Teoria informacji ujawnia rozmiary repertuarów komunikacji wielorybów i delfinów

Jednym z wielkich niedocenianych bohaterów XX-wiecznej fizyki jest Claude Shannon, który mniej lub bardziej samodzielnie wynalazł teorię informacji w latach 40. XX wieku. Shannon wykorzystał swoją teorię, aby ustalić podstawowe granice tego, jak bardzo możemy skompresować dane, a także jak niezawodnie możemy je przechowywać i wysyłać.

Shannon natychmiast zaczął wykorzystywać swoją teorię do badania zawartości informacyjnej języka angielskiego. Jednym z podejść było wykorzystanie ochotników do odgadnięcia brakujących liter w słowach w celu opracowania ich zawartości informacyjnej. Na podstawie tych studiów nad wielkością i liczbą często używanych słów Shannon był w stanie ocenić złożoność ludzkiego języka.

Dzisiaj Reginald Smith, niezależny badacz z Citizen Scientists League w Rochester w stanie Nowy Jork, proponuje interesujący nowy sposób analizy komunikacji zwierząt. Jego podejście polega na odwróceniu podejścia Shannona – aby zacząć od pomiaru złożoności języka i użyć go do obliczenia rozmiaru i liczby różnych słów, które zawiera. Rezultatem jest interesujące oszacowanie repertuarów, których używają do porozumiewania się różne zwierzęta.

W latach czterdziestych Shannon zrewolucjonizował badanie informacji. W szczególności przyjrzał się entropii warunkowej, ilości informacji, jaką przekazuje pojedyncza litera, gdy następuje po innej literze lub sekwencji liter.

W przypadku alfabetu angielskiego składającego się z 26 liter plus znak spacji, Shannon obliczył, że pojedyncza litera przekazuje nieco ponad cztery bity informacji, gdy następuje po innej pojedynczej literze. W przypadku litery następującej po dwuliterowej sekwencji entropia wynosi 3,56 bita, a dla litery następującej po trzyliterowej sekwencji — 3,3 bita. Wartości te są znane jako entropie pierwszego, drugiego i trzeciego rzędu.

To odkrycie wywarło głęboki wpływ na biologów, którzy byli bardzo ciekawi zawartości informacyjnej komunikacji zwierząt. Od tego czasu wiele grup zarejestrowało różne rodzaje komunikacji zwierząt i obliczyło jej zawartość informacyjną.

Wyniki jasno pokazują, że komunikacja zwierząt obejmuje znaczną ilość informacji. Na przykład entropia informacyjna tańców pszczół wynosi 2,54 bita.

Jednak złożoność komunikacji zwierząt nie jest tak jasna. Ogólnie złożoność zależy od kolejności zależności. Na przykład, wiele sekwencji ptasich śpiewów wykazuje wysoką zawartość informacyjną dla zależności pierwszego rzędu, ale zawartość informacyjna znacznie spada, jeśli chodzi o zależności drugiego i trzeciego rzędu.

Wydaje się to sugerować, że złożoność komunikacji ptasich rozmów jest stosunkowo niska. Smith zwraca jednak uwagę, że wyniki są bardzo wrażliwe na wielkość repertuarów ptaków. Jest to wyraźnie problem, gdy istnieje tylko niewielka ilość danych eksperymentalnych, z którymi można pracować.

Na przykład, jeśli ptaki mają duży repertuar różnych dwu- i trzyliterowych słów, to właściwa analiza wymaga znacznie większej próby śpiewów ptaków, niż gdyby ich repertuar był niewielki.

Tak więc ważnym pytaniem jest to, jak duże są te repertuary zwierząt.

Nowe spostrzeżenie Smitha polega na tym, że istnieje inny sposób na określenie rozmiaru repertuaru o różnych długościach słów. Wskazuje, że entropia pierwszego rzędu języka jest ściśle powiązana z dokładną liczbą możliwych kombinacji długości słów.

Mając więc miarę entropii pierwszego rzędu języka, możliwe jest użycie tej metody kombinatorycznej do opracowania prawdopodobnego repertuaru o różnych długościach słów.

Smith wykorzystuje tę wiedzę, aby ponownie przeanalizować dane zebrane dla kilku różnych gatunków zwierząt, takich jak delfiny butlonose, humbaki oraz różne rodzaje szpaków, drozdów i skowronków. Dla każdego gatunku oblicza maksymalny i minimalny repertuar sylab 1-literowych, 2-literowych i 3-literowych, które pojawiają się w danych.

Wyniki stanowią ciekawą lekturę. Smith oblicza, że ​​delfiny butlonose mają repertuar składający się z 27 sylab jednoliterowych, pięciu sylab dwuliterowych i czterech lub pięciu sylab trzyliterowych. Z kolei humbaki mają repertuar składający się tylko z sześciu sylab jednoliterowych, ale używają siedemnastu lub osiemnastu sylab dwuliterowych (dane nie są wystarczająco obszerne, aby ujawnić repertuar sylab trzyliterowych).

Ptaki wydają się mieć znacznie większe słownictwo. Na przykład szpaki europejskie używają ponad 100 sylab składających się z pojedynczych liter, ale mogą użyć nawet 78 sylab trzyliterowych lub nawet 6.

Być może najważniejszym odkryciem Smitha jest to, że ilość informacji, które jest w stanie wydobyć na temat repertuarów, jest poważnie ograniczona rozmiarem zbiorów danych i że potrzeba więcej pracy, aby je rozszerzyć. Podsumowując, najlepszym sposobem dokładnego zmierzenia rozmiarów repertuaru, szczególnie delfinów i humbaków, jest wykonanie znacznie większego pomiaru sekwencji, podsumowuje.

To interesująca praca. Chociaż nie może ujawnić intencji ani możliwego znaczenia tych zwierzęcych przekazów, z pewnością ujawnia pewną ich złożoność.

A Smith ma duże oczekiwania na przyszłość, jeśli uda się zebrać więcej danych. Autor ma nadzieję, że analizy teorii informacji pomogą oderwać warstwy złożoności, aby pokazać, jak bardzo taka zwierzęca komunikacja pasuje lub różni się od ludzkiego języka, mówi.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1308.3616 : Złożoność komunikacji zwierząt: szacowanie wielkości struktur N-gramowych

ukryć