211service.com
Informatietheorie onthult grootte van communicatierepertoires van walvissen en dolfijnen
Een van de grote onbezongen helden van de 20e-eeuwse natuurkunde is Claude Shannon die in de jaren veertig min of meer eigenhandig de informatietheorie uitvond. Shannon gebruikte zijn theorie om de fundamentele limieten uit te werken van hoeveel we gegevens kunnen comprimeren en hoe betrouwbaar we deze kunnen opslaan en verzenden.
Shannon begon onmiddellijk zijn theorie te gebruiken om de informatieve inhoud van de Engelse taal te bestuderen. Een benadering was om vrijwilligers te gebruiken om de ontbrekende letters in woorden te raden om hun informatie-inhoud uit te werken. Uit deze studie van de grootte en het aantal veelgebruikte woorden, was Shannon in staat om de complexiteit van de menselijke taal te meten.
Vandaag suggereert Reginald Smith, een onafhankelijke onderzoeker bij de Citizen Scientists League in Rochester, New York, een interessante nieuwe manier om diercommunicatie te analyseren. Zijn benadering is om de benadering van Shannon in omgekeerde volgorde te volgen - om te beginnen met een maatstaf voor de complexiteit van de taal en die te gebruiken om de grootte en het aantal van de verschillende woorden die het bevat te berekenen. Het resultaat is een interessante schatting van de repertoires die verschillende dieren gebruiken om te communiceren.
In de jaren veertig bracht Shannon een revolutie teweeg in de studie van informatie. Hij keek in het bijzonder naar voorwaardelijke entropie, de hoeveelheid informatie die een enkele letter overbrengt wanneer deze op een andere letter of reeks letters volgt.
Voor het Engelse alfabet van 26 letters plus het spatieteken, berekende Shannon dat een enkele letter iets meer dan vier bits informatie overbrengt wanneer deze op een andere enkele letter volgt. Voor een letter die een reeks van twee letters volgt, is de entropie 3,56 bits en voor een letter die een reeks van drie letters volgt, is deze 3,3 bits. Deze waarden staan bekend als de eerste, tweede en derde orde entropie.
Die ontdekking had een diepgaand effect op biologen die enorm nieuwsgierig waren naar de informatieve inhoud van communicatie met dieren. Sindsdien hebben veel groepen verschillende soorten communicatie met dieren vastgelegd en de informatie-inhoud berekend.
De resultaten laten duidelijk zien dat communicatie met dieren aanzienlijke hoeveelheden informatie omvat. De informatie-entropie van bijendansen is bijvoorbeeld 2,54 bits.
De complexiteit van communicatie met dieren is echter niet zo duidelijk. Over het algemeen hangt de complexiteit af van de volgorde van afhankelijkheid. Veel vogeloproepsequenties vertonen bijvoorbeeld een hoge informatie-inhoud voor afhankelijkheid van de eerste orde, maar de informatie-inhoud daalt aanzienlijk als het gaat om de afhankelijkheid van de tweede en derde orde.
Dat lijkt erop te wijzen dat de complexiteit van communicatie met vogelgeluiden relatief laag is. Smith wijst er echter op dat de resultaten zeer gevoelig zijn voor de grootte van de vogelrepertoires. Dit is duidelijk een probleem wanneer er slechts een kleine hoeveelheid experimentele gegevens is om mee te werken.
Als vogels bijvoorbeeld een groot repertoire van verschillende 2-letter- en 3-letterwoorden hebben, vereist een goede analyse een aanzienlijk grotere steekproef van vogelgeluiden dan wanneer hun repertoire klein is.
Een belangrijke vraag is dus hoe groot deze dierenrepertoires zijn.
Smiths nieuwe inzicht is dat er een andere manier is om de omvang van het repertoire van verschillende woordlengtes te berekenen. Hij wijst erop dat de entropie van de eerste orde van een taal nauw verbonden is met het exacte aantal mogelijke woordlengtecombinaties.
Dus gegeven een maat van de eerste orde entropie van een taal, is het mogelijk om deze combinatorische methode te gebruiken om het waarschijnlijke repertoire van verschillende woordlengtes uit te werken.
Smith gebruikt dit inzicht om de verzamelde gegevens voor verschillende soorten dieren, zoals tuimelaars, bultruggen en verschillende soorten spreeuw, lijster en veldleeuwerik, opnieuw te onderzoeken. Voor elke soort berekent hij het maximale en minimale repertoire van 1-letterige, 2-letterige en 3-letterige lettergrepen die in de gegevens voorkomen.
De resultaten zorgen voor interessante lectuur. Smith berekent dat tuimelaars een repertoire hebben van 27 lettergrepen van één letter, vijf lettergrepen van twee letters en vier of vijf lettergrepen van drie letters. Bultruggen daarentegen hebben een repertoire van slechts zes lettergrepen van één letter, maar gebruiken zeventien of achttien lettergrepen van twee letters (de gegevens zijn niet uitgebreid genoeg om het repertoire van lettergrepen van drie letters te onthullen).
De vogels lijken een veel grotere woordenschat te hebben. Spreeuwen gebruiken bijvoorbeeld meer dan 100 lettergrepen van één letter, maar kunnen maar liefst 78 lettergrepen van drie letters of slechts zes lettergrepen gebruiken.
Misschien wel de belangrijkste bevinding van Smith is dat de hoeveelheid informatie die hij over de repertoires kan extraheren ernstig wordt beperkt door de omvang van de datasets en dat er meer werk nodig is om ze uit te breiden. Uiteindelijk is de beste manier om de repertoiregroottes nauwkeurig te meten, met name voor dolfijnen en bultruggen, een veel grotere meting van sequenties, concludeert hij.
Dat is interessant werk. Hoewel het de bedoeling of mogelijke betekenis van deze dierlijke communicatie niet kan onthullen, onthult het zeker een deel van de complexiteit ervan.
En Smith heeft hoge verwachtingen voor de toekomst als er meer data kan worden verzameld. Het is de hoop van de auteur dat analyses van informatietheorie kunnen helpen om de lagen van complexiteit te verwijderen om te laten zien hoe nauw dergelijke communicatie met dieren overeenkomt met - of verschilt van - menselijke taal, zegt hij.
Referentie: arxiv.org/abs/1308.3616 : Complexiteit in diercommunicatie: het schatten van de grootte van N-gramstructuren