Содержание
Введение
Ультразвуки в живой природе
Эхопеленг
Типы природных сонаров
Осязание помогает летучим мышам избегать препятствия
Летучие мыши-рыболовы
И летучие мыши ошибаются
Крики в бездне
Радар водяного слона
Заключение
Литература
Введение
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[1].
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.
Ультразвуки в живой природе
За последние десять — пятнадцать лет биофизики с изумлением установили, что природа, по-видимому, не очень скупилась, когда наделяла своих детей сонарами. От летучих мышей к дельфинам, от дельфинов к рыбам, птицам, крысам, мышам, обезьянам, к морским свинкам, жукам переходили исследователи со своими приборами, всюду обнаруживая ультразвуки.
Эхолотами вооружены, оказывается, многие птицы. Зуйки-галстучники, кроншнепы, совы и некоторые певчие птицы, застигнутые в полете туманом и темнотой, разведывают путь с помощью звуковых волн. Криком они «ощупывают» землю и по характеру эха узнают о высоте полета, близости препятствий, о рельефе местности.
Очевидно, с целью эхолокации издают ультразвуки небольшой частоты (двадцать — восемьдесят килогерц) и другие животные — морские свинки, крысы, сумчатые летяги и даже некоторые южноамериканские обезьяны.
Мыши и землеройки в экспериментальных лабораториях, прежде чем пуститься в путь по темным закоулкам лабиринтов, в которых испытывали их память, посылали вперед быстрокрылых разведчиков — ультразвуки. В полной темноте они отлично находят норы в земле. И тут помогает эхолот: из этих дыр эхо не возвращается!
Жирные козодои, или гуахаро, как их называют в Америке, живут в пещерах Перу, Венесуэлы, Гвианы и на острове Тринидад. Если вздумаете нанести им визит, запаситесь терпением, а главное лестницами и электрическими фонарями. Необходимо также и некоторое знакомство с основами альпинизма, потому что козодои гнездятся в горах и часто, чтобы до них добраться, приходится карабкаться по отвесным скалам.
А как войдете со всем этим снаряжением в пещеру, вовремя заткните уши, потому что тысячи птиц, разбуженных светом, сорвутся с карнизов и стен и с оглушительным криком станут метаться у вас над головой. Птицы крупные, до метра в размахе крыльев, шоколадно-коричневые с большими белыми пятнами. Глядя на их виртуозные маневры в мрачных гротах Аидова царства, все поражаются и задают один и тот же вопрос: как умудряются эти пернатые троглодиты, летая в полной темноте, не натыкаться на стены, на всякие там сталактиты и сталагмиты, которые подпирают своды подземелий?
Погасите свет и прислушайтесь. Полетав немного, птицы скоро успокоятся, перестанут кричать, и тогда вы услышите мягкие взмахи крыльев и как аккомпанемент к ним негромкое щелканье. Вот и ответ на ваш вопрос!
Конечно, это работают эхолоты. Их сигналы улавливает и наше ухо, потому что звучат они в диапазоне сравнительно низких частот — около семи килогерц. Каждый щелчок длится одну или две тысячные доли секунды. Дональд Гриффин, уже известный нам исследователь сонаров летучих мышей, заткнул ватой уши некоторых гуахаро и выпустил их в темный зал. И виртуозы ночных полетов, оглохнув, тут же и «ослепли»: беспомощно натыкались на все предметы в помещении. Не слыша эха, они не могли ориентироваться в темноте.
Дневные часы гуахаро проводят в пещерах. Там же устраивают и свои глиняные гнезда, прилепив их кое-как к карнизам стен. По ночам птицы покидают подземелья и летят туда, где много фруктовых деревьев и пальм с мягкими, похожими на сливы плодами. Тысячными стаями атакуют и плантации масличных пальм. Плоды глотают целиком, а косточки потом уже, вернувшись в пещеры, отрыгивают. Поэтому в подземельях, где гнездятся гуахаро, всегда много молодых фруктовых «саженцев», которые быстро, однако, гибнут: не могут расти без света.
Брюшко только что оперившихся птенцов гуахаро покрыто толстым слоем жира. Когда исполнится юным троглодитам примерно две недели, в пещеры приходят люди с факелами и длинными шестами. Они разоряют гнезда, убивают тысячи редкостных птиц и тут же, у входа в пещеры, вытапливают из них жир. Хотя у этого жира неплохие и пищевые качества, употребляют его главным образом как горючее в фонарях и лампах.
Горит он лучше керосина и дешевле его — так считают на родине птицы, которая злой иронией рока осуждена всю жизнь провести в темноте, чтобы умерев дать свет жилищу человека.
В Южной Азии, от Индии до Австралии, живет еще одна птица, которая находит во мраке дорогу к гнезду с помощью сонара. Она тоже гнездится в пещерах (иногда, правда, и на скалах под открытым небом). Это знаменитая салангана, хорошо известный всем местным гурманам стриж: из его гнезд варят суп.
Салангана вот как вьет гнездо: прицепится лапками к скале и смазывает клейкой слюной камень, рисуя на нем силуэт люльки. Водит головой вправо и влево — слюна тут же застывает, превращается в буроватую корочку. А салангана все смазывает ее сверху. Растут стенки у гнезда, и получается маленькая колыбелька на огромной скале.
Колыбелька эта, говорят, очень вкусная. Люди забираются на высокие утесы, карабкаются при свете факелов на стены пещер и собирают гнезда саланган. Варят потом их в кипятке (или курином бульоне!), и получается отличный суп, как уверяют знатоки.
Совсем недавно открыли, что саланганы представляют интерес не только для гастрономов, но и для биофизиков: эти птицы, летая в темноте, тоже высылают вперед акустических разведчиков, которые «трещат, как детская заводная игрушка».
Эхо пеленг
С физической точки зрения всякий звук — это колебательные движения, распространяющиеся волнообразно в упругой среде.
Чем больше вибраций совершает в секунду колеблющееся тело (или упругая среда), тем выше частота звука. Самый низкий человеческий голос (бас) обладает частотой колебаний около восьмидесяти раз в секунду, или, как говорят физики, частота его колебаний достигает восьмидесяти герц. Самый высокий голос (например, сопрано перуанской певицы Имы Сумак) около 1400 герц.
В природе и технике известны звуки еще более высоких частот — в сотни тысяч и даже миллионы герц. Рекордно высокий звук у кварца — до одного миллиарда герц! Мощность звука колеблющейся в жидкости кварцевой пластинки в 40 тысяч раз превышает силу звука мотора самолета. Но мы не можем оглохнуть от этого «адского грохота», потому что не слышим его. Человеческое ухо воспринимает звуки с частотой колебаний лишь от шестнадцати до двадцати тысяч герц. Более высокочастотные акустические колебания принято называть ультразвуками, их волнами летучие мыши и «ощупывают» окрестности.
Ультразвуки возникают в гортани летучей мыши. Здесь в виде своеобразных струн натянуты голосовые связки, которые, вибрируя, производят звук. Гортань ведь по своему устройству напоминает обычный свисток: выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через нее — возникает «свист» очень высокой частоты, до 150 тысяч герц (человек его не слышит).
Летучая мышь может периодически задерживать поток воздуха. Затем он с такой силой вырывается наружу, словно выброшен взрывом. Давление проносящегося через гортань воздуха вдвое больше, чем в паровом котле. Неплохое достижение для зверька весом 5 — 20 граммов!
В гортани летучей мыши возбуждаются кратковременные высокочастотные звуковые колебания — ультразвуковые импульсы. В секунду следует от 5 до 60, а у некоторых видов даже от 10 до 200 импульсов. Каждый импульс, «взрыв», длится всего 2 — 5 тысячных долей секунды (у подковоносов 5 — 10 сотых секунды).
Краткость звукового сигнала — очень важный физический фактор. Лишь благодаря ему возможна точная эхо локация, то есть ориентировка с помощью ультразвуков.
От препятствия, которое удалено на семнадцать метров, отраженный звук возвращается к зверьку приблизительно через 0,1 секунды. Если звуковой сигнал продлится больше 0,1 секунды, то его эхо, отраженное от предметов, расположенных ближе семнадцати метров, будет восприниматься органами слуха зверька одновременно с основным звучанием.
А ведь именно по промежутку времени между концом посылаемого сигнала и первыми звуками вернувшегося эха летучая мышь инстинктивно получает представление о расстоянии до предмета, отразившего ультразвук. Поэтому звуковой импульс так краток.
Советский ученый Е. Я. Пумпер сделал в 1946 году очень интересное предположение, которое хорошо объясняет физиологическую природу эхо локации. Он считает, что летучая мышь каждый новый звук издает сразу же, после того как услышит эхо предыдущего сигнала. Таким образом, импульсы рефлекторно следуют друг за другом, а раздражителем, вызывающим их, служит эхо, воспринимаемое ухом. Чем ближе летучая мышь подлетает к препятствию, тем быстрее возвращается эхо и, следовательно, тем чаще издает зверек новые эхолотирующие «крики». Наконец при непосредственном приближении к препятствию звуковые импульсы начинают следовать друг за другом с исключительной быстротой. Это сигнал опасности. Летучая мышь инстинктивно изменяет курс полета, уклоняясь от направления, откуда отраженные звуки приходят слишком быстро.
Действительно, опыты показали, что летучие мыши перед стартом издают в секунду лишь 5 — 10 ультразвуковых импульсов. В полете учащают их до 30. При приближении к препятствию звуковые сигналы следуют еще быстрее — до 50-60 раз в секунду. Некоторые летучие мыши во время охоты на ночных насекомых, настигая добычу, издают даже 250 «криков» в секунду.
Эхолокатор летучих мышей — очень точный навигационный «прибор»: он в состоянии запеленговать даже микроскопически малый предмет — диаметром всего 0,1 миллиметра!
И только когда экспериментаторы уменьшили толщину проволоки, натянутой в помещении, где порхали летучие мыши, до 0,07 миллиметра, зверьки стали натыкаться на нее.
Летучие мыши наращивают темп эхолотирующих сигналов примерно за два метра от проволоки. Значит, за два метра они ее и «нащупывают» своими «криками». Но летучая мышь не сразу меняет направление, летит и дальше прямо на препятствие и лишь в нескольких сантиметрах от него резким взмахом крыла отклоняется в сторону.
С помощью сонаров, которыми их наделила природа, летучие мыши не только ориентируются в пространстве, но и охотятся за своим хлебом насущным: комарами, мотыльками и прочими ночными насекомыми.
В некоторых опытах зверьков заставляли ловить комаров в небольшом лабораторном зале. Их фотографировали, взвешивали — одним словом, все время следили за тем, насколько успешно они охотятся. Одна летучая мышь весом в семь граммов за час наловила грамм насекомых. Другая малютка, которая весила всего три с половиной грамма, так быстро глотала комаров, что за четверть часа «пополнела» на десять процентов. Каждый комар весит примерно 0,002 грамма. Значит, за пятнадцать минут охоты было поймано 175 комаров — каждые шесть секунд один комар! Очень резвый темп. Гриффин говорит, что если бы не сонар, то летучая мышь, даже всю ночь летая с открытым ртом, поймала бы «по закону случая» одного-единственного комара, и то если бы комаров вокруг было много.
Типы природных сонаров
До недавнего времени думали, что природными сонарами обладают только мелкие насекомоядные летучие мыши вроде наших ночниц и нетопырей, а крупные летающие лисицы и собаки, пожирающие тонны фруктов в тропических лесах, их будто бы лишены. Возможно, это так, но тогда, значит, роузеттус представляет исключение, потому что летающие собаки этого рода наделены эхолокаторами.
В полете роузеттусы все время щелкают языком. Звук прорывается наружу в углах рта, которые у роузеттуса всегда приоткрыты. Щелчки несколько напоминают своеобразное цоканье языком, к которому прибегают иногда люди, осуждая что-нибудь. Примитивный сонар летучей собаки работает, однако, достаточно точно: миллиметровую проволоку он засекает с расстояния в несколько метров.
Все без исключения мелкие летучие мыши из подотряда Microchiroptera, то есть микро-рукокрылые, наделены эхолотами. Но модели этих «приборов» у них разные. В последнее время исследователи выделяют в основном три типа природных сонаров: шепчущий, скандирующий и стрекочущий, или частотно-модулирующий тип.
Шепчущие летучие мыши обитают в тропиках Америки. Многие из них подобно летучим собакам питаются фруктами. Ловят также и насекомых, но не в воздухе, а на листьях растений. Их эхолотирующие сигналы — очень короткие и очень тихие щелчки. Каждый звук длится тысячную долю секунды и очень слаб. Услышать его могут только очень чувствительные приборы. Иногда, правда, летучие мыши-шептуны «шепчут» так громко, что и человек их слышит. Но обычно сонар их работает на частотах 150 килогерц.
Знаменитый вампир тоже шептун. Нашептывая неведомые нам «заклинания», он отыскивает в гнилых лесах Амазонии измученных путешественников и сосет их кровь. Заметили, что собаки редко бывают искусаны вампирами: тонкий слух заранее предупреждает их о приближении кровососов. Собаки просыпаются и убегают. Ведь вампиры нападают только на спящих животных. Были сделаны даже такие опыты. Собак выдрессировали: когда слышали они «шепот» вампира, сейчас же начинали лаять и будили людей. Предполагается, что будущие экспедиции в американские тропики будут сопровождать эти дрессированные «вампиролокаторы».
Скандируют подковоносы. Некоторые из них обитают на юге нашей страны — в Крыму, на Кавказе и в Средней Азии. Подковоносами они названы за наросты на морде, в виде кожистой подковы двойным кольцом окружающие ноздри и рот. Наросты не праздные украшения: это своего рода рупор, направляющий звуковые сигналы узким пучком в ту сторону, куда смотрит летучая мышь. Обычно зверек висит вниз головой и, поворачиваясь (почти на триста шестьдесят градусов!) то вправо, то влево, ощупывает звуком окрестности. Тазобедренные суставы у тропических подковоносов очень гибки, поэтому и могут они проделывать свои артистические повороты. Как только в поле их локатора попадет комар или жук, самонаводящийся летательный аппарат срывается с ветки и пускается в погоню за горючим, то бишь за пищей.
И этот «летательный аппарат», кажется, в состоянии даже определить, используя хорошо известный физикам эффект Доплера, куда летит пища: приближается ли к суку, на котором висит подковонос, или удаляется от него. Сообразно с этим меняется и тактика преследования.
Подковоносы пользуются на охоте очень продолжительными (если сравнивать их с «криками» других летучих мышей) и однотонными звуками. Каждый сигнал длится десятую или двадцатую долю секунды, и частота его звучания не меняется — всегда равна ста или ста двадцати килогерцам.
Но вот наши обычные летучие мыши и их североамериканские родичи эхолотируют пространство модулированными по частотам звуками, как и лучшие модели созданных человеком сонаров. Тон сигнала постоянно меняется, значит, меняется и высота отраженного звука. А это в свою очередь означает, что в каждый данный момент высота принимаемого эха не совпадает с тоном отправляемого сигнала. И неспециалисту ясно, что такое устройство значительно облегчает эхолотирование.