Можно ли видеть эхо?

Неужели эхо можно увидеть? Исследования ученых в области биолокации позволяют все более уверенно говорить о существовании звуковидения у некоторых животных. Один из претендентов, несущих прибор звукового видения, — дельфин. У собак и дельфинов, по-видимому, был общий предок. И хотя пути обоих видов разошлись, общее наследие все же чувствуется: и у тех и у других — слабое цветное зрение. Но по велению природы и те и другие мастерски вышли из трудного положения. Собака освоила мир запахов, о чем мы уже говорили, дельфин — мир звуков. Поразительные крики, свисты, скрипы, постоянно издаваемые этим морским млекопитающим, помогают ему в чудесной воспринимающей способности.

Не могу забыть своего удивления во время опытов с дельфинами, в которых мы пытались определить наименьшую разницу в расстоянии между двумя цилиндрами из пенопласта, которую мог бы различить дельфин-афалина. Оказалось, что с расстояния тридцати метров дельфин узнавал, что цилиндры сдвинули на один миллиметр. С такой же легкостью дельфин различал материалы, из которых были сделаны цилиндры. Мутная вода, отсутствие освещения не помеха: звуколокаторы одинаково хорошо действуют в любое время суток, в среде любой прозрачности.

Как же устроен звуковой локатор у дельфина? В литературе не раз рассказывалось об удивительном лоцирующем приборе игривых китообразных. Сначала дельфин посылает ультразвуковой пучок и затем, улавливая слабое отраженное эхо, по которому и определяет форму препятствия. Да, эхо передает данные о пространственных свойствах вещей, и практически каждый человек может путем тренировки развить у себя способность узнавать предметы по отраженному от них звуку.

Нужно только быстрое движение, скорость, как у дельфина. Поэтому такие тренировки лучше всего проводить при езде на автомобиле. Многие водители умеют различать придорожные изгороди, бетонные столбики и телеграфные столбы. Гудение мотора, шелест шин и гул проносящегося мимо воздуха по-разному отражаются от придорожных предметов. Конечно, человек улавливает сотую долю того, что улавливает дельфин.

Об излучающей части дельфиньего локатора сложилось достаточно определенное представление. Генератором звуков служит своеобразный «орган» с четырьмя воздушными мешками или мехами. Перегоняя воздух из одного мешка в другой через систему труб, то сужая, то расширяя их, можно получить сложную гамму звуков — свистов, скрипов и щелчков. Пользуясь этим органом, дельфины издают звуки в таком широком диапазоне, что едва ли можно найти соперников среди других животных, способных на это. От хорошо слышимого нами звука частотой сто пятьдесят герц — до ультразвуковой области до ста девяносто шести килогерц — таков диапазон «речи» дельфинов, производимый их своеобразным генератором. Генератор звуков расположен в передней части черепа и соединен с единственной ноздрей дельфина. Правая, левая стороны «органа» к тому же могут работать независимо друг от друга, что дает животному еще одно преимущество: оно может «говорить» с двумя своими «собеседниками» одновременно.

Если бы генератор звуков посылал их во все стороны, то отраженные сигналы были бы слишком слабы, дельфин не получал бы полного представления об окружающей обстановке. Нужен механизм, направляющий излучение узким пучком, как прожектор. И такое устройство есть. Это лобная кость. Не выпуклая, как у других животных, а вогнутая. По существу, рефлектор направляет звуки вперед, на оригинальное фокусирующее устройство — головную линзу.

У дельфина за рылом расположен выступ. Это жировая ультразвуковая линза, она фокусирует звуки, идущие от лобной кости-рефлектора. Меняя толщину линзы, дельфин может расширять или сужать звуковой пучок, посланный для лоцирования интересующего его предмета.

Послав ориентированный сигнал и приняв его отражение, животное узнает об общем распределении объектов локации. Дельфин выбирает какой-то предмет и вторично, уже направленно шлет сигнал, принимает эхо, старается скопировать его, снова и снова облучает объект до тех пор, пока посланный сигнал не будет полностью соответствовать эху. Эхо в этом случае станет самым сильным и будет отражаться лучше всего.

Помимо тонкой способности лоцировать предмет и находить сигналы, которые почти без потерь отражаются от исследуемого объекта, у дельфинов развита звукоподражательная способность. По звукоподражанию дельфины превосходят попугаев, так как могут «играть» запомнившейся им фразой, сжимая или растягивая ее во времени, так, как если бы пускать запись на магнитофоне то на малых оборотах, то на больших. В этом случае можно было бы слышать то голос Буратино, то длинный тянущийся полусонный бас. Помимо того, копируемую фразу или мелодию дельфины могут повторять с теми же временными интервалами, но на ультразвуковых волнах. Копируя человеческую речь, морской говорун издает Звуки довольно-таки высокой частоты. В точности его интонирования легко убедиться, прокручивая в три-четыре раза медленнее обычного магнитофонную запись.

Можно предположить, что любое эхо дельфин способен скопировать и повторить сколько угодно раз. Он может послать его направленно, вернее, усилить копию эха и передать другому дельфину. Получается, что одним криком дельфин может передать другому всю информацию об окружающей обстановке или же, если его это интересует, он сразу может послать звуковой образ того или иного предмета.

Во время оживленной беседы со своими сородичами каждый оратор посылает не отвлеченные звуки, а воспроизводит эхо-сигналы, пойманные при отражении от предметов. Другими словами, дельфины разговаривают на языке объемных звуков Опыты показывают, что дельфины могут понимать принятые сигналы, даже если разговор ведут особи, находящиеся на расстоянии нескольких тысяч километров и относящиеся к разным популяциям. Для сравнения можно напомнить, что типы из разных популяций часто не понимают друг друга, у них разный язык, и общаться они могут только через «переводчика» — есть и такие полиглоты среди дельфиньего племени. В этом отношении они стоят ближе к людям и другим животным, использующим звуковой язык, где звуки кодируют информацию. Дельфины же «говорят» на объемном звуковом языке, где звуки кодируют образ предмета. Это не исключает и абстрактных звуков, которыми передаются эмоциональные, тревожные и радостные сигналы, они, конечно, есть у дельфинов, но на первом месте, видимо, стоит объемный звуковой язык.

Поэтому-то в стаде могут жить и те особи, у которых работа звукогенератора почему-либо нарушена. Подобные случаи известны. Некоторые дельфины, отделенные от стада, начинают натыкаться на стенки бассейна и другие препятствия. Но в окружении своих соплеменников они избавляются от слепоты. Разгадка, скорее всего, в умении заболевших принимать предметные эхо-сигналы от других животных. Причем здоровые дельфины не просто копируют эхо-образы, но и усиливают их. И тем самым служат «слуховым аппаратом» для «тугоухих».

Но пока еще совершенно не ясно, как работает «живой прибор» по восприятию объемных звуков. Каким бы странным и необычным это ни показалось, все же можно предположить и даже проверить экспериментально, что ультразвук и эхо-образы воспринимают дельфиньи глаза.

Чешский ученый И. Поспешил нашел, что давление на палочки и колбочки сетчатки в некоторых случаях воспринимается в виде света. Упорядоченные ультразвуковые колебания воздействуют на пигментные зерна сетчатки, создавая области повышенного давления в возбужденных фоторецепторах. То, что нашим ухом воспринимается как свист дельфина, у самого дельфина может вызвать видимый образ. Следует напомнить, что ультразвук способен переходить из воды в глаз морского животного почти без потерь и искажения, ибо на его пуги нет резких перепадов плотности.

Возможен и другой путь перевода ультразвукового сигнала в видимое изображение — с помощью эпифиза рудиментарного остатка третьего (теменного) глаза, который у большинства млекопитающих, несомненно, выполняет и эндокринную функцию. Когда во время нейрохирургических операций эпифиз раздражали электрическим током, у пациентов возникало ощущение света. Может быть, ультразвуковые колебания непосредственно воспринимаются эпифизом и позволяют дать дельфину не очень яркую, но все же объемную картину окружающего мира. Строя вышеизложенные гипотезы, никогда не следует забывать, что и сам слуховой аппарат этих животных, возможно, способен на прием объемных звуков. К сожалению, он еще плохо изучен физиологами.

 

Самые различные звуковые приборы

Человек слышит звуки частотой от тридцати до двадцати тысяч герц, а летучая мышь — до ста тысяч герц, хотя нижний предел примерно равен нашему. Так что этот крохотный летающий комочек, покрытый шерстью, живет в настоящем мире звуков. Так же, как и дельфин, это существо находит нужную ему пищу с помощью эхо-локатора. Сонаром летучих мышей ученые занимались более длительное время, чем звуковым локатором дельфина. Еще в 1793 году выдающийся итальянский исследователь Ладзаро Спалланцани установил, что летучие мыши ориентируются и находят свою добычу с помощью слуха. Однако понадобилось около ста пятидесяти лет, чтобы понять, что делают они это с помощью ультразвуковой локации. И здесь нельзя не оценить работ американских ученых Г. Пирса, Д. Гриффина и Р. Галамбоса, внесших неоценимый вклад в расшифровку работы ультразвукового локатора у летучих мышей.

Как и у дельфинов, у летучих мышей есть генератор ультразвука и приемники отраженного эха. И тот и другой прибор в процессе эволюции достигли совершенства. Гортань у летучих мышей очень широкая. Она, как резонатор, позволяет усиливать ультразвуки, создаваемые свистом. Но мыши издают не просто свист, не слышимый для нашего уха, а серию ультразвуковых щелчков. Перед взлетом мышь посылает пять — десять сигналов в секунду, начался поиск — частота возрастает до двадцати-тридцати щелчков, а насекомое мышь настигает при двухсотпятидесяти сигналах в секунду. Как мышь производит непрерывную серию сигналов-писков, пока неизвестно.

У разных видов летучих мышей генераторы отличаются по строению. У одних, гладконосых, звуки, как уже отмечалось, издаются гортанью, поэтому такая летучая мышь летает с открытым ртом. Большая часть гладконосых мышей живет на Североамериканском континенте, но и у нас есть их представители. Самые маленькие из них — нетопыри — встречаются в Подмосковье и почти по всей средней полосе России. В сумерках без труда можно увидеть, как они охотятся за насекомыми на фоне еще непомеркшего неба. Создавая серию сигналов, нетопырь, как и все гладконосые летучие мыши, посылает ультразвук по всем направлениям, а затем улавливает отраженный сигнал. Другая группа летучих мышей — подковоносые, которых можно встретить, например, на Кавказе, генерирует ультразвуковые сигналы не ртом, а носом. Вокруг их носа находится мясистый вырост, напоминающий подкову, который позволяет отражать ультразвук и собирать его в узкий пучок. Летает подковонос с закрытым ртом, импульсы длятся тысячную долю секунды, а у гладконосых это щелчок всего в одну миллисекунду (рис. 5). Поэтому, если подковонос переходит на низкую частоту, его сигналы напоминают тиканье наручных часов.

Рис. 5. Ультразвуковые импульсы летучих мышей: а — гладконосы; б — подковоносы

Приемник отраженных сигналов у летучих мышей — тоже совершенное устройство: ведь он способен услышать эхо, которое в две тысячи раз слабее посланного генератором сигнала. Вполне понятно, что для улавливания таких слабых сигналов нужны большие ушные раковины, и у некоторых видов они достигают почти половины общей длины головы и туловища. Так, у ушанов, размером восемь сантиметров, уши в длину равны четырем сантиметрам. Внутреннее ухо тоже имеет особое строение. Вспомним, что из среднего уха колебания передаются во внутреннее стремечко и часть уха летучих мышей, расположенная рядом со стремечком, сильно расширена.

Ну а теперь рассказ о самом интересном — устройстве звукового приемника летучих мышей, позволяющем предохранять его от крика-импульса, посылаемого собственным локатором. Ведь посылаемый импульс, как мы сказали, в две тысячи раз сильнее принимаемых отраженных звуков. Таким звуком мышь может себя оглушить и после этого ничего не слышать. Чтобы этого не случилось, перед импульсом ультразвука стремечко специальной мышцей оттягивается от окна улитки внутреннего уха. Колебания механически прерываются и не попадают во внутреннее ухо. По существу, стремечко тоже делает щелчок, но не звуковой, а антизвуковой, оно сразу же возвращается на место после крика-сигнала, и ухо готово принять отраженный сигнал.

Просто диву даешься, с какой скоростью может сокращаться и расслабляться мышца, выключающая на время посылаемого крика-импульса слух мыши! При высоком полете это всего пять импульсов за секунду. При меньшей высоте полета — десять-двенадцать импульсов, а при преследовании добычи — двести-двести пятьдесят импульсов за секунду. Конечно, при самой высокой частоте мышца не успевает выключать ухо каждый раз, но эхо так сильно, что и при отведенном стремечке летучая мышь, скорее всего, слышит сигналы, отраженные от насекомого, находящегося в нескольких сантиметрах от ее мордочки.

Ничего не скажешь! Эхолокационная система летучей мыши — совершенная радарная установка, работающая в ультразвуковом диапазоне. Ее масса не более восьми граммов, а в ней помещаются и передатчик, и приемник, и вычислительное устройство — мозг. Напомним, что созданная человеком радарная установка весит десятки килограммов и для ее перевозки нужен грузовой автомобиль или автомобиль, специально оборудованный для радарной установки. Конечно, радар работает на радиоволнах, а не на ультразвуке, дальность действия его значительно превосходит ультразвуковой локатор летучих мышей. Принцип локации у них одинаковый, но живая, система значительно эффективнее, если учесть ее мизерную массу.

Можно только удивляться изобретательности природы и тем эволюционным механизмам, которые формировали ультразвуковые приборы у живых существ. Летучие мыши слышат ультразвуковые колебания частотой до ста тысяч герц, а ночные бабочки и златоглазки, за которыми они охотятся, воспринимают ультразвуковые сигналы с частотой до двухсот сорока тысяч герц. Их «уши» напоминают слуховые органы кузнечиков, о которых шла речь ранее. Как только насекомые услышат, что их лоцирует летучая мышь, они начинают выделывать фигуры высшего пилотажа, спирали и мертвые петли — лишь бы летучая мышь промахнулась и не схватила их. А так как насекомые проворнее летучих мышей, то им часто удается увернуться от преследователя. Но на этом не заканчиваются взаимоотношения между бабочками и летучими мышами. Недавно удалось установить, что некоторые бабочки сами способны производить ультразвуковые импульсы. Как только насекомое обнаружит, что летучая мышь прослеживает его путь лоцирующими сигналами, оно само начинает издавать ультразвуковые импульсы. Причем эти импульсы так действуют на преследователя, что он улетает прочь, как бы пугается.

Что же заставляет летучих мышей прекратить преследование насекомого, издающего ультразвуковые сигналы?

На этот счет пока есть только предположения. По одним из них ультразвуковые щелчки — это приспособительные сигналы насекомых, сходные с теми, которые посылает сама летучая мышь, только в тысячу раз сильнее. Ожидая услышать слабый отраженный звук от своего сигнала, преследователь слышит оглушающий грохот, как будто сверхзвуковой самолет пробивает звуковой барьер. По другим представлениям, которых придерживается известный исследователь чувств животных Р. Бертон, ночные бабочки испускают предупреждающие ультразвуковые сигналы для летучих мышей. Если хотите, это можно назвать тоже мимикрией, только не зрительной, а ультразвуковой. Множество насекомых стремятся слиться с окружающей средой и приобретают соответствующую защитную окраску. Ряд же ядовитых насекомых, наоборот, одеты в самые яркие красочные «костюмчики». Это — окраска-предупреждение. Но для летучих мышей, которые охотятся в ночное время, яркая окраска не имеет значения. Ядовитые насекомые используют предупреждающие ультразвуковые сигналы. Возможно, защитную роль этих сигналов постигли и безобидные бабочки и пугают ими летучих мышей. Вот и получилась своеобразная мимикрия.

Каким же образом в длительном эволюционном процессе у насекомых появилась способность воспринимать ультразвуковые сигналы и мгновенно понимать опасность, которую несут в себе «сигналы» летучей мыши? С ультразвуковыми сигналами летучих мышей еще сложнее — никакие крики-сигналы соплеменников (а их иногда в одном месте, как в Бракенской пещере на юге США, собирается свыше двадцати миллионов), никакие искусственные ультразвуковые сигналы, создаваемые человеком с помощью аппаратуры, не мешают охотиться рукокрылым. Они узнают свое эхо среди миллионов голосов и других звуков, а воспроизведение сигналов, создаваемых бабочкой, заставляет мышь улетать прочь. Эти сигналы предельно подобраны к локатору летающего зверька, и, возможно, их щелчки раздаются точно в то время, когда летучая мышь включает ухо, чтобы услышать эхо. Если это так, то ночная бабочка успевает принять частоту лоцирующего ее импульса и послать ответный сигнал с учетом приближения охотника точно в унисон с ним. Такой прибор не может образоваться постепенно, в процессе отбора и совершенствования. Насекомое получает его сразу в готовом виде — только тогда он спасет ему жизнь. Вот так сложно устроенный звуковой локатор ставит новую загадку в эволюции живого, которую пока не решили ученые.

Ультразвуки летучие мыши издают не с помощью голосовых связок, а за счет свиста. Непонятно только, как можно свистеть щелчками. Зато возможности ультразвуковой локации выше, чем локации на частоте слышимых звуков. Во-первых, ультразвук распространяется направленным пучком, а во-вторых, локация при уменьшении длины волны улучшается — отраженное эхо от мелких предметов при этом, меньше искажается. Высокочастотные звуки, испускаемые в лаборатории щелчками, как у дельфинов или у летучих мышей, позволяли слепым людям с хорошо развитым слухом узнавать предметы и материал, из которого сделаны исследуемые объекты, хотя им, конечно, было далеко до тех возможностей, на которые способны «живые локаторы».

Кошки тоже слышат ультразвуки. В нашем «кис-кис» целый аккорд ультразвуков, и, возможно, в нем кошки слышат ряд свистов в большом диапазоне. Собаки не уступают кошкам, их даже можно приучить прибегать к хозяину на сигнал ультразвукового свистка. Верхняя граница слуха различна и у людей. Дети могут слышать более высокие звуки по сравнению со взрослыми. Описан случай, когда четырехлетний мальчик проснулся ночью, разбудил родителей и начал Настаивать, что «оно» кричит и пищит. Родители ничего не слышали. Сначала они думали, что ребенок видел что-то во сне, и начали его успокаивать. Через некоторое время ребенок опять закричал, что «оно» запищало и что в комнате кто-то есть. Родители, чтобы успокоить ребенка, начали обыскивать комнату и нашли летучую мышь, прицепившуюся к одной из занавесок. Справедливости ради можно заметить, что ребенок все равно бы не услышал ультразвуков, на которых лоцирует насекомых летучая мышь, скорее всего, это были сигналы, посылаемые другим рукокрылым на частотах низковолнового ультразвука, примерно в области двадцати пяти тысяч герц.

Не у всех животных есть такой сложный и совершенный аппарат эхолокации, как у летучих мышей и дельфинов. Некоторые животные используют свой сонар только для ориентации в темных пещерах. Так, в Юго-Восточной Азии в пещерах живут стрижи-саланганы. Они знамениты своими гнездами из густой застывшей слюны — в восточной кухне их используют для приготовления супа и называют «ласточкины гнезда». В пещерах саланганы издают щелкающие звуки до пяти — десяти раз в секунду и по эху определяют, где стены, а где гнезда. Другая птица — гуахаро из Южной Америки — тоже проводит весь день в темных пещерах и только ночью вылетает, чтобы полакомиться плодами деревьев. В темной пещере она ориентируется с помощью сонара, издавая пронзительные отрывистые крики частотой около семи тысяч герц.

Однажды вечером на даче я услышал тонкие и резкие писки. Что бы это могло быть? Я взял фонарик и направился к источнику непонятных звуков. В луче фонарика стоял мой кот, а перед ним, как мне сначала показалось, крошечная мышь. Через некоторое время удалось рассмотреть, что это была землеройка — самое мелкое насекомоядное млекопитающее нашей фауны. При любой попытке кота продвинуться вперед и схватить землеройку она издавала такие пронзительные писки, что удивленный кот отскакивал. Свисты, конечно, производились в ультразвуковом диапазоне, что еще больше пугало кота.

Известно, что землеройки — большие специалисты по воспроизведению ультразвуков. Но не только для отпугивания своих врагов используют землеройки ультразвуки, они ими пользуются и для эхолокации. Биологам пришлось много поработать, прежде чем они открыли эхолокационную систему у этих млекопитающих. Опыты пришлось проводить в полной темноте, а наблюдать за зверьками с помощью приборов ночного видения.

Ученые взяли две платформы, тщательно промыли их, чтобы исключить обонятельные ориентационные эффекты, и раздвинули платформы на разные расстояния. При удачном перепрыгивании землеройки получали их любимую пищу. Как обычно, животное подбегало к краю одной платформы, обследовало его, а затем точным прыжком перебиралось на другую платформу, с которой дорожка вела к пище. Если расстояние между платформами было семнадцать сантиметров, то землеройки без труда обнаруживали вторую платформу и перепрыгивали на нее. Стоило расстояние увеличить до двадцати пяти сантиметров, прыжки прекратились, зверек метался по краю первой платформы, ощущал, где находится вторая, но преодолеть огромнейшую для него «пропасть» не решался. Вот эти опыты и помогли ученым установить, что для своей локации землеройки используют ультразвук.

Эта часть книги познакомила читателя с обитателями воздушных просторов, пещер, наземными существами и обитателями морских глубин, которые имеют ультразвуковые эхо-локаторы, поражающие своим совершенством и показывающие пути создания новых лоцирующих приборов.