Феномен шмеля: для сложного поведения не нужен крупный мозг

Шмель на желтом цветке Правообладатель иллюстрации iStock

Логично предположить, что для выполнения сложных задач нужен большой размер мозга, однако не все так просто. Обозреватель ВВС Earth рассказывает об удивительно мощном мозге некоторых насекомых и червей, обладающих невероятными умениями.

Шмель приближается к цветку в поисках нектара. Он какое-то время кружит над ним и вдруг понимает: что-то тут не так. Шмель цветок видит, но добраться до него не может.

Дело в том, что "цветок" - вернее, синий пластмассовый диск с сахарным сиропом в центре - находится под листом прозрачного пластика.

Однако есть выход: к цветку прикреплена веревочка, и всё, что шмелю нужно сделать - это потянуть за нее, вытащить цветок и выпить нектар. И что же? Именно так он и поступает!

"Когда мы только начали эксперименты с цветком на веревке, все это напоминало хохму", - рассказывает Ларс Читтка из Лондонского университета королевы Марии (Великобритания).

"Когда я впервые увидел это, то чуть не умер со смеху. Выглядело это очень смешно", - добавляет он.

Но это еще не все. Как только шмель понимал, что нужно сделать для того, чтобы добраться до искусственного цветка, то этому трюку обучались и его собратья, наблюдавшие за его действиями.

Этот метод даже пережил его изобретателя. Он стал частью набора навыков, которыми владела колония, и передавался от шмеля к шмелю уже после того, как впервые потянувший за веревочку погиб.

"Я просто не мог поверить своим глазам", - говорит Читтка.

Правообладатель иллюстрации iStock
Image caption Шмели прекрасно умеют ориентироваться и решать сложные задачи

Как оказалось, пчелы, как и шмели, могут решать различные задачи, учиться друг у друга и передавать накопленные знания другим поколениям.

Умение добывать пищу, потянув за веревочку, - это лишь одно из последних открытий, свидетельствующих об умственных способностях пчел.

Необыкновенные способности к обучению были обнаружены у пчел и других социальных насекомых еще в викторианские времена.

Чарльз Дарвин заметил, что медоносные пчелы могут учиться, наблюдая за тем, как шмели получают нектар незнакомым им, пчелам, способом.

Пчелы также могут научиться различать цвета и узоры. Могут ли они найти путь домой на расстоянии нескольких километров от улья? Без проблем. Распознать лицо человека? И это тоже. Могут ли пчелы пользоваться орудиями? Это следующий вопрос, на который Читтка хочет найти ответ.

В 1990-х годах в лаборатории Читтки был проведен эксперимент, в ходе которого исследователи пытались выяснить, умеют ли пчелы считать. Оказалось, умеют.

"Тогда мы начали задумываться: насколько большими умственными способностями может обладать существо с крошечным мозгом?" - говорит он.

Многие считают, что обязательное условие сложного поведения - наличие крупного мозга. В конце концов, у человека мозг необыкновенно большого размера - он насчитывает более 86 миллиардов нейронов, - и мы являемся очень умным видом.

Казалось бы, эти две характеристики должны быть связаны между собой. Но чем больше ученые узнают о поведении насекомых и других небольших существ, тем больше убеждаются в том, что сложные навыки не всегда требуют наличия крупного мозга.

"До какой степени мы сможем раскрыть поразительный потенциал крошечного мозга этих существ? - спрашивает Читтка. - И стоит ли нам удивляться, что они могут решать невероятно сложные задачи?"

Похоже, что ответ на последний вопрос отрицательный: удивляться тут нечему.

Правообладатель иллюстрации iStock
Image caption Стрекозы отличаются удивительными умственными способностями

Возьмем, например, стрекоз. Они рассекают воздух словно молния, ловя комаров, мотыльков, бабочек и даже других стрекоз.

Эта задача сложнее, чем может показаться на первый взгляд. У каждого вида, представляющего для стрекозы желанную добычу, своя уникальная схема полета.

Стрекоза должна понаблюдать за тем, как летит ее жертва, предсказать вероятную траекторию, а затем перехватить ее на лету. Для этого нужны поведенческая гибкость и способность планировать.

Что касается пчел, они могут отлетать от улья на расстояние до 10 км, перемещаясь по местности, где много деревьев и других крупных объектов.

Им приходится искать лучшие цветы, богатые нектаром, и запоминать свое местонахождение. Кроме того, им нужно избегать встречи с хищником и возвращаться назад в улей, где они общаются с другими пчелами, используя сложные методы коммуникации.

Этим крошечным созданиям приходится выживать в непростой обстановке, и для этого им нужны определенные когнитивные способности.

Даже простые нематоды, черви длиной не более 1 мм, чья нервная система состоит всего из 302 нейронов, обладают базовыми навыками обучения и запоминания.

Только что вылупившиеся нематоды, столкнувшись с токсичными бактериями Escherichia coli, на все оставшиеся четыре дня своей жизни запоминают, что их нужно избегать.

Ученым даже удалось выяснить, какие именно нейроны отвечают за формирование этой памяти и за извлечение из нее нужных сведений.

Если такой крошечный мозг способен справиться с этими когнитивными задачами, как именно он это делает? Чтобы понять это, необходимо рассмотреть отдельные нейроны и сети, которые они образуют.

Правообладатель иллюстрации Sinclair Stammers/naturepl.com
Image caption Даже нематоды, такие как этот Toxascaris leonina, способны обучаться

Нейроны чем-то похожи на провода: они передают электрические сигналы из одной части мозга в другую.

Чтобы понять особенности когнитивной деятельности, очень важно изучить взаимодействие нейронов, и сделать это проще, используя маленький мозг с сотнями тысяч нейронов, а не крупный мозг с миллиардами нейронов.

В крошечный мозг природе пришлось вместить максимально большую вычислительную мощность, и поэтому в нем постепенно появились кратчайшие пути передачи сигналов.

Вивек Джайяраман из Исследовательского центра Джанелия в Эшборне, штат Вирджиния, изучает плодовых мушек. В их мозге насчитывается 250 000 нейронов, то есть по размеру он составляет примерно четверть от мозга пчелы.

"Чтобы поведение могло усложняться, мозг должен решать вычислительные задачи, - объясняет Вивек. - А сложное поведение связано с решением множества подобных задач".

Вивек, инженер по образованию, хочет понять, какие механизмы лежат в основе этого поведения. Как именно в мозгу протекают когнитивные процессы?

Чтобы узнать это, ему необходимо увидеть, что происходит с нейронами в тот момент, когда насекомое занимается какой-либо деятельностью.

Но можно ли проникнуть в мозг плодовой мушки и подслушать, о чем она думает?

Отчасти да. Существуют эффективные методы исследования, позволяющие Вивеку по своему усмотрению включать и выключать различные части мозга, а затем наблюдать за активацией нейронов в режиме реального времени.

Так, например, одним из критериев оценки когнитивных функций является способность отслеживать свое местонахождение в пространстве, то есть наличие мысленного образа окружающего мира.

Это означает, что если в комнате, где вы сейчас находитесь, погаснет свет, вы все равно будете знать, в какую сторону смотрите, где находится дверь и как добраться до кухни, чтобы взять из ящика фонарик.

Вы осознаете положение своего тела относительно окружающих вас предметов и то, как нужно передвигаться среди них. Назовем это мысленным взглядом.

В 2015 году Вивек и его коллеги доказали, что у плодовых мушек тоже есть своего рода мысленный взгляд.

Правообладатель иллюстрации Solvin Zankl/naturepl.com
Image caption У плодовых мушек (Drosophila melanogaster) тоже есть своего рода мысленный взгляд

Ученые использовали метод, позволяющий в реальном времени увидеть, как в мозгу мушки включаются и выключаются отдельные нейроны, когда она пытается сориентироваться в мире виртуальной реальности.

Плодовая мушка идет по крошечной беговой дорожке, а точнее, по шару, который крутится, когда мушка ползет вперед, останавливается или двигается в любом направлении.

Шар окружает экран, на который исследователи направляют лучи света. Получается что-то вроде Imax-фильма для мушек.

Когда мушка передвигается по шару, свет на экране движется соответственно - как если бы мушка двигалась в реальном мире. Если она повернет налево, ее мир на экране сместится вправо.

Исследователи наблюдают за тем, какие части мозга мушки активируются по мере того, как она передвигается в этом мире. Затем они выключают свет.

Как и у человека, мозг мушки продолжает реагировать, как будто свет горит, хотя на самом деле он выключен. В мозгу мушки сохраняется представление о том, что ее окружает.

Ранее считалось, что подобные когнитивные представления присущи только позвоночным животным, включая человека, но похоже, что это не так.

"Просто невероятно, что это маленькое насекомое может сидеть в темноте и мысленно представлять себе, где оно находится", - говорит Вивек.

Далее необходимо выяснить, является ли это внутреннее представление гибким. Если ваш сосед по комнате говорит вам, что забрал фонарик из кухни и положил его в спальню, ваше внутреннее представление должно измениться с учетом этой новой информации.

"Я бы назвал это строительным кирпичиком когнитивной деятельности, - говорит Вивек. - Это способность планировать, опираясь на внутреннее представление и память, а не просто реагировать на то, что видишь прямо сейчас".

Могут ли плодовые мушки делать что-то подобное, несмотря на то, что у них крошечный мозг? Скоро мы сможем это узнать.

Правообладатель иллюстрации iStock
Image caption Если вы помните, где лежит фонарик, то вы сможете найти и зажечь его в полной темноте

"Принято считать, - говорит Читтка, - что для того, чтобы делать что-то сложное, нужен большой мозг. Люди думают так, потому что у нас самих мозг крупного размера, но в действительности дела обстоят иначе".

К примеру, способность распознавать лица, которая когда-то считалась присущей только человеку, не требует сложных нейронных связей. Вероятно, именно поэтому эта задача под силу пчелам.

"Имея всего несколько сотен тысяч нейронов, можно запросто распознать около сотни лиц", - говорит он.

Так зачем же нужен большой мозг?

Крупные животные могут иметь мозг большего размера просто потому, что электрическим сигналам приходится преодолевать более длинные расстояния.

Чтобы сигнал достаточно быстро достиг места назначения, нужны более крупные нейроны, способные передать его быстрее, чем мелкие.

Поэтому кит обладает большим мозгом с крупными нейронами. Чтобы достичь противоположного конца тела, сигналу приходится преодолеть большое расстояние.

Или, возможно, крупным должен быть не весь мозг, а только одна его часть.

Например, животные, имеющие обширный ареал обитания или прячущие пищу в тысяче разных мест - например, североамериканская ореховка, - обычно имеют относительно крупный гиппокамп - часть мозга, отвечающую за память. Это позволяет им запоминать больше информации, чем пчелам.

"В этом случае возможно, - говорит Читтка, - что способности растут, но только в плане объема запоминаемой информации. Как если бы мы имели дело с компьютером, у которого вместительный жесткий диск, но не очень мощный процессор".

"Мозг большего размера дает нам определенные возможности, но некоторые из них могут показаться довольно скучными", - добавляет он.

Правообладатель иллюстрации Steven Kazlowski/naturepl.com
Image caption Североамериканская ореховка (Nucifraga columbiana) может запоминать места, где спрятала семена

В более крупном мозгу одни и те же связи могут использоваться вновь и вновь, что способствует совершенствованию одного и того же вида поведения: увеличивается емкость памяти, повышается чувствительность, увеличивается точность, четкость и острота реакций.

Но далеко не всегда это приводит к появлению новых вычислительных возможностей или переходу на новые уровни сложности.

Читтка отмечает, что иногда больший размер мозга все же предполагает большую сложность, как в случае с человеческим мозгом, однако это вовсе не нечто само собой разумеющееся.

Люди очень гордятся своим сложным и большим мозгом. Вивек говорит, что его часто спрашивают, правда ли то, что ему платят за изучение плодовых мушек. Люди хотят знать, как это может помочь в исследовании когнитивных функций человека.

"Люди думают, что это очень круто или очень мило, - говорит он. - Но объяснить им, почему это очень важно и что можно узнать таким способом, порой бывает трудно".

Тем не менее смысл его работы очень прост: если хочешь узнать, как работает что-то сложное, начни с изучения простого.

В этом случае "простое" - термин относительный, потому что нейроны и связи между ними - это вовсе не просто.

"Количество нейронов [в мозгу плодовой мушки] намного меньше, он компактный, и я могу видеть множество нейронов одновременно, - говорит Вивек. - И у меня есть средства, позволяющие манипулировать ими и экспериментировать с различными частями мозга".

Благодаря этому он может находить ответы на вопросы о механизмах, протекающих в маленьком мозгу, в то время как в большом это пока сделать невозможно.

Правообладатель иллюстрации iStock
Image caption Человеческий мозг: размер - это не главное?

"Я вовсе не думаю, что на этом этапе изучения когнитивных функций мы остановимся", - говорит Вивек.

Напротив, он считает, что относительно простые сети, которые он изучает, - это строительные кирпичики когнитивной деятельности.

"Мне кажется, на то, чтобы добиться понимания на базовом уровне, уйдет много времени, но я очень спешу. Я хочу получить ответ на эти вопросы хотя бы до конца своей жизни", - говорит Вивек.

Читтка иногда жалеет, что ученые так много внимания уделяют поиску у животных способностей, схожих с человеческими. "Мне этот подход кажется немного скучным и слишком узким", - утверждает он.

Сенсорные возможности, которые имеются у насекомых и отсутствуют у человека - например, чувствительность к ультрафиолетовому, инфракрасному, поляризованному свету или внутренний магнитный компас для ориентирования, - удивительны сами по себе.

Возможно, пришло время перестать рассматривать когнитивную деятельность сквозь призму человеческих способностей.

"Одна из причин, по которым меня так привлекают насекомые, - это их необычность, их непохожесть на людей", - говорит Читтка.

Не зря же говорят: мал золотник, да дорог.

Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Earth.

Похожие темы

Новости по теме