Ars беседует с Брайаном Баттервортом из Калифорнийского университета о его новой книге «Умеют ли рыбы считать?»
Автор: Дженнифер Уэллет
Мы часто думаем, что математические способности присущи только человеку, но на самом деле ученые обнаружили, что многие виды животных — львы, шимпанзе, птицы, пчелы, муравьи и рыбы — обладают как минимум базовыми способностями к счету. Вороны могут понимать концепцию нуля. А исследование, опубликованное в апреле, показало, что и скаты, и цихлиды могут переходить на новый уровень, выполняя простое сложение и вычитание для небольшого количества объектов (в диапазоне от 1 до 5).
Выводы последнего исследования не удивляют психолога-когнитивиста Брайана Баттерворта, профессора Университетского колледжа Лондона и автора новой книги «Умеют ли рыбы считать?».
«Есть много животных, которые могут выполнять сложение и вычитание» — сказал Баттерворт в интервью Ars. «Например пчёлы. Они также могут понимать ноль. Поэтому меня не удивляет, что скаты и цихлиды могут это делать». Его книга исследует, как способность обрабатывать математическую информацию и извлекать числовые данные из окружающей среды имеет решающее значение для выживания и процветания животных. На самом деле, возможно, существует врожденное понимание математики на самом базовом уровне, которое передалось по эволюционной цепочке от наших самых далеких общих предков.
Интерес Баттерворта к чувству числа у животных берет свое начало в его ранней работе в качестве психолингвиста в 1980-х годах. Когда он познакомился на конференции с итальянским психологом по имени Карло Семенца, он был заинтригован человеческими расстройствами языка, такими как афазия, и математическими когнитивными расстройствами, в частности дискалькулией. Кристиан Агрилло, один из студентов Семенцы, который пришел работать к Баттерворту, был экспертом по рыбам и выступил с докладом о своем исследовании, продемонстрировавшем, что некоторые маленькие рыбки обладают способностями к счету. Баттерворт был очарован и в итоге разработал параллельную исследовательскую программу, посвященную численным способностям рыб. «Как только вы увлечетесь рыбой, вас заинтересует множество других животных», — отмечал он.
Баттерворт продолжает изучать генетику и нейронауку, лежащую в основе чувства числа у рыб, и планирует провести исследования по визуализации мозга в конце года. Но как заглянуть в мозг рыбы, пока она считает? «Прежде всего, нужно вставить [биофлуоресцентный] ген, который при соединении нейронов, при соединении синапсов будет светиться» — говорит Баттерворт. «Затем нужно взять рыбу, голова которой прозрачна — личиночную версию рыбы. Таким образом, вы можете видеть, что происходит в мозгу рыбы с помощью микроскопа, пока она выбирает размер аквариума с большим количеством объектов в нем».
Ars побеседовал с Баттервортом, чтобы узнать больше.
Ars Technica: что мы понимаем под так называемой «нумерологией»? В своей книге вы очень осторожно подчеркиваете, что это не похоже на продвинутую логику и рассуждения.
Брайан Баттерворт: Мы говорим о количестве вещей во множестве. Очень просто. Это не имеет ничего общего с рассуждениями [или] логическим математическим интеллектом. Это информация, которая будет находиться в окружающей среде. У рыбы должен быть какой-то механизм для извлечения этой числовой информации из окружающей среды. Набор может быть косяком. Это довольно сложно, потому что рыбы в косяках перемещаются. Поэтому рыба должна быть довольно хитрой в том, как она оценивает численность косяка. Пока мы не совсем понимаем, как они это делают, но когда мы начнем изучать их мозг, то, возможно, получим более ясную картину.
Ars Technica: Одним из самых известных случаев, когда животные якобы умели считать, была лошадь по кличке Умный Ганс в начале 20 века. Но оказалось, что Ганс на самом деле не считал, а считывал поведенческие сигналы своего дрессировщика. Так как же узнать, действительно ли животные считают?
Брайан Баттерворт: Умный Ганс, несомненно, был очень умной лошадью, но он не обязательно был математически умным. Он не был должным образом протестирован на математические способности. Пример Умного Ганса означал, что последующие ученые — в частности, немецкий этолог Отто Келер перед Второй мировой войной — разрабатывали свои эксперименты таким образом, чтобы исключить эффект Умного Ганса.
Например, животное не могло видеть экспериментатора. Кёлер четко понимал, что так и должно быть. Вы должны быть уверены, что животное реагирует на числовую информацию в окружающей среде, а не на что-то другое. Возьмем точки. Чем больше точек одного и того же размера, тем больше этого цвета в окружающей среде. Поэтому вы должны контролировать это. Если у вас есть три точки одного размера, а затем четыре точки другого размера, четыре точки должны быть меньше, чем три точки.
Мои коллеги из Университета Падуи провели дополнительные исследования с рыбами. У нас были маленькие рыбки, сидящие в центре аквариума. С каждой стороны они видят два потенциальных косяка, к которым они могут присоединиться, но они могут видеть только одну рыбу одновременно в каждом из косяков. Они могут посмотреть на левую сторону аквариума и увидеть там одну, две, три рыбки. Поэтому рыбам приходится складывать: одна плюс одна плюс одна. Затем они видят четырех рыбок на другой стороне аквариума. И снова они могут видеть только одну за раз. Поэтому они должны сделать вывод о количестве рыб на другой стороне. Затем они должны проделать нечто [похожее] на аналитическую операцию — а именно, решить, на какой стороне больше, т. е. обычный знак «больше/меньше», который можно встретить в ранней арифметике в школах.
Келер считал, что в дикой природе животные не считают. Они могут научиться считать в лаборатории, но в дикой природе они этого не делают. Совсем недавно Хэнк Дэвис, канадский ученый, предположил, что животные умеют считать в дикой природе, но делают это только в крайнем случае, когда все остальное дается им нелегко.
Но исследования с очень обширным контролем, проведенные как с обезьянами, так и с птицами, показывают, что они действительно реагируют на количество предметов на дисплее. Элизабет Брэннон из Университета Пенсильвании показала, что когда животным в лаборатории дают выбор между реакцией на форму или количество (число) объектов, они действительно лучше реагируют на число, чем на другие измерения. Так что я не думаю, что Хэнк Дэвис прав, что счёт происходит только в крайнем случае. Я думаю, что это зависит от того, где находится наиболее значимая информация в окружающей среде для данной конкретной задачи.
Ars Technica: Исследование 2008 года показало, что круглые черви ориентируются, обнаруживая различия в уровне соли в почве — по сути, они понимают разницу и используют ее для навигации. На самом деле они не считают дифференциал так, как это делает человек, но, похоже, они делают что-то похожее.
Брайан Баттерворт: Многие существа мигрируют по разным причинам. Это может быть всего лишь часовая миграция, чтобы найти источник пищи, а затем вернуться к себе домой. Некоторые мигрируют на большие расстояния, как, например, почтовые голуби. Кулик-барсучок за год перелетает с Аляски в Новую Зеландию и обратно. Как же они совершают эту миграцию?
Мы знаем, что у них должен быть какой-то компас, возможно, небесный компас. Они также могут использовать магнитное поле Земли, чтобы определить свою широту. Небесный компас помогает определить долготу, но это довольно сложно, потому что вы летите не по прямой линии. Приходится делать то, что моряки называют «мертвым отсчетом». Каждый раз, когда вы поворачиваете налево и проходите определенное расстояние, вы должны записать это. А потом вы поворачиваете направо, и вам приходится вносить еще одну поправку в свою ментальную карту. У них должна быть ментальная карта. Им приходится делать все эти «мертвые расчеты», или то, что ученые называют «интеграцией пути», чтобы знать, где они находятся на своей карте и, следовательно, как они могут вернуться домой.
Моя аналогия — возможно, у них в голове что-то вроде Google Maps. Google Maps — это просто цифры, в конечном итоге нули и единицы. Google Maps может содержать и другую информацию, кроме направления. Вы можете попросить система найти заправочные станции и рестораны. Если вы собираетесь в дальнюю поездку, вам нужно знать, где находятся эти вещи.
Я не хочу сказать, что у кулика-барсука есть что-то похожее на Google Maps. Но у нее есть необходимая информация, и она может быть закодирована в цифровом виде. Птицы, преодолевающие расстояния в тысячи миль, не только должны иметь [чувство] направления над поверхностью Земли, они также должны представлять трехмерную карту, потому что они сталкиваются с встречными и боковыми ветрами. И они должны знать, на какой высоте лететь. Поэтому им нужно что-то вроде трехмерной карты, которая может быть закодирована в цифрах, как Google Maps.
Ars Technica: Мы знаем, что у людей есть определенная область мозга, которая, по-видимому, связана с дискалькулией, или математическим мышлением. У некоторых из этих существ нет таких же структур мозга, но они все равно способны делать это. В своей книге вы предполагаете, что это свидетельствует, возможно, о чем-то действительно фундаментальном в этом виде числового мышления.
Брайан Баттерворт: для нас ключевые области мозга находятся в неокортексе, особенно часть теменной доли у людей, а также теменная доля у обезьян. Именно там они также обрабатывают числовые данные. Но есть много существ, у которых кора головного мозга вообще отсутствует. Птицы, например, очень хорошо считают, но у них нет коры головного мозга. Были проведены исследования мозга птиц, в частности ворон, которые показали, что там есть отдельные нейроны, реагирующие на определенные числа — не в коре, а в области под названием паллиум, которая может быть эволюционным предком коры. Насекомые неплохо умеют считать, и у них вообще нет паллиума. У рыб есть, а у муравьев и пчел — нет. Поэтому им приходится делать это по-другому.
Мы знаем, что очень, очень далекие общие предки человека и плодовой мушки — мы возвращаемся на сотни миллионов лет назад — имели механизм отсчета времени. У плодовых мушек есть механизмы определения времени, которые, похоже, создаются одними и теми же генами или, по крайней мере, эквивалентными генами. Эти гены создают соответствующий механизм в той материальной среде, в которой они могут его создать. Существуют также гены для построения глаз, и они по-разному выражены у разных существ. Так что если у вас есть гены времени, то я не вижу причин, почему у вас не должно быть генов счёта.
Ars Technica: ведутся некоторые споры о том, что подобная способность не только развилась у многих видов, но и, похоже, развивалась несколько раз, что наводит на мысль о том, что это может быть наиболее эффективным способом помочь существам выжить. Всем нужно уметь считать. Есть количественный элемент, который является основополагающим для нашего выживания, и похоже, что природа неоднократно развивала очень похожий механизм у разных видов.
Брайан Баттерворт: Мы не знаем, была ли это конвергентная эволюция или мы унаследовали тот же механизм. Как вы отметили, числовая информация очень важна для самых разных существ — для рыб, которые находят более крупный косяк; для львов, которые нападают на нарушителей, только если те превосходят их числом. Развился ли у этих млекопитающих отдельно от рыб аналогичный механизм для выполнения сравнимых задач, мы не знаем. Нам нужно найти гены, которые были задействованы, если мы ищем наследование этих механизмов. И на данный момент мы не знаем, что это за гены.
Вариации математических способностей человека имеют примерно 30-процентный генетический компонент. Для людей с очень плохими математическими способностями — тех, кто страдает дискалькулией — также, по-видимому, существует значительный наследственный компонент. Но это немного сложнее, потому что критическая область для обработки чисел в человеческом мозге находится в теменной доле. У людей с дискалькулией теменные доли функционируют иначе и имеют другую структуру. Это люди, которые очень плохо справляются с очень простыми задачами, связанными с числами, например, сказать, сколько точек на экране. У этих людей наблюдается меньшая активация и меньшая плотность серого вещества по сравнению с контрольной группой. Эти два фактора могут сочетаться. Таким образом, другие вещи, которые могут повлиять на развитие теменных долей, также могут привести к математическим трудностям.
Существуют также генетические аномалии, такие как синдром Тернера, при котором у женщин имеется одна полная Х-хромосома и либо отсутствует вторая Х-хромосома — у них должно быть две, — либо вторая Х-хромосома неполная. Я думаю, что у каждой правильно протестированной женщины с синдромом Тернера есть дискалькулия. У них также есть аномалии в теменной доле при абсолютно нормальной когнитивной обработке. У них может быть совершенно нормальный интеллект, память и так далее. И все же они очень плохо могут сказать, сколько точек на дисплее.
Ars Technica: Что самое удивительное вы узнали во время написания книги?
Брайан Баттерворт: Я не знал о таких способностях пчел, муравьев и пауков. Например, некоторые муравьи считают свои шаги. Муравью нужно найти пищу или строительные материалы и принести их обратно в гнездо. Большинство муравьев оставляют химические следы. Поэтому муравей Энтони может использовать свой собственный след, чтобы найти дорогу назад. Другие муравьи в том же районе могут использовать след Энтони и, возможно, сделать его сильнее. Но предположим, что Энтони не может оставить химический след. Здесь очень жарко и очень ветрено, поэтому любой химический след исчезнет. Как Энтони узнает, где он ищет пищу и как ему вернуться? Он считает свои шаги, поэтому по количеству пройденных шагов он знает, как далеко он зашел.
Было проведено несколько экспериментов с этим конкретным видом пустынных муравьев. Именно так они и поступают. Первоначально исследователи обнаружили это, позволив муравью найти пищу в лаборатории, а затем изменив длину его ног. Если удлинить лапки после того, как муравей нашел пищу, он не возвращался туда, откуда пришел, а оказывался дальше за пределами гнезда.
Бог знает, как они считают. Суть моей книги в том, что считать очень просто. Подумайте о счетчике. Вы нажимаете на рычаг один раз для каждой овцы, которую видите, и не нажимаете его для коз, например. Это очень дешевый механизм, всего пара долларов на Amazon. В животных моделях для подсчета количества объектов, которое, например, подсчитывает пчела, обходя дисплей, требуется очень мало виртуальных нейронов.
Вопрос не в том, как эти крошечные мозги могут считать, ведь для этого не нужно много нейронов. Что дорого в нейронах, так это принятие решения о том, что считать, и способность считать разные вещи. Люди могут считать практически все, но я не знаю, могут ли муравьи считать что-то, кроме своих шагов. Мы знаем, что пчелы могут считать лепестки, и мы знаем, что они могут считать ориентиры. Если они считают четыре ориентира и четыре лепестка, будет ли это одинаковое представление в мозгу пчелы? Пока мы этого не знаем. Я надеюсь, что кто-нибудь проведет это исследование.
Оригинал: Ars Technica
