Nauka w świecie zwierząt

Popularny w ubiegłych stuleciach spór o to, czy umysł noworodka jest „niezapisaną kartą” (tabula rasa), czy zawiera już wrodzoną „wiedzę”, w XXI w. jest przestarzały. Wiadomo, że istnieją wrodzone umiejętności (na przykład rozróżniania liczebności zbiorów kilkuelementowych), wrodzone są również skłonności do pewnych zachowań. Ich poszukiwaniami u ludzi zajmuje się psychologia ewolucyjna. W genetycznej spuściźnie po naszych przodkach otrzymaliśmy również zdolności pozwalające na dalszą naukę: czy to umiejętności (przestrzenne widzenie, chodzenie na dwóch nogach, język, operacje matematyczne), czy wiedzy pojęciowej – historii, biologii, fizyki kwantowej.

Również liczne gatunki zwierząt dysponują od urodzenia zestawem umiejętności przydatnych w środowiskach, w których żyją. Ptaki nie muszą się uczyć składania i wysiadywania jaj czy zasad budowania gniazd, termity bez studiów architektonicznych potrafią wznosić imponujące kopce. Dobór naturalny potrafi genetycznie programować nawet bardzo prymitywne gatunki do automatycznego reagowania na podstawowe bodźce.

Tropizm i habituacja

W przypadku termitów działa prosta zasada: podążaj za zapachem kawałków gliny i tocz gliniane kulki ze sobą. Gdy przypadkiem w jednym miejscu powstanie większe skupisko gliny, inne termity, zwabione intensywnym zapachem, przytoczą swoje kulki. Zapoczątkuje to zupełnie nieplanowaną budowę kopca.

Zachowanie termitów to przykład dość złożonego tropizmu – ruchowej reakcji na prosty bodziec (może to być m.in. zapach, temperatura, światło, dotyk). Kombinacje takich reakcji mogą „programować” zwierzęta do wykonywania wielu czynności. Żółwie morskie, gdy tylko wylądują na plaży, natychmiast odwracają się i wracają do morza. Przetrzymywane w klatkach ptaki – dobrym przykładem jest tkacz – odtwarzają sekwencje ruchów, które na wolności służą im do budowania gniazda. Nie wiedzą, że nie muszą tego robić i nie potrafią przestać.

Dobór naturalny promował takie strategie, bo są stosunkowo „tanie” – nie wymagają rozbudowanych zdolności poznawczych. W swoich niszach zwierzęta zaprogramowane na różne zachowania radzą sobie dobrze – żyją odpowiednio długo, by skutecznie się rozmnażać.

Najbardziej prymitywną formą nauki jest habituacja – słabnąca z upływem czasu reakcja na bodziec, który niewiele zmienia w środowisku. Dzięki tej zdolności organizmy uczą się na przykład pomijać całkowicie neutralne bodźce. Habituację wykorzystuje mnóstwo gatunków – od jednokomórkowej ameby, przez aplyzję, obdarzoną mózgiem złożonym z 20 tys. neuronów, po człowieka (mózg liczący ok. 86 mld neuronów). Za prowadzone latach 60-tych i 70-tych badania nad habituacją aplyzji (i procesem do tego odwrotnym – sensytyzacją) biolog Erik Kendel otrzymał Nagrodę Nobla.

Nauka na własnych błędach

Powtarzający się bodziec może być podstawą nauki przez warunkowanie. Prawdopodobnie każdy słyszał o eksperymentach Iwana Pawłowa, który dzwonił dzwonkiem podczas podawania jedzenia psom. Na widok jedzenia (i jego zapach – świat psów to w końcu głównie świat zapachów) psy reagują bezwarunkowym (wrodzonym) odruchem ślinienia się. Po pewnym czasie psy śliniły się na sam dźwięk dzwonka – początkowo neutralny bodziec zaczął u nich wywoływać reakcję odruchową.

Metodę Pawłowa zaczęto nazywać warunkowaniem klasycznym. O krok dalej poszedł m.in. Barrhus Skinner, który wykazał, że zwierzęta mogą nauczyć się unikania jakichś zachowań, jeżeli będą one wiązały się z jakąś karą, oraz powtarzania tych, które skutkują nagrodą (warunkowanie instrumentalne). Na zasadzie nauki przez warunkowanie (instrumentalne) liczne organizmy potrafią nauczyć się, gdzie najlepiej szukać żywności i jakie rejony omijać z daleka. Takie zwierzęta funkcjonują zdecydowanie mniej przypadkowo niż organizmy działające wyłącznie na zasadzie tropizmu. Mogą uczyć się na własnych błędach i własnych sukcesach.

Podstawą nauki przez warunkowanie są emocje. Mówiąc w największym uproszczeniu, emocje są czynnikiem, który pozwala zmienić hierarchię ważności aktualnych potrzeb zwierzęcia; pozwalają na szybkie reagowanie na zmieniające się warunki w środowisku. Na przykład strach przed drapieżnikiem może zrównoważyć głód, w efekcie zamiast spokojnie paść się na sawannie, antylopa zacznie uciekać przed lwem. Reakcje emocjonalne wywoływane są przez różne bodźce – np. spostrzeżony ruch czy zapach drapieżnika wywołują strach i uruchamiają cały szereg zmian fizjologicznych, które przygotowują zwierzę do obrony lub ucieczki.

Nauka przez warunkowanie wymaga specyficznego rodzaju pamięci – pamięci emocjonalnej (niezależnej od pamięci o faktach i wydarzeniach oraz pamięci proceduralnej – dzięki tej ostatniej wystarczy, że raz nauczymy się jeździć samochodem, by potem robić to automatycznie). Pamięć emocjonalną obsługują ewolucyjnie wczesne rejony mózgu, dostępne wielu organizmom. Jak działa pamięć emocjonalna, najlepiej wyjaśnić na przykładzie. Jeżeli spotkamy osobę z uszkodzeniem hipokampa (struktury odpowiedzialnej m.in. za tworzenie pamięci trwałej), najpóźniej po kilku minutach będzie ona zachowywać się tak, jakby spotkała nas pierwszy raz w życiu. Gdy przy powitaniu ukłujemy tę osobę ukrytą w dłoni pinezką, następnym razem nie poda nam ręki, choć będzie wiedzieć dlaczego. Będzie pewna, że widzi nas po raz pierwszy, a mimo tego wzbroni się przed uściskiem naszej dłoni. Na podobnej zasadzie kot będzie uciekać przed kimś, kto ciągnął go za ogon. Nie dlatego, że pamięta, jak to wszystko się odbyło, tylko dlatego, że kojarzy bodziec wzrokowy (widok swojego prześladowcy) z negatywną emocją. Na warunkowaniu opiera się również tresura.

Baw się i ucz

Behawioryści sądzili, że nauka przez warunkowanie jest jedyną możliwą formą uczenia się, a cały umysł sprowadzali do reakcji na różne bodźce. Jednak wiele zwierząt zachowuje się inteligentnie w zupełnie nowym dla siebie otoczeniu, gdy nie bazują ani na tropizmach, ani na nauce przez warunkowanie. Dlaczego? Zwierzęta takie potrafią prowadzić w swoich umysłach symulacje zachowań.

Kot nie musi spróbować wejść do mysiej dziury, by wiedzieć, że się do niej nie zmieści. Ma pewną wiedzę o swoich rozmiarach i w umyśle może sobie „wyobrazić” (to „wyobrażanie sobie” przebiega oczywiście w kognitywnej nieświadomości), że do tej dziury nie wejdzie. Gibon nie skoczy z jednej gałęzi na drugą, jeżeli jest ona zbyt oddalona – potrafi przewidzieć („wyobrazić sobie”), że nie będzie w stanie jej sięgnąć.

Zwyczajne poruszanie się wiąże się z całym mnóstwem obliczeń, które muszą wykonać odpowiednie rejony mózgu, by precyzyjnie sterować mięśniami. Te same obwody wykorzystywane są do symulacji w ścisłym sensie – obliczeń, czy jakieś zachowanie się powiedzie.

Oczywiście symulacje nie są doskonałe, zdarzają się pomyłki w obliczeniach, ale pomyłka może zostać uwzględniona przy następnej symulacji. Prawdopodobnie najważniejszą rolę w dostrajaniu systemów obliczeniowych służących do symulacji odgrywają powszechne w świecie zwierząt zabawy młodych osobników. Skacząc, biegając, turlając się czy walcząc z rodzeństwem zwierzęta uczą swoje mózgi prowadzenia bardziej precyzyjnych symulacji.

Uczenie się dzięki innym

Najtrudniej uczyć się na cudzych błędach. Uczenie się od innych może zachodzić w kilku wersjach, łatwo je pomylić i przypisać różnym gatunkom zbyt wysoko rozwinięte zdolności poznawcze.

Według psychologa Michaela Tomasello najbardziej prymitywnym sposobem uczenia się dzięki innym jest ekspozycja. Polega ona na tym, że młode osobniki napotykają na okazję do nauczenia się tego, co wiedzą inni członkowie gatunku, dzięki temu, że pozostają z nimi w fizycznej bliskości. Dzięki podążaniu za matką młode mogą się na przykład nauczyć, gdzie można znaleźć wodę.

Z wyróżnianiem bodźca mamy do czynienia, gdy młode zaciekawią się przedmiotami, którymi interesują się lub manipulują inne osobniki. Uczą się potem manipulowania tymi przedmiotami na własną rękę. Gdy dorosła szympansica porzuci patyk, którym łowiła termity, młode zainteresuje się nim i na własną rękę może nauczyć się, jak samemu rozgrzebywać kopce.

Jeszcze czym innym jest odtwarzanie (podrabianie), które polega na „ślepym” powtarzaniu zachowań innych osobników, bez rozumienia celu tych zachowań. Podrabianiem wykazują się m.in. ptaki, których młode przyjmują wokalizacje typowe dla danego gatunku.

Uczenie się od innych

Tomasello twierdzi, że najskuteczniejszym sposobem uczenia się jest nauka przez naśladowanie. Również ona ma jednak kilka odmian, w zależności od tego, czy naśladowanie dotyczy celu czynności (emulacja), czy sposobu (imitacja).

Czym jest emulacja? Wyobraźmy sobie, że szympansica obraca kłodę i zjada znajdujące się pod nią owady. Jeżeli robi to na oczach swojego dziecka, powtórzy ono zachowanie matki, ponieważ nauczy się, że pod kłodą można znaleźć owady. Młode rozumie efekt, jaki zaszedł w środowisku, a następnie próbuje go powtórzyć we własnym zakresie. Ale nawet gdyby to wiatr, a nie dorosły osobnik – jak zaznacza Tomasello – obrócił kłodę, młode nauczyłoby się, że znajdują się pod nią owady i samo próbowałoby się do nich dobrać.

Najwyższą formą nauki jest imitacja – uczenie się przez naśladowanie sposobu, który prowadzi do jakiegoś celu. Aby imitować, trzeba umieć wyobrazić sobie intencję innego osobnika (znów rolę odgrywa tutaj symulacja we własnym umyśle) i rozumieć ciąg różnych czynności jako kolejne etapy prowadzące do danego celu. Emulacja czasami bywa skuteczniejsza – można wpaść na łatwiejszy sposób realizacji jakiegoś celu – ale imitacja daje coś więcej: pozwala na gromadzenie wiedzy i kumulatywną ewolucję kulturową (jej doniosłość i neuronalne podstawy opisywałem w innym artykule). To dzięki umiejętności nauki przez imitację człowiek stworzył język, zbudował cywilizację i wymyślił instytucjonalną edukację, dzięki której może uczyć kolejne pokolenia, czym różni się nauka u ludzi od nauki u zwierząt.

Jeżeli różnica pomiędzy emulacją a imitacją ciągle nie jest jasna, wyobraźmy sobie taką sytuację. Ktoś chce wymienić żarówkę, by w pomieszczeniu zrobiło się jaśniej. Sufit jest wysoko, więc ta osoba podsuwa stół, stawia na nim krzesło, wspina się na tę konstrukcję i dopiero wtedy może wykonać założony cel. Jeżeli dziecko uczy się przez imitację, dokładnie zrekonstruuje sposób postępowania – podstawi stół i krzesło. Jeżeli ktoś emuluje, skupi się tylko na wkręceniu żarówki. Sposób jest wówczas nieistotny. Może posłużyć się drabiną, może spróbować podskoczyć, może wspiąć się po innych meblach itd.

Tomasello ze współpracownikami przeprowadzili cały szereg eksperymentów, który dowodzą, że małe dzieci zupełnie naturalnie imitują, natomiast małpy – emulują. Dzieci imitują nawet wtedy, gdy emulacja przynosi lepsze efekty (zaprezentowany sposób jest nieefektywny, lepiej spróbować wymyślić własny).

Przekaz kulturowy u zwierząt

Istnieją spory co do tego, czy jakikolwiek gatunek różny od człowieka, potrafi imitować w swoim naturalnym środowisku. Jeżeli nawet, zwierzęta nie robią tego całkowicie spontanicznie – w przeciwieństwie do ludzi, automatycznie imitujących niemal od urodzenia. Transmisja kulturowa u zwierząt do pewnego stopnia zachodzi, ale prawdopodobnie nie aż w takim zakresie, by nastąpił „efekt zapadki” – by kolejne pokolenia nie zaczynały „zdobywania wiedzy” od nowa, tylko rozwijały wiedzę przekazaną im przez przodków.

Często przywoływanym przykładem na transmisję kulturową u zwierząt jest zjawisko mycia batatów przez makaki na jednej z japońskich wysp. Jedna z małp nauczyła się, że bataty umyte z piachu smakują lepiej i zaczęła powtarzać tę czynność. Po jakimś czasie również inne małpy myły bataty. Jednak mogły one nauczyć się tego dzięki zdolności do emulacji czy na własną rękę, poprzez zjawisko ekspozycji. Nie musiała zajść nauka przez imitację. Nieco inaczej sprawa wygląda wśród małp, które były uczone języka (czy to migowego, czy języka graficznego, opartego na leksigramach) – obserwowano, że małpy takie celowo uczyły swoje młode stosowania symboli, które same poznały. Żyjąc wśród ludzi, małpy z pewnością rozwinęły swoje zdolności poznawcze.

Klasyfikacja poziomów rozwoju umysłowego

Zróżnicowany dostęp do poszczególnych zdolności uczenia się posłużył filozofowi Danielowi Dennettowi do stworzenia interesującej klasyfikacji poziomów rozwoju umysłowego zwierząt. Najbardziej prymitywne organizmy, działające na zasadzie genetycznego zaprogramowania, Dennett nazywa istotami darwinowskimi (od Karola Darwina, odkrywcy ewolucji). Na wyższym poziomie stoją istoty skinnerowskie (od wspomnianego Skinnera) – potrafią one uczyć się przez warunkowanie.

Istoty popperowskie (od filozofa Karla Poppera) mają dostęp do symulacji, dzięki czemu mogą wyobrazić sobie skutki pewnych zachowań. Parafrazując Poppera – mogą sprawić, by zamiast ich samych, umierały tylko ich hipotezy. Zdolność do nauki przez naśladowanie cechuje istoty gregoriańskie (od psychologa i teoretyka informacji, Richarda Gregory’ego). Szwedzki filozof Peter Gardenfors zaproponował piąty stopień: istoty donaldowskie (od Merlina Donalda, twórcy teorii ewolucji języka), zarezerwowany dla ludzi – jedynego gatunku dysponującego językiem, który pozwala na najskuteczniejsze przekazywanie wiedzy. Co więcej, istoty donaldowskie potrafią nawet wiedzę gromadzić na zewnątrz swoich głów – w książkach, na płytach CD czy w Internecie.

Łukasz Kwiatek