Искать лучше вместе

Поиск — дело непростое, что бы ни было его целью: дорога к дому, пропитание или техническое решение. Животные постоянно в поиске, причем группы зачастую справляются с ним лучше одиночек. А ученые исследуют их поисковые стратегии, чтобы на их основе создать алгоритмы группового поиска для роботов.

Фото: Klaus Hausmann / Pixabay

Лидеры и ученики

Заставим крыс искать выход из лабиринта. Или выпустим в незнакомом месте голубей, и пусть они возвращаются домой, как умеют. Средний показатель десяти особей, выполняющих задание порознь, будет хуже, чем результат группы из такого же количества животных. Вместе они отыщут дорогу быстрее, чем среднестатистический одиночка. Естественно, это относится к социальным животным. Убежденные одиночки, собравшись вместе, будут только мешать друг другу.

Исследовать стратегии группового поиска довольно сложно. Ученые наблюдают за поведением косяков и стай, ставят эксперименты и создают модели, которые описывают полученные результаты. Или наоборот — сначала разрабатывают модели, а потом проверяют их адекватность в экспериментах и полевых наблюдениях.

Модели бывают очень сложными, они даже учитывают социальную структуру группы, потому что многое зависит от того, принимают ли решение все ее члены сообща, или только лидеры. Лидеры, в данном случае, это опытные особи, которые ведут за собой молодых и несведущих. Классический пример такой ситуации — миграция, то есть поиск места. Это не просто путешествие из пункта А в пункт Б, успех миграции зависит от возможности отдохнуть и подкормиться в пути, безопасности маршрута, особенностей водных и воздушных течений, и прямой путь в данном случае не самый лучший. У белых аистов, например, лидеры постоянно корректируют маршрут в поисках восходящих потоков. Молодые птицы следуют за ними, однако по неопытности покидают восходящие потоки раньше и на меньших высотах, так что им приходится больше махать крыльями. У американских журавлей точность навигации зависит от опыта самых старых птиц в стае.

Есть лидеры у атлантической сельди, идущей на нерест, и, если в косяке заметно увеличивается доля неопытных, впервые нерестящихся особей, рыбы меняют маршрут. Лидеры ведут косаток, африканских слонов и волков. У медоносных пчел всего 5% информированных особей могут повести колонию к новому месту гнездования — они несколько раз пролетают сквозь рой в нужном направлении. Муравьи показывают молодым товарищам традиционные маршруты.

У этой толпы атлантических сельдей есть лидеры

Молодежь учится, на старших глядя, а потом ходит путями своих родителей. Благодаря социальному обучению знания, которыми обладают информированные особи, распространяются в группе и передаются из поколения в поколение. Лидерство и социальное обучение — надежные механизмы распространения знаний.

Значение лидеров доказано экспериментально. Если во время миграции отделить молодого скворца или аиста от стаи и переместить в другой район, он не вернется на прежний маршрут, а продолжит путешествие с местными птицами. Если неопытных аистов изолировать до тех пор, пока все их сородичи не улетят, а потом выпустить, они, лишенные руководства, сильно отклонятся от традиционного пути. Это значит, что члены группы повторяют действия опытных вожаков, а не следуют неким врожденным курсом, если такой имеется.

Многие стайные рыбки тоже чтут традиции. Почти классикой стал эксперимент, проведенный в 1983 году специалистами университета Джорджии (США). Они работали с желтополосыми ронками Haemulon flavolineatum. Молодые ронки держатся группами, днем прячутся в рифах, а в сумерки перемещаются в заросли водорослей, где до рассвета кормятся беспозвоночными. Их маршруты не меняются по два-три года. Поскольку эти маршруты, на взгляд постороннего наблюдателя, никакими особыми признаками не отмечены, исследователи предположили, что вновь поступивший в группу молодняк во время ежесуточных миграций следует за старшими рыбами.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые пометили нескольких рыб и пересадили на другой риф, в другую группу. На новом месте переселенцы перемещались вместе с аборигенами и продолжали использовать их маршруты после того, как ученые выловили и удалили всех местных ронок. Потом удалили и переселенцев и посадили на опустевшее место других рыбок из исходной группы. Им учиться было не у кого, и они проложили свои собственные пути, не совпадающие с аборигенными. Это значит, что при выборе маршрутов и мест отдыха ронки руководствуются опытом предыдущих поколений, а не особенностями местности.

Несколькими годами позже сходные эксперименты поставил сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Роберт Уорнер. Он работал с рифовыми рыбами Thalassoma bifasciatum  — синеголовыми губанами. У этих рыб есть предпочтительные места спаривания. Когда губанов переместили на новое место в двух километрах от старого, предварительно освобожденное от местных рыб, переселенцы выбрали новые места для спаривания, которые затем не менялись несколько лет, — следующие поколения повторяли поведение родителей.

Возможно, результаты аналогичных опытов, проведенных с сухопутными животными, оказались бы иными. Суша хранит следы использования: пахучие метки или протоптанные в траве дорожки, из которых можно извлечь информацию и пользоваться старыми решениями, пока не появятся новые, более оптимальные.

Ошибки и подсказки

Система «лидер и ученики» работает, когда в одной группе соседствуют несколько поколений, перед которыми стоят одни и те же задачи. Специалисты даже говорят о возникновении культуры миграции. Но бывает и так, что явного лидера нет, у каждого свое мнение и никто толком не знает, что делать. В такой ситуации вступает в действие принцип многих ошибок. Он позволяет группе, у каждого члена которой лишь приблизительное представление об истине, прийти к правильному решению. Принцип многих ошибок связан с законом больших чисел. Когда отдельные оценки случайным образом  распределяются вокруг верного значения, простое их усреднение может оказаться ближе всего к истине.

Идея о том, что сообщество принимает более точное решение, чем отдельные его члены, не нова. Сначала ее разрабатывали для людей. В конце XVIII века маркиз Николя де Кондорсе (1743—1794) сформулировал теорему о жюри присяжных: когда приходится выбирать между двумя решениями, например виновностью или невиновностью ответчика, и каждый из юристов предпочтет правильный ответ с вероятностью более 50%, вероятность, что всё жюри даст правильное заключение, возрастает по мере увеличения размера группы.

Философ, математик и политический деятель — памятник маркизу де Кондорсе в Париже

Позже английский ученый Фрэнсис Гальтон (1822—1911) обнаружил, что среднее значение многих независимых оценок будет приближаться к истинному значению с точностью, возрастающей по мере увеличения размера выборки. Если, например, нужно угадать вес бычка или количество леденцов в банке, отдельный человек ошибется, но если опросить сто человек, а потом вычислить среднее арифметическое, оно будет ближе к правильному ответу, чем мнение одного из опрошенных. Это явление известно как «мудрость толпы» (см. «Химию и жизнь» 2012 №5).

К животным эту идею стали применять только в середине ХХ века, когда разные исследователи, изучавшие птиц, в том числе белых аистов, жаворонков и турпанов, и лососей, независимо установили, что их навигационные способности усиливаются в группе. Во время миграции стаи и косяки определяют направление правильнее, чем отдельные особи. Окончательно подтвердить этот факт удалось относительно недавно, с появлением миниатюрных GPS-устройств, которые можно закреплять на голубях. Тогда и выяснилось, что стая летит к цели прямее, чем одинокая птица, то есть усредненное направление точнее, чем индивидуальные оценки.

Миниатюрные устройства GPS позволяют следить за траекторией птичьего полета

Закон больших чисел покрывает персональные ошибки. А еще животным помогают так называемые всплывающие подсказки. Допустим, отдельные члены группы помнят отдельные приметы местности, но не их чередование. Наблюдая друг за другом и как бы сравнивая «воспоминания», путешественники все же движутся правильным курсом.

Так рождается новое знание. От социального обучения оно отличается тем, что маршрут прокладывает не лидер, а группа взаимодействующих особей. Они, к примеру, могут изменить традиционный путь, используя механизм множества ошибок, а затем этот новый путь закрепится в стае или стаде.

Чем многочисленнее группа, тем больше шансов, что кто-нибудь заметит нужную примету. Антилопы гну движутся к новым пастбищам, ориентируясь на дождевые облака и вспышки молний на горизонте: где дождь, там свежая трава. И если численность стада мала, гну не решатся пускаться в дальний путь, пока она не восстановится. Так же поступают и другие мигрирующие животные, например карибу.

Карибу не решаются на миграцию, если их стадо малочисленно

Сообщество животных внимательнее одиночки не только в путешествиях. Ученые под руководством профессора Сиднейского университета Эшли Уорда сравнивали точность и скорость принятия решений у небольших рыбок гамбузий Хольбрука Gambusia holbrooki. Эксперименты проходили в Y-образном лабиринте, сделанном из белого плексигласа. Непосредственно над лабиринтом располагалась веб-камера, на которую снимали все происходящее. Ножка «Y» была приподнята, так что глубина воды постепенно увеличивалась от 1 см у подножия Y до 12 см на концах рукавов. В одном из рукавов в толще воды подвешивали на тонкой леске изображение хищника, рыбы в два-три раза крупнее гамбузии.

Гамбузии в лабиринте вынуждены двигаться к развилке и выбирать, куда свернуть

Рыбок выпускали в основании лабиринта, они, естественно, плыли туда, где глубже, и, в конце концов, должны были свернуть в один из рукавов. Группа из восьми или шестнадцати гамбузий чаще попадала в «безопасный» рукав, чем одиночные рыбки, которые, похоже, выбирали направление случайным образом.

Когда рыбы чувствуют себя неуверенно, они плывут медленно и зигзагами. Отдельные особи и маленькие группы в лабиринте вели себя именно так. Но чем многочисленнее была стайка, тем прямее и быстрее она двигалась. Вероятно, каждая гамбузия полагалась на бдительность других, в то время как одиночным рыбам приходилось самим собирать всю информацию, отчего они и затруднялись решить, налево им плыть или направо.

Гамбузии обходились без эксперта по безопасности, однако таланты, способные найти правильное решение, порой приходятся весьма кстати. Чем больше сообщество, тем выше вероятность, что в нем окажется такой ценный кадр. Эту очевидную мысль подтвердили эксперименты, которые провели специалисты Университета Паннонии Андрас Лайкер и Вероника Бокони. Они наловили домовых воробьев Passer domesticus, пометили цветными кольцами, держали в вольерах на открытом воздухе, а по окончании эксперимента выпустили там, где поймали.

Эксперимент же состоял в следующем. Ученые сформировали семь малых групп по два воробушка и семь больших — по шесть воробьев. Птицам предлагали еду в необычной кормушке — закрытом плексигласовом ящике размером 50×50×5 см. Ящик наполнен семенами, их хорошо видно, а добраться до еды можно через 16 отверстий диаметром 3,5 см, просверленных сверху. Через несколько дней, когда птицы привыкли к кормушке, отверстия закрыли плотными прозрачными крышками с черными резиновыми ручками. Эти крышки и раньше стояли на кормушке, приклеенные липкой лентой. Но поскольку они не преграждали доступ к семенам, воробьи ими не интересовались. А теперь выяснилось, что кормушку надо раскупоривать. Некоторые птицы сообразили, как это сделать, и либо скидывали крышки энергичными клевками, либо тянули за ручки. Глядя на них, метод освоили и остальные члены группы.

В больших группах птицы справлялись с задачей в 4 раза чаще и в 11 раз быстрее. В каждой такой группе находились два-три воробья, которые за 1—12 минут раскупоривали кормушки, делая еду доступной для всех. А на семь маленьких групп нашлось всего два умельца, решивших задачу в отведенные полчаса, через 2 и 19 минут соответственно.

Теоретически высокую эффективность больших групп можно объяснить и другими причинами. Не исключено, что воробьи в окружении сородичей чувствуют себя более защищенными от хищников и спокойно исследуют кормушку, или они меньше боятся новизны, в данном случае — крышек, или присутствие конкурентов побуждает их шевелить мозгами и шустрее отыскивать доступ к еде. Однако эксперименты показали, что дело не в этом. Просто большие группы включают индивидов с разными навыками и опытом, что увеличивает шансы на решение задачи.

Модели и лабиринты

Прокладывает ли группа маршрут или решает интеллектуальную задачу, все ее члены друг у друга на виду. Можно делать как все, повторять за лидером или прийти на готовенькое. Возможность воспользоваться плодами чужих усилий составляет несомненное преимущество жизни в коллективе. И все же решение проблемы часто требует не хорошей памяти или озарения, а методичной работы. Например, нужно где-то найти еду. Если вокруг все спокойно, можно искать по запаху, звуку или градиенту концентрации питательного вещества, как это делают некоторые бактерии.

Увы, такие благоприятные условия складываются редко, обычно мир полон информационных шумов, которые заглушают сигнал и он приходит в обрывках: то порыв ветра донесет звук или запах, то по течению воды проплывет какое-то пятно. Чтобы не остаться голодным, животное должно разработать пищедобывательную стратегию, основанную на таких кратковременных сигналах. Французские и американские исследователи под руководством профессора Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Бориса Шраймана предложили алгоритм одиночного поиска, который назвали инфотаксисом — движением в направлении источника информации. А поскольку неизвестно, где именно он находится, эффективнее всего двигаться зигзагами или по спирали, ориентируясь на скудные подсказки. Именно так на самом деле и движутся птицы или бабочки, когда отыскивают добычу.

Израильские ученые из Института Вейцмана  пошли дальше. Они разработали математические модели коллективного поиска — социотаксиса, при котором особи обмениваются информацией. Один из возможных алгоритмов представляет собой вариант следования за лидером — куда ты, туда и я. Члены группы стараются держаться ближе друг к другу, движутся гурьбой, получают одну и ту же информацию и достигают цели лишь немного быстрее одиночек.

Куда эффективнее другая стратегия, когда искатели действуют независимо, обмениваясь при этом полученными сведениями. Они разделяют пространство поиска, и каждый исследует свой участок. Группа движется согласованно, хотя ее члены друг с другом не общаются. Тот, кому улыбнулась удача, достигает цели не быстрее, чем одиночка, но как только он нашел то, что искал, остальные члены группы немедленно об этом узнают. Первооткрывателю от этого никакой пользы нет, зато остальные в выигрыше. Например, если гриф, парящий в воздухе, видит, что другие грифы в его поле зрения слетаются в определенное место, он устремляется туда же. Создатели модели находят такой алгоритм правдоподобным, устойчивым к шумам и не требующим установления социальных связей.

Аналогичную модель коллективного поиска создали ученые из Венгрии и Германии под руководством венгерского физика Тамаша Вичека, но не умозрительную, а основанную на результатах эксперимента. Они наблюдали, как крысы в лабиринте ищут воду.

Лабиринт сложный, имеет 16 концевых точек, ходы в нем расходятся Y-образно: в каждом узле симметрично соединяются три коридора. Лабиринт покрыт сеткой, так что крысы не могут перелезать через стенки, зато экспериментаторам животных прекрасно видно. Спинки крыс ярко раскрашены, их легко различать. Перемещения животных  записывали на видеокамеру, а затем с помощью специально созданной программы реконструировали их индивидуальные траектории.

Крысы попадают в лабиринт из «стартовой камеры», в которую их загружает экспериментатор. Выхода из лабиринта нет, зато есть шестнадцать тупиков, в каждом из которых стоит поилка-диспенсер. Диспенсер напоминает дачный рукомойник: он непрозрачный и надо приподнять кончик, чтобы полилась вода. Животные, которым несколько часов не давали пить, начинают бегать по коридорам в поисках воды, однако все поилки пустые, кроме одной, случайно выбранной. В лабиринт запускали восемь крыс либо поодиночке, либо в однополых группах.

Группа крыс разбегается по ходам, и каждый зверек ищет воду самостоятельно. Исследователи сравнили скорость индивидуального и группового поиска, для чего ранжировали крыс-одиночек и членов группы по времени, за которое они достигают цели. Оказалось, что первая из одиночек потратила на поиски меньше времени, чем первый член группы. Это объяснимо: крысы в лабиринте иногда друг другу мешают, перегораживая проход, затевая драки или принимаясь за взаимную чистку шерсти. Разница в показателях вторых — шестых крыс недостоверна. Однако крысы, занявшие в группах 7-е и 8-е место, потратили на поиски почти вдвое меньше времени, чем одиночки того же ранга. Соответственно, среднее время группового поиска оказалось меньше, чем усредненный показатель одиночек. Пол крыс на скорости поиска не сказывается. Поскольку все крысы перемещаются по лабиринту с одинаковой скоростью, на результаты, очевидно, повлияли особенности группового поиска.

Лабиринт с шестнадцатью тупиками, в котором крысы искали воду (вверху), представляет собой четырехуровневое дерево бинарных решений (внизу)

Лабиринт представляет собой дерево бинарных решений. Чтобы добраться до одного из тупиков, крыса должна четырежды решить, куда сворачивать: налево или направо. Исследователи проанализировали факторы, которые влияют на решения, принимаемые крысой на каждом перекрестке. Оказалось, что грызун из двух коридоров выбирает ведущий в наименее исследованную часть лабиринта или тот, по которому давно не ходил. Если воду ищет группа, к двум вышеперечисленным факторам добавляется еще один: крыса сворачивает в тот коридор, где видит сородича.

Когда крыса напьется, она продолжает бегать по лабиринту, но уже не стремится обследовать все его уголки и возвращается к действующей поилке в несколько раз чаще, чем к другим тупиковым точкам. Так грызун, нашедший воду, может привлечь к воде остальных членов группы.

Исследователи определили иерархию факторов, влияющих на принятие решений. Важнее всего история посещений (крысы стремятся в неисследованную часть), на втором месте социальная информация, в данном случае — перемещение других членов группы. Это обстоятельство важно даже в том случае, когда партнера нельзя увидеть издали, как это происходит и в исследовательском лабиринте, и в сложной системе крысиных туннелей.

Крыса в лабиринте сворачивает в тот коридор, где видит сородича. Фото: Peter Palatitz / Институт поведения животных Общества Макса Планка (mpg.de)

Принципы коллективного поиска

Эксперименты, наблюдения и математические модели приводят к общим выводам. Чем крупнее группа, тем успешнее ее действия. Если коллектив нуждается в информированном лидере, в многочисленной группе больше шансов найти такового. Если выбор нужно делать сообща, бóльшая группа принимает более точное решение. Групповой поиск эффективен в том случае, когда все члены соблюдают верный баланс между самостоятельными действиями и оглядкой на других. Обе крайности — полное игнорирование коллег или абсолютное следование им — снижает производительность и каждого искателя, и группы в целом. Животные счастливо воплощают эти принципы в жизнь, люди в соблюдении баланса и социальных взаимодействиях менее успешны. Но, во всяком случае, правила коллективного поиска теперь известны. Если сами не сможем им следовать, хоть роботов запрограммируем.