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蚁丘的智慧:理性与个性兼具的蚁群会不会学习?

导语
我们能运用心理学的工具,去理解社会昆虫的群体是如何作出决策的吗?
 
编译:集智俱乐部翻译组
来源:knowablemagazine.org
原题:The mind of an anthill
 
蜜蜂和蚂蚁等群居昆虫集团通常被视为一个“超有机体”:这个超有机体,有其独特之处(一个个体员工)为了共同的利益而一起行动。一个集团中的昆虫能协同工作,繁衍、迁徙以及感知周遭环境,甚至集体决定下一步该做什么。
 
超有机体:指具有完全社会性昆虫组成的群体,比如蚂蚁、蜜蜂。
 
坦佩亚利桑那州立大学的行为生物学家 Stephen Pratt 受到了这些生物的“蜂群思维”启发,他试图用心理学家研究人类行为的方法去研究蚁群的行为。例如,通过实验,使得蚂蚁做出艰难的决定和权衡。在2018年昆虫学年评(2018 Annual Review of Entomology)中,Pratt 探讨了这种方法的实用性。
 
传送门:
https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev-ento-020117-043249
 
他和我们谈了他了解到的东西,我们将此整理为这篇访谈。
 
蚁群为何与大脑相似?
 
这是一种类比的思想,把蚂蚁比喻成脑细胞或者神经元,而蚁群就是整个大脑。相对于神经元所附属的整体而言,单个神经元是非常简单的。然而它们之间的相互作用,能让整个大脑输出非常复杂的结果。大量神经元间的相互作用产生了认知。
 
这样的事情也发生在蚁群中。蚁群能做出决定,分配劳动力,团结一致地行动。这一切群体层面的性能都来自于大量个体成员之间的互动。大脑、蚁群处理关于外界环境和自身状态的信息,进而产生一些适当的适应性行为,这样的行为可以称为认知。
 
为了去理解人类和其他动物的决策、学习、认知等方面的行为,心理学已经开发出了许多精确又严谨的研究方式、分析方法和概念。但是,它们通常被应用于个体层面,而不是集体层面。我们正在利用这些深刻的思想和方法来理解不同类型的智慧,既集体层面的智慧,而不是个体层面的智慧。
 
当然,这种类比也有一些明显的差异。
 
在解剖学中,每个神经元个体在大脑内的位置都相对固定的位置,彼此之间有着特定的联系。而两只蚂蚁之间并没有固定的关系,他们可以不停的运动。这是一个更加不稳定、动态的系统。注意这一点对于理解这个系统非常重要。
 
在自然界中,切胸蚁(Temnothorax rugatulus) 蚁群生活在狭窄的岩石裂缝中。而在实验室中,为了研究蚁群在选择新巢时是如何做出决定的,他们生活在可以改变光照强度和入口大小的人工巢穴中。如图所示,这是一群生活在人工巢穴中的蚁群,屋顶已经被取走。| Stephen Pratt
 
一个神经元不像一个蚂蚁那样独立自主。一个单个的蚂蚁本身就是一个能决策的实体。它有自己的大脑。这个意义上来说,蚁群就是由许多大脑组成的大脑。这是蚁群有趣的一面,你可以分离出单个的蚂蚁,或者使用整个蚁群做非常复杂的测试。这一特点将会影响到我们的实验设计。
 
你的主要工作都是研究蚁群如何选择巢穴,你能具体解释一下这项工作吗?
 
我们研究生活在岩石裂缝或空心坚果中的 切胸蚁(Temnothorax)。当它们不得不搬到一个新的巢穴时,它们会派出侦查员去寻找新的巢穴,选择一个最好的,然后组织一次搬家。这是一个非常有序的系统,很容易制作一个人工模拟的版本。蚂蚁窝很小,最多只有几百只工蚁,所以它们可以住在一个和你手掌差不多大的小盘子里。
 
你掀了房顶,就等同于拆了它们的家。然后你为它们提供一个或多个可供选择的新家。我们知道,蚂蚁为了能够保护它们的巢穴,他们会选择一个有小入口的昏暗的巢穴,由此实验人员很容易给工蚁设计挑战性的任务,并观察它们如何解决这些问题。
 
到目前为止,你发现了哪些关键的信息?
 
我们做了一个实验比较了单个蚂蚁和蚁群区分光照强度方面的能力,我们发现,当光线差异很小时,蚁群比单个蚂蚁能做出更好的决定。这是群体智慧的一个很好的体现——群体可以通过结合许多相对嘈杂、不精确的个体的判断来提高它们总体的敏锐度或精确度。
 
不同的是在亮度差异较大的,个体通常比群体能更快得到答案。这一点令我们感到惊讶,因为我们期待着群体智慧,能够适用于各个方面。
 
我们最好的猜测是,这些群体整合信息的方式有一个缺点。一只蚂蚁找到一个昏暗的巢穴,她能否征集到室友,取决于这个巢穴有多么的昏暗。另一只蚂蚁可能找到了一个更有竞争力的巢穴,那么,因为她的巢穴不够好,她征集到室友的概率就低了。
 
被征集来的蚂蚁能自行的决定是否停留在她的巢穴里。并且会在定居后也招募新的室友。这使得,蚁群能够检测到光线水平的微小差异,并移动到更暗更好的巢穴。
 
但是有时会发生一些偶然的错误,蚂蚁找到了一个不好的巢穴,并且把其他的蚂蚁也招到了这个巢穴,如果其他的蚂蚁也犯了同样的错误,对这个糟糕的巢穴感到过于兴奋,很快你就会发现这个错误被放大:集体疯狂。这种情况虽然不常发生,但这是一种危险却总是存在的。
 
单个蚂蚁而言,这种情况是不可能发生的,因为她必须做自己作出决定。如果能看出来哪一个蚁巢更加的明亮,那么一只蚂蚁会做出自己的判断,这个判断很可能是正确的。而且由于她没有陷入积极反馈级联的危险,那么在这种情况下,她可能会比一个群体做得更好。
 
如果你给蚂蚁一个更加复杂的问题会怎么样?
 
有时你会在没有明显正确答案的情况下做出抉择。你发现 蚁巢A 比蚁巢B 更暗,但是入口也更大,所以你不可能得到所有的好处。对于任何实体而言,这都是一个非常艰难的决定——对于人类、动物、蚁群来说皆如此。
 
有趣的是,这里存在一个众所周知的“诱饵效应”。如果你面临一个艰难的抉择,并且第三个选项明显比前两个选项中的某一个糟糕,可以反衬这个选项,使得这个选项更有吸引力。用正式的经济术语来说,这种行为是非理性的,因为虽然第三种选项明显糟糕,但人如何评价另外两个选项不应受此影响。但是人类却总是这样做。
         
蚂蚁会怎样做?
 
单个蚂蚁也会做同样的事情,你有两个选项面临着取舍,而第三个选项明显比其中的一个糟糕。比如说同样的光照强度,但是有一个入口更大,这样会使得一个小入口但是较明亮的巢穴,对单个蚂蚁来说更具有吸引力。把蚂蚁放到盒子中,当你提供了诱饵时,蚂蚁会表现得像一个人,并且改变他的偏好选择。
 
但是当我们对整个蚁群给出完全相同的挑战时,他们的行为就会如经济学家所言:忽略了诱惑。这个群体能够更加的理性,因为并没有蚂蚁去比较所有的三个选择,而是有一些蚂蚁访问的第一个选项,一些蚂蚁访问了第二个选项,还有一些蚂蚁访问了第三个选项。
 
这意味着评估阶段是完全独立进行的。在这个阶段,蚁群可以获得每个选项质量的数据,正如同经济学家所期望的那样。
 
所以蚁群比人类更理性?
 
在这种意义上,蚁群确实是更理性。
 
那学习和记忆能力呢?蚁群在这些方面上也有相同的表现吗?
 
在这个方面所做的研究还比较少。但是我们确实发现了一些相对微妙的影响,我们让蚁群们一次又一次的搬家。对于一些蚁群而言,蚁巢入口的大小是更加重要的特征,这个特征给工蚁提供强信息。而对于其他的蚁群而言,区别蚁巢好坏的特征是光照强度。所以这两类蚁群一次又一次的使用不同的标准做决策。
 
Stephen Pratt 的实验室利用人工蚁巢对蚁群提出了认知挑战。在木片上挖出来一个洞,并压在两个玻璃板之间,再在屋顶上钻一个孔作为入口,由此就搭建了能控制不同重要特征的巢穴,例如:入口的大小,和巢穴中的光照强度(通过顶部的深色滤光片控制)。该实验室研究了集体决策心理的诸多方面。这里展示的三个巢(左侧是诱饵)被用来验证蚁群对诱饵效应具有抵抗力,众所周知,诱饵效应会引起包括人类在内的个体动物的非理性选择。 | STEPHEN PRATT
 
之后,我们让蚁群做一个测试。在测试选择中,他们有两个蚁巢可供选择。蚁巢A 入口更小,蚁巢B 光线更暗。我们发现一直使用入口尺寸作为标准的蚁群,给这个特征赋予了更大的权重;相反使用光照强度作为标准的蚁群给光照强度赋予更高的权重。因此,他们在反复做出这样的决策时学到了一些东西。
 
而是否意味着由个体蚂蚁组成的蚁群学到了东西,或者说这种学习能体现在群体层面?
 
我们还没有搞清楚这一点,为了弄清楚这一点,我们必须标记更多的蚂蚁,做更多的实验,这非常的困难,我们还没有做到这一点。
 
心理学家常常会讲“性格”。蚁群也有性格吗?
 
刚刚发表了一篇不同种类的蚂蚁与树木共生的论文,树木为蚂蚁提供养分和生存空间,反过来蚂蚁能够保护树木免受食草动物的侵害。这是一种非常成熟紧密的互利共生关系。
 
题目:
Colony personality and plant health in the Azteca-Cecropia mutualism
地址:
https://academic.oup.com/beheco/article-abstract/29/1/264/4677340
 
我的学生发现一个连续统一的蚁群性格光谱:从敢于冒险且具有侵略性的蚁群,他们从对任何挑战(例如,食草昆虫或攀附的藤蔓)都反应强烈,到害羞的蚁群。不同性格的蚁群都是存在的。拥有敢于冒险的蚁群的树木,较少的受到食草动物的攻击。因此蚁群性格的差异,不仅影响到蚁群本身,也会影响到它互利互惠的伙伴。
 
这种“群体大脑”模式是社会昆虫独有的吗?还是,你可以将同样的见解应用于其他群体生活的动物,比如牛群?
 
我认为对于被认为有单一认知的超有机体而言,高度共同利益假设很重要。在个体融合的不那么紧密的其他社会模式中,认为个体拥有单一思想可能就不那么管用。但是在其他生物体中存在着成体系的合作和信息共享机制,因此有可能从中学到一些东西。
 
对于人类来说,我们能从蚂蚁身上学到什么吗?
 
显然,昆虫社会和人类社会之间有很多不同之处。但是,如果我们发现了他们行为的共同之处,也许我们就能从蚂蚁身上得到启发。
 
翻译:Leo
审校:Dr.gaster 
编辑:王怡蔺
 
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