سؤال وجواب عن أسرار الرياضيات لنحل العسل

ايهاب محمد زايد-مصر
عندما علمت سكارليت هوارد نحل العسل أن يقوم بالحسابات ، أظهروا لها كيف يمكن أن تكون الأرقام الأساسية لجميع الأدمغة.علمت سكارليت هوارد نحل العسل كيفية إضافة وطرح وفهم الصفر. براعتهم تشير إلى أن جميع الحيوانات قد يكون لديها موهبة رياضية أكثر مما كنا نظن.
سكارليت هوارد تعلم الرياضيات لنحل العسل. بدأت ببضعة خلايا على شرفة خرسانية في جامعة RMIT في ملبورن ، عندما كانت مرشحة لنيل درجة الدكتوراه في علم الحيوان. اليوم ، في جامعة تولوز ، حيث هي زميلة ما بعد الدكتوراه ، تُجرى دروسها في حقل صغير به ما يقرب من 50 خلية.
قد يبدو غريباً بعض الشيء – النحل حشرات ، بعد كل شيء ؛ ماذا يعرفون عن الرياضيات؟ وهناك الكثير، كما تبين. يمكن لهذه الحشرات الطائرة eusocial أن تضيف وتطرح بل وتستوعب مفهوم الصفر.
قال هوارد “يمكنك أن ترى عملية صنع القرار لديهم في تحركاتهم وأنماط رحلاتهم”. أثناء تحديد أي من إجابتين هو الصحيح ، غالبًا ما يتجهون نحو أحد الحلول قبل أن يبدو أنهم يفكرون فيه بشكل أفضل وينطلقون نحو الآخر.
يعلم هوارد نحلة واحدة في كل مرة ، ويضعها بجانب جهاز يعرف باسم متاهة Y ، وهو صندوق مغطى على شكل حرف Y كبير. تدخل النحلة الجزء السفلي من الحرف Y وترى سؤالًا رياضيًا ، معبرًا عنه في الأشكال والألوان . في دروس الحساب ، تعني الأشكال الزرقاء “إضافة 1” إلى العدد المحدد من الأشكال ، بينما تعني الأشكال الصفراء “طرح 1.” للإجابة على السؤال ، تختار النحلة من أحد الحلين المحتملين الموجودين عند مداخل الذراعين Y. ستجد النحلة مكافأة – ماء سكر – في الذراع مرتبطة بالإجابة الصحيحة ، وعقابًا – ماء منشط ، يجد النحل مرارة – في ذراعه بإجابة غير صحيحة.
لتعليم النحل الصفر تقريبًا ، دربته أولاً على فهم مفهوم “أقل من”. كما هو الحال مع مشاكل الجمع والطرح ، قدمت تعزيزات للاختيارات الصحيحة. بمجرد أن أثبتت نحلة ما أنها تفهم “أقل من” ، تقدمت تلك النحلة إلى مرحلة الاختبار من تجربتها ، حيث ستقرر ما إذا كان أي عدد من الأشكال أقل من الصفر من الأشكال – وهو رقم لم يسبق أن واجهته النحلة من قبل. كل نحلة لديها فرصة واحدة فقط للإجابة. غالبًا ما حدد النحل “الأشكال الصفرية” على أنها أصغر من أي عدد من الأشكال ، وخلص هوارد إلى أنه يجب أن يمتلكوا فهمًا فطريًا بأن الصفر أصغر من أي عدد صحيح موجب.
لكل تجربة ، تدرب هوارد وتختبر ما يقرب من 100 نحلة عشوائية من بين الآلاف في خلاياها. التعامل معهم بسيط بما فيه الكفاية. بعد كل اختيار صحيح ، تطير النحلة مرة أخرى إلى الخلية من تلقاء نفسها لتفريغ مكافأتها اللطيفة. ثم ، في مرحلة ما ، سوف يعود. وذلك لأن النحل هو مكان مركزي للباحثين عن الطعام ، مما يعني أنهم سيتذكرون التجربة ويعودون إليها للحصول على موارد إضافية. للتحضير لتلميذها التالي ، قام هوارد بتغيير المنبهات في متاهة Y. لديها المئات ، وربما الآلاف من المحفزات المطبوعة والمغلفة.
قال هوارد: “إنها مغلفة حتى نتمكن من تنظيفها بالإيثانول ، لأن النحل سوف يترك رائحة”. “سيفعلون أي شيء للغش في الاختبارات. إنهم أذكياء! سيحددون الإجابة الصحيحة. النحل ليس بالبساطة التي كنا نعتقدها. أو حتى كما يعتقد بعض الناس أنهم كذلك “.
سكارليت هوارد تتفقد نحل العسل في خلية مدخنة في System Garden في جامعة ملبورن. لقد أثبتت الحشرات الصغيرة أنها بارعة في تعلم العديد من المفاهيم الحسابية.
ما الذي ألهمك أولاً للبحث عن القدرات الرياضية للنحل؟ هل كنت من محبي البق؟
لطالما كنت خائفًا حقًا من النحل. ولكن عندما كنت في الجامعة في أستراليا ، أخبرني Adrian Dyer ، الذي يعمل على القدرات المعرفية للنحل ، “يمكن للنحل فعل أشياء رائعة حقًا. يمكنهم التعرف على الوجوه البشرية والتنقل في المتاهات “. فكرت ، “حقا؟ هل هذا صحيح؟ أريد أن أرى ذلك بنفسي “. لذلك طرحت فكرة العمل على القدرات المعرفية للنحل على درجة الدكتوراه المحتملة. المشرفين.
اعتقدنا ، “يمكننا القيام بشيء إما ينطوي على مخاطرة عالية حقًا / مكافأة عالية ، أو يمكننا القيام بشيء أقل خطورة ولكن أقل إثارة للاهتمام.” لقد جربنا شيئًا محفوفًا بالمخاطر أولاً – ما إذا كان النحل يمكنه فهم الصفر على نفس المستوى الذي يفهمه بعض الرئيسيات والطيور.
تعرف معظم الحيوانات ، على سبيل المثال ، ما إذا كان لديهم “بعض الطعام” أو “لا طعام” أمامهم أم لا. هل يمتلك النحل حقًا أكثر من هذا الفهم الأساسي للصفر؟
يستطيع النحل وضع الصفر ضمن سلسلة متصلة عددية. إنهم يعرفون أن صفرًا أقل من 1 ، وأقل من 2 وأقل من 3. وهم يعرفون أيضًا أن الصفر أكبر “أقل من 6” مما هو “أقل من 1.”
العديد من الحيوانات لديها صعوبة في الصفر. ربما كان الرقم 1 هو أقل رقم رأوه على الإطلاق. عندما حصلنا على نتائج إيجابية من تلك التجربة تظهر أنهم يعرفون أن الصفر أقل من أي عدد صحيح موجب ، كان من المثير حقًا أن نرى ذلك.
بالطبع ، لدى النحل المختلف عمليات تعلم مختلفة. البعض يبلي بلاءً حسنًا منذ البداية. بعضها سيء حقًا. ترى هذه اللحظة حيث يبدأون في تصحيح الأمور أكثر فأكثر. أنت لا ترغب في تجسيدهم كثيرًا ، ولكن من المذهل حقًا مشاهدة كيف يتعلمون.
هل بعض النحل أفضل في الرياضيات من النحل الآخر؟
لقد قمنا بالفعل بتحديد ذلك كميا. لدينا فيزيائي نظري في فريقنا يعمل على القدرة العددية للنحل. أجرى بعض التحليل البايزي على نتائجي. كنا نأمل في العثور على لحظة يمكننا أن نقول فيها ، “حسنًا ، يتحول النحل من كونه غير جيد جدًا في المهمة الحسابية إلى فهمه في هذه المرحلة المحددة.” لكننا لم نجد اتساقًا بين الأفراد. اللحظة التي تحولت فيها نحلة واحدة من الأداء السيئ حقًا إلى الأداء الجيد حدثت في مرحلة مختلفة لكل نحلة.
تحتوي أدمغة نحل العسل على أقل من مليون خلية عصبية ، لكن لا يزال بإمكانها أداء مهام رقمية معقدة ، مما يشير إلى أن الإحساس بالأرقام قد يكون متأصلًا في الحيوانات.
بعبارة أخرى مثل الناس. إذن ، هل هناك روابط أخرى؟ في فهم القدرات العددية للنحل ، هل نكتسب نظرة ثاقبة للقدرات العددية للبشر؟
يفصل بين البشر والنحل أكثر من 600 مليون سنة من التطور. إذا كان كلا النوعين قادرين على القيام بمهام عددية مماثلة ، فقد نكتسب نظرة ثاقبة لتطور القدرة العددية. هل هذا التطور متشعب؟ متقاربة؟ موازي؟
هناك جدل كبير حول القدرة العددية في الحيوانات. يجادل أحد الجوانب بأن الإدراك العددي – المهام المعقدة مثل الجمع والطرح والضرب والقسمة – ممكن فقط بسبب اللغة والثقافة ، وتحديداً قدرات الإنسان على كتابة الأشياء والتحدث. يجادل الجانب الآخر بأن الحيوانات لديها حاجة تطورية لمعالجة المعلومات الرقمية.
عملنا يدعم الحجة الثانية. نرى حشرة تقوم بعملية الجمع والطرح وتتعلم “أكبر من” و “أقل من”. لاحظ العلماء القدرات العددية عبر العديد من الأنواع المختلفة. يبدو أن هذه القدرات قديمة تطوريًا – شيء حدث في سلف مشترك منذ زمن بعيد. فرضيتي هي أن النحل والحيوانات الأخرى يمكنها معالجة المعلومات الرقمية بدون ثقافة وبدون لغة لأن لديهم حاجة استمرت عبر الزمن.
أي نوع من الحاجة؟ لماذا يستفيد النحل من هذه المهارات العددية؟
نحن نعمل على هذا السؤال. نحن نحاول أن نرى كيف يمكن أن يكون التمييز بين الأرقام والحس الرقمي مفيدًا في أنشطة البحث عن الطعام. ربما تساعدهم الأرقام في تحديد رقعة الزهرة التي قد تكون أكثر فائدة لهم. يهتمون بكمية الزهور. قد تكون القدرة على حساب المعالم مفيدة حقًا للتنقل بين خليتهم والأماكن التي بها موارد. هناك أيضًا ورقة قديمة تشير إلى أن النحل يستخدم رقم البتلة للتمييز بين أنواع الزهور.
يختلف هذا البحث عما قمنا به سابقًا ، لأن المهمة التي تقوم بها النحلة يجب أن تكون ذات صلة بيئيًا بها في بيئتها الطبيعية. نريد أن ننظر في كيفية اتخاذهم للاختيارات في غياب التدريب ، وما إذا كانوا لا يزالون يريدون أو يحتاجون إلى معالجة الأرقام دون الضغط لتعلم مهمة [ربما لا صلة لها بالموضوع] لتلقي السكر. إنها مسألة “ماذا سيفعلون بمفردهم؟”
لذا ، إذا كنت محقًا في أن حاسة الأرقام تتجاوز اللغة والثقافة حقًا ، فماذا يعني ذلك بالنسبة لفهمنا للأرقام؟
لقد بدأنا فقط في التساؤل عن الآثار المترتبة. مع ذلك ، حصل فريقي للتو على ورقة مقبولة في مجلة تعليمية. تشير ورقتنا البحثية إلى أن الطريقة التي ندرب بها النحل على تطوير القدرات العددية لها آثار ليس فقط على التعلم البشري ولكن أيضًا على الذكاء الاصطناعي والتصميم. لكني لا أوصي بإطعام الأطفال مادة ذات مذاق مر لإجابات خاطئة!
لكل تجربة علمتهم الرياضيات ، عملت هوارد مع ما يقرب من 100 نحلة عشوائية من بين الآلاف في خلاياها.
تفكيرنا هو أنه يمكننا بناء نموذج حاسوبي على دماغ نحلة. يتكون دماغ النحل من أقل من مليون خلية عصبية ، مقارنة بدماغنا ، والتي تضم أكثر من 100 مليار خلية عصبية. إنهم قادرون على القيام بهذه المهام المعقدة حقًا باستخدام نظام معالجة صغير جدًا وليس كثيرًا في طريق استهلاك الطاقة – قطرات من ماء السكر. إذا تمكنا من معرفة كيفية تعلمهم بهذه الطريقة الفعالة ، فيمكننا تطبيقها على تعلم الكمبيوتر. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا الكثير من الطاقة ، لذا فإن النظر في كيفية تعلم النحل والقيام بمهام معقدة يمكن أن يحسن من كفاءة حلول الحوسبة.
ماذا عن الرياضيات العليا؟ هل يفهم النحل الأعداد السالبة أو العمليات مثل الضرب والقسمة؟
نحن نخطط للنظر في بعض هذه المفاهيم. أرغب في تجربة القسمة ، مثل “اقسم هذا الرقم إلى نصفين”. يمكننا النظر فيما إذا كانوا يفضلون تقريب النتيجة لأعلى أو لأسفل. هل هناك اتساق أم أنه عشوائي؟
كان هناك الكثير من الحديث عن الأرقام السلبية في الفريق ، لكننا لم نقم بتسمية التفاصيل. هناك تحديات. ما المحفز الذي يمكن أن يمثل رقمًا سالبًا؟ كيف تتأكد من أن النحلة تعتبرها سلبية؟
بالنسبة للحشرات ، يتم بذل الكثير من العمل للتأكد من أنك طرحت السؤال بالطريقة الصحيحة. لا يمكنك منحهم اختبارًا بشريًا. إنهم بحاجة إلى الدافع الصحيح. إنهم بحاجة إلى فهم السؤال حتى يتمكنوا من الإجابة عليه.
لذلك من الآمن أن تقول إنك لم تعد خائفًا من النحل؟
إذا كانت هناك حشرة في منزلي ، فأنا لن أقتلها. أتأكد من خروجها. جزء مميز حقًا من عملي هو التحدث إلى الجمهور والغرباء والأصدقاء والجميع عن النحل. أسمع عن النحل في أماكن مثل محطة Flinders Street في ملبورن أو على سطح نوتردام. تأتي العائلة والأصدقاء إليّ ويقولون ، “رأيت نحلة في ذلك اليوم!” أو “رأيت نحلة تطير بجانبي!” أو “هناك نحل في حديقتي في الوقت الحالي!” أجبت ، “هذا رائع!” من الطبيعي رؤية نحلة ، لكنهم