Язык человека, песня кита и воробья: учёные нашли общую статистическую структуру

Человеческий язык обладает двумя статистическими свойствами, которые редко встречаются в других биологических системах. Во-первых, он состоит из статистически связных единиц — слов, внутренняя структура которых предсказуема. Во-вторых, распределение частот этих единиц следует так называемому закону Ципфа: самое частое слово встречается примерно вдвое чаще второго по частоте, втрое чаще третьего и так далее. Долгое время эти свойства считались уникальными для человека. Однако недавние исследования показали, что они присутствуют в песнях горбатых китов, которые также передаются культурно. Теперь международная группа учёных обнаружила ту же структуру у певчих птиц — зебровых амадин.

Международный коллектив исследователей под руководством Саймона Кирби применил ту же методику, которая используется для анализа человеческой речи и песен китов, к корпусу песен зебровых амадин — птиц, чьи вокальные последовательности, как и человеческий язык, приобретаются через обучение у взрослых особей.

Учёные проанализировали записи песен шести самцов зебровых амадин на пяти разных стадиях развития — от раннего юношеского пения до полностью сформированной взрослой песни. Каждая нота песни была закодирована уникальной буквой, после чего исследователи применили алгоритм сегментации, основанный на так называемой переходной вероятности — том же самом механизме, который используют младенцы для выделения слов в речевом потоке. Когда вероятность перехода от одного слога к другому резко падала, алгоритм ставил границу, разделяя песню на субпоследовательности.

Результаты показали, что песни зебровых амадин действительно состоят из статистически связных субпоследовательностей, распределение частот которых подчиняется закону Ципфа. Средний показатель степени соответствия (коэффициент детерминации R²) составил 0,89, что указывает на отличное соответствие модели. Уклон распределения в среднем составил 1,05 — значение, чрезвычайно близкое к тому, что наблюдается в человеческих языках.

Чтобы убедиться, что обнаруженная структура не является артефактом, исследователи провели три серии проверочных экспериментов. Когда они случайным образом перемешивали слоги внутри песен, сохраняя лишь частоту отдельных нот, соответствие закону Ципфа резко падало. Когда они сохраняли лишь попарные переходы между соседними слогами, но разрушали более сложные последовательности, соответствие также снижалось. Наконец, когда они сохраняли структуру песен, но сдвигали границы сегментации в случайные позиции, соответствие снова оказывалось значительно хуже. Это доказывает, что наблюдаемая статистическая структура возникает именно из-за последовательной организации песни и того конкретного механизма, который использовали исследователи для сегментации.

Особый интерес представляет анализ развития песен. Оказалось, что статистическая связность субпоследовательностей увеличивается по мере взросления птиц — разница между переходными вероятностями внутри субпоследовательностей и между ними становится более выраженной. Песни постепенно приближаются к взрослому образцу, что подтверждается измерением сходства с песней учителя. Однако распределение частот подчиняется закону Ципфа на всех стадиях развития — хотя уклон распределения становится более крутым по мере приближения к взрослой песне.

«Это означает, что хотя юношеские песни отличаются от взрослых, они всё равно демонстрируют ципфианское распределение, — отмечают авторы. — Это позволяет предположить, что ципфианские распределения отражают более общий организационный принцип, лежащий в основе представления сложного поведения, даже когда эти представления отличаются от взрослого образца».

Исследование также показало, что обнаруженные субпоследовательности подчиняются другому известному закону — закону краткости Ципфа, согласно которому более частотные единицы обычно короче. Этот закон ранее находили у многих видов, включая певчих птиц, и он считается свидетельством оптимального кодирования.

Обнаружение одинаковой статистической структуры у людей, горбатых китов и зебровых амадин — трёх видов, разделённых сотнями миллионов лет эволюции — указывает на то, что эти свойства возникают не из-за общих генетических корней или языковой способности. Вместо этого они, по-видимому, появляются благодаря культурной передаче: системы коммуникации, передаваемые через обучение, естественным образом эволюционируют в сторону структур, которые легче выучить и передать следующему поколению. Культурная эволюция, как показывают эти результаты, является мощной силой, способной формировать сходные свойства в системах коммуникации у совершенно разных видов.

Исследование опубликовано в авторитетном журнале Science Advances.