Zmysł liczbowy u zwierząt

Zmysł liczb u zwierząt to zdolność stworzeń do przedstawiania i rozróżniania ilości względnych rozmiarów za pomocą zmysłu liczb . Zaobserwowano to u różnych gatunków, od ryb po naczelne . Uważa się, że zwierzęta mają przybliżony system liczbowy , ten sam system reprezentacji liczb, który zademonstrowali ludzie, który jest bardziej precyzyjny w przypadku mniejszych ilości, a mniej w przypadku większych wartości. Dokładna reprezentacja liczb wyższych niż trzy nie została potwierdzona u dzikich zwierząt, ale można ją wykazać po okresie szkolenia zwierząt trzymanych w niewoli.

Aby odróżnić poczucie liczb u zwierząt od symbolicznego i werbalnego systemu liczbowego u ludzi, badacze używają terminu liczebność zamiast liczby w odniesieniu do koncepcji, która obsługuje przybliżone oszacowanie, ale nie obsługuje dokładnej reprezentacji jakości liczb.

Zmysł liczb u zwierząt obejmuje rozpoznawanie i porównywanie wielkości liczbowych. Niektóre operacje numeryczne, takie jak dodawanie, zostały zademonstrowane u wielu gatunków, w tym u szczurów i małp człekokształtnych. Reprezentujące frakcje i dodawanie frakcji zaobserwowano u szympansów. Szeroka gama gatunków z przybliżonym systemem liczbowym sugeruje wczesne ewolucyjne pochodzenie tego mechanizmu lub wiele zdarzeń ewolucyjnych . Podobnie jak ludzie, pisklęta mają mentalną oś liczbową od lewej do prawej (kojarzą lewą przestrzeń z mniejszymi liczbami, a prawą przestrzeń z większymi liczbami).

Wczesne studia

Wilhelm von Osten i Sprytny Hans

Na początku XX wieku Wilhelm von Osten słynnie, choć przedwcześnie, stwierdził na przykładzie swojego konia Hansa, że zwierzęta mają zdolności liczenia podobne do ludzkich. Jego twierdzenie jest dziś powszechnie odrzucane, ponieważ przypisuje się je błędowi metodologicznemu, który otrzymał nazwę Sprytny Hans zjawisko po tej sprawie. Von Osten twierdził, że jego koń może wykonywać operacje arytmetyczne przedstawiane mu na piśmie lub ustnie, w które koń uderza kopytem w ziemię tyle razy, ile odpowiada odpowiedzi. Ta pozorna zdolność była wielokrotnie demonstrowana w obecności właściciela konia i szerszej publiczności, a także obserwowana pod nieobecność właściciela. Jednak po rygorystycznym dochodzeniu prowadzonym przez Oskara Pfungsta w pierwszej dekadzie XX wieku wykazano, że zdolność Hansa nie ma charakteru arytmetycznego, ale jest zdolnością do interpretowania minimalnych nieświadomych zmian w mowie ciała ludzi, gdy zbliżała się poprawna odpowiedź. Dziś zdolności arytmetyczne Sprytnego Hansa są powszechnie odrzucane, a przypadek ten przypomina społeczności naukowej o konieczności ścisłej kontroli oczekiwań eksperymentatorów w eksperymentach.

Były jednak inne wczesne i bardziej wiarygodne badania dotyczące zmysłu liczb u zwierząt. Wybitnym przykładem jest praca Otto Koehlera , który przeprowadził szereg badań nad zmysłem liczb u zwierząt w latach 1920-1970. W jednym ze swoich badań wykazał, że kruk o imieniu Jacob mógł niezawodnie rozróżnić liczbę 5 w różnych zadaniach. To badanie było niezwykłe, ponieważ Koehler zapewnił w swoim eksperymencie systematyczny warunek kontrolny, który pozwolił mu przetestować zdolność kruka do liczb niezależnie od zdolności kruka do kodowania innych cech, takich jak rozmiar i lokalizacja obiektów. Jednak prace Koehlera były w dużej mierze pomijane w anglojęzycznym świecie ze względu na ograniczoną dostępność jego publikacji, które były w języku niemieckim i częściowo opublikowane podczas II wojny światowej.

Układ eksperymentalny do badania poznania numerycznego u zwierząt został dodatkowo wzbogacony przez prace Francisa oraz Platta i Johnsona. W swoich eksperymentach naukowcy pozbawili szczury pożywienia, a następnie nauczyli je naciskać dźwignię określoną liczbę razy, aby uzyskać pożywienie. Szczury nauczyły się naciskać dźwignię mniej więcej określoną przez badaczy liczbę razy. Dodatkowo badacze wykazali, że zachowanie szczurów było zależne od liczby wymaganych naciśnięć, a nie np. od czasu naciskania, ponieważ urozmaicili eksperyment tak, aby obejmował szybsze i wolniejsze zachowanie szczura, kontrolując, jak zwierzę było głodne .

Metodologia

Badanie reprezentacji liczebności u zwierząt jest trudnym zadaniem, ponieważ nie jest możliwe użycie języka jako medium. Z tego powodu wymagane są starannie zaprojektowane konfiguracje eksperymentalne, aby odróżnić zdolności numeryczne od innych zjawisk, takich jak zjawisko Sprytnego Hansa, zapamiętywanie pojedynczych obiektów lub postrzeganie rozmiaru obiektu i czasu. Ponadto zdolności te są widoczne dopiero od kilku ostatnich dziesięcioleci, a nie od czasu ewolucji.

Uważa się, że jednym ze sposobów wykazania zdolności liczbowych jest przeniesienie koncepcji liczebności na różne modalności. Tak było na przykład w eksperymencie Churcha i Mecka, w którym szczury nauczyły się „dodawać” liczbę błysków światła do liczby tonów, aby poznać liczbę oczekiwanych naciśnięć dźwigni, ukazując koncepcję liczebności niezależną od wizualnej. i modalności słuchowych.

Współczesne badania w sensie liczbowym na zwierzętach próbują kontrolować inne możliwe wyjaśnienia zachowania zwierząt, ustalając warunki kontrolne, w których testowane są inne wyjaśnienia. Na przykład, gdy bada się sens liczb na przykładzie kawałków jabłek, testowane jest alternatywne wyjaśnienie, które zakłada, że zwierzę reprezentuje objętość jabłka, a nie liczbę kawałków jabłka. Aby przetestować tę alternatywę, wprowadza się dodatkowy warunek, w którym objętość jabłka zmienia się i czasami jest mniejsza w stanie z większą liczbą kawałków. Jeśli zwierzę woli większą liczbę elementów również w tych warunkach, alternatywne wyjaśnienie zostaje odrzucone, a twierdzenie o zdolnościach liczbowych jest wspierane.

Przybliżone systemy liczbowe i równoległe systemy indywiduacji

Uważa się, że liczebność jest reprezentowana przez dwa oddzielne systemy u zwierząt, podobnie jak u ludzi. Pierwszy system to przybliżony system liczbowy , nieprecyzyjny system używany do szacowania ilości. System ten wyróżnia się efektami odległości i wielkości, co oznacza, że porównanie liczb jest łatwiejsze i dokładniejsze, gdy odległość między nimi jest mniejsza, a wartości liczb są mniejsze. Drugim systemem reprezentacji liczebności jest równoległy system indywiduacji , który obsługuje dokładną reprezentację liczb od jednego do czterech. Ponadto ludzie mogą przedstawiać liczby za pomocą systemów symbolicznych, takich jak język.

Rozróżnienie między przybliżonym systemem liczbowym a równoległym systemem indywiduacji jest jednak nadal kwestionowane, a niektóre eksperymenty rejestrują zachowanie, które można w pełni wyjaśnić za pomocą przybliżonego systemu liczbowego, bez konieczności zakładania innego oddzielnego systemu dla mniejszych liczb. Na przykład rudziki nowozelandzkie wielokrotnie wybierały większe ilości przechowywanej w pamięci podręcznej żywności z precyzją, która korelowała z całkowitą liczbą elementów składowanych w pamięci podręcznej. Jednak nie było znaczącej nieciągłości w ich działaniu między małymi (od 1 do 4) i większymi (powyżej 4) zestawami, co byłoby przewidywane przez równoległy system indywiduacji. Z drugiej strony inne eksperymenty podają jedynie wiedzę o liczbach do 4, co potwierdza istnienie równoległego systemu indywiduacji, a nie przybliżonego systemu liczbowego.

Zmysł liczb u naczelnych

Badania wykazały, że naczelne mają podobne algorytmy poznawcze nie tylko do porównywania wartości liczbowych, ale także do kodowania tych wartości jako analogów. W rzeczywistości wiele eksperymentów potwierdziło, że zdolność liczbowa naczelnych jest porównywalna z ludzkimi dziećmi. Dzięki tym eksperymentom stało się jasne, że działa kilka neurologicznych mechanizmów przetwarzania — przybliżony system liczbowy (ANS), porządkowość liczb, równoległy system indywiduacji (PNS) i subityzacja.

Przybliżony system liczbowy

Przybliżony system liczbowy (ANS) jest dość nieprecyzyjny i w dużej mierze opiera się na szacunkach poznawczych i porównaniach. Ten system nie nadaje liczbom indywidualnej wartości, ale porównuje ilości na podstawie ich względnej wielkości. Wydajność tego ANS zależy od prawa Webera , które mówi, że zdolność rozróżniania wielkości jest podyktowana stosunkiem między dwiema liczbami, a nie bezwzględną różnicą między nimi. Innymi słowy, dokładność ANS zależy od różnicy wielkości między dwiema porównywanymi wielkościami. A ponieważ większe ilości są trudniejsze do zrozumienia niż mniejsze ilości, dokładność ANS również maleje wraz ze wzrostem liczebności.

Stwierdzono, że makaki rezusy ( Macaca mulatta ), po otrzymaniu pewnych obrazów obiektów o wielu właściwościach, tj. kolorach, kształtach i liczbach, szybko dopasowują obraz do innego z tej samej liczby przedmiotów, niezależnie od innych właściwości. Ten wynik potwierdza użycie ANS, ponieważ małpy nie definiują liczb indywidualnie, ale raczej dopasowują zestawy przedmiotów o tej samej liczbie, porównując ilości. Skłonność makaków do kategoryzowania i zrównywania grup przedmiotów według liczby bardzo sugeruje funkcjonowanie AUN u naczelnych.

Przykłady AUN u naczelnych istnieją podczas naturalnej konfrontacji w obrębie grup i między nimi. W przypadku szympansów ( Pan troglodytes ) intruz na terytorium grupy zostanie zaatakowany tylko wtedy, gdy intruz jest sam, a grupa atakująca składa się z co najmniej trzech samców — stosunek jeden do trzech. Tutaj używają ANS w drodze analizy porównawczej grupy najeźdźców i własnej grupy, aby określić, czy zaatakować, czy nie. Ta koncepcja społecznej wyższości liczebnej istnieje u wielu gatunków naczelnych i ukazuje zrozumienie władzy w liczbach, przynajmniej w sposób porównawczy.

Dalsze dowody na AUN znaleziono u szympansów, które z powodzeniem identyfikowały różne ilości pożywienia w pojemniku. Szympansy słuchały, jak produkty żywnościowe, których nie były w stanie zobaczyć, były wrzucane pojedynczo do osobnych pojemników. Następnie wybierali, z którego pojemnika będą jeść (w oparciu o który zawierał większą ilość jedzenia). Udało im się całkiem dobrze wykonać zadanie, wskazując, że szympansy miały zdolność nie tylko porównywania ilości, ale także śledzenia tych ilości w swoich umysłach. Eksperyment jednak załamał się przy pewnych podobnych liczbach poszczególnych artykułów spożywczych zgodnie z prawem Webera.

Zwyczajność

Najbardziej rozpowszechnioną u naczelnych umiejętnością liczbową jest zwyczajność – zdolność rozpoznawania kolejnych symboli lub ilości. Zamiast po prostu określać, czy dana wartość jest większa, czy mniejsza niż inna, jak ANS, zwyczajność wymaga bardziej szczegółowego rozpoznania określonej kolejności liczb lub elementów w zbiorze. Tutaj prawo Webera nie ma już zastosowania, ponieważ wartości rosną tylko przyrostowo, często tylko o jeden.

Naczelne wykazywały zwyczajność zarówno w przypadku tablic przedmiotów, jak i cyfr arabskich. Przedstawione z tablicami składającymi się z 1-4 elementów, makaki rezus były w stanie konsekwentnie dotykać tablic w porządku rosnącym. Po tym teście przedstawiono im tablice zawierające większą liczbę elementów i byli w stanie ekstrapolować zadanie, dotykając nowych tablic również w rosnącej kolejności. Co więcej, tempo, w jakim małpy wykonywały zadanie, było porównywalne z dorosłymi ludźmi.

Naczelne mogą również rozpoznawać sekwencje, gdy otrzymują tylko cyfry arabskie. Jeden z eksperymentów, znany potocznie jako „wyzwanie szympansów”, polegał na nauczeniu szympansów zapamiętywania prawidłowej kolejności cyfr arabskich od 1 do 9, a następnie naciskania ich w tej kolejności, gdy znikną rozproszone na ekranie. Szympansy nie tylko potrafiły rozpoznać prawidłową sekwencję rozproszonych liczb, ale także przypomnieć sobie prawidłową sekwencję po zniknięciu liczb z ekranu. Co więcej, byli w stanie zrobić to szybciej i dokładniej niż dorośli ludzie. Bez wizualnej reprezentacji wielkości reprezentowanej przez liczbę zadanie to oznaczało bardziej zaawansowaną zdolność poznawczą — rozróżnianie symboli na podstawie tego, jak odnoszą się one do siebie w szeregu.

Równoległy system indywiduacji

System równoległej indywiduacji (PIS) jest najtrudniejszym do znalezienia dowodem na istnienie systemu przetwarzania liczb u naczelnych. Dzieje się tak, ponieważ wymaga zrozumienia, że każda liczba jest symboliczną reprezentacją unikalnej wielkości, którą można manipulować matematycznie w inny sposób. PIS w przeciwieństwie do ANS jest zatem niezależny od potrzeby porównywania, pozwalając każdej liczbie istnieć samodzielnie z wartością określoną przez arytmetykę. Aby korzystać z PIS, trzeba mieć pewne zrozumienie liczb — specyficznych symbolicznych reprezentacji wielkości, które w określony sposób odnoszą się do innych symbolicznych reprezentacji wielkości. Na przykład „wyzwanie szympansów” pokazało jedynie, że naczelne rozumieją, że trzy istnieją przed czterema i po dwóch, a nie, że trzy mogą działać samodzielnie i niezależnie utrzymywać spójną wartość.

Często konfiguracja eksperymentalna wymagana do potwierdzenia istnienia PIS jest długa. Gdy naczelny został przeszkolony w wykonywaniu zadania wystarczająco długo, aby wyświetlić PIS, wyniki są zwykle przypisywane zwykłemu uczeniu się asocjacyjnemu, a nie dokładnemu zrozumieniu liczb. Aby dostarczyć jednoznacznych dowodów na istnienie PIS u naczelnych, badacze muszą znaleźć sytuację, w której naczelny wykonuje jakieś obliczenia arytmetyczne w naturze.

Jednak najbliżsi badacze, którzy z powodzeniem poparli PIS u naczelnych, znajdują się u makaków rezusów. W tym badaniu udowodniono, że makaki kojarzą bodźce słuchowe w postaci określonej liczby pojedynczych wokalizacji z odpowiednią liczbą osobników. Chociaż nie wymagało to od nich nauki cyfr arabskich, wymagało umiejętności wybrania dokładnej liczby dla numeru głosu, który usłyszeli, zamiast zwykłego porównywania ilości na podstawie wzroku lub w sekwencji.

Podporządkowanie

Innym ważnym zjawiskiem, które należy wziąć pod uwagę, jeśli chodzi o rozumienie liczb przez naczelne, jest subityzacja . Podporządkowanie to zjawisko, w którym mózg automatycznie grupuje wizualnie niewielką liczbę obiektów, nie wymagając od niego żadnego wyraźnego liczenia obiektów w pamięci. U ludzi subityzacja pozwala na rozpoznawanie liczb na parach kostek ze względu na grupowanie kropek, zamiast jawnego liczenia każdej kropki. Zasadniczo może dać poczucie liczbowe bez konieczności rozumienia systemu numerycznego przy małych ilościach.

Subityzacja u naczelnych jest widoczna w wielu eksperymentach. Udowodniono, że małpy rezus rozróżniają liczbę jabłek w pojemniku, nawet gdy manipulowano rozmiarami plasterków jabłek (niektóre większe, ale mniej plasterków). Chociaż można to przypisać PIS, porównywanie grup małych liczb sugeruje, że prawdopodobnie w grę wchodzi subityzacja, zwłaszcza że eksperyment załamał się, gdy liczby osiągnęły ponad cztery.

Zmysł liczbowy według taksonów

Ryba

Przybliżony system liczbowy został znaleziony u wielu gatunków ryb, takich jak gupiki , mieczyki zielone i komary . Na przykład preferencje dla większej grupy społecznej u komarów wykorzystano do przetestowania zdolności ryb do rozróżniania liczebności. Rybom z powodzeniem udało się rozróżnić różne ilości do trzech, po czym mogły rozróżnić grupy, jeśli różnica między nimi również wzrosła, tak że stosunek dwóch grup wynosił jeden do dwóch. Podobnie gupiki rozróżniały wartości do czterech, po czym wykrywały różnice tylko wtedy, gdy stosunek między dwiema wielkościami wynosił jeden do dwóch.

szczury

Szczury wykazywały zachowanie zgodne z przybliżonym systemem liczbowym w eksperymentach, w których musiały nauczyć się naciskać dźwignię określoną liczbę razy, aby zdobyć pożywienie. Chociaż nauczyli się naciskać dźwignię w sposób określony przez badaczy, między czwartym a szesnastym rokiem życia, ich zachowanie było przybliżone, proporcjonalne do oczekiwanej liczby naciśnięć dźwigni. Oznacza to, że dla docelowej liczby czterech odpowiedzi szczurów wahały się od trzech do siedmiu, a dla docelowej liczby 16 odpowiedzi wahały się od 12 do 24, wykazując znacznie większy przedział. Jest to zgodne z przybliżonym systemem liczbowym oraz efektami wielkości i odległości.

Ptaki

Ptaki były jednym z pierwszych gatunków zwierząt, które przetestowano pod kątem ich zmysłu liczb. Kruk o imieniu Jacob był w stanie rozróżnić liczbę 5 w różnych zadaniach w eksperymentach przeprowadzonych przez Otto Koehlera. Późniejsze eksperymenty potwierdziły twierdzenie o istnieniu zmysłu liczb u ptaków, z Alexem , szarą papugą, zdolną do oznaczania i rozumienia etykiet dla zestawów zawierających do sześciu elementów. Inne badania sugerują, że gołębie mogą również reprezentować liczby do 6 po intensywnym treningu.

Psy

Poczucie liczby stwierdzono również u psów. Na przykład psy były w stanie wykonać proste dodawanie dwóch przedmiotów, co ujawniło ich zaskoczenie, gdy wynik był nieprawidłowy. Twierdzi się jednak, że wilki radzą sobie lepiej w zadaniach związanych z rozróżnianiem ilościowym niż psy i że może to wynikać z mniej wymagającej selekcji naturalnej pod względem zmysłu liczb u psów.

Mrówki

Wykazano, że mrówki potrafią liczyć do 20 oraz dodawać i odejmować liczby w zakresie 5. U gatunków wysoce społecznych, takich jak mrówki leśne, zwiadowcy mogą przekazywać zbieraczom informacje o liczbie gałęzi specjalnego „labiryntu liczącego”, który mieli udać się po syrop. Ustalenia dotyczące wyczucia liczb u mrówek opierają się na porównaniu czasu trwania kontaktów informacyjnych między harcerzami a zbieraczami, które poprzedzały udane wyprawy grup zbierackich. Podobnie jak w niektórych archaicznych językach ludzkich, długość kodu danej liczby w komunikacji mrówek jest proporcjonalna do jej wartości. W eksperymentach, w których przynęta pojawiała się na różnych gałęziach z różną częstotliwością, mrówki stosowały proste dodawanie i odejmowanie, aby zoptymalizować swoje wiadomości.

Dzikie gryzonie

Pasiaste myszy polne ( Apodemus agrarius ) wykazywały poczucie liczb zgodne z precyzyjną oceną ilości względnych: niektóre z tych myszy wykazują dużą dokładność w rozróżnianiu wielkości, które różnią się tylko o jeden. Te ostatnie obejmują zarówno małe (takie jak 2 w porównaniu z 3), jak i stosunkowo duże (takie jak 5 w porównaniu z 6 i 8 w porównaniu z 9) ilości pierwiastków.

Zobacz też