Рыбы помогают друг другу выбрать правильное решение

Знаменитая рыбка Gambusia holbrooki, из-за своей способности уничтожать малярийных комаров акклиматизированная во многих частях света, теперь приняла участие в экспериментах по коллективному поведению. Фото с сайта uq.edu.au
Знаменитая рыбка Gambusia holbrooki, из-за своей способности уничтожать малярийных комаров акклиматизированная во многих частях света, теперь приняла участие в экспериментах по коллективному поведению. Фото с сайта uq.edu.au

Международная группа ученых, проведя эксперименты на рыбах, показала, что коллективные решения рыб адекватнее и точнее, чем поведение одиночек. С увеличением размера групп точность принятия решений увеличивается. Причем улучшение показателей связано не с действиями особо внимательных или по какому-то еще критерию более развитых индивидов, а в результате самоорганизации коллектива. Важным оказывается более быстрое получение информации и распространение ее между рыбками в стайке. Получается, что в стаях рыб, как и в коллективах людей, адекватное поведение во многом зависит от социальных навыков членов коллектива, а не от усилий выдающихся одиночек.

Коллективное поведение часто бывает выгодно особям того или иного вида. Не случайно оно широко распространено как в макро-, так и в микромире, не случайно у многоклеточных ясные и безошибочные следы коллективного поведения можно встретить уже в кембрийское время (см.: Новые находки ископаемых удревнили историю членистоногих, «Элементы», 14.10.2008). Следуя выгоде, животные приобретают в ходе эволюции специальные приспособления и навыки, которые диктуют им, когда пора собираться в стаи (см.: Чувство кворума: принятие коллективных решений в микро- и макромире, «Элементы», 02.04.2009). Тут им помогают сигнальные вещества: большая или меньшая концентрация таких веществ регулирует размер и организацию групп.

Существенно сложнее вопрос о механизмах принятия групповых решений. Если мы имеем дело с коллективом людей, то принятие решений диктуется разумом или какими-то иными человеческими качествами. А что если перед нами коллектив животных — табун лошадей, стая птиц, косяк рыб? Тут вряд ли уместно принимать в расчет разум (по крайней мере, в человеческом понимании!). Но вот что замечательно: поведение животных, собравшихся вместе, лучше соответствует ситуации, чем поведение одиночек. То есть решение, принятое группой, лучше подходит к текущей задаче, и возрастание числа индивидов в группе положительно сказывается на точности решений, пока коллектив не разрастается чрезмерно.

Это означает, что группа животных имеет какой-то особый механизм принятия решений, не свойственный отдельным особям (собственно, то же справедливо и для людей). Как группам животных удается принимать согласованные и более адекватные (правильные) решения? Этот вопрос смогли прояснить специалисты из четырех лабораторий — в Сиднейском (Австралия) и Уппсальском (Швеция) университетах, Университете Гумбольдта и Институте пресноводной экологии и рыболовства (два последних в Берлине, Германия).

Объектом исследования стали маленькие (около двух сантиметров) рыбки гамбузии. Их помещали в специальный аквариум из матового плексигласа (рис. 1). Устройство аквариума позволяло измерять скорость и точность принятия решений.

Рис. 1. Схема аквариума для эксперимента по принятию рыбками решений. Рис. из обсуждаемой статьи в PNAS
Рис. 1. Схема аквариума для эксперимента по принятию рыбками решений. Рис. из обсуждаемой статьи в PNAS

В один из рукавов аквариума помещали условного хищника, а гамбузий выпускали из плексигласового короба в начале широкой трассы. Глубина на старте (в месте установки короба) была слишком мала, чтобы рыбки чувствовали себя комфортно, поэтому они вынуждены были искать место поглубже, то есть плыть к развилке — к двум «рукавам» аквариума. Правильное решение в данном опыте — выбрать рукав, в котором нет хищника. Это значит, что хищника нужно вовремя заметить и плыть в безопасный рукав.

Аквариум условно был разделен на зоны: зону приближения и зону принятия решения. Фиксировалось время, за которое рыбки преодолевали обе зоны, а также извилистость маршрута (использовалась видеосъемка). Степень извилистости отражала степень точности (определенности) принятого решения: чем менее извилист был маршрут, тем точнее решение. Вот так изящно можно измерить в эксперименте столь абстрактно-неуловимое на первый взгляд свойство — способность рыб принимать точное решение.

Гамбузий выпускали в аквариум поодиночке и группами разной величины (от 1 до 16 рыбок) и измеряли скорость движения рыбок и время, проведенное в обеих зонах. Оказалось, что скорость плаванья в зоне приближения не зависит от величины группы, а скорость движения в зоне принятия решений увеличивается с увеличением размера группы. Зато время, проведенное и в зоне приближения, и в зоне принятия решения, сокращается. Это означает, что чем больше группа, тем менее сложным маршрутом рыбки доплывают до «спасительного» рукава.

Рис. 2. Гистограмма, показывающая, с какой скоростью (в мм/с) рыбки двигались в зоне приближения (белые столбики) и в зоне принятия решений (серые столбики). Рис. из обсуждаемой статьи в PNAS
Рис. 2. Гистограмма, показывающая, с какой скоростью (в мм/с) рыбки двигались в зоне приближения (белые столбики) и в зоне принятия решений (серые столбики). Рис. из обсуждаемой статьи в PNAS

Гистограмма на рис. 2 показывает, что с размером группы увеличивается скорость плаванья; особенно хорошо это видно в больших группах. У одиночек скорость плаванья в зоне принятия решений наименьшая, в группе из 16 рыбок она увеличивается вдвое по сравнению с одиночками. При этом время, затраченное на преодоление зоны принятия решений, также постепенно сокращается.

Рис. 3. Гистограмма, показывающая время (в секундах), проведенное рыбками в зоне приближения (белые столбики) и в зоне принятия решений (серые столбики). Рис. из обсуждаемой статьи в PNAS
Рис. 3. Гистограмма, показывающая время (в секундах), проведенное рыбками в зоне приближения (белые столбики) и в зоне принятия решений (серые столбики). Рис. из обсуждаемой статьи в PNAS

Больше всего времени для решительного броска требуется одиночкам: если зону приближения они преодолевают относительно быстро, то при необходимости выбора они в нерешительности замедляют ход (рис. 3). Также замедляются, но совсем чуть-чуть, пары рыбок.

Рис. 4. Гистограмма, показывающая степень извилистости маршрута рыбок в зоне приближения (белые столбики) и в зоне принятия решений (серые столбики). Рис. из обсуждаемой статьи в PNAS
Рис. 4. Гистограмма, показывающая степень извилистости маршрута рыбок в зоне приближения (белые столбики) и в зоне принятия решений (серые столбики). Рис. из обсуждаемой статьи в PNAS

Сложность маршрута (общий путь, поделенный на кратчайшее расстояние, или число поворотов) в зоне принятия решения резко снижается при возрастании размера стайки до 4–8 рыбок (рис. 4). В зоне приближения сложность маршрута снижается не столь заметно.

Все три показателя свидетельствуют о том, что стайка из 4–16 рыбок ведет себя более решительно при необходимости выбора.

Ученые предположили два разных механизма принятия решений. Первый — решения принимаются элитарной группой «интеллектуалов», а остальные безоговорочно следуют за ними. Второй — в группе вступают в действие некие процессы самоорганизации.

Первую гипотезу легко проверить. Для этого нужно выявить, есть ли такие рыбки, которые находят нужный маршрут точнее, чем их товарищи, и если они есть, то в какой части стайки — впереди или позади — эти интеллектуалы плывут. Оказалось, что вариабельность по этому параметру незначительна, а те, кто принимает решения всё же лучше прочих, в стайке располагаются случайным образом. Иными словами, улучшение точности и скорости выбора нужного пути группой не зависит от интеллектуальных усилий одиночек. Тут дело в групповом контакте.

Его наличие удалось доказать, подсчитав корреляцию направления движения двух лидирующих рыбок: в пределах 6 см движения рыбок исключительно согласованны. Сама лидирующая рыбка точнее всего плывет тогда, когда вместе с ней в зоне принятия решения находится побольше компаньонов. Из этого следует, что лидер учитывает и действия соседних рыб, так или иначе наблюдая за ними.

Итак, стайка рыб лучше и быстрее опознает хищника, чем одиночки. Вероятно, здесь имеет значение количество бдительных глаз (или других органов чувств): в этом случае повышаются шансы быстро заметить хищника, а также снижается для каждой рыбки зона необходимого обзора. В результате члены рыбьего коллектива быстрее получают информацию о местонахождении хищника. Теперь важно распространить ее среди членов коллектива. То есть надо не только полагаться на свою внимательность, но и доверять товарищам, отслеживая их действия.

Согласованные движения двух лидирующих рыбок показывают, что поведение каждой из них и вправду строится с учетом отслеживания действий товарища. Результаты опыта показывают, что рыбки в стае, по всей вероятности, умеют доверять друг другу, повторяют действия друг друга и получают от этого доверия взаимную выгоду. Движения первого, кто увидит хищника, подхватываются всеми остальными — и стайка в безопасности.

Интересно, что в исследованиях творческих способностей коллективов людей — их умения быстро и точно находить правильные решения — также выявилась большая роль способности к социальным контактам (см.: Измерение «коллективного интеллекта» оказалось возможным, «Элементы», 03.11.2010). Творческий потенциал человеческого коллектива мало зависит от лидерства отдельных умников, а больше от способности учитывать действия друг друга. Эта аналогия чрезвычайно показательна для понимания эволюции поведения.

Источник: Ashley J. W. Ward, James E. Herbert-Read, David J. T. Sumpter, Jens Krause. Fast and accurate decisions through collective vigilance in fish shoals // PNAS. Published online before print January 24, 2011. doi: 10.1073/pnas.1007102108.

Елена Наймарк


8
Показать комментарии (8)
Свернуть комментарии (8)

  • pta.sistem  | 14.02.2011 | 14:08 Ответить
    Весь Мир коллективен!А уж Живое - тем более.Только исключительная тупость вырожденного до жуткого догматизма религиозного мышления смогла навязать ранней науке миф о Превалирующей Индивидуальности.Истоки которого и законсервированы в догматическом саркофаге Бога.Отсюда и вседозволенность Частной Свободы и упования только на нее.
    Нет! Индивид без коллектива - Ничто!От его зарождения и до смерти его сопровождает коллектив - во всем.Исчезни "коллективное" - куда девается самый что ни на есть "свободный Индивид"!Мир его рождает, кормит и лелеет, давая ему возможность совершенствоваться - вплоть до Разума.Сопровождая это Движение своим универсальным инструментарием денно и нощно - не прерываясь ни на мгновение. Этот инструментарий так же Творение Коллективное и есть принадлежностью любого природного Объекта. Включая и этих бессловесных рыбок, которые именно поэтому действуют согласованно, обучаясь друг у друга.
    И только наука, оставаясь в плену ущербного, навязанного ей принципа, никак не дойдет до его осознания. Уродуя тем самым и Общество, на ее "достижениях" покоящееся.
    Какое убожество - В 21 веке удивляться, что Живое помогает друг другу! Для Науки это постыдно!
    Ответить
    • virta > pta.sistem | 14.02.2011 | 18:59 Ответить
      Для науки было бы постыдно принимать доводы, подобные Вашим, на веру - это удел религиозных фанатиков. Наука для того и существует, чтоб проверять, выяснять конкретные механизмы и т.п. А "Элементы", слава богу :-) - сайт научный.
      Ответить
      • pta.sistem > virta | 15.02.2011 | 14:09 Ответить
        Зачем же "на веру" - вот пусть и проверяет. Скорее бы, пока Общество еще живо.
        Ответить
  • lesm  | 14.02.2011 | 16:41 Ответить
    Я был свидетелем одной ситуации, стая рыб шла на нерест, дак вот самые крупные самцы подлазили под сеть и таким образом вся стая могла пройти в верх по течению.
    Ответить
  • MayDay  | 14.02.2011 | 21:41 Ответить
    Я бы назвал "Рыбы помогают друг другу не тратить время на принятие решения".
    Странно, тут скорее не скорость принятия решения, а бездумность. В том смысле, что время на принятие решения не тратится. Просто эффект толпы - делай как все. А про точность принятия решения можно бы было говорить сравнивая процент правильных решений. Но и здесь критерий - время проплывания зоны принятия решения. С таким же успехом можно замерять скорость спрыгивания мустангов с горы табуном или эффекты паники, когда быстро, но ошибочно.
    Это скорее не про коллективный разум, а механизмы формирования сознания (?) толпы. Провоцирование революций в арабских странах - приложения теории.
    Ответить
  • yog  | 14.02.2011 | 22:59 Ответить
    Похоже, ни авторы оригинальной статьи, ни автор заметки, не знакомы с понятием "Самосогласованное поле" (http://ru.wikipedia.org/wiki/Самосогласованное_поле).

    По-моему, применимость этого метода (или, по крайней мере, идеологии) в данном случае самоочевидна. И никаких спекуляций о пользе социального поведения не нужно -- коллектив частиц (рыб или электронов) согласует свое движение таким образом, чтобы минимизировать энергию движения по траектории. Т.о., чем больше рыб будет видеть угрозу, тем меньше энергии (вихляний по траектории) надо затратить на выбор оптимальной траектории -- лидер видит пустой коридор и "опасный", и слегка смещается сторону пустого, следующие за ним рыбы -- видят смещение лидера, пустой и опасный коридор, и автоматически смещаются больше в сторону пустого коридора И лидера. Лидер, увидев, что его соседи сместились в сторону пустого коридора,смещается еще больше, и т.д. В результате система частиц быстро "схлопывается" к движению по правильной траектории. Здесь никакой социализации не нужно -- достаточно простейшего принципа выживания -- если твой сосед смещается в эту сторону, немного сместись и сам -- это может быть полезно. Чистой воды математика.

    Самое забавное, что на добычу таких "научных фактов" наверняка был выделен грант, и немалый. Кто бы мне заплатил за мой "вклад в науку" хотя бы половину... :))
    Ответить
  • valex_il  | 16.02.2011 | 20:31 Ответить
    поправьте, если ошибаюсь: у рыб безусловные и условные рефлексы. а теперь представьте, до чего надо довести коллектив людей, чтобы он принимал решения, руководствуясь рефлексами .. кошмар.. на самом деле интересно выявить механизм (химический,зрительный или ...),а не спекулятивно рассуждать о силе коллектива.
    Ответить
    • перевертыш > valex_il | 06.03.2011 | 04:39 Ответить
      А где-то на элементах, кажется, была статья про коллективный интеллект у людей. Так вот.. коллективный интеллект, господа, превышает интеллект самого умного члена группы. Научно-доказано, можно уже не спорить (вот нашлась ссылка):
      http://elementy.ru/news?newsid=431444

      Природа удивительно экономна в использовании одинаковых моделей во всем животном мире. Мы, люди - гордецы, а имеем с этим животным миром намного больше общего, чем нам хотелось бы признать.
      Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»