Mieren onderzocht met hulp van informatietheorie

— door Evert Mouw

Stel je eens voor dat hieronder de route naar voedsel (cirkel 5, in geel) op de kaart staat. Als je als Rode bosmier zijnde van je nest eerst via cirkel 1 moet lopen, dan zou je de route kunnen beschrijven als “links, links”. Want bij 1 moet je linksaf, en bij 3 moet je ook linksaf.

mieren route

Dat zijn twee “binaire” beslissingen. Binair, omdat je steeds een keuze hebt uit twee opties (links en rechts, nul en één, aan of uit). De wegenkaart hierboven wordt ook wel een binaire boom genoemd. De hoeveelheid informatie die nodig is om de route te beschrijven naar het voedsel is twee bits.

Met taal communiceer je informatie (taalkunde). De hoeveelheid informatie kun je meten met behulp van de informatietheorie van Shannon (informatica). Mieren communiceren ook (biologie, myrmecologie).

Twee briljante Russen, Zhanna Reznikova en Boris Ryabko, hebben hun kennis van de informatica gebruikt om te onderzoeken hoeveel informatie mieren kunnen uitwisselen over het pad naar voedsel.

Ze lieten een enkele mier, een verkenner, het voedsel vinden in een constructie met de vorm van een binaire boom. Zie het plaatje hieronder.

binaire boom met voedsel

De verkennende mier werd gemarkeerd. De verkenner loopt terug naar het nest en gaat daar meer mieren optrommelen. Ondertussen laat zo’n verkenner ook een geurspoor achter, zodat de andere mieren het voedsel gemakkelijker kunnen vinden. Maar dat is niet de bedoeling… we willen meten of de mier via een soort mierentaal de route naar het voedsel kan overbrengen op de andere mieren. Dus wordt de hele boom vervangen door een andere, identieke boom, die dat geurspoor niet heeft.

Maar kunnen mieren elkaar wel vertellen hoe de route loopt? De nulhypothese H0 is dat mieren dat niet kunnen. Volgens H0 lopen de mieren gewoon willekeurig, alsof ze bij elke splitsing kop of munt gooien. Dan is de kans 50% op rechtsaf en 50% op linksaf, oftewel 1/2 op de goede afslag. De volgende afslag heeft weel 1/2 (.5) kans om goed gegokt te worden. In totaal is het dus 1/2 * 1/2 = 1/4 kans dat het voedsel gevonden wordt als de taal niet werkt.

De onderzoekers konden de nulhypothese H0 verwerpen omdat vrijwel alle mieren meteen een niet-willekeurige route naar het voedsel kozen. De alternatieve hypothese H1 luidde dat mieren de route kunnen communiceren. Dat praten met elkaar gaat met de voelsprieten. Op de video van ene Natalia Atsarkina kun je zien hoe dat gaat.

Door te meten hoe lang ze bezig zijn kun je meten hoe snel ze informatie uitwisselen. Interessant is dat de mieren ineens weer minder lang bezig zijn als de route ingewikkeld en lang wordt. De informatie wordt dan waarschijnlijk gecomprimeerd. Mensen doen dat ook. Bijvoorbeeld “rechts rechts rechts rechts” wordt “viermaal rechts”.

Ook hebben de onderzoekers vastgesteld dat mieren elkaar kunnen vertellen over het aantal objecten langs de route, en dat mieren kleine getallen kunnen optellen en aftrekken. Al dit soort resultaten betreft enkel mieren die een complexe sociale structuur kennen, zoal rode bosmieren.

Hier nog enkele cijfers…

F. sanguinea can transmit around 0.74 bits a minute.  F. polyctena can do 1.1 bits a minute.

De beide Russen beweren dat dit onderzoek relevant is voor de robotica, de informatica, en de biologie. Het toont in ieder geval aan hoeveel je kunt doen met de informatietheorie. Ik zou graag nog veel meer willen vertellen over het onderzoek, maar het staat allemaal al in het Engels beschreven op de websites van de onderzoekers zelf. Hieronder een paar linkjes naar meer informatie.


Aanvullingen

2013-10-04: Nog wat aanvullingen, naar aanleiding van een mailtje van een trouwe lezer.

De informatietheorie vaak werkt met binaire coderingen, dus met machten van twee. Dat doet je computer ook. Toch kun je daarmee bijna alles opslaan en communiceren. Alleen kost het dan wat meer bits. Vandaar dat de hoeveelheid bits iets zegt over hoeveel informatie er opgeslagen is of gecommuniceerd wordt; ook als je bij bv. een vijfsprong staat.

In de natuur kun je vaak niet alleen links of rechts, maar ook nog rechtdoor of soms wel vier kanten uit. Plus dat de onderzoekers ook bewezen dat mieren de aanwezigheid van objecten kunnen communiceren. Dat maakt het allemaal wat ingewikkelder. Hun testopstelling was met opzet simpel. De geursporen en objecten werden verwijderd. Ik hoop dat ze ook lampen verwijderd hebben (het is bewezen dat veel mieren zich kunnen oriënteren aan de hand van de zon).

Die twee Russen wilden alleen bewijzen dat mieren via die taal met het op elkaar trommelen met de voelsprieten heel veel informatie kunnen overdragen. Dat is ze wel gelukt. Hoe het biologische proces precies werkt is nog onbekend, maar ’t zal wel reuze ingewikkeld zijn, omdat mieren ook met elkaar stoffen kunnen uitwisselen die lijken op neurotransmitters, waardoor er een paar biologen zijn die denken dat zo’n mierenhoop één enkel super-organisme is… Voor een biologische en filosofische beschrijving hiervan verwijs ik je naar ook mijn paper Het collectieve brein van de mier (2006).

Het zou leuk zijn nog wat meer proeven te doen met die rode bosmieren. Bv. de tijdsduur van communicatie meten als er steeds drie of vier richtingen zijn. Of de invloed van een felle lamp aan het plafond. Wie heeft ruimte en tijd?

     

Facebook Comments