Доклад на тему летучие мыши использование ультразвука
Обновлено: 18.05.2024
Сегодня многие достижения современной медицины воспринимаются как должное. К примеру, записываясь на УЗИ, мы и не задумываемся о том, что всего 100 лет назад этот метод исследования казался фантастическим. Тогда врачам приходилось строить догадки о состоянии внутренних органов пациента, а сегодня их можно увидеть на дисплее УЗ-аппарата. Как же был изобретен такой безопасный и общедоступный способ медицинский диагностики, как ультразвуковое исследование?
Кое-что о мышах
История УЗИ началась в XVIII веке, когда итальянский естествоиспытатель Ладзаро Спалланцани обратил внимание на способность летучих мышей ориентироваться в полной темноте. Опытным путем ученый установил, что этому не мешает даже отсутствие зрения. А вот восковые затычки в ушах заставляли ночных жителей натыкаться на предметы и терять ориентацию.
Спалланцани предположил, что летучие мыши издают некий, не слышимый нами звук, который отражается от поверхностей и помогает мышам с легкостью обходить препятствия. В то время ультразвуковые сигналы невозможно было зафиксировать, отчего гипотезы итальянского ученого остались недоказанными.
Братья-исследователи
Первые УЗ-приборы
УЗ-приборы, отдаленно напоминающие современные медицинские аппараты, были созданы в 1950-х годах. Английский хирург Джон Джулиан Уайлд измерил с помощью ультразвука толщину стенки кишечника, разработал специальные датчики для УЗ-машины, а также выяснил, что злокачественная ткань лучше отражает УЗ-волны, чем здоровая.
Второй первопроходец в мире УЗ-машин – американский ученый Дуглас Хаури. Он изобрел аппарат, который производил изображения без теней и погрешностей. Механизм действия прибора, изобретенного Хаури, был проще по сравнению с прошлыми версиями: теперь пациента не нужно было погружать в ванну с водой. Однако процедура УЗИ по-прежнему оставалась сложной: больному требовалось несколько часов неподвижно сидеть в стоматологическом кресле – прижатым к пластиковой кювете.
Полноценный ультразвуковой аппарат, похожий на современные приборы, где датчик находится в руке врача, появился в США в 1963 году – с этого момента метод УЗ-диагностики полностью вошел в медицинскую практику. Сегодня он используется повсеместно – в кардиологии, эндокринологии, ревматологии, гинекологии, онкологии и других областях медицины. Каждой зоне обследования соответсвует особая чувствительность датчика.
Четкость, точность и высокое разрешение
В наше время процедура УЗИ настолько усовершенствовалась, что за доли секунды можно увидеть внутренние органы в форматах 3D и 4D. Ученые не останавливаются на достигнутом и создают все более быстрые и достоверные клинические УЗ-инструменты.
Например, специалисты компании Philips постоянно работают над системами, которые расширяют возможности УЗ-исследования и упрощают его применение. Так, программное обеспечение Philips QLAB позволяет анализировать объемные изображения сердца и сосудов, строить их модели, а также эффективно проводить исследования с контрастным усилением, при которых в кровоток вводится специальное вещество.
Полученные клинические отчеты помогают врачам максимально точно установить диагноз, спрогнозировать течение болезни и при необходимости оперативно выбрать правильную тактику лечения пациента.
А что же дальше?
Следующим революционным шагом в развитии УЗ-инструментов станет создание безвредной для человека УЗ-томографии. Такой метод исследования позволит оставить в прошлом рентгеновское излучение, которое до сих пор используется в медицине.
Момент, когда человек овладеет технологией направленного ультразвука, станет настоящим прорывом в хирургии, позволяющим эффективно обнаруживать и уничтожать опухоли, а также проводить манипуляции с внутренними тканями организма без полостных операций.
Летучие мыши и другие животные обладают способностью, которую люди используют с помощью технологий – эхолокацией. Эхолокация использует эхо звуковых волн для создания изображения, которое животное использует для навигации и охоты.
Теперь, когда наступило лето, дни станут жарче, а светлый день продлится дольше до вечера. В эти продолжительные часы сумерек вы увидите, как светлячки начинают мигать в темноте. Если вы посмотрите вверх, то сможете распознать летучих мышей по их беспорядочным движениям, когда они охотятся на комаров и других насекомых.
Вы когда-нибудь задумывались, как летучие мыши находят себе пищу? Как они это делают, особенно интересно, поскольку летучие мыши должны перемещаться в почти полной темноте. Для безопасной навигации и охоты в темноте летучие мыши используют эхолокацию. Эхолокация – это использование звуковых волн и их отраженных эхо для определения местоположения объектов в пространстве.
Люди разработали аналогичную технологию, называемую сонаром, который позволяет использовать звуковую навигацию и определять расстояния. Люди используют гидролокатор для подводных применений, таких как картографирование морского дна, безопасная навигация в водах и идентификация подводных объектов, таких как кораблекрушения или подводные лодки. Однако у летучих мышей уже есть биологический сонар: эхолокация!
В мире насчитывается более 900 видов летучих мышей, и, по оценкам, около 70% видов летучих мышей используют эхолокацию. Итак, как работает эхолокация? Летучая мышь излучает звуковые волны из носа или рта, и когда звуковые волны ударяются о предмет, возникает эхо. Это эхо отражается обратно в уши летучей мыши. Затем летучая мышь может интерпретировать эхо, чтобы определить размер, местоположение и форму объекта. Постоянно посылая эти звуковые волны, летучая мышь может быстро изменить свой курс, чтобы перехватить добычу.
Звуки, которые издают летучие мыши для эхолокации, обычно ультразвуковые, то есть они настолько высоки, что люди обычно их не слышат. Звуки эхолокации летучих мышей варьируются от 9 килогерц (кГц) до 200 кГц, в то время как люди слышат только звуки от 20 до 15-20 кГц. Как разные частоты звуковых волн, которые излучает летучая мышь, так и эхо, которое получает летучая мышь, предоставляют такую информацию, как скорость, направление, размер и положение объекта. Чтобы интерпретировать информацию от эха, у летучих мышей есть специальные уши, мышцы и клетки. Структура внешнего уха помогает воспринимать эхо, а специальные мышцы уха предотвращают внутренние повреждения, когда летучая мышь слышит свой собственный зов. Специализированные рецепторные клетки обеспечивают летучей мыши чрезвычайную чувствительность, позволяющую определять даже малейшие изменения частоты. Эти изменения частоты создают изображение в мозгу и позволяют летучей мыши быстро корректировать свою скорость и курс, чтобы поймать свою добычу или уклониться от объекта.
Однако летучие мыши – не единственные животные, которые используют эхолокацию. Гуахаро – это ночные птицы, которые также используют эхолокацию для поиска пищи и навигации в темноте. Землеройки также используют эхолокацию для более основных целей простой пространственной ориентации и исследования среды обитания. Под водой видимость в океане ограничена, так как значительное количество солнечного света проникает всего на 200 метров. Дельфины, морские свиньи и киты должны уметь находить пищу, определять местонахождение друг друга и избегать хищников, и они тоже используют эхолокацию для выполнения этих задач!
Пирс и Гриффин (Pierce, Griffin, 1938) провели частотный анализ звуков, излучаемых летучими мышами в полете, и установили,, что частоты этих звуков лежат в диапазоне 30—70 кгц при наибольшей интенсивности в области 45—50 кгц. Далее они обнаружили, что животные издают звук не непрерывно, а в виде дискретных импульсов, длительность которых составляет 1/1000—1/500 сек., или 1—2 мсек.
Однако установление только одного факта излучения ультразвука летучими мышами, несмотря на всю его важность, еще не объясняло способность животных беспрепятственно летать в полной темноте. Требовалось в условиях точного эксперимента доказать, что летучие мыши действительно используют ультразвук в целях ориентировки в пространстве и что они способны воспринимать эхо от этих звуков, отраженных от встречаемых на пути препятствий.
Используя барьеры вертикально натянутых проволок, Гриффин и Галамбос получили количественную оценку способностей летучих мышей преодолевать препятствия при частичном или полном выключении зрения, слуха и при закрывании рта. Результаты этих экспериментов представлены в табл. 1.
Эксперименты Гриффина и Галамбоса вновь подтвердили, что летучие мыши отлично ориентируются и без участия зрительной рецепции, но полное (двустороннее) или частичное (одностороннее) выключение слухового аппарата влечет за собой резкое ухудшение их способностей своевременно обнаруживать и избегать препятствия. Однако в этих опытах авторы пошли дальше своих предшественников. Они показали, что закрывание рта летучей мыши, лишающее ее возможности издавать эти высокочастотные звуки, оказывается столь же эффективным, как и плотное затыкание ее ушей. И в том и в другом случае мыши становились совершенно беспомощными и натыкались на стены комнаты и любые другие препятствия на их пути.
Используя аппарат Пирса, исследователи произвели запись ультразвука летучих мышей во время полета на ленте самописца. Выяснилось, что частота следования импульсов в разных ситуациях не остается постоянной, а меняется по мере приближения летучей мыши к препятствию (Galambos, Griffin, 1940, 1942).
При подготовке к взлету мышь излучает от 5 до 10 импульсов в секунду. В полете частота следования импульсов возрастает, достигая 30 импульсов. Наконец, когда мышь почти вплотную подлетает к препятствию или пытается сесть на стену, число импульсов в секунду может достигнуть 60. Факт регулярного изменения частоты следования импульсов ультразвука в зависимости от расстояния до препятствия при полете имел принципиальное значение, так как объективно показывал, что летучая мышь определяет расстояние до препятствия по отраженному ультразвуку. И хотя в общих чертах уже было ясно, что принцип использования ультразвука у летучих мышей близок к тем техническим принципам, которые лежат в основе радиолокационных устройств, или радаров, как их принято называть в Англии и США, тем не менее Галамбос и Гриффин не были удовлетворены этими результатами. Они считали, что их опыты достоверно показывают лишь то, что летучие мыши излучают ультразвук в виде импульсов, но еще не вполне было доказано, что мышь слышит ультразвук, отраженный от препятствия. Для решения этого вопроса необходимо было доказать, что летучие мыши действительно могут слышать ультразвук в том диапазоне, в котором они его излучают.
4. Осязание помогает летучим мышам избегать препятствия
5. Летучие мыши-рыболовы
6. И летучие мыши ошибаются
7. Крики в бездне
8. 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.
1. 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.
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!
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.
2. 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.
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!
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.
И только когда экспериментаторы уменьшили толщину проволоки, натянутой в помещении, где порхали летучие мыши, до 0,07 миллиметра, зверьки стали натыкаться на нее.
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.
3. 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.
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.
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.
4. Осязание помогает летучим мышам избегать препятствия
К решению этой интересной проблемы ученые пришли почти одновременно в разных странах.
Голландец Свен Дийграаф решил проверить, действительно ли осязание помогает летучим мышам избегать препятствия. Он перерезал осязательные нервы крыльев — оперированные животные отлично летали. Значит, осязание здесь ни при чем. Тогда экспериментатор лишил летучих мышей слуха — они сразу точно ослепли.
Дийграаф рассуждал так: поскольку стены и предметы, встречающиеся летучим мышам в полете, не издают никаких звуков, значит, кричат сами мыши. Эхо их собственного голоса, отраженное от окружающих предметов, извещает зверюшек о препятствии на пути.
Это наблюдение подало Дийграафу мысль проделать следующий эксперимент. Он надел на голову зверька бумажный колпак. Спереди, точно забрало у рыцарского шлема, в колпаке открывалась и закрывалась маленькая дверка.
Летучая мышь с закрытой дверкой на колпаке не могла летать, натыкалась на предметы. Стоило лишь в бумажном шлеме поднять забрало, как зверек преображался, его полет вновь становился точным и уверенным.
Несколькими годами раньше американские ученые Д. Гриффин и Р. Галамбос применили другую методику для изучения загадочных способностей летучих мышей.
5. Летучие мыши-рыболовы
Мотылек почувствовал погоню и ловкими маневрами пытается спасти свою жизнь. Но летучая мышь ловка не меньше, выписывая в небе причудливые пируэты, настигает его — и в телефоне уже не дробные выхлопы, а монотонное жужжание электрической пилы.
Сравнительно недавно были открыты летучие мыши-рыболовы. Сонар у них тоже частотно-модуляционного типа. Уже описано четыре вида таких мышей. Обитают они в тропической Америке. В сумерки (а некоторые даже и после полудня) вылетают они на добычу и охотятся всю ночь. Порхают низко над водой, вдруг опускают в воду лапки, выхватывают рыбешку и тут же отправляют ее в рот. Лапки у рукокрылых рыболовов длинные и когти на них острые и кривые, как у скопы — их пернатого конкурента, только, конечно, не такие большие.
Некоторых рыбоядных летучих мышей называют заячье-губыми. Раздвоенная нижняя губа отвисает у них вниз, и полагают, что по этому каналу порхающая над морем мышь направляет свои зондирующие звуки прямо вниз, в воду.
Кроме того, будут и другие потери: не вся звуковая энергия отразится от рыбы и не вся, пробившись вновь в воздух, попадет в уши эхолотирующего зверька.
Однако Дональд Гриффин подсчитал, что рукокрылый рыболов получает обратно из-под воды лишь вчетверо менее мощное эхо, чем обычная летучая мышь, эхолотирующая насекомых в воздухе. Это уже не так плохо. Больше того, если допустить, что сонары летучих мышей засекают насекомых не за два метра, как он предполагал при своих расчетах, а уже с двух метров восьмидесяти сантиметров (что вполне возможно), то интенсивность возвратного сигнала будет одинаковой у обоих — и у рыболова, и у комаролова.
6. И летучие мыши ошибаются
Подобно людям летучие мыши тоже могут ошибаться. И такое нередко случается, когда они устали или еще толком не проснулись после проведенного в темных углах дня. Это доказывают изувеченные трупы летучих мышей, еженощно разбивающихся об Эмпайр-Билдинг и другие небоскребы.
Если низко над рекой натянуть проволоку, то летучие мыши обычно задевают за нее, когда спускаются к воде, чтобы утолить жажду несколькими слизанными на лету каплями. Зверьки слышат одновременно два эха: громкое от поверхности воды и слабое от проволоки — и не обращают внимания на последнее, оттого и разбиваются о проволоку.
Летучие мыши, привыкая летать по давно испытанным трассам, избирают гидом свою память и не прислушиваются тогда к протестам сонара. Исследователи провели с ними такие же опыты, что и с пчелами на старом аэродроме. (Помните?) Соорудили разного рода препятствия на проторенных веками путях, которыми летучие мыши каждый вечер вылетали на охоту, а на рассвете возвращались обратно. Зверьки наткнулись на эти препятствия, хотя их сонары работали и заранее подавали пилотам сигналы тревоги. Но они больше верили своей памяти, чем ушам. Нередко ошибаются летучие мыши еще и потому, что букашки, за которыми они охотятся, тоже не простаки: обзавелись многие из них анти сонарами.
7. Крики в бездне
эхолокация эхопеленг дельфин радар
И вот из этой бездны донеслись громкие крики. Один крик, потом его эхо. Еще крик, и опять эхо. Много криков подряд с промежутком примерно полторы секунды. Каждый длился около трети секунды, и высота его тона была пятьсот герц.
Тут же подсчитали, что неведомое существо упражнялось в вокальных соло на глубине примерно трех с половиной километров. Эхо его голоса отражалось от морского дна и потому добегало до приборов корабля с некоторым запозданием.
Поскольку киты не ныряют так глубоко, а раки и крабы не производят столь громких звуков, биологи решили, что в бездне кричала какая-то рыба. И кричала с целью: звуком зондировала океан. Измеряла, попросту говоря, его глубину. Изучала местность, рельеф дна.
Идея эта теперь мало кому кажется невероятной. Ибо уже точно установлено, что рыбы, которых долго считали немыми, издают тысячи всевозможных звуков, ударяя особыми мышцами по плавательным пузырям, как по барабану. Другие скрежещут зубами, щелкают костяшками своей брони. Многие из этих тресков, скрипов и писков звучат в ультракоротком диапазоне и употребляются, по-видимому, для эхолокации и ориентировки в пространстве. Значит, как и у летучих мышей, у рыб есть свои сонары.
Экспериментаторы опускали в воду маленьких рыбешек сантиметров около пятнадцати длиной. Дельфин моментально засекал рыбку эхолокатором, хотя она едва была погружена: человек держал ее за хвост.
Считают, что клаки служат дельфину для ближней ориентировки. Общая разведка местности и ощупывание более удаленных предметов производятся свистом. И свист этот частотно модулирован! Но в отличие от такого же типа сонаров летучих мышей начинается он более низкими нотами, а заканчивается высокими.
Другие киты — и кашалоты, и финвалы, и белухи — тоже, по-видимому, ориентируются с помощью ультразвуков. Вот только не знают еще, чем они издают эти звуки. Одни исследователи думают, что дыхалом, то есть ноздрей и воздухоносными мешками дыхательного канала, другие — что горлом. Хотя настоящих голосовых связок у китов и нет, но их с успехом могут заменить — так некоторые считают — особые наросты на внутренних стенках гортани.
А может быть, и дыхало, и гортань в равной мере обслуживают передающую систему сонара.
8. Радар водяного слона
Среди многочисленных священных животных Древнего Египта была одна рыбка, обладающая совершенно уникальными способностями.
Рыба эта — мормирус, или водяной слон. Челюсти у нее вытянуты в небольшой хоботок. Необъяснимая способность мормируса видеть невидимое казалась сверхъестественным чудом. Изобретение радиолокатора помогло раскрыть тайну.
Оказывается, природа наделила водяного слона удивительнейшим органом — радаром!
Живет мормирус на дне рек и озер и питается личинками насекомых, которых извлекает из ила длинными челюстями, словно пинцетом. Во время поисков пищи рыбка окружена обычно густым облаком взбаламученного ила и ничего вокруг не видит. Капитаны кораблей по собственному опыту знают, насколько незаменим в таких условиях радиолокатор.
В тех же реках, где лениво дремлют у дна электрические угри, снуют в зарослях элегантные ножи-рыбы — айгенмании. Вид у них странный: спинных плавников нет и хвостового тоже (лишь голый тонкий шпиль на хвосте). И ведут себя эти рыбы необычно: вертят этим самым шпилем во все стороны, словно принюхиваются хвостом. И прежде чем залезть под корягу или в пещерку на дне, суют в щель сначала опять-таки хвост, а потом, если обследование дало положительные, так сказать, результаты, сами туда забираются. Но лезут не головой вперед, а хвостом. Похоже, рыбки ему больше доверяют, чем глазам.
У гимнотид, очень похожих на айгенмании тропических американских рыбок, по-видимому, тоже есть радары, хотя это еще и не доказано.
Из выше изложенного можно сделать вывод, 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. Животные используют эхолокацию для ориентации в пространстве и для определения местоположения объектов вокруг, в основном при помощи высокочастотных звуковых сигналов. Наиболее развита у летучих мышей и дельфинов, также её используют землеройки, ряд видов ластоногих (тюлени), птиц (гуахаро, саланганы и др.).
Происхождение эхолокации у животных остаётся неясным; вероятно, она возникла как замена зрению у тех, кто обитает в темноте пещер или глубин океана. Вместо световой волны для локации стала использоваться звуковая.
Данный способ ориентации в пространстве позволяет животным обнаруживать объекты, распознавать их и даже охотиться в условиях полного отсутствия света, в пещерах и на значительной глубине.
Можете ли вы себе представить, какой ужасный шум обрушился бы на вас, если бы вы вдруг оказались среди тысяч самолетов, моторы которых работают на полную мощность? Вероятно, такую ситуацию вообразить очень трудно. Но давайте немного пофантазируем. Для начала предположим, что вы попали в пещеру, где полным-полно летучих мышей (впрочем, это еще не фантазия). Теперь допустим, что, попав в пещеру, вы неожиданно приобрели способность слышать сигналы ультразвукового диапазона, то есть те, частота которых выше 20 килогерц. Если бы все это случилось, вам, вероятно, пришлось бы перенести довольно неприятные ощущения. Вы были бы просто оглушены страшным ревом, источником которого явились маленькие крылатые жители пещеры. Дело в том, что громкость ультразвуковых криков многих видов летучих мышей на расстоянии 10 сантиметров от головы животного достигает 110-120 децибел. Примерно такой же шум, но в слышимом диапазоне частот производит авиационный двигатель на расстоянии 1 метра. Для сравнения надо отметить, что уровень громкости 130 децибел и выше вызывает у человека болевые ощущения.
Прежде чем объяснить поразительные способности летучих мышей к такому оглушительному крику, вспомним о некоторых свойствах ультразвука.
Одна из особенностей ультразвука состоит в том, чего можно излучать в виде почти параллельного узкого пучка, в то время как звуки слышимого диапазона, как правило, излучаются во всех направлениях. Это свойств ультразвука объяснимо с точки зрения общей дифракции волн.
Возможность образования ультразвуковых пучков позволяет фокусировать энергию сигнала в определенное место. Интенсивность ультразвука увеличивается пропорционально квадрату частоты колебаний, и поэтому, повышая частоту, можно относительно легко получить ультразвуки огромной силы. Однако большое количество энергии ультразвука теряется при прохождении в среде, в связи с чем сигнал быстро затухает.
Из всего сказанного понятно, почему летучим мышам так легко удается излучать интенсивные сигналы высокой направленности. Ясно также и то, что сигналы меньшей интенсивности терялись бы в воздухе, не давая зверькам возможности воспользоваться одним из удивительных способов ориентации в пространстве — эхолокацией.
Профессор университета итальянского города Павии Лазаро Спалланцани был уже немолод, когда он впервые заинтересовался способностью ночных животных находить путь в темноте. Среди своих коллег ученый к тому времени был достаточно известен трудами в различных областях естествознания.
Первые опыты Спалланцани провел в 1793 году. Сначала он установил, что летучие мыши свободно передвигаются в темном помещении, в котором даже такие, казалось бы, зоркие ночные животные, как совы, беспомощны. Спалланцани решил, что весь секрет кроется в чрезвычайной остроте зрения летучих мышей, позволяющей им ориентироваться в полной темноте. Чтобы проверить свое предположение, он, ослепив нескольких летучих мышей, выпустил их на волю. Лишенные зрения зверьки прекрасно летали и даже ловили насекомых.
Летучая лисица (Pteropus)
Во время первой мировой войны французский физик Ланжевен получил патент на изготовление прибора для обнаружения подводных объектов при помощи генератора ультразвука. В 1920 году английский нейрофизиолог Хартридж, зная о работах Ланжевена, высказал гипотезу о том, что механизм эхолокации летучих мышей, вероятно, основан на использовании ультразвуков. Однако гипотеза оставалась гипотезой, так как экспериментальных подтверждений сделано не было.
Окончательно дело прояснилось только в 1938 году. Решающую роль в открытии сыграло сотрудничество представителей разных наук — физики и биологии. Незадолго до этого в лаборатории физического факультета Гарвардского университета профессор Пирс сконструировал прибор для преобразования высокочастотных звуков в колебания более низкой частоты, слышимой человеческим ухом. Узнав о существовании звукового детектора — так назывался этот прибор,- студент-биолог того же университета Дональд Гриффин принес однажды в лабораторию Пирса клетку с летучими мышами. Это были широко распространенные в США малая бурая ночница и большой бурый кожан. Когда микрофон детектора направили на клетку, из громкоговорителя на ученых обрушился оглушительный поток трескучих звуков. Стало совершенно ясно, что летучие мыши издают сигналы в диапазоне частот, лежащих выше порога слышимости человека.
Аппарат Пирса был устроен таким образом, что при необходимости можно было установить распределение интенсивности звуков по частотам. Проводя исследования, Гриффин и Пирс обнаружили, что частоты звуков, испускаемых летучими мышами в полете, лежат в пределах 30- 70 килогерц, а наивысшей интенсивности сигналы достигают в диапазоне 45-50 килогерц. Кроме того, ученые выяснили, что зверьки излучают звуки не непрерывно, а в виде коротких импульсов длительностью 1-2 миллисекунды.
Вскоре после этого Гриффин и Галамбос провели ряд экспериментов, в которых доказали, что лишить летучую мышь возможности хорошо ориентироваться среди препятствий можно не только затыкая ей уши, но и плотно закрывая рот. Эти опыты подтвердили высказанную некогда Хартриджем гипотезу о наличии у летучих мышей сигналов ультразвукового диапазона и их использовании при ориентации в пространстве.
Читайте также: