CC BY
37
Общая биология
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 2 (2), с. 369-375
УДК 612:821.6+575:599.323.591
ПРИРОДНЫЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЭТОЛОГИЧЕСКИЙ КОД И ЕГО ИМИТАЦИЯ В ИСКУССТВЕННЫХ АЛГОРИТМАХ
© 2010 г. А.Б. Арефьев
Нижегородская государственная медицинская академия [email protected]
Поттупила е-идаоцию 22.02.2010
Проведено сравнение сигнального поведения высших животных различных видов. Выявлены общие принципы, применяемые и используемые в сигнальном поведении. Построена модель развития сигнального поведения, формирования отдельных демонстраций, взаимосвязи с мотивациями. Предложены и опробованы на практике алгоритмические методики расшифровки отдельных сигнальных демонстраций. Показана высокая доказательность полученных методик декодирования сигнальных демонстраций животных.
Ключиеыи тлоеа: коммуникативное поведение, сигнальная демонстрация, мотивация, этограмма, вариограмма, этологический код, модель сигнального поведения, алгоритм.
Введение
В основе этологии, как и в основе кибернетики, лежат одни и те же хорошо известные ныне схемы обмена информацией внутри коммуникативной пары, т.е. между двумя объектами по «каналу связи» (схема Шеннона), типа одноуровневой схемы: «Источник сообщений ^
Канал связи ^ Приёмник сообщений» [1].
Необходимость подобного рода ПАРНЫХ схем разных модификаций неизбежно и автоматически возникает для любых коммуникаций, в частности, в теории компьютерных сетей, где возникают и реализуются уже многоуровневые схемы, в частности, «модель OSI» [2].
Естественная необходимость появления таких многоуровневых схем обмена данными позволяет ныне в этологии, хотя бы отчасти, раз-
решить давний вопрос «инстинктивного» сигнального поведения животных и человека (СП). Практически, начиная с работы Чарльза Дарвина «О выражении чувств у человека и животных» [3], для пояснения сигнальных демонстраций (СД) биологи, без особых пояснений, применяют «спасительное», но безликое слово «инстинкт». Термин «инстинктивное» поведение (о человеке чаще говорят: «интуитивное» поведение), действительно позволяет как бы «уйти от ответственности», создать видимость некоего «научного объяснения» и «ответа», которых, однако же, вовсе нет.
В самом деле, например «ток» (брачное поведение) у птиц можно, казалось бы, объяснить с помощью простейшей ОДНОУРОВНЕВОЙ схемы (рис. 1) типа: «Самец ^ Инстинкт ^
Самка». А именно: Особь-1, ухаживающий са-
Рис. 1. Слева - концепция «объясняющего» инстинктивного поведения; справа - авторская концепция, кодирование и декодирование сигналов на основе модели Универсального этологического кода (УЭК)
Хаотичное ть Механизм нетЕ ег тен
Реакция Or ооь-1 О'ооь-2
Мотив ;|ЩШ Э (1М <j ) (1М
ИНСТИНКТ ) 777
Пое едение Ъг* ■—(
Дн Т НфМИНИр ОБ ^ННО! ТЬ
Механизм извне тен
Реакция Осооь-1 Ос ооь-2
Мотив 1ЩЫ О <1М О <1М
КОД (УЭК) О <im (Ш О <1Е (1М
Пое едение (S ш ■Д
<1Е г° <11
Рис. 2. Расширенная многоуровневая модель преобразования изменений внутренней мотивации ^М) в изменение внешнего поведения ^Е) и обратно. Слева - классический подход, введение понятия «инстинкт» не даёт объяснения происходящему; справа - авторский подход, введение понятия «Код» подразумевает ПАРНОСТЬ взаимодействующих компонентов, мотивации и поведения, по функциональной или коррелятивной связи
мец, «инстинктивно» применяет некие СД; Особь-2, самка, также «инстинктивно» эти самые СД воспринимает и понимает.
Однако с появлением чётко структурированного понятия «коммуникативная пара» понятие «инстинкт» также обретает структурированность [4]. В таком случае, вместо крайне смутного понятия «Инстинкт» целесообразно ввести другое новое сопрягающее понятие-«по-средник», более точное и структурированное, это - «код».
Тогда ТА ЖЕ ситуация обмена «инстинктивной» информацией на одноуровневой модели определяется более логично и просто: «Особь-1 ^ Код ^ Особь-2», т.е.: Особь-отправитель сигнала и Особь-получатель сигнала используют ОДИН и тот же этологический (поведенческий) код, однако Особь-1 на «Выходе» просто КОДИРУЕТ информацию; Особь-2 на «Входе» лишь ДЕКОДИРУЕТ её (рис. 1, 2), или наоборот. Таким образом, мотивация одного животного (или человека) становится известна другому животному (или человеку) с помощью одного и того же механизма, кода.
Мотивация (далее обозначим как «М», от «Motivation») у высших животных является внутренней основой внешнего СП (далее обозначим как «Е», от «Ethologia» - поведение), в отличие от которого она недоступна прямому наблюдению. Выявление dM, т.е. внутренних изменений М, технически значительно сложнее, чем наблюдение dE, т.е. изменений внешнего Е (символ дифференциала «d» взят как знак изменения, перехода, смены).
Такая ситуация автоматически ставит задачу следующего рода: можно ли, на основе наблюдения известного dEK, т.е. «видимых» изменений внешнего сигнального поведения, сделать
некий вероятностный вывод о характере неизвестного dMх, т.е. изменении «невидимой» мотивации?
Отметим, что здесь и далее вводимые математическая символика и терминология имеют исключительно формально-понятийное (коди-ровочное) содержание, безотносительное к их математическому смыслу.
Материал и методика
Приведен фрагмент исследования, выполненного по теме «Сигнальное поведение животных и человека», в рамках новой концепции, которую можно обозначить как «Универсальный этологический код». Это новое информационное понятие, необходимость существования которого прогнозировал основатель этологии - науки о поведении животных [5].
У К. Лоренца основой методики исследования был «мотивационный анализ СП» (МАСП), использующий чисто статистические сопоставления типа «Ситуация - Демонстрация», крайне слабо учитывающий логику построения и структуру СП.
В силу такого подхода, в работах Лоренца 1) не формализованы описания СД, наблюдавшихся им, и СД, известные ранее; 2) не создан «метаязык» этологов; 3) не выявлено сигнальное значение ряда СД; 4) не даны трактовки мотивациям зафиксированных СД; 5) не создана теоретическая база УЭК, спрогнозированного им же самим.
Сравнение с работами современных ведущих этологов выявляет, что и в их работах так и не сформированы положения исходной концепции Лоренца об УЭК. Так, при анализе брачных ри-
туалов у птиц не предлагают ничего, кроме общего бесструктурного и неорганизованного описания наблюдавшихся СД [6-9].
Предложен новый подход к трактовке и объяснению СП высших животных и механизмам его происхождения, новая методика, обозначенная как «информационный анализ СП» (ИАСП). Данная методика органично дополняет МАСП и значительно расширяет возможности исследователя, позволяя выявить и использовать основные принципы УЭК.
Результаты и обсуждение
Разработан математический аппарат, обозначенный как ЭФД - «этолого-физиологи-ческий дифференциал» [10] или иначе «дифференциальная этология». Основные положения его таковы:
Положение 1. Будем считать, что мотивация М системы однозначно отображается на её внешнем поведении Е (изоморфизм, гомоморфизм): Е & М.
Положение 2. Примем, что всякое изменение мотивации системы dМx приводит к изменению поведения этой системы dEx, причем взаимосвязь эта - линейна или близка к линейной. Это можно записать как соответствие изменений dE & dM, или как формулу взаимосвязи Е и М через их дифференциалы (переходы, изменения) в виде уравнения dE = к dM, где dE - изменение поведения Е; dM - изменение мотивации М; к -коэффициент декодирования с размерностью Е/М.
Положение 3. Всякая биологическая система состоит из отдельных элементов (например, у животного - голова, тело и пр.) и общее мотивационное изменение, физиологически «распределяясь» на частные элементы системы, вызывает в них СООТВЕТСТВЕННЫЕ ^Е & dM !) частные этологические изменения типа: наклон головы, оскал, вскрик, съёживание и прочее, то есть сумму внешних поведенческих реакций, отвечающих данной мотивации dМx и складывающихся в общий комплекс поведенческого ответа dEx.
Классическая этология, исходя из чисто внешней вероятностной трактовки СД («Поза-Ситуация»), например при анализе конфликтных ситуаций, изобилует крайне расплывчатыми подобиями объяснений мотиваций типа:
1) «поза... порождается одновременно возникающими стремлениями к нападению и бегству» [11]; 2) «первая из реакций. связана с конфликтом между тенденциями бежать и остаться на месте.» [6] и т.п. Однако трактовки СД можно сделать куда более конкретными.
Комплекс изменений M и E можно записать как «полное приращение» (А — точно, теоретически) или «полный дифференциал» (d — приближённо, в условиях практических наблюдений):
AM = АМ1 + АМ2 + АМ3 + ... + Const и AE = AE1 + AE2 + AE3 + ... + Const, dM = dM1 + dM2 + dM3 + . + Const и
dE = = dE1 + dE2 + dE3 + . + Const ,
где цифры 1, 2, 3 и т.д. обозначают элементы системы или изменяемые факторы; буква d (или же A) есть знак изменения данного элемента при соответствующей мотивации - как отличие: а)
от собственной нормы («среднего» состояния), б) от нормы состояния других особей, в) от предыдущего состояния как нормы (во времени, по месту, по возрасту и пр.) и т.д.
Этологическое, т.е. чисто поведенческое, наблюдаемое внешнее изменение позволяет конкретизировать смысл каждого частного дифференциала (dEi, dE2, dE3 и пр.) через вполне наблюдаемые и, более того, легко ИЗМЕРЯЕМЫЕ физические ВНЕШНИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ изменений системы, связанных с данной мотивацией. Это, например, более громкое рычание - dR, больший оскал зубов - dS, более высокое поднятие хвоста - dh и пр. Тогда, например:
dE = dER + dES + dEh+... + Const dE = E’r dR + E’S dS + E’h dh + ... + Const (dEj + dE2 + dE3 + ... ) / k = dMj + dM2 + dM3 + ... (dEt / k ) + (dE2 / k2 ) + (dE3 / k3 ) + ... =
= dMj + dM2 + dM3 + ...
1) правая часть последнего выражения представляет собой систему частных мотиваций -«физиологический дифференциал»; 2) левая часть - есть система частных поведенческих изменений, соответствующих данным частным мотивациям - «этологический дифференциал»; 3) смысл исходного выражения dE = k dM, в таком случае, можно теперь раскрыть уже вполне конкретно - как совокупный «этологофизиологический дифференциал» (ЭФД).
Фрагментами УЭК здесь являются индуктивно выявленные автором переходные сопрягающие коэффициенты k (отражающие принципы сигнального поведения - U, Z, T, N), с размерностью Ех/Мх. Они позволяют перейти от наблюдаемых в поведении Е известных изменений физических параметров Х к неизвестным изменениям мотивации М, и - обратно. Они учитывают качественные (U) и количественные (Z), временные (T) и пространственные (N) изменения действий и сигналов наблюдаемой биосистемы.
Что же надо предпринять для декодирования каждого конкретного dEx?
По определению, dEx & dMx. Существует очевидное отношение вида dEх/E = dMх/M или, подробнее, dEх//(E) = dMх/j(M). Рассматривая dEх как «часть», а Е - как «целое» (аналогично, как «часть» и «целое» - dMх и М), мы имеем «содержание» dEх в Е, «встречаемость» dEх в Е, т.е. отношение dEх/E = /Ех, однако £ех есть либо относительная частота dEх в УЖЕ наблюдаемом РЕАЛЬНО поведении, либо вероятность появления dE/E = рЕх.
Отношение dMх/M = рМх НЕ ИЗВЕСТНО, однако /Ех = рМх, а рМх - есть вероятность трактовки либо уже данной мотивации, либо прогноза будущей мотивации наблюдаемого внешнего поведения dEх (см. выше).
Так, например, если dEx принять как dEs, то есть как изменение поведения Е по фактору S (где S - площадь крыла, хвоста, хохолка, плавника и пр.), мы получим естественное выражение типа Ед dS = [Е/М] dMх.
Здесь Е/М = к, коэффициент кодирования-декодирования, формально и есть то самое центральное звено, СВЯЗУЮЩЕЕ входные Е и М, которое выше было обозначено как УЭК - Универсальный этологический код.
Однако соотношение Е/М = ДЕ)/](М) = к, как ни странно, давно знакомо этологам. Это уже упомянутые и хорошо всем известные «это-граммы» (рис. 3). Этограммы многие годы являются рабочим инструментом в практике изучения сигнального поведения: Е или /Е) - некий выявленный (т.е. реально наблюдавшийся, но - не более!) у животного комплекс дискретных сигнальных демонстраций; М или j(M) -соответствующий им комплекс дискретных мотиваций. Этограмма, понятно, жёстко фиксированный и не детализированный дискретный набор. Как инструмент - крайне приблизительный, грубый, статичный и не гибкий во всякой новой ситуации.
Предлагается принципиально новый «динамический» подход, являющийся более тонким и многообразным, названный «вариограмма» (рис. 4, 5). В ней используется не только грубое соответствие комплекса Е и комплекса М по типу Е/М = к, но и тонкое соответствие локальных изменений dEх к dMх, также, впрочем, равное к ^ЕхММх = к).
Возникает новый вопрос: можно ли теперь, на основе предложенного подхода («варио-
Рис. 3. Сигнальная этограмма применима как ПЕРЕВОДЧИК, код Е/М с «птичьего» языка на язык человеческий (или - наоборот). Входная стрелка указывает выбранную позу, выходная стрелка - трактовка позы (значение, смысл, сигнал, мотивация Мх). Слева - классическая этология, МАСП, серый гусь Атег атег [5]; справа - авторские наблюдения, ИАСП, кулик-сорока Наетайзрш одйа^ш [12]. Результаты идентичны
Рис. 4. Слева - классический подход: «этограмма» - группа сложных комплексов (специфических действий и сигнальных демонстраций); может рассматриваться как «полный дифференциал» dE; использует общую сумму вероятностей; справа - авторский подход, «вариограмма»: работает более тонко, захватывая и более низкий уровень, используя изменения факторов dEx, dEy, dEz„ т.е. «частные дифференциалы»; использует сумму условных («частных») вероятностей, как в теореме Байеса
Рис. 5. Классическая этология: «этограмму» получают сопоставлением частот СД и частот ситуации её применения (т.е. это чисто статистический подход без осмысления). Поэтому, если СД редка или наблюдается впервые, классическая этограмма бесполезна и бессильна при попытках расшифровки; авторский подход, «дифференциальная этология», наша «вариограмма» позволяет учитывать фрагменты СД и даже прогнозировать неизвестные ранее. Подобным образом отличаются простой примитивный «разговорник» и «учебник грамматики». Ход сигнала - слева направо, dEх и dMх - изменения поведения и мотивации
граммы») создать искусственный алгоритм декодирования?
Выяснено: структура схемы позволяет составить УЭК-модельный для ИМИТАЦИИ работы УЭК-естественного (рис. 6), используя НЕОБХОДИМО СХОДНУЮ последовательность действий декодирования наблюдаемого СП, при составлении искусственных ЭТологи-ческих Алгоритмов дешифровки (ЭТАЛ). Данная структура ДОЛЖНА состоять из трёх этапов.
Этап 1. Наблюдение (этология, вход, внешнее проявление - йЕХ). Следует реально выявить или спрогнозировать ДЕ), т.е. «полную группу» (в терминах теории вероятности) возможных изменений по всякому сигнальному
фактору Х и определить в этой группе конкретное положение и состояние наблюдавшегося изменения dEx. Так, все возможные положения клюва в горизонтальной плоскости: «Вперед», «Назад», «Вправо» и т.п., но - не более.
Этап 2. Декодирование (этология-физиология, переход, внешнее-внутреннее -dEx/dMx). Следует сопоставить, выявить попарное соответствие частных вариантов dEх из полной области ДЕ) и частные варианты dMх из полной группы возможных сигнальных мотиваций j(M). Пространства изменений внешнего поведения будут декодированы в пространства изменений мотивации. Например: возможные положения клюва по горизонтали сопоставлены с конкретными возможным мотивациями
Природный алгоритм
Рис. 6. Имитация УЭК-природного с помощью УЭК-даемой сигнальной демонстрации (здесь - dEx).
Искусственный алгоритм
в методиках ЭТАЛ для декодирования наблю-
1 -г 'Ji 3 5 6 Р
7 8 1<L - Mt 11 12
Рис. 7. Движения и позы брачного ритуала кряквы Anas plathyrhynchos: 1 - покачивание клювом, 2 - вытягивание шеи, 3 - помахивание хвостом, 4 - подъём с опущенным клювом, 5 - приподнятый хвост, 6 - поворот к самке, 7 - вытягивание шеи, 8 - отворачивание головы, 9 - грудь колесом, 10 - покачивание, 11 - закручивание шеи, 12 - показ «зеркальца»
(«клюв вперёд» - «атака», «агрессия»; «клюв назад» - «страх», «бегство» и т.п.).
Этап 3. Трактовка (психофизиология, выход, внутреннее проявление - dM). Выявив попарное соответствие dEх и dMх, необходимо вероятностно «трактовать» полученную предположительную мотивацию, причём, как показывает практика, не только в неких «онаученных» терминах, но и в чисто разговорном виде. Так, поворот клюва к партнеру можно трактовать либо как «рез-
кое усиление Условной Агрессии», либо в разговорном языке как сигнал «Уходи! Это не твоё! Это моё место! Я - хозяин!», «Ты - чужой!» и т.п.
Каковы возможности применения этологи-ческого алгоритма?
Как образец использования авторских методик декодирования ЭТАЛ был СПЕЦИАЛЬНО избран брачный ритуал кряквы Anas plathyrhynchos, который описал лауреат Нобелевской премии Конрад Лоренц.
Таблица
Анализ ритуала Anas plathyrhynchos по методике ЭТАЛ
СИ - сигнальная информация Описание демонстрации СИГНАЛЬНЫИ СМЫСЛ конкретно взятой демонстрации
Этап 0. Избрание конкретной dE Этап і. ССИ Сортировка (иначе - dEx) Этап 2. ДСИ Декодировка (иначе - dEx/dM) Этап 3. ТСИ Трактовка СИ (иначе - dM)
dE1. Покачивание клювом Z du Z du & K da Я мирен!
dE2. Привставание-1 Z du Z du & K da Я мирен, беззащитен!
dE3. Махание хвостом Z dn Z dn & K da Боюсь тебя, убегу!
dE4. Привставание-2 Z dn + Z dU K da + K dа Боюсь! Очень боюсь!
dE5. Хвост вверх Z dn du Z dn du & K da Я мирен, беззащитен!
dE6. Поворот к самке Z + Z du K + K da Я не нападаю!
dE7. Клюв у поверхности Z dN Z dN & K da Я маленький, слабый!
dE8. Отворачивание Z dN Z dN & K da Я не нападаю, убегаю!
dE9. Привставание-3 Z + Z dU Z + Z dU & K da Боюсь! Очень боюсь!
dE10. Покачивание Z du dn Z du dn & K da Я мирен, беззащитен!
dE11. Закручивание шеи Z du Z du & K da Я мирен, беззащитен!
dE12. Спрятанная голова Z dN Z dN & K da Меня нет! Я убежал!
Выводы
Ситуация, отражённая в правой колонке таблицы (этап 3, ТСИ, трактовка), необычайно любопытна. Несмотря на внешнее кажущееся «многообразие» сигнальных демонстраций, в брачном ритуале (т.е. «ритуале схождения» незнакомых ранее птиц, знакомстве с целью составления семьи), при использовании нашей методики, выявлено применение ТОЛЬКО, мирных и умиротворяющих демонстраций самца по отношению к самке (!). У Конрада Лоренца такие выводы НЕ сделаны (!), поскольку смысловой анализ отдельных СД (да и цель их выявления) у него попросту НЕ присутствует (!).
Таким образом подобная, совершенно внезапно выявленная здесь «система комплиментов» наглядно показывает существование и использование в живой природе совершенно определённой системы этологических Запретов и Разрешений сигнального характера, доказывая, фактически, что гипотетический «УЭК» - Универсальный этологический код -реально существует. Автором проделаны десятки анализов с помощью ЭТАЛ, как по собственным данным, так и по приведенным в литературе. Все они доказывают высокую эффективность и перспективность подобных методик.
Список литературы
1. Шеннон К. Математическая теория связи. М.: ИЛ, 1963.
2. Нанс Б. Компьютерные сети. М.: Бином, 1996.
3. Дарвин Ч. О выражении чувств у человека и животных. М.-Л.: Госиздат, 1927.
4. Роджерс Э., Агарвала-Роджерс Р. Коммуникации в организациях. М.: Экономика, 1980.
5. Лоренц К. Агрессия. М.: Прогресс-Универсум, 1994.
6. Хайнд Р. Поведение животных: Синтез этологии и сравнительной психологии. М.: Мир, 1975.
7. Дьюсбери Д. Поведение животных: сравнительные аспекты. М.: Мир, 1981.
8. Меннинг О. Поведение животных. М.: Мир, 1982.
9. Зорина З.А., Полетаева И.И., Резникова Ж.И. Основы этологии и генетики поведения. 2 изд. М.: Изд. МГУ, 2002.
10. Арефьев А.Б. Анализ сигнального поведения биосистем и этолого-физиологический дифференциал // В сб.: Матер. III Междун. научнопрактической конф. «Динамика научных достижений-2004». Т. 32. Биологические науки. Днепропетровск: Наука и освита, 2004. С. 3-6.
11. Тинберген Н. Социальное поведение животных. М.: Мир, 1993.
12. Арефьев А.Б. Этологический алгоритм (ЭТАЛ) и его применение в анализе сигнального поведения // В сб.: Проблемы экологии в современном мире. Матер. Всерос. Интернет-конф. Тамбов, 2004. С. 56-60.
NATURAL UNIVERSAL ETHOLOGICAL CODE AND ITS SIMULATION BY ARTIFICIAL ALGORITHMS
A.B. Arefiev
A comparison has been made of the signal behaviour of different species of higher animals. General principles applied in the signal behaviour have been revealed. A model has been built of the signal behaviour development, the formation of particular demonstrations, and interrelation with motivations. Algorithmic procedures of some signal demonstration interpretations have been proposed and tested. The validity of the proposed procedure to decode animal signal demonstrations has been confirmed.
Keywords: communicative behaviour, signal demonstration, motivation, ethogram, variogram, ethological code, signal behaviour model, algorithm.
