蜜蜂能够理解“零”的概念 | Science论文推荐

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撰文  向菲菲

编辑  徐文慧

“零”这个概念理解起来并不容易，即使是我们人类，也要到 4 岁左右，才能理解“零”意味着“没有”，在数量上是小于 1 的意思。长久以来，科学家们只有人类才能理解“零”这个相对抽象的概念，这也引发了人类重大的智力进步。动物们似乎并没有我们想象中的那么“愚蠢”，鸟类、猴子、海豚等脊椎动物都能理解“没有”意味着数量为“零”。于 2018 年 6 月 8 日发表在Science 上的一篇文章称，作为相对低等的无脊椎动物家族中的一员，“采花”高手蜜蜂竟然也能够理解“没有”在数值上的意义。这也是第一次有证据显示昆虫的大脑也能理解“零”。

到底什么是“零”？

一些古代人类文明中，因为缺少对“零”这一概念的认识和理解，他们的数字体系异常混乱。

人类的发展史上，对“零”概念的理解并没有我们想象中的那么简单。要理解“零”，程度上可分为四个阶段：

第一阶段最为简单，即知道“零”意味着“没有”。比如你的盘子中没有食物，发展于我们视觉处理的早期阶段。

第二阶段是懂得将“零”归类，即能够区分“有”和 “没有”这两个概念。比如屋子里的灯是亮着还是灭着，这样“零”就被归为有意义的行为。

第三阶段，则是理解“零”即是代表“没有”，它仍可以是一个数值，是自然数中最小的一个量，即 0 < 1 < 2 < 3 。

第四阶段也是最高程度的理解，是知晓“零”可以对应到一个符号，可以运用在数学运算中，比如 2 - 2 = 0 。

小昆虫，大智慧

令人惊讶的是，蜜蜂这样小小的脑袋，也能理解“零”的概念，甚至达到了刚刚所说的第三阶段！

这是第一次在昆虫中观察到如此高水平的认知数字处理。

在前期研究中发现，经过训练后，蜜蜂可以理解 4 以内的图形数量，并且懂得基于规则下的 “对比关系”。这意味着它们在训练后，能获得“排列数量大小”这种更为高级别的能力。这可能是由于蜜蜂经常在复杂的环境中觅食，开发出了适应这一生存方式的视觉处理。

训练蜜蜂掌握“大于”和“小于“数值比较的技能流程图

图片来源：Andreas Nieder, 10.1126/science.aat8958

蜜蜂具有辨别数字的能力，引起了澳大利亚和法国的研究者 Scarlett Howard 和 Aurore Avarguès-Weber 的兴趣。他们制定了蜜蜂们的专属训练，先让它们掌握“大于”和“小于”的概念，然后进一步验证它们是否也具有像灵长类动物一样，具有理解“零”概念的能力。

研究人员首先利用带不同数量黑色图形的卡片，让蜜蜂进行数量大小的比较，数量的大小控制在 1~6 之间。蜜蜂被训练在两个数字之间做选择，其中一组只挑选两张卡片中图形数目更少的那张，即“小于规则”。如果选对了，会得到糖水作为奖励；选错了，则会给它们苦味的水作为惩罚。另一组则进行相反的训练，即选出两张卡片中图形数量较多那张，即“大于规则”，奖惩机制同前一组蜜蜂一样。每只蜜蜂都会进行单独的数量比较训练，直到它们能达到 80% 以上的正确率。

研究人员接下来给出了一组新的对比卡片，其中一张卡片上有 1 个图形，另一张是蜜蜂们从没见过的空白卡片，代表“零”的意思。令人惊讶的是，受过“小于规则”训练的蜜蜂，大多选择了空白图片。它们似乎明白“零”不到一个。如果两张卡片中所含图形数量差值更大，也就是让它们比较零和更大数时，比如“0”和“6”，它们选中“0”的成功率会更高一些。这意味着蜜蜂理解空集中元素的数量低于包含实际元素的集合。

蜜蜂选择了“零”

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成为“零俱乐部”成员的重大意义

经过训练蜜蜂也能意识到0位于自然数底端

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蜜蜂作为无脊椎动物大家庭中一员，首次以其聪明的头脑成功跻身进入“零俱乐部”，这也给科学家们带来更多的开放性问题。比如在进化学上，大多数动物是否是在对周围复杂环境的适应过程中，发展出的对数字概念的理解，还是这种能力的来源是生物独立进化的一种体现。

最近的一项研究结果或许能让我们获得一点启发：灵长类动物和鸟类是分别利用不同的大脑结构来对数字进行处理分析的。蜜蜂的大脑明显小于灵长类动物和鸟类，并且结构也异于后面两者，然而它依旧具有识别“零”这个数字概念。这可能意味着不同物种之间是独立进化出这种对数字的处理能力的。

如果蜜蜂能学习到一种我们在某些古代人类文化中甚至找不到的看似高级的数学技能，或许这就为我们打开了一扇门，去思考让动物和我们自己理解“无”概念的机制。

与人类大脑的 8.6 亿个神经元相比，蜜蜂的大脑只有不到100万个神经元，蜜蜂如何利用如此小的脑容量处理这么复杂的数字信息，这可能也对人工智能领域有着一点点启发，激励开发者通过更简单有效的方式，让机器学习到更为复杂的知识和技能。

论文连接：

http://science.sciencemag.org/content/360/6393/1124.full

参考资料：

https://www.npr.org/2018/06/07/617863467/math-bee-honeybees-seem-to-understand-the-notion-of-zero

http://www.modernaustralian.com/1805-bees-join-an-elite-group-of-species-that-understands-the-concept-of-zero-as-a-number

http://www.sciencemag.org/news/2018/06/bees-understand-concept-zero

http://science.sciencemag.org/content/360/6393/1069

https://www.nature.com/articles/d41586-018-05354-z

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