Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»


ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке



Библиотека

 
Ф. Вильчек
«Красота физики». Глава из книги


К. Каренина, А. Гилёв
Зачем степи артезианы?


Н. Резник
Густой волос и низкий голос


Дж. Бэрроу
«История науки в знаменитых изображениях». Глава из книги


М. Борисов
Хеопс на подошве Имхотепа и сад камней


С. Дробышевский
«Европейский папуас», или «Человек мира»: мужчина с Маркиной горы


М. Москалева
Студенты МГУ против лженауки


Ж. Резникова
И даман поманил за собой


В. Сурдин
Поиски новых планет


С. Горбунов
Сeratotherium simum cottoni. Последний из могикан







Главная / Новости науки версия для печати

Принимая коллективное решение, пчелы-разведчики убеждают оппонентов замолчать


Пчелиный рой ожидает, пока разведчики выберут место для поселения
Пчелиный рой ожидает, пока разведчики выберут место для поселения. Фото с сайта www.texasento.net

Механизмы принятия решений нейронными сетями мозга и коллективами общественных животных во многом сходны. В обоих случаях происходит нечто вроде «голосования», исход которого зависит от баланса сил между группами возбудимых объектов (нейронов или особей), получающих разную информацию из окружающей среды и голосующих за одно из нескольких возможных решений. Американские и британские биологи обнаружили, что ключевая особенность нейронных сетей, способных к принятию решений, — взаимное торможение — характерна и для пчелиного роя, выбирающего место для поселения. Пчелы-разведчики не только танцуют, приглашая рой лететь в облюбованное ими место, но и при помощи специальных сигналов «убеждают» оппонентов (разведчиков, агитирующих за другое решение) прекратить свой танец. Взаимное торможение повышает надежность системы принятия решений, помогая рою избежать ситуации буриданова осла.

Механизмы принятия коллективных решений в последние годы изучаются весьма активно (см. ссылки внизу). В ходе этих исследований выявилось значительное сходство принципов принятия решений нейронными сетями мозга и коллективами общественных организмов. В обоих случаях нередко используется «демократическая» процедура, напоминающая голосование. Разные группы нейронов или особей, собирая и интегрируя разнородную и противоречивую информацию из окружающей среды, «голосуют» за одно из нескольких возможных решений. Когда степень активации (возбуждения) одной из групп превышает определенный пороговый уровень, система делает свой выбор и начинает действовать в соответствии с принятым решением. Этот принцип используется даже в таких сложных ситуациях, как решение моральных дилемм (см.: Чувство справедливости основано на эмоциях, а не на рассудке, «Элементы», 03.06.2008).

Характерной особенностью нейронных сетей, способных к принятию решений, является взаимное торможение. Группы нейронов, «голосующие» за взаимно несовместимые варианты действий, посылают друг другу тормозящие сигналы (простейший пример: нейроны, управляющие мышцами-разгибателями конечности, при возбуждении посылают тормозящие сигналы нейронам, управляющим мышцами-сгибателями этой конечности).

Используется ли взаимное торможение социальными животными при принятии коллективных решений? Американские и британские биологи решили проверить это на пчелах, у которых жизнь каждой новой колонии начинается с принятия непростого коллективного решения.

Пчелиный рой, вылетающий из родного гнезда для основания новой семьи, состоит из нескольких тысяч особей. Из их числа несколько сотен самых старых и опытных пчел берут на себя роль разведчиц. Рой повисает («прививается») на каком-нибудь сучке неподалеку от родного улья и ждет, пока разведчицы найдут место для нового гнезда.

Разведчица, обнаружившая подходящее дупло или незанятый улей, возвращается к рою и сообщает товарищам о местоположении своей находки. Она делает это при помощи того же самого «виляющего» танца (см. waggle dance), который во время сбора нектара и пыльцы используется для информирования сородичей о местах с богатым взятком. Это может побудить других разведчиц посетить указанное место, и если они сочтут его подходящим, то тоже начнут танцевать, агитируя остальных. Чтобы рой принял коллективное решение и полетел обустраивать новое жилье, общая интенсивность танцев «за» одно из возможных мест для поселения должна достичь некоего критического порога. Момент, когда решение принято, можно отследить по особым высокочастотным сигналам («писку», piping signals), которые начинают издаваться разведчицами. Смысл этих сигналов — «место выбрано, разогреваемся и летим». Если подходящих мест найдено несколько, и за каждое из них «выступает» своя группа разведчиц, спорщики должны каким-то образом прийти к консенсусу — иначе процедура принятия решения может чрезмерно затянуться, и рой окажется в положении буриданова осла. Разделяться рою нельзя, потому что матка в нем, как правило, только одна.

Авторы предположили, что пчелы могут использовать для достижения консенсуса механизм взаимного торможения, подобно тому, как это происходит в нейронных сетях мозга. Ранее было показано, что пчелы-разведчицы используют особый «стоп-сигнал», чтобы убедить своих коллег прекратить танцы, призывающие сборщиц нектара и пыльцы лететь туда, где их может подстерегать опасность. Пчела, подвергшаяся атаке пчел-конкурентов, по возвращении в улей начинает при помощи этих сигналов «убеждать» других разведчиц прекратить танцы, направляющие рабочих в небезопасное место (см.: Nieh, 2010. A Negative Feedback Signal That Is Triggered by Peril Curbs Honey Bee Recruitment, PDF, 858 Кб). Стоп-сигнал состоит в том, что пчела тыкается головой в танцующую разведчицу и очень быстро (с частотой около 350 Гц) вибрирует крылышками в течение 150–200 мс, издавая характерное резкое жужжание. Танцорша, получившая стоп-сигнал, обычно не прекращает танец немедленно, но ожидаемая продолжительность танца снижается по мере роста числа полученных стоп-сигналов.

Логично предположить, что при выборе места для поселения пчелы могут использовать стоп-сигналы для взаимного торможения. Наблюдения за пятью роями при помощи видеокамер и чувствительных микрофонов показали, что разведчицы, выбирающие место для основания колонии, действительно пользуются стоп-сигналами в общении друг с другом. Как это происходит, можно увидеть в прилагающемся к обсуждаемой статье видеофильме: там показано, как танцующая разведчица, помеченная голубой и желтой краской, получает три стоп-сигнала от разведчицы с розовой меткой.

Статистическая обработка результатов наблюдений подтвердила, что стоп-сигналы и в этом случае, как и при сборе нектара и пыльцы, вполне эффективны: вероятность досрочного прекращения танца достоверно растет по мере роста числа полученных стоп-сигналов.

Теперь нужно было выяснить, действительно ли стоп-сигналы используются конкурирующими партиями разведчиц для того, чтобы угомонить оппонентов (и, соответственно, повысить шансы своей точки зрения на победу в «голосовании»). Для этого авторы выпускали пчелиный рой на изолированном островке, где не было подходящих естественных убежищ, но было два одинаковых искусственных улья. Разведчиц, прилетавших к каждому из ульев, метили цветными метками. Поведение разведчиц на поверхности роя, как и в предыдущих опытах, записывали на видео.

Оказалось, что разведчицы по-разному используют стоп-сигналы до и после принятия роем коллективного решения. В фазе «поиска и выбора», пока общее решение еще не принято, разведчицы в большинстве случаев подают стоп-сигналы именно своим оппонентам, то есть пчелам, призывающим лететь к другому улью. Это подтверждает гипотезу о взаимном торможении. После принятия коллективного решения, в фазе «разогрева перед полетом к выбранному улью», стоп-сигналы подаются уже безвыборочно (и очень активно) всем пчелам, которые еще продолжают танцевать. Смысл этих действий, вероятно, в том, чтобы все разведчицы прекратили разведывательные полеты, были на месте и не потерялись, когда рой наконец снимется с места и полетит к выбранному улью.

Распределение стоп-сигналов в процессе выбора роем места для поселения
Распределение стоп-сигналов в процессе выбора роем места для поселения (при наличии двух одинаковых пустых ульев). Две диаграммы (верхняя и нижняя) отражают наблюдения за двумя роями. По горизонтальной оси — время. Вертикальными синими стрелками показан момент принятия коллективного решения, который маркируется началом «писка» (piping signals). В верхней части каждой из диаграмм — графики, показывающие количество стоп-сигналов, полученных танцорами с желтой меткой (вверху) и с розовой меткой (внизу). Танцы без стоп-сигналов отмечены маленькими вертикальными черточками, танцы со стоп-сигналами — цветными столбиками. Видно, что до принятия общего решения желтые танцоры получают стоп-сигналы преимущественно от розовых разведчиков и наоборот; после принятия решения эта избирательность исчезает. В нижней части каждой диаграммы показано общее число piping signals (черные линии) и помеченных разведчиков (желтые и красные линии). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

В заключительной части статьи авторы показывают при помощи математического моделирования, что взаимное торможение радикально снижает вероятность того, что рой «зависнет» между двумя равноценными альтернативами и не сможет прийти ни к какому решению. Такое «зависание», то есть устойчивое равновесие сил между спорящими партиями разведчиков, в модели возникает, например, в том случае, если пчелы в ходе «дебатов» подают стоп-сигналы другим разведчицам безвыборочно или подают их слишком редко. Взаимное торможение обеспечивает быстрое достижение кворума в любой ситуации. Если альтернативы абсолютно равноценны (за каждый из двух ульев изначально голосует равное число разведчиц), то решение в итоге принимается случайным образом. Если же одна из партий хоть немного превосходит другую, она неизбежно побеждает.

Таким образом, работа показала, что сходство механизмов принятия решений общественными насекомыми и нейронными сетями мозга еще глубже, чем думали до сих пор. Их объединяет не только общий принцип «демократического голосования» конкурирующих партий, но и алгоритм взаимного торможения. По мнению авторов, удивительное сходство функциональной организации двух совершенно разных систем: мозга, сделанного из нейронов, и роя, сделанного из пчел, объясняется тем, что в ходе эволюции обе системы были оптимизированы отбором для надежного и эффективного принятия оптимальных решений.

Источник: Thomas D. Seeley, P. Kirk Visscher, Thomas Schlegel, Patrick M. Hogan, Nigel R. Franks, James A. R. Marshall. Stop Signals Provide Cross Inhibition in Collective Decision-Making by Honeybee Swarms // Science. 2012. V. 335. P. 108–111.

См. также о принятии коллективных решений:

1) «Чувство кворума»: принятие коллективных решений в макро- и микромире, «Элементы», 02.04.2009.
2) Тараканы приняли роботов в свой коллектив с правом решающего голоса, «Элементы», 16.11.2007.
3) Рыбы помогают друг другу выбрать правильное решение, «Элементы», 11.02.2011.
4) Измерение «коллективного интеллекта» оказалось возможным, «Элементы», 03.11.2010.

Александр Марков


Комментарии (13)



Последние новости: ЭтологияБиологияНейробиологияЭнтомологияАлександр Марков

24.05
Клещи ездили на насекомых уже 320 миллионов лет назад
23.05
В Китае найдены древнейшие многоклеточные водоросли
18.05
Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий
16.05
Уровень полученного образования отчасти зависит от генов
13.05
Удалось проследить зарождение и развитие меланомы от первой раковой клетки
10.05
ГМО будут совершенствоваться при помощи искусственной эволюции
4.05
Рост концентрации CO2 в атмосфере способствует увеличению растительного покрова
25.04
Расшифрованы генетические основы быстрых эволюционных изменений размера клюва у дарвиновых вьюрков
20.04
Расшифровка древней ДНК рассказала о происхождении южноамериканских индейцев
19.04
Птицы учатся строить гнезда у своих знакомых


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия