Ученые исследуют распределение поведенческих черт и когнитивных функций в колониях муравьев

Муравьи — одни из наиболее социально развитых насекомых, но как они общаются между собой? Для поддержания жизни муравейника нужны лидеры-интеллектуалы и слаженная организация. Но проявляют ли муравьи свои индивидуальные способности в координации коллективной работы? Чтобы выяснить роль отдельных особей в направлении групповых действий, ученые из лаборатории поведенческой экологии Института систематики и экологии животных СО РАН исследовали распределение поведенческих черт и когнитивных функций в колониях муравьев в их зависимости от способов организации добывания пищи. Посвященная этому статья вышла в журнале Frontiers in Ecology and Evolution.

Говоря о муравьях, мы, как правило, представляем кипящий жизнью муравейник, населенный тысячами усердных тружеников. Науке уже давно известно, что муравьи способны обучаться, проявлять гибкость поведения в сложных ситуациях, их деятельность основана на разделении труда, и при этом они вступают в симбиотические отношения с другими насекомыми. Однако лишь в исследованиях последних лет ученым-мирмекологам удалось обнаружить у муравьев феномен личности, находящийся в тесной взаимосвязи с механизмами их самоорганизации. В этологии — науке о поведении животных — понятие «личности» (personality) существенно отличается от термина, применяющегося к людям, и обозначает сохранение у индивидуумов в разных обстоятельствах устойчивого сочетания разных поведенческих свойств, таких как уровень агрессивности, исследовательская активность, подвижность, смелость или робость, память, способности к обучению.

В мире известно более 14 000 видов муравьев, а их общий вес составляет пятую часть всей биомассы Земли. При этом размножением занимается лишь малый процент муравьиного сообщества. Превалирующее большинство составляют рабочие особи, которые распределены по разным кастам и субкастам. В зависимости от этапов и темпов роста колонии усложняется и общественная организация, что требует решения новых задач. Среди них — выбор стратегий группового взаимодействия и кооперации, а также регуляция количественного состава каст и субкаст.

«Мы исследовали разные виды муравьев для разных целей, —  рассказывает заведующая лабораторией ИСиЭЖ СО РАН, профессор Новосибирского государственного университета, доктор биологических наук Жанна Ильинична Резникова. — Для изучения “личностных” характеристик мы выбрали виды, во-первых, обладающие сложной социальной системой, а это характерно для видов с численностью семей не менее миллиона особей. Во-вторых, у выбранных нами видов члены касты рабочих все примерно одинаковые, среди них нет разделения на субкасты — скажем, солдат с их огромными головами и челюстями, микроскопических нянек и средних по размеру фуражиров. К таким видам, у которых разделение функций в многочисленной и сложно устроенной семье основано только на поведенческих, а не на морфологических характеристиках, относятся хорошо всем знакомые рыжие лесные муравьи. Их большие — иногда в рост человека — муравейники из хвои и веточек мы часто видим в лесу. Наши многолетние эксперименты в соавторстве с известным специалистом в области теории информации профессором Борисом Яковлевичем Рябко выявили у этих видов систему коммуникации, превосходящую своей сложностью и эффективностью всем известный язык танцев медоносных пчел. По нашему мнению, эта система основана на когнитивной специализации рыжих лесных муравьев, которая опирается на их “личностные” характеристики».

В большинстве поведенческих исследований общественных насекомых объектом изучения служат колонии, функционирующие как единый организм, каждый член которого работает на благо коллектива. При таком подходе анализируется усредненная реакция группы, например, в случае угрозы нападения или резкого изменения среды, либо исследовательская активность при поиске пищи или новых территорий. «Личностные качества» общественных насекомых ранее рассматривались на уровне семьи как единого целого, а не ее конкретных членов.

Сотрудники ИСиЭЖ СО РАН впервые изучили когнитивные способности и особенности поведения отдельных особей, от которых, как оказалось, зависит профессиональное разделение на разведчиков, фуражиров, пастухов, охранников. «Именно особенности организации социума рыжих лесных муравьев, связанные с распределением ролей в семье, давно привлекли наше внимание, — рассказывает Жанна Резникова. — Открыв у муравьев “профессии”, мы с сотрудниками ИСиЭЖ СО РАН — доктором биологических наук Татьяной Александровной Новгородовой и кандидатом биологических наук Иваном Константиновичем Яковлевым — задались вопросом: профессия выбирает муравья или муравей выбирает профессию? Как выяснилось, скорее, выбирает профессия, причем специализация закрепляется на всю жизнь. Есть набор качеств, которые проявляются уже в юном возрасте: агрессивность, интеллект, предприимчивость, скорость реакций, умение взаимодействовать с сородичами и чужими. Сочетание этих особенностей складывается в определенные “личностные типы”. В зависимости от них муравей получает свою профессию».

Определить личностные особенности рыжих лесных муравьев помогла серия лабораторных тестов. Об уровне агрессии говорила разная реакция во время встреч с жужелицами — конкурентами и врагами муравьев. Исследовательская деятельность измерялась количественной оценкой времени, затраченного муравьями на взаимодействие с пластиковыми моделями, имитирующими элементы естественной среды: камни, стволы деревьев, стебли травы. Пространственная ориентация оценивалась исходя из способности запоминать последовательность поворотов в лабиринте бинарного дерева.

«Охранниками становятся те особи, которые уже в раннем возрасте проявляют агрессивность и без колебаний бросаются защищать общие ресурсы, — добавляет Жанна Резникова. — Наши недавние эксперименты выяснили, что пастухи обладают лучшей памятью и способностями к обучению, чем охотники. А интеллектуальной элитой, составляющей около 1 % муравейника, являются разведчики. Изучив “личностные” свойства представителей разных профессий совместно с сотрудницей Научно-исследовательского института физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова кандидатом биологических наук Натальей Вадимовной Ацаркиной и кандидатом биологических наук Иваном Константиновичем Яковлевым, мы получили вот такой психологический портрет разведчика: он очень умен, в меру храбр, но осторожен и при опасности никогда не жертвует собой. У них высока исследовательская активность, и они часто переключаются с одного объекта на другой».

Муравьи постоянно обмениваются жизненно важной для всего сообщества информацией о найденных источниках пищи. После того как разведчик обнаружил пищу, он должен тем или иным способом сообщить фуражирам данные о ее расположении. Исследователи выделяют несколько основных типов мобилизации на источник пищи. У огромного количества видов муравей-разведчик, обнаружив еду, оставляет на пути к гнезду пахучий след, по которому затем ориентируются фуражиры. «В этой системе массового рекрутирования все рабочие хотя и различаются по своим «личностным» качествам (например, сочетание смелости, подвижности, исследовательской активности), но каждый может поучаствовать в фуражировке и как разведчик, и как мобилизуемый, — объясняет Жанна Резникова. — У некоторых видов привлечение к пище основано на парном взаимодействии разведчиков и фуражиров: в таком тандеме муравей, найдя пищу, быстро приводит к ней еще одного. Значительно меньшее число видов обладает групповой системой мобилизации, опирающейся на взаимодействие лидеров и небольших временных коллективов, создающихся для решения возникающей задачи: например, расчленить и утащить крупное насекомое. У них и сигналы более разнообразны: и воинственные танцы, и прямые похлопывания-подталкивания сородичей, и следовые феромоны. Свойствами лидеров обладают уже не все особи, а лишь имеющие склонность к такой деятельности. Но роль лидеров непостоянна. Возникнет другая задача, и решать ее будет новый временный коллектив. И, наконец, система, основанная на действиях интеллектуальной элиты — лидеров-разведчиков. У них разведчики работают на постоянной основе, большую часть своей жизни, взаимодействуют с постоянными по составу рабочими группами фуражиров и передают им точную информацию о координатах цели. Об эффективности сложной системы коммуникации и когнитивной специализации в семьях высокосоциальных видов (например, рыжих лесных муравьев) говорит биологический прогресс этой группы настоящих формик (Formica s.str): они распространены по всей бореальной зоне и являются одной из самых многочисленных групп наземных насекомых».

В ряде экспериментальных исследований была выявлена взаимосвязь между профессиями, поведенческими особенностями и когнитивными способностями рыжих лесных муравьев. Разведчик, помещенный в лабиринт с пищей, возвращался в гнездо и передавал данные своего маршрута небольшой группе фуражиров. Состав групп оставался постоянным, с периодом от нескольких дней до нескольких недель, при этом везде продолжал активно работать один и тот же разведчик. Оказалось, что обязанности разведчиков и фуражиров четко распределены в зависимости от их «личностных» особенностей.

«Наши многолетние эксперименты в соавторстве с Б.Я. Рябко показали, что у рыжих лесных муравьев, использующих систему “лидер-разведчик”, немногочисленные разведчики способны не просто запоминать путь в сложно устроенном лабиринте, но и улавливать закономерности и использовать их для оптимизации сообщений, которые они передают фуражирам, — рассказывает Жанна Резникова. — Ранее такие способности у насекомых известны не были. При этом фуражиры могут воспринимать и запоминать сообщения разведчиков, но сами они к интеллектуальным подвигам не способны. Они только могут действовать в соответствии с полученной инструкцией. По нашему мнению, именно на этой когнитивной специализации, опирающейся на “личностные” характеристики, и основана сложная система коммуникации высокосоциальных видов».

Мирмекологам еще многое предстоит узнать о когнитивных способностях и особенностях коммуникации муравьев разных видов. Может быть, нам уже сейчас стоит чему-то научиться у них, если не в личностном, то хотя бы в социальном плане? «Пытаясь ответить на этот вопрос, мы, боюсь, не пойдем дальше поверхностных аналогий, — считает Жанна Резникова. — Это и профессиональная ориентация в муравейнике, и оптимальный размер рабочей группы индивидуумов (пять-семь особей), и даже фиаско принципа “у нас незаменимых нет” на примере высокосоциальных и самых процветающих видов муравьев. Однако сказка (поверхностные аналогии) — ложь, да в ней намек. Общность механизмов социального поведения животных и людей, возможно, кроется весьма глубоко. Так, недавно было обнаружено фундаментальное сходство нейрохимического базиса поискового поведения у пчел и млекопитающих, включая человека. Можно лишь еще раз удивиться поразительной схожести закономерностей, проявляющихся в организации социумов у представителей столь далеких эволюционных ветвей».

Глеб Сегеда

Фото предоставлены исследовательницей

Информация и фото предоставлены Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН