Le abilità numeriche vanno ben oltre la capacità di eseguire operazioni aritmetiche. Lo si vede bene in altri animali, che pur non sapendo “contare” possono stimare le quantità o valutare quale tra diversi gruppi sia il più numeroso. I pesci ne sono un esempio: nonostante siano sottovalutati, hanno grandi capacità cognitive.
Ne parliamo con Robert Gerlai, genetista comportamentale che ha studiato la cognizione di molti animali diversi, tra cui esseri umani, topi e pesci. Con oltre 300 studi peer-reviewed all’attivo, si è occupato di molti ambiti, incluse le abilità numeriche degli animali, e ha fatto importanti scoperte riguardanti alcuni processi cerebrali. Fa parte dei consigli di redazione di molte riviste scientifiche ed è membro ed ex presidente dell’International Behavioral Neuroscience Society. Inoltre, ha ricevuto diversi premi, come l’Outstanding Achievement Award dall’International Behavioral Neuroscience Society.
I pesci sanno contare?
Molte specie hanno alcune abilità numeriche o di stima di quantità. Conosciamo due diversi sistemi che gli animali (e gli umani) usano per realizzare questi obiettivi.
Il primo è l’object file mechanism. Per numeri piccoli, gli animali riescono a distinguere le differenze assolute tra numeri, basandosi sulle sottrazioni. Per cui se hanno, ad esempio, da una parte tre pesci e dall’altra due, la differenza assoluta è uno. Possono percepire quella differenza assoluta e dirigersi verso il gruppo con più pesci. Questo sistema funziona allo stesso modo con il cibo.
Se mostri quattro o più elementi, non vedranno la differenza assoluta; l’unica cosa che vedranno è il rapporto. E il rapporto che possono discriminare è due a uno (2:1) o più grande. Quindi possono distinguere gruppi che sono il doppio o più del doppio l’uno dell’altro. Questo sistema è detto analogue magnitude system.
Ciò che è più interessante è che funzionano allo stesso modo per i pesci, i roditori e gli esseri umani. Sembra quello che chiamiamo una caratteristica comportamentale evolutivamente conservata: molti biologi ritengono che indichi una sorta di funzione cerebrale che sarebbe rimasta uguale nel corso dell’evoluzione delle specie. Una sorta di meccanismo sottostante condiviso, una caratteristica neurobiologica comune. Questa è la cosa interessante dei pesci: puoi mostrare che “funzionano” allo stesso modo di umani e altri animali.
Quindi i pesci sanno fare i calcoli?
Le abilità matematiche sono una forma cognitivamente molto impegnativa di abilità numeriche. Le grandi scimmie, i delfini, i corvidi e altri uccelli potrebbero essere capaci di mostrare qualche forma rudimentale di capacità matematica – ma non credo che quel livello di astrazione si possa riscontrare nei pesci. Però è solo un’opinione: non credo che qualcuno lo abbia effettivamente escluso sperimentalmente.
Come si studiano le abilità numeriche nei pesci?
Immagina di avere una vasca sperimentale. C’è un individuo da testare al centro, che da una parte vede molti conspecifici, dall’altra ne vede un po’ meno. Poi guardi dove va. Se il pesce sceglie a caso, o non va preferenzialmente verso l’una o l’altra parte, saprai che il pesce non riusciva a distinguere il numero di conspecifici dall’una e dall’altra parte. Molti pesci sono fortemente sociali, cioè amano stare insieme, vicini ai conspecifici. I pesci che formano gruppi preferiranno i gruppi più numerosi, andando da quella parte piuttosto che dall’altra.
L’altro modo è provare con il cibo. La maggior parte dei pesci riconosce il cibo non solo in base all’odore o al sapore, ma anche grazie alla forma e altre informazioni visive. Quindi, possiamo presentare un numero di alimenti da un lato e un altro numero dall’altra parte e poi vedere che lato sceglie il pesce.
Questo metodo è chiamato “scelta spontanea” perché non devi allenare il pesce. Non lo premi né lo punisci per l’una o l’altra scelta: semplicemente sceglie da solo, seguendo la sua natura. Ci sono altri metodi per testare le abilità numeriche, ma questo è quello che usiamo normalmente nelle nostre ricerche.
Quali sono i vantaggi della capacità di contare dei pesci?
Dipende da quello che stimano in termini di numeri. Per il cibo, ovviamente, un numero più grande di alimenti significa più cibo in pancia, e quindi più energia. Un più grande numero di membri del gruppo significa miglior protezione dai predatori. A seconda di quello tra cui devono scegliere, le loro scelte possono avere diversi valori adattativi (evolutivi) o di fitness.
La scelta del cibo e persino la scelta del gruppo non si basano soltanto sul numero, ma anche su altri fattori. Immagina di essere un pesce che deve scegliere tra molti alimenti piccoli e uno grande, quale sceglieresti? Il problema con quelli piccoli è che richiedono più energia. Anche se il volume complessivo o il valore nutrizionale complessivo è identico tra i due, ci vuole più tempo per procurarseli. Da un punto di vista adattativo, prendere un alimento singolo, più grande, è una scelta migliore. A meno che non sia troppo grande. Se non puoi ingoiarlo intero, allora, di nuovo non è un buona scelta.
Ci sono molti fattori che portano il pesce a decidere quale sia la scelta migliore, come la distribuzione nello spazio e la presenza di competitori. Queste sono le questioni che stiamo studiando attualmente.
Perché l’intelligenza dei pesci è studiata così poco?
Molte persone guardano i pesci e dicono: “No, non sono interessanti, non sono intelligenti abbastanza”. Invece, i pesci possono risolvere problemi molto complicati e, proprio per via della loro semplicità (il loro cervello è più piccolo) si hanno meno sorprese. Questo è quello che chiamiamo un approccio riduzionista. Anziché studiare qualcosa di molto complesso, con la difficoltà di capire dover analizzare tutte le diverse funzioni cerebrali, studi il cervello dei pesci. Siccome è più semplice, consente di rispondere a queste domande in un modo più facile.
I pesci sono i soli vertebrati complessi che puoi tenere in casa, in un contenitore di vetro, e vedere tutto quello che fanno in natura. È come una soap opera. Non sai mai cosa succederà: vivono, combattono, si innamorano… quindi è davvero molto interessante osservarli.
Puoi provare questo gioco. Prendi delle monete (o altri oggetti) e poi lanciali sul pavimento. Chiedi a un tuo amico: “Guarda giù per un attimo e dimmi quante ne vedi”. Se sono meno di sette, saprà esattamente quante sono. Se sono più di sette, non saprà dirti quante siano. Ora, mettine dieci da una parte e quattordici da un’altra. Saprà stimare che quattordici è maggiore di dieci, ma non saprà dirti quante ne ha viste.
Questo mostra che il nostro cervello lavora in modo molto simile a quello dei pesci: usiamo l’object file mechanism per le quantità più piccole (vediamo il numero di elementi individuali) e l’analogue magnitude system per le quantità più grandi di elementi (le distinguiamo in base al loro rapporto).
English version
Arithmetic operations are not the only numerical abilities. We can see that other species that can’t “count” can estimate quantities or evaluate which groups have larger or smaller numbers of members. Fishes are an example of this. Even though their capacities are underestimated, they have great cognitive abilities.
We talk about this with Robert Gerlai, behavioural geneticist who studied cognition in many different animals, for instance humans, mice and fishes. With more than 300 peer-reviewed publications to his credit, he studied many topics, including animal numerical abilities, and he made important discoveries about brain processes. He is a member of the editorial boards of many scientific academic journals and he is an elected Fellow and ex President of the International Behavioral Neuroscience Society. Also, he received many awards, including the Outstanding Achievement Award from the International Behavioral Neuroscience Society.
Can fishes count?
Most species have some numerical or quantity estimation abilities. We know about two different systems animals (and humans) use to accomplish this.
The first one is the object file mechanism (OFM). With small numbers, animals can actually tell absolute number differences with OFM. So they will respond basing on subtractions. So, if you have, say, on one side three fishes, on the other side two fishes, the absolute difference is one. They can detect that absolute difference, and they will go to the larger number of fishes. The system works the same way for food items.
If you show four or more, then they don’t see the absolute difference, the only thing they see is the ratio. And the ratio they can discriminate is two to one (2:1) or larger. So, at least twice as many or more than twice as many is what they can distinguish. This is the analogue magnitude system.
What’s interesting about that is that it works the same way for fishes, for rodents and for humans. It looks like what we call an evolutionarily conserved behavioral feature – most biologist believe that it means some function in the brain that reimains the same throughout the evolution of the species. Some sort of common underlying mechanism, common neurobiological feature. That’s the cool thing about fish, that you can actually show that it works the same way as in humans and other animals.
So, can fish do math?
Mathematical abilities are a very cognitively demanding form of numerical ability. Apes, dolphins, corvids and other birds may be able to show some rudimentary form of math abilities. I don’t think that fish can reach that level of abstraction. But it’s just an opinion; I don’t think anyone has actually conclusively excluded that, experimentally.
How do you study fish’s counting abilities?
Imagine you have a test tank in the middle. There’s a single test fish on the middle, and then on each side of the tank this fish sees a lot of conspecifics. On one side there are more than on the other side. Then you see where the experimental fish goes. If the fish chooses randomly, or doesn’t really go preferentially to one versus the other side, then you know that the fish could not distinguish the number of conspecifics shown on one versus the other side. Most fish species are highly social, so they like to stay among themselves, close to each other. The group forming fish prefer the larger group, and will go to that side versus the other.
The other way is to try with food, for most fish recognize the food not just by smell or taste but by shape or visual information. So you can present a number of food items, on one side, versus a number of food items on the other side. And then you observe what the fish chooses.
This is what we call spontaneous choice, because you don’t have to train the fish. We don’t reward or punish the fish for one or the other choice. They just simply make the choice by themselves, by their own nature. There are some other ways, but this is basically what we use in our studies.
What are the advantages of counting abilities for fishes?
That depends on the things tha they’re estimating in terms of numbers. So, for food, obviously, the larger number of food items means more food into their stomach, and therefore more energy. A larger number of school members means better protection against predators. So, depending on what they are choosing their different choices may have different evolutionary adaptive value or fitness value.
Food choices and even school mate choice are not just based on numbers. Imagine that you are a fish who has a choice between one big food item or many small food items. Which one would you choose? The problem with the small ones is that they take more energy. If the actual total volume or total nutritional values are identical between the two, it takes more time to catch them. From an evolutionary adaptive viewpoint, a single large food item is a better choice. Except if it’s too large. If you cannot swallow it in one piece, then, again, it’s not good.
There are lots of factors that make the fish decide which one is a better choice, like the spatial distribution and the presence of competitors. These are the questions, actually, that we are now studying.
Why is not fish cognition studied a lot?
Most people just look at fishes and say, “No, they’re just not interesting, not intelligent enough.” But fish can solve quite complicated tasks, and exactly because of their simplicity – their brain is smaller – you have fewer surprises. This is what we call a reductionist approach. Instead of studying something really complex, having all kinds of difficulties figuring out how to analyse all of the different functions of the brain, you study fish brain. As it is simpler, it allows us to answer these questions in a simpler, easier way.
Fishes are the only vertebrates, complex enough organisms that you can keep at home in a glass tank and see everything they do in nature. It’s almost like a soap opera. You never know what’s gonna happen – they live, they fight, they love each other… It’s acually quite interesting to watch.
You can play this game. Take an X number of coins, or any item, and then throw it on the floor, and ask your friends, “look down for a second and tell me how many you see”. If the coins are less than seven, they will know exactly, precisely how many they are. If their number’s above seven, your friends won’t be able to tell you how many they saw. Now, put ten versus fourteen. They will be able to estimate that fourteen is larger than ten, but they will not be able to tell you how many they saw.
This shows that our brain works quite similarly to the fish brain: we use the object file mechanism for smaller number of items (we see the number of individual items), and we use the analogue magnitude system for larger number of items (we can distinguish them based upon their ratio).
