Эхолокация в мире животных на примере дельфинов и летучих мышей

     Итак, звук, который издают предметы при ударе (сила, высота, тембр, продолжительность), зависит от материала, из которого сделан предмет. Этот физический закон давно «изучили» дельфины и применили его на практике. Времени у них для этого было предостаточно – миллионы лет эволюции, миллионы лет приспособления к водному образу жизни.

     Далекие исторические предки дельфинов жили на суше. Неизвестно, что заставило их переселиться в воду: недостаток ли пищи или обилие врагов. Но, начав вторично свой водный образ жизни, предки дельфинов обнаружили весьма неприятное свойство водной среды: даже в очень чистой воде дальше 10–20 метров ничего не увидишь. А если занырнуть поглубже или вода станет мутной, то и на 2–3 метра, что называется, «хоть глаз коли» – ничего не видно. Вот здесь, по-видимому, предки дельфинов и сделали свои первые попытки заменить глаза ушами, попытаться научиться «видеть» ушами. Благо слышно в водной среде еще лучше, чем в воздухе: звук распространяется, чуть ли не в 5 раз быстрее и на значительно большее расстояние (Приложении 3, рис. 2).

     Но  чтобы ориентироваться по слуху, надо заставить предметы звучать. Слепой человек пользуется для этого  своим посохом, постукивая им по предметам. Дельфины приспособили для этой цели звуковую волну, точнее, короткий звуковой щелчок, или локационный импульс, который они научились издавать весьма рациональным способом – при помощи сложного лабиринта воздушных каналов и мешков, расположенных в верхней части головы над черепной коробкой. Эти локационные импульсы, необычайно короткие и резкие (длительность – стотысячные доли секунды), хорошо выполняют роль ударного молоточка, заставляющего звучать подводные предметы (что и создает отраженные сигналы, то есть эхо). К тому же дельфины научились излучать их узким направленным пучком при помощи специальной жировой фокусирующей линзы и черепа – рефлектора. Это дает им возможность направлять звуковой луч-импульс на различные подводные предметы, как луч фонарика. Наткнувшись на любое препятствие, звуковой луч-импульс в виде эха возвращается обратно к дельфину, неся в себе информацию о свойствах предмета, ибо характер эха различный при отражении от разных предметов (Приложение 3, рис. 3).

     Вот здесь-то и требуется дельфину необычайно тонкий и острый слух, способный  выделить эту информацию и оценить  свойства предмета. Вот здесь-то и  происходит одно из многочисленных чудес  природы: дельфин без всякого  участия глаз как бы видит предмет ушами. Причем в отличие от зрительного восприятия он не только может оценить внешний вид предмета (размер, форму, характер поверхности), но и прекрасно различает его свойства, например материал, из которого сделан предмет. В опытах известного советского биоакустика Н. А. Дубровского и его коллег дельфин прекрасно отличал сталь от латуни, свинца, эбонита, оргстекла, резины, воска и т. п. Зрение здесь не участвовало, так как эти материалы предъявлялись дельфину для опознавания в форме шаров одинакового цвета и диаметра (В. Велькович, Н. Дубровский, 1976), кроме того, известно, что подобные задачи дельфин прекрасно решал ночью в темноте.

     Таким образом, эхолокатор дельфина подобно  рентгеновскому аппарату «видит» материал. И эта удивительная способность  основана на тонкости слуха дельфина, а также на свойстве звуковой волны в воде проникать внутрь тела и переизлучаться в виде «вторичного» эха, которое и доставляет изощренному слуху дельфина информацию о внутренней структуре материала.

     Звук  в воде распространяется с постоянной скоростью (1500 м/с). Таким образом, чем дальше предмет, тем больше времени нужно, чтобы звуковой импульс добежал от дельфина до предмета и обратно в виде эха. Опыты показали, что дельфин способен оценить это время, а следовательно, и расстояние до лоцируемого предмета.

     Свои  локационные импульсы дельфин излучает сериями, то есть часто следующими друг за другом посылками. Многочисленные статистические измерения показали, что временной  интервал между локационными импульсами дельфин изменяет пропорционально расстоянию до интересующего его предмета: чем дальше расстояние, тем реже следуют друг за другом его локационные импульсы. И наоборот, они становятся все чаще по мере приближения дельфина, например, к рыбе, брошенной в воду.

     Оказалось, что дельфин излучает свой каждый последующий локационный щелчок лишь после прихода эхосигнала от предыдущего посланного им щелчка. Притом не сразу, а лишь спустя некоторое время (в среднем около 20 мс). Эта задержка, по-видимому, необходима дельфину для восприятия эхосигнала и получения из него полезной информации (Приложение 3, рис. 4).

     Частоту следования своих локационных импульсов  дельфин иногда сильно замедляет, начинает издавать очень редкие почти что  одиночные импульсы, притом значительно  увеличенной силы. По-видимому, это  связано с локацией очень удаленных  предметов: дельфину приходится долго ждать возвращения эха. Считается, что дельфины способны обнаружить при помощи эха косяки рыбы на расстоянии до нескольких сот метров. Иногда для локации далеких предметов дельфин издает импульсы, нередко следующие друг за другом, а короткие серии частых импульсов. Послав такую «пачку» импульсов на далекое расстояние, дельфин ждет ее возвращения уже в форме пачки эхосигналов, которую и способен оценить в целом, а не только путем анализа каждого отдельного импульса.

     Обладая быстродействующей системой обработки и получения информации от каждого из эхосигналов в отдельности, дельфин, по-видимому, обладает способностью как-то суммировать и оценивать всю информацию в совокупности от многих полученных им эхосигналов. Поскольку эхосигналы поступают от разных предметов, на которые животное направляет свой звуковой луч эхолокатора, в мозгу дельфина складывается как бы панорама всей окружающей обстановки.

     Чемпионом по дальности эхолокации безусловно является ближайший родственник  дельфинов – кашалот. Поскольку кормится он глубоководными кальмарами, обитающими на глубине 400–600 метров и глубже, кашалоту приходится то и дело заныривать в эти глубины в поисках скоплений кальмаров. Однако зачем же нырять зря так глубоко, если на поиски можно послать звуковую волну?

     Акустическая  эхолокационная система кашалота выглядит поистине грандиозной. Это настоящая  «дальнобойная пушка» длиной около 5 метров и занимает чуть ли не треть  тела животного. Тем не менее она  так же, как и у дельфинов, расположена  в головной части над верхней челюстью, отчего голова у кашалота кажется непомерно большой.

     Что касается слуха дельфина, то оказалось, что подобным свойством направленного (избирательного) восприятия он наделен  в высшей степени. Ультразвуки (80 000–100000 Гц), на которых работает эхолокатор дельфина, животное способно максимально хорошо слышать только в том случае, когда источник звука расположен строго впереди по осевой линии тела дельфина. Малейшее отклонение источника звука в сторону резко ухудшает его слышимость дельфином. Поэтому слух дельфина и оказывается нечувствительным к любым источникам шума, если они расположены сбоку. Практически они не существуют для дельфина, что и помогает ему наилучшим образом слышать полезный сигнал (как бы без помех)- Прямое экспериментальное доказательство этого феномена впервые было получено в нашей лаборатории (Приложение 3, рис. 5).

     Таким образом, эхолокационный слух дельфина устроен так, что дельфин оказывается  связанным с интересующим его  объектом как бы узким звуковым каналом, представляющим собой нечто вроде трубки фонендоскопа, которым врач выслушивает больного.

     Кроме того, надо прибавить, что эхолокатор дельфина работает на высоких ультразвуковых частотах – 80000–100000 ГЦ, в области которых в море царит относительная тишина (в море преобладают низкочастотные звуки и даже инфразвуки). Это обстоятельство также способствует лучшей слышимости их собственных ультразвуковых эхосигналов.

2.2 Эхолокационный аппарат  летучих мышей

     Летучие мыши обнаруживают предметы, преграждающие  им путь, испуская неслышимые для человека звуки и улавливая их эхо, отраженное от предметов. До открытия ультразвуковой эхолокации предполагалось, что летучие мыши обладают экстрасенсорным восприятием. Их лишали возможности использовать зрение, покрывали крылья плотным лаком, чтобы лишить возможности чувствовать воздушные потоки, и все равно они избегали расположенных в экспериментальной камере препятствий.

     Исследования  доктора О. Хенсона, анатома Иельского  университета, показали, что в момент испускания разведывательных ультразвуков мышцы в ушах летучих мышей закрывают ушные раковины для предотвращения повреждения слухового аппарата.

     Во  время полёта летучие мыши поют песни, используя сложные сочетания  слогов, на высоких частотах (что  обусловлено их способностью к эхолокации). Они создают ультразвуковые волны от 40 до 100 кГц. Зов бразильского складчатогуба включает от 15 до 20 слогов. Ухаживая за самкой, каждый самец поёт свою собственную песню, хотя в целом мелодии всех песен похожи. Разница заключается в индивидуальном сочетании различных слогов. Сложные голосовые сообщения используются не только для ухаживаний, но также для опознавания друг друга, обозначения социального статуса, определения территориальных границ, при воспитании потомства и при противодействии особям, вторгшимся на чужую территорию. По мнению биолога Майкла Смотермана, ни одно другое млекопитающее, кроме человека, не обладает способностью общаться с помощью столь сложных голосовых последовательностей. Голосовой центр, ответственный за организацию сложных последовательностей слогов, у летучих мышей расположен несколько выше, чем у человека, и учёные пока не могут определить, где именно он находится.

     Открытие  эхолокации связано с именем итальянского естествоиспытателя Лазаро Спалланцани. Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате (где оказываются беспомощными даже совы), не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими. Коллега Спалланцани Ж. Жюрин провёл другой опыт, в котором залепил воском уши летучих мышей, – зверьки натыкались на все предметы. Отсюда учёные сделали вывод, что летучие мыши ориентируются по слуху. Однако эта идея была высмеяна современниками, поскольку ничего большего сказать было нельзя – короткие ультразвуковые сигналы в то время ещё было невозможно зафиксировать.

     Впервые идея об активной звуковой локации  у летучих мышей была высказана  в 1912 году Х. Максимом. Он предполагал, что летучие мыши создают низкочастотные эхолокационные сигналы взмахами крыльев с частотой 15 Гц.

     Об  ультразвуке догадался в 1920 году англичанин Х. Хартридж, воспроизводивший опыты Спалланцани. Подтверждение  этому нашлось в 1938 году благодаря  биоакустику Д. Гриффину и физику Г. Пирсу. Гриффин предложил название эхолокация (по аналогии с радиолокацией) для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука.

     Эхолакационные  сигналы у детенышей развиваются  из призывных криков.

     Летучие мыши, которые питаются рыбой (например, мексиканская рыбоядная мышь), патрулируют водную поверхность по ночам, излучая весьма сильные эхолокационные сигналы. Однако эти сигналы не проникают в толщу воды. Мышь не обнаружит рыбу, находящуюся под водой, но сразу же найдёт, если рыба высунет из воды хотя бы небольшую часть тела.

     Эхолокация  летучих мышей различается в  разных семействах. Подковоносы излучают сигналы через нос, и эти сигналы представляют собой короткие (50–100 мс) утьтразвуковые посылки с постоянной частотой 81–82 кГц, но в конце сигнала частота резко падает на 10–14 кГц. А гладконосые летучие мыши излучают через рот существенно более короткие (2–5 мс) сигналы с частотой, которая за это время падает с 130 до 30–40 кГц (Приложение 4, фото 1).

     Летучие мыши способны обнаружить препятствие  из проволок на расстоянии от 17 метров. Дальность обнаружения зависит от диаметра проволоки. Проволока диаметром 0,4 мм будет найдена с расстояния 4 метра, а диаметром 0,08 мм – с 50 см. Длина типичных локационных сигналов летучей мыши – около 4 мм. Однако мышь реагирует не только на толщину, но и на длину проволоки, в результате чего при достаточной длине отрезка проволока будет обнаружена.

Глава 3. Медведки и их способность эхолоцировать

     Медведка – крупное насекомое, длина тела (без усов и церок) до 5 сантиметров. Брюшко примерно в 3 раза больше головогруди, мягкое, веретенообразной формы, диаметром у взрослых особей около 1 см. На конце брюшка заметны парные нитевидные придатки – церки, длиной до 1 см. Грудной панцирь твердый, строение его таково, что голова может частично убираться под его защиту. На голове хорошо заметны два больших сложных глаза, длинные усы-антенны и две пары щупалец, обрамляющих ротовой аппарат грызущего типа. Передняя пара конечностей у медведки видоизменена по сравнению с другими двумя, являясь превосходным инструментом для рытья земли. У взрослых особей крылья в сложенном состоянии имеют вид двух длинных тонких чешуй, часто превышающих длину брюшка. Окраска тела: брюшко тёмно-бурое с верхней стороны, светлеющее до оливкового к низу, такой же расцветки конечности. Голова и грудь тёмно-бурые (Приложение 5, фото 1).

     Насекомое ведёт преимущественно подземный  образ жизни. На поверхность выбирается редко, в основном в ночное время  суток. Зимует медведка в земле на глубине до 2-х и более метров, либо в компостных кучах.