XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБНОСТИ МУРАВЬЕВ-ЖНЕЦОВ К АБСТРАКТНОМУ ЗАПОМИНАНИЮ НАПРАВЛЕНИЙ В ЛАБИРИНТЕ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
1.1. Актуальность темы
Как известно, колония муравьев является очень сложной системой, в которой есть разделение труда, обучение и взаимодействие множества ее участников. Наблюдая за поведением муравьев, мы можем приблизиться к пониманию их самоорганизации и коллективных действий. А это, в свою очередь, может привести не только к новым открытиям в биологии, но и к созданию новых вычислительных алгоритмов. Возможно, в будущем нас ждет развитие самообучающихся нейросетей, новых систем логистики или самонаведения, построенных на «муравьиных» принципах.
1.2 Проблема
Большой проблемой в этой области является очень слабая изученность обмена абстрактной информацией между муравьями. Значительную часть информации муравьи передают друг другу с помощью запахов (метки, феромоны, следы пищи). Существуют определенные сигналы в движениях муравья, различные позы тела.
Но, помимо этого, есть еще так называемый «антенный код» - передача информации посредством касания «собеседника» усиками, и этот код крайне слабо поддается расшифровке. Вероятно, с его помощью и происходит общение с использованием различных понятий, но как этот процесс устроен в деталях, науке пока неизвестно.
1.3. Обзор предыдущих исследований по теме
За основу нашего эксперимента мы взяли уникальные исследования новосибирских учёных Жанны Ильиничны Резниковой и Бориса Яковлевича Рябко, которые в 80-х годах начали ставить опыты с муравьями в лабиринтах разной формы («бинарное дерево», «гребенка»). В ходе этих исследований были сделаны интереснейшие выводы о том, что некоторые виды муравьев способны запоминать и передавать понятия «направо» и «налево» и даже совершать действия наподобие нашего сложения и вычитания небольших чисел.
Один из этих опытов, имеющий отношение к нашему проекту заключался в следующем. Формикарий с рыжими лесными муравьями (это одни из главных «интеллектуалов» в муравьином мире) был соединен с бумажным лабиринтом вида «бинарное дерево». То есть на каждой развилке был выбор из двух вариантов пути. На одной из конечных веток находилась кормушка – ватка с сахарным сиропом, на остальных – ватки без угощения. Чтобы муравьи не выходили за пределы лабиринта, он был установлен на опоры, закрепленные в кювете с водой.
Рис. 1. Лабиринт Ж.И. Резниковой и Б.Я. Рябко.
Семья рыжих лесных муравьёв организована так, что первыми еду находят муравьи-разведчики; потом с помощью усиков они рассказывают дорогу нескольким муравьям-фуражирам, которые по инструкции идут к пище и доставляют ее в муравейник. Причем, как выяснилось, у каждого разведчика своя группа фуражиров, 5-8 муравьёв, и он общается только с ней. Ученым удалось различить и пометить краской фуражиров и разведчиков и зафиксировать время их общения. Пока разведчик в формикарии рассказывал дорогу, бумажный лабиринт заменяли на новый, свежий, чтобы исключить следы и метки. Затем фуражиры отправлялись за кормом по маршруту, рассказанному разведчиком, причем проходили его, даже если на конечную ветку корм не клали.
Опыт повторялся многократно, с кормом на разных ветках, и было вычислено среднее время «беседы» разведчика с фуражирами:
если повороты всегда только налево или только направо - 70 с,
повороты налево и направо чередуются - 130 с,
случайный порядок поворотов - 200 с и более.
Из всего этого был сделан вывод, что рыжие лесные муравьи могут передавать и запоминать понятия «направо», «налево» и, вероятно, пользуются короткими словами, наподобие наших «всегда направо» или «первый поворот направо, потом налево и так чередуем».
1.4. Цели и задачи проекта
В нашем проекте мы поставили задачу определить, пользуются ли муравьи-жнецы понятиями «направо» и «налево» при выборе пути в лабиринте.
Цель проекта: подтвердить или опровергнуть способность муравьев-жнецов к абстрактному запоминанию последовательности поворотов на двух развилках в лабиринте типа «бинарное дерево».
2. Основная часть
2.1 Подготовка лабиринта
В качестве объекта исследования мы взяли развитую колонию вида Messor Structor (жнецы), численностью около 1000 муравьёв. Нам неизвестно, проводилось ли ранее подобное исследование именно с этим видом муравьёв.
Рис. 2. Экспериментальный формикарий .
Лабиринт мы решили реализовать тоже каким-нибудь новым способом. В ходе обсуждения у нас появилась идея, что границы лабиринта можно нарисовать веществом, через которое муравьи не смогли бы перебраться, оставаясь в пределах дорожек. Были проверены различные средства – масло, спиртовой раствор, след маркера, средства против побега муравьев из формикария. Мы ограничивали несколько муравьёв замкнутым следом и наблюдали, смогут ли они перейти эту границу. По результатам наблюдений был сделан вывод, что некоторые средства способны на время задержать муравьёв, но ни одно из них не является стопроцентно надежным против побега. Следовательно, нарисованные границы дорожек лабиринта использовать не получится.
Рис. 3. Опыты с ограничительными линиями.
Тогда мы сделали лабиринт из трубочек и контейнеров, соединив их термоклеем. Это оказалось очень удобным решением, так как можно насыпать корм, открыв крышку, а через прозрачный пластик муравьев хорошо видно.
Задачу муравьям мы специально упростили, сделав лабиринт с четырьмя конечными ветками, то есть с двумя развилками на пути к каждой кормушке. (Конечно, можно было сделать лабиринт побольше, но если бы он оказался для жнецов слишком сложным, то мы бы не увидели их способности. Лучше предложить муравьям вариант попроще, а потом, если этот эксперимент получится, постепенно усложнять его.) Лабиринт трубочкой подсоединили к формикарию.
Рис. 4. Муравьи у входа в лабиринт.
2.2. Приучение к месту кормления
Следующим этапом эксперимента было приучение муравьев к определенной кормушке. Для этого мы выбрали контейнер №3 и в течение светового дня 4 раза с интервалом в 4-5 часов добавляли в него привычный для жнецов корм – зерновую смесь. Каждый раз около 20 зерен, которые муравьи за 20-30 мин. обнаруживали и полностью переносили в формикарий.
Рис. 5. Приучение к постоянному месту кормления.
Муравьи довольно быстро проложили к этому контейнеру постоянную тропинку. Что интересно, в перерывах между кормлениями несколько наблюдателей постоянно находились в контейнере №3, как бы дежурили в ожидании корма.
В конце дня муравьи привыкли к регулярному появлению корма в контейнере №3. Изредка они заходили и в другие контейнеры, но №3 стал для них объектом особого внимания. На этом «тренировочный» этап завершился.
Рис. 6. «Дежурство» муравьёв в контейнере №3.
2.3. Замена лабиринта
В финальной части нашего эксперимента мы отсоединили лабиринт и всех находящихся в нем муравьев переместили в формикарий. Затем присоединили к формикарию заранее приготовленный новый лабиринт. Точно такой же формы, но абсолютно свежий, муравьи в нем никогда не были, так что влияние меток и следов было полностью исключено. Корм не добавляли, чтобы не было действия его запаха.
Сразу после замены лабиринта группа муравьев быстро и уверенно направилась к пустому контейнеру №3! Интересно, что первые 2-3 муравья на развилках останавливались примерно на секунду, как бы вспоминая дорогу.
Рис. 6. Муравьи идут по новому лабиринту к «привычному» контейнеру №3.
Получается, что они запомнили повороты! В новом лабиринте у них точно не было возможности ориентироваться по следу, более того, в нём совершенно другие неровности на клеевых стыках, то есть ориентироваться по микрорельефу пространства они тоже не могли. Единственное, чем мы можем объяснить уверенное движению муравьев по новому лабиринту, это их память о направлении движения: на первой развилке – направо, на второй – налево.
3. Заключение
3.1. Результаты и выводы
В ходе исследования нами была экспериментально подтверждена способность муравьёв Messor Structor к абстрактному запоминанию последовательности минимум из двух поворотов на развилках лабиринта.
3.2. Перспективы дальнейших исследований
Мы обнаружили, что подобные опыты можно успешно проводить с муравьями-жнецами, и это очень удобно, так как этот вид является самым неприхотливым и популярным для домашнего содержания. (Держать в формикарии рыжих лесных муравьёв намного сложнее). Это значит, что изучение их способностей доступно каждому дома или в условиях школьной лаборатории.
В перспективе можно исследовать поведение муравьёв в лабиринтах с большим количеством развилок, можно сделать гигантский лабиринт вида «бинарное дерево», попробовать узнать предел возможностей жнецов по запоминанию направлений. Также можно сделать лабиринт не бинарным, а добавить направление «прямо», или сделать еще больше путей от одной развилки.
Также есть идея испытать объёмные лабиринты, где на развилках имеются пути не только налево и направо, но также наверх, вниз или под разными углами. Можно придумать лабиринты-конструкторы, чтобы в ходе эксперимента менять их конфигурацию, усложнять, или наоборот, предлагать муравьям короткие пути. Для повторения опытов лабиринтов требуется довольно много, ведь чтобы исключить влияние муравьиных меток, их приходится делать одноразовыми. Поэтому стоит продумать технологию быстрой сборки лабиринтов из однотипных деталей, возможно с использованием 3D-печати, либо применить недорогие биоразлагаемые материалы.
Мы считаем, что результаты нашей работы могут дать новое интересное направление для будущих исследовательских проектов и экспериментов.
4. Список источников и литературы
Печатные издания
-
Захаров, А. А. Муравей, семья, колония / А. А. Захаров. — М. : Наука, 1978. — 224 с.
-
Захаров, А. А. Муравьи лесных сообществ, их жизнь и роль в лесу / А. А. Захаров. — М. : Товарищество научных изданий КМК, 2015. — 404 с.
-
Мариковский, П. И. Муравей-жнец : Рассказы энтомолога / П. И. Мариковский. — 2-е изд., испр. и доп. — Алма-Ата : Казахстан, 1972. — 70 с.
-
Уилсон, Э. Планета муравьёв / Э. Уилсон ; пер. с англ. — М. : Альпина нон-фикшн, 2022. — 211 с. — ISBN 978-5-00139-583-6.
-
Уилсон, Э, Хёлльдоблер, Б. Планета муравьёв / Э. Уилсон, Б. Хёллдоблер; пер. с англ. — М. : Бомбора, 2022. — 320 с.
-
Резникова, Ж. И. Индивидуальное распределение ролей и обмен информацией в рабочих группах муравьев / Ж. И. Резникова, Т. А. Новгородова // Успехи современной биологии. — 1998. — Т. 118, вып. 3. — С. 345–356.
-
Резникова, Ж. И. Экспериментальное доказательство использования числительных в языке муравьев / Ж. И. Резникова, Б. Я. Рябко // Проблемы передачи информации. — 1988. — Т. 24, № 4. — С. 97–101.
-
Резникова, Ж. И. Экспериментальные исследования способности муравьев к сложению и вычитанию небольших чисел / Ж. И. Резникова, Б. Я. Рябко // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова. — 1999. — Т. 49, № 1. — С. 12–21.
Электронные ресурсы
-
Резникова, Ж. И. Язык муравьев до открытия доведет [Текст : электронный] / Ж. И. Резникова, Б. Я. Рябко // Наука из первых рук. — 2008. — № 5 (23). — URL: https://scfh.ru/papers/yazyk-muravev-do-otkrytiya-dovedet/ (дата обращения: 01.06.2026).