обучения к центру арены всегда катили самый дальний шарик. Так поступали и шмели-демонстраторы, и люди, управлявшие магнитом. Во избежание ошибки два других шарика были попросту приклеены к арене. Но шмели-ученики, оказывается, не восприняли это как догму. Во время тестирования шарики не были приклеены, так что катить можно было любой из них. Шмели быстро в этом разобрались и в большинстве тестов выбирали не дальний, а ближний шарик, что, конечно, упрощало задачу.

Вывод о том, что шмели не занимаются тупым копированием, а смотрят на вещи шире и стремятся оптимизировать процесс, подтвердился в заключительном опыте, который авторы назвали «тестом на генерализацию» (Generalization test, см. рис. 1). В этом опыте ближайший к центру арены шарик был не желтым, а черным. Шмели, которые до сих пор имели дело только с желтыми шариками, тем не менее, уверенно использовали черный шарик для достижения желаемого результата (правая диаграмма на рис. 2). Пройдя перед «тестом на генерализацию» 10 раундов обычного тестирования, шмели уже знали, что награду проще всего получить при помощи ближайшего шарика. И то, что вместо желтого шарика они вдруг столкнулись с черным, их не смутило: насекомые сумели произвести «генерализацию» усвоенного навыка и применить его к объекту, отличающемуся от исходного образца.

Таким образом, шмели оказались намного сообразительнее, чем считалось до сих пор (или, точнее, чем было экспериментально показано). Всё, что для этого понадобилось — грамотно поставленный эксперимент, и, конечно, многолетний опыт исследователей, посвятивших годы жизни изучению этих симпатичных насекомых.

Скорее всего, шмели еще не раз удивят нас своими талантами. Что же касается краеугольного вопроса когнитивной этологии, сформулированного Франсом де Ваалем — достаточно ли мы умны, чтобы судить об уме животных? — то на данный момент ответ на него, по-видимому, должен звучать примерно так: пока еще не совсем, но мы быстро учимся.

 

 

Другой опыт по социальному обучению. Шмель добывает нектар.

Видео:

http://journals.plos.org/plosbiology/article/file?type=supplementary&id=info:doi/10.1371/journal.pbio.1002564.s006