Животные - эхолокаторы. Эхолокация у китообразных
Дельфин обладает недостижимой для созданных человеком приборов эффективностью гидроакустической локацией. Он лоцирует дробинку, упавшую в воду на расстоянии 15м; различает размеры предметов одинаковой формы, отличающиеся на единицы процентов, их материал; различает подобно томографу детали внутреннего строения объектов, находящихся в воде или в слое ила, их форму и другие параметры, обнаруживает съедобную рыбу на расстоянии три километра и отличает от той, которая не идет в пищу.
Это достигается совершенством системы гидролокатор-мозг. На рисунке приведена сугубо схематическая структура функционирования гидролокатора дельфина. По эхолокационным сигналам дельфинов ученые смогли выяснить, как эти морские млекопитающие «видят» находящегося в воде человека. Сонарные сигналы, записанные подводным микрофоном, были преобразованы в картинки. Об этом сообщает Daily Mail.
И вот как это выглядит …
Исследование проведено в дельфинарии города Пуэрто-Авентурас (штат Кинтана-Роо, Мексика). Дайвер Джим МакДоноу (Jim McDonough) надел грузовой пояс и активно выдыхал воздух. Было принято решение не использовать акваланг, так как пузырьки от него повлияли бы на исход эксперимента. Сигналы (записанное на микрофон эхо от сигналов дельфина, направленных в сторону МакДоноу) были переданы британскому ученому Джону Стюарту Риду (John Stuart Reid) - специалисту по акустической физике, создателю аппарата визуализации звука CymaScope.
Основной принцип работы аппарата - преобразование звуковых вибраций в колебания воды. Сначала ученые загрузили последовательность ультразвуковых эхолокационных сигналов дельфина в CymaScope, поставив камеру в режим воспроизводства видео. На поверхности воды они увидели некую странную форму. Затем они проиграли видео назад, кадр за кадром, и через некоторое время увидели смутный силуэт человека. Компьютерная обработка изображения принесла новые детали (в частности, исследователи смогли разглядеть грузовой пояс МакДоноу).
Ранее (в 2012 году) с помощью той же методики биологи выяснили, как животные воспринимают неодушевленные объекты.
Таким образом, эхолокация позволяет дельфинам «увидеть» не только тени объектов, но и очертания их поверхности. «Мы думаем, что дельфины могут пользоваться звуко-визуальным языком - языком картинок, которыми они делятся друг с другом (кодируя картинки эхолокационными сигналами - прим. «Ленты.ру» )», - заявил автор исследования Джек Кассевиц (Jack Kassewitz).
А теперь давайте все же подробнее изучим как это работает.
Носовой канал (1 ) , идущий от дыхала к легким соединяет три пары воздушных мешков (2) , представляющие собой полости, окруженные системой радиальных мышц.
Мембраны, находящиеся в месте соединения мешков с носовым каналом, при продувании воздуха из левого мешка в правый или наоборот генерируют ультразвуковые колебания, которые фокусируются с помощью рефлектора (3) , представляющего собой параболическое углубление в передней части черепа и акустической линзы (4) , представляющей собой жировое образование, окруженное системой мышц, изменяющих при необходимости его форму и, следовательно, фокусное расстояние.
В результате образуется ультразвуковой луч (5) , частота и диаграмма направленности которого могут меняться. Лоцируемый объект 6 рассеивает падающее на него излучение и воспринимается антенной системой в виде трех областей (7) , расположенных на коже раструма и нижней челюсти дельфина.Эти области образуются акустическими рецепторами кожи с плотностью распределения около 600 единиц на 1 кв.см. и представляют собой, по сути, пространственную голографическую приемную систему.
Приведенная схема сугубо условна . Действительная форма ее элементов значительно сложнее. Однако отображение этих анатомических деталей только усложнило бы понимание принципа действия системы.
Сделаем маленькое отступление. Скорость движения дельфина в воде может достигать величины50-60 км/час , что намного превышает его мускульные энергетические возможности. Впервые на этот факт обратил внимание Джон Грэй .
Он показал, что удобообтекаемое твердое тело одинаковых с дельфином размеров и формой должно было бы затрачивать для преодоления сопротивления воды мощность, примерно в семь раз большую, чем та, которой он располагает.
Этот факт, получивший впоследствии название «парадокс Грэя» , объясняется тем, что коэффициент сопротивления при ламинарном обтекании значительно ниже, чем при турбулентном.
Объясняют парадокс Грэя особенности структуры и функционирования кожного покрова с гидрофобными и демпфирующими свойствами, а также двигательный механизм, как кожного покрова, так и всего тела дельфина.
Прежде всего, поверхность кожи совершенно гладкая и обладает гидрофоб-ным свойством (когда дельфин выныривает, на его коже нет капель воды). Гладкость же поверхности обеспечивается ее постоянным обновлением, слущиванием отмирающих частей, что защищает от биологического обрастания, столь характерного для морских плавсредств и многих обитателей морей. Это первая ступень защиты , обеспечивающая минимальный коэффициент трения.
Вторая ступень защиты обеспечивает гашение мелкомасштабных пульсаций давления водной среды предвещающих образование турбулентности.
Для этой цели эпидермис содержит два слоя: тонкий наружный и лежащий под ним ростковый или шиповидный. В ростковый слой входят шиповидные упругие сосочки дермы, которые обеспечивают надежное сцепление с амортизатором – слоем жира, пронизанным густыми сплетениями коллагеновых и эластиновых волокон.
Первая и вторая ступени – пассивные.
Под жировым слоем находится слой развитой системы подкожной мускулатуры и кровеносных сосудов. Это третья ступень защиты
.
Работает третья ступень защиты следующим образом. Важнейшим условием сохранения ламинарности (безвихревого обтекания) является наличие продольного, отрицательного градиента давления, который препятствует образованию вихрей. Как только в каком либо мес-те кожи возникает тенденция к образованию положительного градиента, мускулатурный, насыщенный кровью слой тут же меняет форму поверхности тела дельфина в соответствующем месте таким образом, что ликвидирует эту тенденцию. Это уже активная мышечно-гидравлическая защита.
Информацию о поле давления выдают соответствующие рецепторы, покрывающие все тело дельфина. Одним из рецепторов осязания у животных и человека являются волосы. Дельфин, утратив волосы при своей эволюции, превратил то, что от них осталось в эти рецепторы. Поле дав-лений обтекающей воды анализируется соответствующим разделом мозга и выдает нужные команды вегетативной нервной системе, управляющей системой мускулатуры и крови.
Ту же роль в сохранении ламинарности обтекания тела дельфина играет его хвостовая часть, движения которой создают отрицательный градиент давления. Это четвертая степень защиты.
Когда дельфину нужно достичь максимально возможной скорости, например, перед высоким прыжком, он включает «форсаж», превращая кожу в дополнительный двигатель. На скоростной киносъемке хорошо видно, как по телу дельфина в направлении хвоста бежит поперечный «гофр» из выступов кожи, который является дополнительным гребным механизмом.
Таким образом, дельфин весь является двигателем высшей степени совершенства, способным двигаться с большой скоростью, находясь при этом в полностью ламинарном обтекании.
А это значит, кроме всего прочего, что у него нет и шумов обтекания, которыми так богаты технические морские средства.
А теперь, закончим сделанное отступление и вернемся к гидроакустике, зная, что дельфин движется, не создавая гидродинамических шумов.
Все тело человека покрыто густой сетью рецепторов осязания. Рецепторов прикосновения и давления (механорецепторов) в коже человека свыше 600 тысяч. Это тельца Пачини и Мейснера, а также диски Меркеля.
Механорецепторы воспринимают, в том числе вибрации и звук. Последнее не является основным их назначением – для этого существуют уши. Однако известны случаи, когда с детства глухие люди, положив ладони на стол или поставив ступни на пол, могут слушать музыку.
У дельфина механорецепторов, по-видимому, значительно больше , чем у человека. В процессе эволюции они превратились в многие тысячи гидрофонов, покрывающих все тело дельфина. В результате поверхность тела дельфина представляет собой чрезвычайно развитое многофункциональное антенное устройство, работающее в диапазоне частот от нескольких герц до 200 кГц при очень низком уровне собственных шумов и имеющее на выходе уникальное анализирующее устройство – мозг.
Иными словами все тело дельфина – это совершенный акустический глаз , который может работать как в активном, так и в пассивном режиме с круговым обзором и возможностью концентрировать максимальную разрешающую способность в нужном направлении.
Различие между оптическим глазом и акустическим заключается только в том, что в первом случае анализ информации осуществляется на основе законов геометрической оптики, а во втором – на основе законов акустической голографии.
В линзовой системе единственная информация, которую можно получить от одного рецептора, это амплитуда акустического давления. В голографической же системе построения изображения используется как амплитуда, так и фаза. Поскольку голографическая антенна несет большую информацию от каждого рецептора, то получаемые изображения обладают большей информативностью. К тому же, поскольку рецепторы покрывают все тело дельфина, т.е. антенна имеет максимальные размеры, то и разрешение ее имеет максимально достижимую величину.
На основе вышесказанного рассмотрим общую схему гидроакустической системы дельфина.
Дельфин как приемно-излучающая гидроакустическая
система.
Первая подсистема – уши (1) , дополняемые третьим приемным устройством – нижней челюстью. Она обеспечивает, в основном, прием коммуникационных сигналов, а также обеспечивает часть функций освещения подводной обстановки.
Вторая подсистема – изучающая все типы звуков в диапазоне 10 Гц – 196 кГц. Зона ее излучения (2) .
Третья подсистема – система ближней гидролокации работает в зоне
(3)
и использует наиболее высокочастотные сигналы.Те же гидроакустические рецепторы, что с большой плотностью распределены на лицевой стороне, с меньшей плотностью расположены по поверхности всего тела дельфина и образуют многоэлементную широкополосную гидроакустическую приемную антенну с круговой диаграммой направленности
(4)
.
Эта подсистема голографического приема обеспечивает освещение подводной обстановки, работая как в активном, так и в пассивном режимах, а также дополняет работу первой подсистемы.
Дельфин может воспринимать звуки такой частоты, которые сам не в состоянии воспроизвести, в отличие от наземных млекопитающих и человека, которые слышат звуки, только такой частоты, которые издают сами.
Дельфин обладает несколькими гидроакустическими информационными системами, частично перекрывающими друг друга и работающих параллельно.Разделение поступающей информации, и совместная ее обработка осуществляется с по-мощью мозга, в реальном масштабе времени.
Таким образом, обеспечивается существенное улучшение отношения сигнал/шум и соединение направленного приема, обеспечивающего высокое пространственное разрешение, с круговым обзором, который ведется как в активном, так и в пассивном режиме, что недоступно для технических средств.
Полученная информация кодируется мозгом, по-видимому, в виде четырехмерных образов (три пространственных и один частотный).
Для дельфина гидроакустический канал получения информации означает гораздо больше, чем зрение для человека. Остальные органы чувств играют вспомогательную роль.
Что видит дельфин с помощью своей гидроакустической системы? Он видит поверхность, видит дно со всеми деталями его строения, в том числе с деталями слоев подстилающих пород; видит предметы, лежащие на дне, в том числе и лежащие глубоко в иле; видит особенности каждого предмета, его размеры, форму, особенности материала, внутреннего устройства.
Он ничего не может «сказать», о каком либо конкретном предмете, если раньше его не видел. Но если рядом находятся два подобных друг другу предмета, он при некоторой тренировке, может отличить один от другого по любому параметру: по размеру, по форме, по материалу, по на-личию пустот внутри, размерам и форме этих пустот и т.д.
Он видит все плавающие вокруг него объекты (в общих чертах, так сказать «боковым зрением») и если что-то его заинтересовало, концентрирует на нем остроту своего акустического зрения. Кстати, когда дельфин плывет или хочет рассмотреть что-либо, он делает движения головой, очень похожие на движения зрачков человека в подобных ситуациях.
Несколько простейших примеров. Дельфин различает: два совершенно одинаковых по форме и размерам предмета, но сделанных, один - из стали, другой – из латуни; два одинаково обработанных сплошных стальных шара, различающихся по диаметру на 2-3%; два одинаковых герметичных толстостенных полых цилиндра, полость которых частично заполнена водой, если разность уровней воды в них со-ставляет 3-4 мм и т д.
Более сложный пример. Если в воде плывет несколько человек, среди которых один знаком дельфину, дельфин подплывет именно к нему, если знакомство имеет положительный оттенок. Если плывет одновременно, пусть на большом расстоянии, несколько хорошо знакомых людей, тренированный дельфин подплывет в случае получения команды именно к тому, на кого ему будет указано.
Как это происходит? Каждый подводный объект является трансформатором гидроакустических полей в окружающем его пространстве. На каких-то частотах преобладает отражение падающих на объект волн, на каких-то – поглощение. Происходит сдвиг фаз и меняется интерференционная структура поля, поглощенная объектом акустическая энергия переизлучается им на собственных резонансных частотах и т.д.
Каждый излученный дельфином гидроакустический локационный импульс, отражаясь от объекта, несет информацию о его положении, размерах и форме (по углу и времени прихода эхо-волн). Энергия же импульса, имеющего форму дельта-функции, возбуждает весь спектр собственных резонансных частот объекта, что создает его неповторимый акустический образ.
Основную информацию дельфину дают активные гидролокаторы: передний (высокого разрешения) и кругово й (грубого разрешения), а также пассивная слуховая стереосистема приема окружающих акустических полей.
Но возможно, определенный вклад вносит и голографическая система, работающая в пассивном режиме (без собственной подсветки), основанная на искажении объектами интерференционных полей на различных частотах, образуемых внешними источниками как когерентного, так и широкополосного фонового излучения.
Животные-эхолокаторы издают волновые колебания, которые, встречая на своем пути камни, скалы, деревья или другие преграды, отражаются от них и возвращаются обратно. Животное воспринимает эхо как информацию и создает образ. Средой локации может служить воздух или вода, а средствами - волны: водные, звуковые, ультразвуковые и электромагнитные.
Для осуществления эхолокации животным надо иметь не только орган, который воспроизводит волны, но и который воспринимает эхо. У рыб для этого имеются с двух сторон тела боковые линии, заполненные маленькими сетевидными рецепторами. Рецепторы воспринимают отражение от обыкновенной водной волны, и это помогает рыбам не ударяться об острые подводные камни при плавании, особенно когда вода мутная. Другие животные используют ультразвуковые волны, производимые ими самими с помощью специальных органов, которые находятся у губ. Типичные ультразвуковые эхолокаторы - летучие мыши, а среди морских животных - дельфины, касатки, киты. Все они могут воспроизводить волны и воспринимать их как эхо отраженных ультразвуковых колебаний. Есть и такие животные, которые излучают настоящие электромагнитные волны. Технические принципы электрических органов похожи на таковые современных радаров. Вернее, радары построены по принципу жизненных приспособлений у животных. Для ориентации животных используются и инфракрасные волны.
Звуки издаются животными не только в воздухе, но и в водных глубинах. Обитатели моря, например, издают их миллионы лет, но исследователи лишь недавно приступили к систематическому их изучению. Сейчас установлено, что значительное количество морских организмов (от ракообразных до китов) могут издавать звуки более широкого диапазона, чем человек. Звуки издают и многие рыбы. Анатомически внутреннее ухо рыбы не отличается от внутреннего уха человека, но рыба не имеет внешнего и среднего уха, поэтому звуковые волны проходят у нее через все тело до головы. Рыбы издают звуки с помощью плавательного пузыря.
Рыбакам-поморам хорошо знакомы издаваемые рыбами звуки. Они умеют постучать по дну лодки или похлопать по воде, заставляя рыбу плыть в нужном направлении. Подгоняя рыбные косяки к сетям, японские рыбаки ставят в воду бамбуковые палки и ударяют по ним деревянным молотком. В восточных странах рыбаки умеют приманивать рыбу звукоподражанием. Они ставят в воду заграждения-ловушки и так искусно подражают голосам моря, что привлекают рыбу именно к тому месту, где они поставлены. В Тихом океане местные рыбаки привлекают акул стуком по скорлупе кокосового ореха.
Скорость распространения звука в воде больше, чем в воздухе, поэтому передача звука из воздуха в воду и обратно затруднена. Это одна из причин, объясняющих, почему морские просторы кажутся "немыми". Таким образом, известный "мир безмолвия" Жак-Ив Кусто и народная поговорка "нем как рыба" - просто художественный вымысел.
Примерно один процент звуковой энергии может перейти границу воздуха и воды. Она играет роль отражателя: воздушные волны-звуки возвращаются обратно, в воздух, а водные - в воду. Но рев моржей и ушастых тюленей, нырнувших в воду наполовину, распространяется по воде, звукопроницаемость погруженного в воду туловища большая. Поэтому тюлени, когда лежат на льду, могут слышать других тюленей, находящихся в воде. У моржей, тюленей и рыб существует целая система, принимающая и передающая звуки, которая имеет определенное биологическое значение и свои локационные особенности. Рыбы, охотясь ночью за насекомыми, падающими в воду, находят их при помощи гидроакустики.
При систематическом изучении гидроакустики все больше обнаруживается видов рыб, которые издают различные звуки. С помощью произведенных и отраженных колебательных движений воды рыбы в темноте лоцируют плавающие организмы, различные препятствия, пороги и водопады, которые встречаются на дне, в толще и на поверхности моря. Восприятие осуществляется при помощи боковой линии. Советский физиолог Фролов считает боковую линию у рыб главным органом, воспринимающим звуки. Однако сельдь, например, не имеет боковой линии и воспринимает звук с помощью слуховых органов. Самые сильные звуки рыбы издают три помощи плавательного пузыря, в стенках которого имеется особая мускулатура. Среди этих рыб - морская ласточка и морской петух, хек, средиземноморский фицис, мор, многие тресковые рыбы, бычки и др. Особенно сильные звуки производит морской петух. Он живет на песчаном дне возле берегов, главным образом в Желтом море, хотя встречается и в Черном. Подводные петушки могут петь ночью и днем круглый год. Голос их похож па хрюканье или на звуки, возникающие от трения мокрым пальцем по резиновому баллону, иногда он напоминает кудахтанье и клохтанье. Надутый плавательный пузырь занимает половину брюшной полости рыбы и состоит из двух частей. При равномерном сокращении мускулистых волокон соотношения объемов частей изменяются и стенки пузыря начинают вибрировать, что создает колебания низких частот (до 200 герц), но бывает, что они достигают и 2400 герц. У молодых рыб пузырь короче, чем у взрослых, поэтому и тон их "голосов" более низкий. При ловле морских петухов с тралов рыбаки слышат хаотические звуки.
Гидроакустическую активность проявляют также оциеновые рыбы. Тихим вечером или утром их можно подслушать. Миф о песнях сирен в Одиссеи навеян, по-видимому, звуками этих рыб. Однажды почти двухметрового оциена рыбаки преследовали по издаваемым им звукам, как охотники преследуют дичь по сопкам и скалам. Морским лошадкам свойственны брачные дуэты. Сильно "озвучено" Желтое море.
Бывают случаи, когда рыбы излучают электромагнитные волны. Это живой радар. Одна из них, мормириус, встречается в реке Нил и в других водоемах Центральной Африки. Эта рыба никогда не попадает в сети и издалека чувствует приближение человека. Ее еще называют рыба-слон из-за удлиненной, как хобот, передней части головы. Рыба-слон предпочитает зарываться в ил, и так как она при этом ничего не видит вокруг, природа снабдила ее радиолокатором. В хвост рыбы как бы вмонтирован электрический орган, который производит ток в несколько вольт. Электромагнитные волны, посылаемые мормириусом, отражаются от окружающих предметов и улавливаются приемником, который находится в основании спинного плавника. Врагам не удается застать эту рыбу врасплох.
Радиолокаторами снабжены и другие рыбы, например североамериканский пресноводный гимнархус и гимнотида, живущая в густых подводных зарослях. Если гимнотиду поместить между электродами, соединенными с осциллографом, можно обнаружить излучаемые ею электрические импульсы и записать их. Эта рыба ориентируется с помощью радиолокации.
Разбирая характерные случаи эхолокации в природе, начнем с элементарных ее проявлений у беспозвоночных и закончим высокоспециализированными эхолокационными способностями летучих мышей и дельфинов.
Беспозвоночных животных, издающих звуки в воде и на суше, очень много, но лишь некоторым присуща собственная эхолокация. Беспозвоночные животные воспроизводят причудливые звуки и пользуются широким их диапазоном в шкале звуковых частот. Первое место среди них занимают ракообразные: креветки-алфеусы, которые едва ли слышат свои звуки, так как не имеют развитых слуховых органов. Эти животные размером от 2 до 10 см обитают в теплых и субтропических районах Мирового океана, но встречаются и в Черном море. Живут они на дне около берегов, но любят перемещаться и собираться иногда в огромных количествах. Там, где их много, круглые сутки слышно потрескивание, напоминающее стук по железным листам, или потрескивание горящих сосновых дров. Если эти звуки уловить поставленным в воду микрофоном, то в воздухе они воспроизведутся как выстрелы: недаром японцы называют креветок "рак-пушка". Такие звуки могут заглушить шум моря при двухбалльном волнении и слышны за два километра. Здесь еще нельзя говорить ни о какой локации, просто издаваемые звуки играют защитную роль. Считается, что мелкие ракообразные и рыбы погибают при ультразвуковой частоте от 100 000 до 135 000 герц.
Звукопроизводящим аппаратом обладают морские раки-лангусты. Они издают звуки, напоминающие попискивание мышонка. У некоторых ракообразных звуки издают только самцы, у других имеется сигнальное общение независимо от пола. Кривой рак матута в Индийском океане трется клешней о край панциря, издавая звук, похожий на голос сверчка, а рак-пустынник, который водится на Каролинских островах, при раздражении издает резкий грачиный крик, переходящий в мычание.
Среди насекомых лишь немногие виды примитивно пользуются эхолокацией и локацией. Водяной жук-водолюб использует для ориентации поверхностные волны. Улавливающими органами у него являются специальные ворсинки, расположенные у основания антенн. Они-то и обеспечивают жуку беспрепятственное передвижение по поверхности воды. Если перерезать нервные окончания антенн, водолюб начнет крутиться по аквариуму, удерживаясь на воде, по ударяясь о стенки.
Можно предположить, что некоторые насекомые способны к ультразвуковой ориентации. Доказательством этого служит способность некоторых ночных насекомых запеленговывать ультразвуки летучих мышей слуховыми органами. Попав в радиус действия эхолокатора летучей мыши, маленькие ночные бабочки разлетаются в разные стороны, стараясь избежать опасной лоцируемой зоны. Это аналогично тому, как самолет, засеченный неприятельским прожектором, старается избежать освещенного пространства. Другие ночные бабочки, облученные ультразвуковой волной летучей мыши, моментально складывают крылья и падают на землю, что спасает их от опасности. Есть такие бабочки, которые поглощают ультразвуковые волны ворсинчатым покровом, и такие, которые в ответ на ультразвуки посылают электрические сигналы, помогающие им скрыться. Такие сигналы записаны на ленту, ими насекомые вводят в заблуждение преследователей точно так же, как самолеты вводят в заблуждение радары с помощью специальных металлизированных бумажных лент и фольги, рассеянных по облицовке корпуса.
Живой локатор - летучая мышь - может обнаружить проволочку диаметром 0,18 мм на расстоянии 90 см, хотя сама едва достигает 10 г. Она обнаруживает проволочку даже тогда, когда ее диаметр намного меньше длины посылаемых ультразвуковых волн.
Радары имеют большое значение, и, бесспорно, это одно из значительных достижений человечества. Специальные радарные установки могут передать на экран за доли секунды картину местности в сотни квадратных километров. Они четко работают, несмотря на облака, мглу и бурю. Но если учесть их размеры и израсходованную энергию, то живые локаторы летучих мышей остаются несравненно более экономичными, точными и эффективными.
Нужно отметить, что эхолокация и локация в природе встречаются чаще, чем мы предполагаем. В последние десятилетия шло интенсивное изучение локации летучих мышей и дельфинов. Способности же человека к эхолокации исследованы еще недостаточно.
Приведем в качестве примера простой случай человеческой эхолокации. В густой мгле у края скалистого берега через пролив движется лодка с рыбаками. Они отлично знают место, где проходили не раз, знают каждую извилинку канала, но не видят никакого ориентира. Мгла, кругом тихо, безветренно, и море спокойно. При помощи обычного свиста или просто голоса можно сравнительно точно определить расстояние до скалы, выступающего из воды утеса или до берега. Рыбаки, которые пользовались этим методом, уверяют, что могут обнаружить в густой мгле бакен диаметром 1 м на расстоянии 200 м.
Никто не научился использовать эхолокацию в повседневной жизни так, как слепые. Слепой шестилетний мальчик свободно катался на трехколесном велосипеде по тротуару. Он успевал вовремя свернуть, чтобы не врезаться в стену или не наехать на идущего навстречу человека. Есть слепые, которые переходят улицу в оживленном городе, ездят в автобусах и трамваях и никто на первый взгляд не может признать в них слепых. Как это им удается? Оказывается, эхолокатором им служат ступни. Острый и частый звук поступает от подковок каблуков и короткого стука трости перед собой. Резкое щелканье обуви и трости напоминает треск, издаваемый дельфинами. Близкие предметы отражают звук одинаково, и ухо слепого должно уметь дифференцировать нюансы вращающегося смешанного эха.
Работа мозга и уха человека сознательная, у дельфина же и у других животных она считается наполовину рефлекторной. Тщательные наблюдения за слепыми показывают, что они почти безошибочно угадывают препятствия на расстоянии около 2,1 м. Они уверяют, что чувствуют и даже видят на экране руки и очертания лиц. Когда слепым обвязали голову и плечи плотной материей, а на руки надели кожаные перчатки, оставив свободными уши, среднее расстояние, на котором они могли угадывать предметы, сократилось до 1,5 м. Таким образом, воспроизводить отраженные звуковые волны слепым помогает кожа на руках и лице. Однако при полной изоляции ушей, когда лицо и руки были открыты, слепые переставали угадывать препятствия. Так подтвердилось предположение, что основным органом, воспринимающим эхо, являются все же уши. Насколько совершенна расшифровка сигналов в мозгу, говорит следующий факт. Во время второй мировой войны некоторые опытные операторы, обслуживающие эхолокаторы на подводных лодках, достигли такого совершенства в работе, что по звукам в аппарате определяли, где движется засеченная подводная лодка, когда она меняет скорость хода, когда поворачивается. Физикам известно, что, согласно эффекту Доплерова, тон у отдаляющихся звучащих предметов ниже, а у приближающихся, наоборот, выше. Исходящий от эхолокатора навстречу движущемуся предмету звук постоянной частоты дает переменное эхо, скорость которого зависит от движения предмета. Тон модулированных частот навстречу движущемуся предмету имеет характерные оттенки. При продолжительной тренировке оператор становится специалистом, могущим делать очень точные наводки.
Эхолокация летучих мышей и дельфинов совершенствовалась на протяжении тысяч поколений. В их мозговых центрах сформировались такие рефлексы, при помощи которых они способны отличить муху на трепещущем листке или быстро зафиксировать плывущую рыбу на фоне неживых предметов. Когда же нет времени делать такие различия, животные на определенные звуковые нюансы отвечают точно определенными рефлекторными действиями. В одном случае это стремление уйти от столкновения, повернуть назад и возвратиться обратно, в другом - необходимость броситься вперед и быстро схватить добычу.
Звуки издают земноводные и пресмыкающиеся. Крокодилы в брачный период ревут и мычат. Дарвин вспоминал мычание самцов галапагосских ящериц во время спаривания. Питающиеся водорослями игуаны, обитающие на Галапагосских островах, тихо шипят. Так же шипит и желтобрюхая морская змея, которая встречается по всей экваториальной зоне Тихого и Индийского океанов.
Некоторые змеи обладают своеобразным органом, улавливающим тепловые инфракрасные волны. Животное проявляет оборонительную реакцию в направлении, продиктованном тепловым излучением жертвы или врага. Так, семейство американских гремучих змей носит название ямкоголовые. Эти змеи имеют перед глазами пару ямок, в которых расположены термолокаторы, представляющие собой двойную камеру, перегороженную тонкой, 0,025 мм, перепонкой. Термолокаторы наполнены нервными клетками и окончаниями. Нервные клетки улавливают температурные различия до 0,2° С и длину волн до 0,001 м. Эта чувствительность меньше чувствительности современных усовершенствованных термолокаторов, которые открывают дальние нагретые тела и невидимые звезды. Они воспринимают инфракрасные лучи и могут чувствовать холодные и теплые объекты на более теплом или холодном фоне. Так находят движущийся самолет в небе и айсберг в воде. Гремучая змея может чувствовать объекты с температурой ниже или выше окружающей.
Недавно была открыта эхолокация у ночных птиц гуахаро, обитающих в Центральной Америке и на острове Тринидат. Они, обитатели темных и длинных пещер, покидают их вечером и утром возвращаются. Их резкие крики в 7000 герц могут быть восприняты человеческим ухом. Вероятно, так же ориентируются и китайские ласточки-салаганы, которые гнездятся в пещерах и скалах.
Классическим примером эхолокации у млекопитающих служат летучие мыши и дельфины, хотя между ними нет никакой родственной связи. Летучие мыши - это особая группа летающих животных, а дельфины - это водные животные, дышащие легкими. Для дельфинов характерен сильно развитый головной мозг.
Наличие эхолокации у летучих мышей было обнаружено на 150 лет раньше, чем у дельфинов. Первые сведения о поведении летучих мышей получил итальянский ученый Спаланцани, который заинтересовался причинами и возможностью передвижения различных животных в темноте. В 1793 г. он осуществил свои первые опыты с совами и летучими мышами. При этом он обнаружил,
что совы в полной темноте становятся совершенно беспомощными, а летучие мыши продолжают летать, в какую бы темноту их ни поместили. Это озадачило исследователя. Тогда он ослепил мышей, отпустил на свободу, а через четыре дня поймал и вскрыл их. У вскрытых особей желудки были полны насекомых, так же как у зрячих. В это же время опыты с летучими мышами проводил шведский биолог Шарль Журин, который утверждал, что летучие мыши могут легко обходиться без зрения, но потеря слуха для них губительна. И действительно, стоило их лишить слуха, как они начинали натыкаться на все встречаемые препятствия. Спаланцани был находчивым и внимательным экспериментатором. Он доказал, что причиной потери ориентации у летучей мыши, после того как ей заткнут уши, является не механическое раздражение или повреждение. Он изобрел тонкие миниатюрные трубочки, вставил их в ушные каналы мышей и отметил, что с ними они летают нормально, но как только трубочки заполнят воском, животные теряют всякую ориентацию. Целым рядом опытов он доказал, что нарушение чувствительных органов летучих мышей, за исключением органа слуха, не имеет значения для их полета. Про ультразвук он тогда еще не знал и, естественно, не мог понять, каким образом этим животным служат уши? В 1800 г. еще нельзя было ответить на этот вопрос. Открытие Спаланцани было отвергнуто, осмеяно, опыты запрещены. Непререкаемые авторитеты того времени высказали мнение, что летучие мыши имеют какой-то орган осязания в перепонке крыла. Только в наши дни было доказано, что летучие мыши издают ультразвуки, в которых содержатся, правда, совсем мало, едва уловимые человеческим ухом компоненты. Однако они настолько слабы, что заглушаются шумом крыльев. Спаланцани этого не отмечал. Сегодня же это доказано при помощи электронных приборов. Голоса летучих мышей легко могут быть услышаны детьми, так как они более восприимчивы к высоким тонам. Если вечером найти место, откуда будут вылетать летучие мыши, то при хорошем слухе и некотором навыке можно услышать их голоса. Экзотические плотоядные летучие мыши издают более громкие звуки.
Когда летучая мышь летит прямо навстречу препятствию, она издает 5-10 "тиканий" в секунду. Но это слабые "тиканья" высоких тонов, слышимые только при полной тишине и сосредоточенном внимании. Издаваемые летучими мышами звуки бывают двух видов: с постоянной частотой и модульные. Летучие мыши - эволюционирующая группа животных. Их эволюция направлена на усовершенствование полета и эхолокации, обеспечивающих им благоприятные условия питания.
В Болгарии встречается 25 видов летучих мышей трех семейств, а в мире насчитывается до 1000 видов, объединенных в 2 подотряда и 16 семейств. Из наших летучих мышей пять видов относятся к семейству подковоносых. Они имеют кожную складку-мембрану около носа в виде подковы, которая служит им как бы рупором и усилителем при издавший звуков. Сигналы этих мышей очень просты, это почти чистые тоны с постоянной частотой от 60 до 1200 000 герц. Продолжительность отдельного сигнала от 50 до 100 миллисекунд. По сравнению с сигналами других летучих мышей они достаточно длинные.
У насекомоядных летучих мышей сигналы модульной частоты. В продолжение всего времени (несколько миллисекунд) они подаются целой октавой. Типичный сигнал ориентировки ночных летучих мышей содержит 50 звуковых волн, между которыми нет и двух одинаковых. Он начинается с наивысшего тона, достигает низшего и продолжается 2 миллисекунды. Звуки некоторых тропических летучих мышей могут улавливаться только самыми чувствительными приборами. Называют таких зверьков "шептунами", они издают простые сигналы: однократное цыканье и тиканье.
Летучая мышь весом 7 г может за один час поймать 1 г насекомых. Более мелкие зверьки, весом 3,5 г, за 15 мин увеличивают свой вес на 10%. Они ловят до 175 комаров, каждые 6 секунд - одного комара. В момент нападения мышь находится от насекомого на расстоянии 60-90 см. При спокойном полете она издает сигналы сериями: 10-12 тиканий продолжительностью 1-2 миллисекунды каждая. В лабораторных условиях ее сигналы перед препятствиями (ширма, сетка, лента) учащаются до 250 в секунду с промежутками в одну миллисекунду. Брошенные в воздух камень или свернутую тряпку мышь преследует (как добычу) с учащенными сигналами, но, настигнув, оставляет. Это дает возможность считать, что летучие мыши преследуют мелкие летающие предметы чисто рефлекторно, не имея представления об объекте.
Сигналы летучей мыши прослушиваются приборами, в которых они превращаются в усиленный наушниками треск и писк; когда летучие мыши летят прямо на высоте 2 м от земли, их голоса слышны как "пат-пат-пат" и подобны шуму небольшого моторчика. Когда же зверек преследует насекомое, звук, издаваемый им, учащается и усиливается. Такой звук означает, что цель обнаружена. Точность эхолокации у летучих мышей поразительна. Маленькие летучие мыши ударяются о нитку, когда ее диаметр превышает 0,07 мм. Такой объект их не интересует, он искусственный. Если же диаметр нитки 0,12 мм, можно наблюдать пеленгование препятствия зверьком.
В 1963 г. Р. Карен установил, что чувствительность летучих мышей к постороннему шуму и эхосигналам от других источников превосходит совершенный радар в сто раз. И действительно, встревоженные летучие мыши разлетаются в темной пещере, как только их вспугнут. Однако при большой насыщенности сигналами в небольшом пространстве каждая летучая мышь узнает свое эхо и, руководствуясь им в темноте, не налетает на препятствие (стену) и избегает столкновения с другими летучими мышами. Она никогда не будет введена в заблуждение другим эхом. Загадку представляют летучие мыши "шептуны", которые ловят насекомых, мелких птичек и ящериц, неподвижно сидящих на ветках и листьях растений. Их локационные способности еще не изучены. Возможно, эти мыши воспринимают таинственные биосигналы особой частоты, издаваемые самими животными.
Интересно, что 4 вида летучих мышей умеют ловить рыбу. Летая близко от поверхности воды, они время от времени окунают в воду задние ноги, на которых имеются длинные и загнутые, как у хищной птицы, когти. Ими зверьки хватают маленькую рыбку, охотясь обычно под вечер. При наличии над водой тумана или в темную ночь эти мыши издают сигналы, напоминающие сигналы других летучих мышей. Здесь эхолокация усложнена трудностями преодоления звуковой границы между водой и воздухом. Так как звук падает под прямым углом, 0,12 звуковой энергии проходит через воду, а при возвращении - опять в воздух, соответственно теряя при этом еще какую-то часть. Какая же часть из 0,12 остается и что улавливает от нее летучая мышь? Будем считать, что вздутый плавательный пузырь у рыбы, плывущей около самой поверхности воды, играет роль резонатора звука и что расстояние эхолокации совсем короткое - всего несколько сантиметров. Математические вычисления по аналогии с чувствительностью эхолокации других летучих мышей доказывают, что получить обратно отраженный сигнал можно.
Еще интереснее и сложнее эхолокационные способности дельфинов и близких к ним касаток и китов-кашалотов. Дельфины приспособились к водной среде около 50 миллионов лет тому назад. Время появления дельфинов и сегодняшних человекообразных обезьян почти совладает. Современные формы дельфинов и китов существуют почти 25 миллионов лет. Ранние китообразные имели маленький мозг. Приспособленные к жизни в воде животные имеют удлиненный дыхательный канал с клапаном для вдоха и выдоха. Главный звуковой орган у дельфинов - дыхательное отверстие с мускулами и мешковидными разветвлениями. При звуковых сигналах вода вибрирует, и клапан закрывается. Дыхало широкое, позволяющее за полсекунды вобрать от 10 до 12 л воздуха. Некоторые авторы высказывают мнение, что бронхи и альвеолы этих животных выполняют акустические функции. Водный режим наложил на их легкие особенности, которые имеют анатомический и видовой характер. Детеныши, например, рождаются у дельфинов не головой вперед, а хвостом. В это время самка издает особый свист, который привлекает другую самку, и та приходит на помощь первой, помогая ей вытолкнуть малыша на поверхность, а ему - сделать первый вдох. Первые две недели обе самки находятся около малыша. Когда мать добывает пищу, помощница остается с детенышем. Дельфины очень любят играть около кораблей. Волны, создаваемые кораблем, облегчают им плавание. Они скользят по ним, как дети, катающиеся на санках, или как велосипедист, которому легче ехать за мотоциклом. Но дельфинов привлекает и шум корабля.
Дельфины - смышленые, дружески настроенные к человеку животные. Они хорошо поддаются дрессировке, быстро реагируют на команды, свист, жесты. Три важнейшие особенности имеют эти животные: большой мозг, известную "интеллигентность" и склонность дружить с человеком. Отсюда возникло и три основных направления в их изучении: эхолокация, сравнение их мозга с мозгом других животных, опыты по общению дельфинов с человеком.
Дельфины относятся к отряду китообразных. Их насчитывается 50 видов - морских и пресноводных. Пресноводные встречаются в Амазонке, Ганге и в других реках. Много опытов проводится с длиннокрылыми дельфинами-афалинами, распространенными во всех морях и океанах, кроме вод Арктики и Антарктиды. Афалины, обитающие в Черном море,- самые крупные дельфины: длина достигает 310 см при весе до 120 кг. В Черном море встречаются и дельфины-белобочки, которые меньше афалин: длина до 200 см, средний вес 53 кг. В 1947 г. надзиратель Мерилендского дельфинария первым обратил внимание на способность этих животных к локации ночью, в темной воде. В 50-е годы жизнью дельфинов и прежде всего их эхолокацией заинтересовались многие ученые.
При полной темноте дельфин может распознавать мельчайшие предметы, находящиеся на значительном от него расстоянии. Тайно положенный кусочек пищи в одном из углов бассейна дельфины находят сразу. Плывя по поверхности воды, они издают полуквакающий, полусвистящий звук, а под водой - много других звуков, которые, в частности, используются и для общения с себе подобными. А. Г. Томилин пишет, что вынутый из воды на палубу обыкновенный черноморский дельфин издает звуки, напоминающие гудение в детскую дудку, кряканье утки, мяуканье кошки, кваканье лягушки и другие, продолжительностью до двух секунд.
Характерный сигнал дельфина-афалины содержит серию быстрых скрипящих звуков; повторяемость сигналов - от 5 до 10 в секунду. Самый короткий звук этих дельфинов имеет продолжительность около 0,001 с. Если эти звуки воспроизвести, они будут подобны щелканью трости слепого по тротуару. Это щелканье звучит примерно треть секунды. Оно начинается с самой низкой ноты (как обратный модульный сигнал у насекомоядных летучих мышей) и постепенно достигает высокой частоты, до 170 000 герц, т. е. в 8 раз выше тона, который может воспринять человеческое ухо. Интервал между передаваемыми дельфином сигналами и приемом эха указывает на расстояние до объекта. Предполагается, что нюансы эха раскрывают не только расстояние до лоцируемого предмета, но и его форму, объем и другие характеристики. Дельфины в состоянии делать такие различия.
Встречая своих друзей, дельфины издают свистящие сигналы в диапазоне звуков, почти уловимых человеком, которые длятся от половины до трех секунд. Если объединить скрип и щелканье в сигналы одного порядка, то скрип и свист будут сигналами другого порядка: первые более короткие, вторые достаточно продолжительные. Многие ученые разделяют щелканье и свист дельфинов. Если сигналы, напоминающие щелканье, имеют чисто локационный смысл и могут быть переданы одновременно или серией с большой скоростью, то свист выражает эмоциональное состояние и часто принимает характер разговора. Малыш и мать, когда находятся отдельно друг от друга, издают свист и вскоре встречаются. Дельфины могут и чередовать щелканье со свистом.
Доктор Кениед Норис рассказывал об опытах с дельфином-афалиной по прозвищу Алиса в университете Лос-Анжелеса (Калифорния), где был преподавателем зоологии. Он и доктор Рональд Тернер научили Алису различать два стальных шарика. При выборе большого шарика она получала рыбу. Завязав Алисе глаза, они постепенно стали увеличивать размеры маленького шарика, пока шарики не стали отличаться на 6 см. В последнем опыте использовались шарики диаметрами 6,35 и 5,71 см. Человек едва мог уловить разницу между ними. Дельфин же делал с завязанными глазами довольно правильный выбор. При разнице в диаметрах шариков до 2,5 см он не допустил ни одной ошибки при ста повторениях опыта. В конце Норис сообщает, что дельфины могут различить и два совсем одинаковых по размерам шарика, но один из олова, другой из пластмассы.
В 1965 г. Уильям Шефил и его жена Барбара Лоренс сделали другой опыт, который должен был дать ответ на вопрос, может ли дельфин с помощью эхолокации найти мертвую рыбу и на каком расстоянии. Опыты проводились ночью. Вблизи берега в лодке сидел человек и держал неподвижно мертвую рыбу, на несколько сантиметров покрытую водой. Один дельфин нашел лодку и получил рыбу. Опыты показали, что дельфины при помощи эха своих звуковых сигналов могут обнаружить такие маленькие объекты, как 15-сантиметровая рыбка, и отличают звук эха от берега, дна, камней, водной растительности, скрытой в воде, от потопленной в воде лодки и сети, которая стояла в воде перпендикулярно лодке. Исследования советских ученых показали, что дельфины благодаря эхолокации различают на расстоянии предлагаемую рыбу или икру, которая является для них большим лакомством.
В 1965 г. на Багамских островах, где шум моря значителен, при - выполнении сложных технических задач были использованы эхолокационные способности двух предварительно обученных дельфинов - Долли и Дины. В одном подводном исследовательском центре в Калифорнии дрессированный дельфин нырял на глубину 60 м, носил почту, пищу, а также спасал заблудившихся водолазов, когда доносились до него их сигналы по навитой на катушку нейлоновой веревке.
Доктор Бастиани из университета г. Дейфис (Калифорния) научил двух дельфинов - Бэз и Дорис нажимать по световым сигналам два клапана под водой. Короткий сигнал заставлял дельфина нажимать левый, а длинный - правый клапан. Бэз делал это первым, Дорис после него. При третьем опыте между дельфинами поставили преграду. Дорис видела световую команду, когда зажигали фары, и, не задумываясь, издавала серию звуков. Ориентируясь на нее, Бэз находил поноску, не дожидаясь своей команды, Дорис же приносила свою поноску только после него, за что оба дельфина получали рыбу.
В бассейн с афалинами была пущена тигровая акула. Когда она приближалась к дельфинам, они издавали звук, напоминающий лай. Вскоре несколько дельфинов бросилось на акулу - и она погибла. Окружив ее, животные били акулу острыми мордами. Следует отметить, что от рыбы-меч, которая значительно больше и опаснее акулы, дельфины могут спастись только бегством.
При помощи эхолокации дельфины различают не только маленькую и большую, живую и мертвую рыбу, но и различные материалы: металлический и пластмассовый шарики, латунь и алюминий. Это необыкновенная способность к дифференциации у дельфинов - одна из загадок природы.
Жак-Ив Кусто, который занимался с дельфинами и написал о них книгу, отмечает, что однажды дельфин со светонепроницаемыми наглазниками обнаружил и перескочил веревку, натянутую на высоте 3 м над водой. Трудно решить, как ему удалось это сделать, ведь ультразвуки дважды изменились и отклонились применительно к каждой среде с различной плотностью. Мы уже говорили о слабой пропускной способности пограничной линии между водой и воздухом. Наличие приемов пеленгации ультразвуков дельфинами не намного мощнее по сравнению с таковыми у летучих мышей, но зато фокусировка ими предметов значительно точнее. Некоторые ученые утверждают, что жировая ткань передней части головы дельфина служит линзой для концентрации в пучок возвращенных ультразвуков. Зеркало в физике, точный фокус на данный предмет, означает и точное определение расстояния до него. Каким же образом дельфин принципиально правильно рассчитал высоту веревки и дал определенный толчок своему телу, находясь еще в воде, чтобы перепрыгнуть через нее? Как он обнаружил и одновременно запеленговал отраженный ультразвук? Ведь веревка была натянута довольно высоко. Обычный трюк дельфинов - это прыжок в обруч над водой. При этом дельфин использует свои возможности одинаково хорошо ориентироваться и в воде, и в воздушной среде, с большой точностью корректируя расстояния и силу своих прыжков.
Еще одна из загадок, связанная с эхолокацией у дельфинов, это их выскальзывание из густых сетей. Как перепрыгивают животные через них или как находят в них большие отверстия? Каким образом обнаруживают они эти отверстия? Почему не перескакивают сети с крупной ячеей, а запутываются в них? И, наконец, самая необъяснимая загадка поведения дельфинов состоит в том, что они никогда не нападают на людей, даже если будут вынуждены пойти на смерть. А ведь эти животные имеют все возможности уйти от человека. Мускулистый хвост в состоянии подбросить вертикально вверх стокилограммовое тело животного на 3 м над водой. Один легкий удар хвостом был бы смертельным для человека. Новозеландская самка дельфина по кличке Опо привыкла играть с купающимися детьми. Если какой-нибудь ребенок становился груб с нею, она лишь отплывала в сторону и недовольно била хвостом по воде. Е. Чампи рассказал случай, как однажды охотник поймал маленького дельфина. Тотчас охотника окружили растревоженные дельфины, однако напасть они не пытались. Охотник спокойно достиг лодки и отплыл с плененным дельфиненком. Отчаявшаяся мать следовала за лодкой. Приподнимаясь над водой, она смотрела на дельфиненка, но не предпринимала ничего для его спасения.
На страницах литературы рассказывалось и про эксперимент, при котором в мозг 29 дельфинам были введены электроды. Животные стойко переносили боль, и ни один из дельфинов не проявил агрессии по отношению к людям.
Международной конвенцией строго запрещается бивать в Черном море дельфинов для добычи мяса жира.
Согласно новым сведениям и опытам хищные китообразные - касатки - так же, как и дельфины, легко приручаются и поддаются обучению. Некоторые исследователи даже говорят об их превосходстве перед дельфинами. Касатка-самка Шаму оказалась способной ученицей. Она позволяла надевать на себя пояс, который затягивался вокруг ее тела и за который держался человек. Потом касатка и человек вместе ныряли и выполняли прыжок в воздухе. Дрессировщик мог даже класть голову между страшными челюстями Шаму, а при нырянии держался за складки ее губ. В 1963 г. берегов Калифорнии проводились опыты по отыскиванию с помощью касаток затонувших предметов на глубине до 350 м.
По некоторым сведениям стало известно, что касатки могут нырять на глубину до 1000 м. Практический смысл этих опытов бесспорен. Дрессированные дельфины и другие китообразные, имея исключительные эхолокационные способности, высокоразвитый мозг и физические возможности, могут оказаться незаменимыми помощниками человека.
Эхолокация дельфинов - сложное и совершенное их приспособление, которое не может быть сравнимо с эхолокационными возможностями у более примитивных животных, в том числе и с эхолокацией летучих мышей. Эхолокация дельфинов доведена до степени нового познавательного средства, усовершенствованного на протяжении миллионов лет в условиях водного режима благодаря высокоразвитому головному мозгу этих животных.
22 октября 2016 в 21:56Физика в мире животных: дельфины и эхолокация
- Научно-популярное ,
- Физика
Дельфины - морские млекопитающие. Их организм устроен специфически из-за образа жизни этих животных. Большинство органов чувств дельфинов работают не так, как у наземных млекопитающих. Их мозг не менее сложен, чем мозг человека, а развивались дельфины дольше людей (около 25 млн лет). Ученые многие десятки лет изучают дельфинов, но до сих пор существуют вопросы относительно их образа жизни, на которые нет ответа. В числе прочих вопросов - система коммуникаций этих животных. Специалисты считают, что у них есть свой язык, но расшифровать его человек пока не в состоянии.
Для того, чтобы сделать это, ученые стараются изучить слуховую систему дельфинов, а также их «эхолот» - систему передачи звуковых сигналов. Видимость под водой практически всегда сильно ограничена, поэтому дельфины полагаются не на зрение (оно у них развито неплохо, но идеальным его назвать нельзя), а на слух. Для общения между собой дельфины используют звуки высокой частоты. Для ориентации в пространстве эти животные издают щелчки определенной частоты и продолжительности. Эти звуковые сигналы, отражаясь от предметов, дают дельфину информацию об окружающих его объектах.
Многие наземные млекопитающие обладают очень острым обонянием. Дельфины, выбрав водную среду для жизни, почти утратили обоняние. Вместо него они научились в совершенстве использовать чувство вкуса. Вкусовые рецепторы дают дельфинам представление о наличии в воде определенных веществ, которые могут свидетельствовать о близости еды, опасности или сородичей. Ученые считают, что дельфины могут определить даже очень небольшую разницу в солености воды. По этой причине те дельфины, которые обитают в Средиземном море, почти не заходят в воды Черного моря, где соленость воды составляет около 17‰, что в вдвое ниже солености воды Средиземного моря.
Лучше всего у дельфинов развит слух, они имеет первостепенное значение в их жизни, заменяя в большинстве случаев зрение. В поисках пищи эти млекопитающие погружаются на большую глубину, где видимость практически отсутствует. Даже, если бы зрение дельфина было бы хорошо развито, что-то разглядеть здесь все равно сложно. А вот эхолокация позволяет обнаруживать пищу и отлично ориентироваться в окружающем пространстве. При этом еще в начале прошлого века специалисты утверждали, что слух у дельфинов развит очень слабо.
Голосовой аппарат
Как и у всех прочих млекопитающих, у предков дельфинов голосовой аппарат, скорее всего, был связан с дыхательной системой. Но у дельфинов и их родственников голосовая система не связана с легкими. Рот у них служит лишь для захвата предметов, включая пищу. Дыхательная система дельфинов сложная, точка вдоха и выдоха - это дыхало, которое находится в верхней точке головы. С дыхательным проходом дельфинов соединены сразу три пары воздушных мешков. Ученые считают, что эти мешки играют важную роль в генерации звуков дельфинами. Общаются они, закрыв пасть и дыхало, под водой, а не на поверхности.В сентябре этого года исследователи из Карадагского природного заповедника , где показана система общения этих животных. Изменяя громкость и частоту щелчков, дельфины-афалины составляют слова, а из них - предложения. По словам специалистов, во многом эти разговоры похожи на речь человека. Принимая участие в беседе, дельфины внимательно слушают друг друга. Когда «говорит» один дельфин, второй ему внимает, и наоборот. «Каждый звук, генерируемый одним из животных, отличается от другого звука, генерируемого собеседником. Отличие - в спектре и частоте пульсаций. При этом ряд сочетаний звуков не повторяется. Мы можем предположить, что каждая пульсация представляет собой отдельную фонему или слово из языка дельфинов», - говорит руководитель исследования Вячеслав Рябов. Скорость звуковой пульсации у дельфинов составляет около 700 импульсов в секунду.
Сами щелчки генерируются в специфической системе, которая расположена под дыхалом в верхней части головы. Звуковые волны посылаются животными направленно, эту возможность обеспечивает жировая прослойка на лбу животного, а также вогнутая передняя поверхность черепа. В итоге дельфин умеет собирать звук в направленный «луч» с углом расхождения в 9°. Это дает животным широкие возможности. Афалины, например, умеют обнаруживать мелкие объекты размером с мандарин на расстоянии свыше 100 метров.
Слуховой аппарат
Орган слуха у дельфинов не менее сложен, чем звуковой аппарат. Понятно, что ушных раковин у них нет, хотя у предков дельфинов они были. Если бы этот орган остался бы у дельфинов, он вызывал бы очаги турбулентности при движении, что стало бы причиной генерации сильного шума, заглушающего для животного все остальные звуки.Поэтому звуки воспринимаются дельфинами по-другому. Сначала звуковые сигналы проходят через наружное ушное отверстие (оно все же есть). Затем по такому же узкому слуховому проходу акустическая волна добирается до среднего уха. Причем среднее и внутреннее ухо размещаются у этих животных не в черепной кости, а отдельно, соединяясь с черепом при помощи особого сухожильного крепления. Звуковой нерв передает полученные сигналы в мозг. Интересно, что приемники звука для левого и правого уха не зависят друг от друга. Это позволяет животному определять местоположение источника звука. К примеру, та же афалина может в бассейне точно локализовать место падения небольшой рыбки, и сразу приплыть к месту падения. Кроме ушных каналов, дельфины получают звук и при помощи нижней челюсти, где расположена костная пластина толщиной в 0,3 мм. Она играет роль мембраны.
Благодаря строению своей слуховой системы дельфины могут воспринимать широкий диапазон звуков - от 1 герца до 320 килогерц. Это гораздо более широкий звуковой диапазон, чем тот, который способен воспринимать человек.
Генерируя звуки и улавливая их отражение от окружающих объектов, дельфины изучают окружающее пространство. Причем эхолокационный «прибор» дельфина очень надежен. Друг друга дельфины находят на расстоянии свыше 150 метров в полной темноте. В этом случае они генерируют ультразвуковые сигналы с частотой 60-90 килогерц. При помощи своего «локатора» дельфин получает данные не только о расстоянии до препятствий и объектов, но и об их природе (размер, форма и свойства материала).
Теги:
- дельфины
- эхолокация
- ультразвук
Дельфины очень полезные и интересные звери. Однако биология их еще слабо изучена. Почему, например, дельфины и киты «чувствуют» приближение шторма, заранее отходят от берегов в открытое море и чаще, чем обычно, выпрыгивают из воды? Еще 60 лет назад академик В. В. Шулейкин открыл явление, названное им «голосом моря». Во время сильного ветра и движения воздуха над гребнями волн возникают инфразвуки, исходящие от поверхности моря. Инфразвуковые волны с огромной быстротой распространяются во все стороны. Некоторые морские животные, по-видимому, обладают способностью воспринимать такие инфразвуковые штормовые предупреждения, посылаемые самим морем. Теперь мы уже твердо знаем, что не только дельфины, но даже медузы - животные, стоящие на очень низком уровне развития, - воспринимают «голос моря» и задолго перед штормом опускаются на глубину.
Можно предположить, что инфразвуки, воспринимаемые дельфинами, действуют на них как раздражители, заставляя уходить в открытое море подальше от берегов. Во время шторма зверям опасно находиться на мелководье. Сильной волной они могут быть выброшены на берег или поранены об камни. Возможно, что инфразвуки им неприятны, поэтому они чаще выпрыгивают из воды. Но это только одно из предположений. Может быть, прыжки дельфинов вызываются другими причинами, например «игровым рефлексом».
Некоторые ученые считают, что игровой рефлекс свойствен только молодым животным, но у дельфинов он развит и у взрослых. Дельфины очень восприимчивы к внешним раздражителям. Именно поэтому они быстро привыкают к неволе, хорошо поддаются дрессировке.
Во Флоридском океанарии, в США, дельфинов приучили играть в баскетбол: подбрасывать с воды мяч и попадать им в корзину - нормальное баскетбольное кольцо с сеткой, укрепленное над водой. Дельфины виртуозно выполняют команды дрессировщика. За исполнение каждого трюка они получают вознаграждение - небольшую рыбку. Если почему-либо дрессировщик не дает ее, обиженный дельфин плавает вдоль края бассейна и издает звуки, похожие на ворчание, показывая тем самым свое неудовольствие и требуя вознаграждения.
Дельфины во Флоридском океанарии прыгают сквозь обручи, затянутые бумагой, поднимают флаг над океанарием, дергая за веревку, звонят в колокол, «поют» дуэтом и хором перед микрофоном. Конечно, нельзя понимать это абсолютно. Дельфины не поют в нашем обычном представлении, но все же они издают звуки, которые можно, пожалуй, назвать вокальными. Понятно также, что никакой мелодии в «песнях» дельфинов нет. Но издаваемые ими звуки по приказу дрессировщика отличаются от множества других, которые они обычно употребляют при общении друг с другом.
Занимаясь исследованием морских животных, изучая их голоса и звуковые сигналы, ученые установили, что многие обитатели морей и океанов имеют, если можно так выразиться, свой «разговорный» язык. При помощи звуковых сигналов эти животные общаются между собой, «разговаривают». Причем каждый вид дельфинов или рыб имеет свой собственный язык, непонятный для других. Например сельдь (ее щебетанье похоже на чириканье воробья) не может «разговаривать» с треской, а дельфин-белобочка с афалиной (бутылконосым дельфином): они говорят на разных языках.
Оказалось даже, что самые обычные серые вороны, живущие в Англии, не понимают ворон, обитающих во Франции. Недавно один американский ученый-зоолог установил, что у разных пород собак имеется 170 «диалектов» своего «собачьего» языка. Собаки разных пород «говорят» и понимают только свой язык. Конечно, есть отдельные звуковые сигналы, понятные многим видам, но это главным образом сигналы тревоги. Дельфины в основном издают ультразвуки, не слышимые человеком, ибо частота их колебаний доходит до 200 тысяч в секунду (то есть 200 тысяч герц), а человек может слышать лишь те звуки, частота колебаний которых варьирует от 18 герц до 20 тысяч герц.
Дельфины не отличаются остротой зрения. Зрение у них слабое. А вот слух у животных уникальный. Исследования показали, что дельфины воспринимают звуковые волны не только слуховым аппаратом, а всем телом и особенно поверхностью головы. Из хаоса подводных звуков они умеют отбирать именно те, которые им нужны. Поэтому у дельфинов очень развита способность ориентироваться даже в совершенно мутной воде. Эксперименты показали, что дельфины издалека обнаруживают стоящую на их пути мелкоячейную сеть. В мутной воде и даже ночью, в полной темноте, эти живые эхолокаторы «ощупывают» предметы звуком, определяют не только их местонахождение, но различают даже и вид рыбы, опущенной в воду экспериментатором. Если это их любимая пища, они моментально находят ее на достаточно большом расстоянии. Если же не представляет для них интереса или это какой-то посторонний предмет, то, «ощупав» его звуком издалека, они даже не подходят к нему. У рыб такая эхолокация отсутствует. Надо вообще сказать, что сложность поведения и «разговора» дельфинов намного выше уровня поведения и звуковых сигналов рыб, да и других животных.
Все звуки, издаваемые дельфинами - свист, кряканье, щебет, скрежет, поющие звуки, - имеют самое разное значение. Пока ученые только подходят к расшифровке значения этих звуков. Правда, некоторые уже переведены на человеческий язык. Это сигналы опасности, призывы о помощи или звуки, которыми животные обмениваются, когда находят пищу. В течение последних лет американский ученый доктор медицины Джон Лилли занимался изучением психической деятельности дельфинов. Он установил много интереснейших и ранее не известных подробностей их поведения.
Джон Лилли утверждает, что, в конце концов, человек сможет разговаривать с дельфинами на их языке. Он считает, что можно расшифровать звуковые сигналы, издаваемые дельфинами, а затем воспроизвести их в нужном сочетании при помощи специальных аппаратов. «Наступит такой момент, - говорит Джон Лилли, - когда человек сможет задавать вопросы и получать на них ответы от дельфинов, то есть «разговаривать» с животными, стоящими по сравнению с человеком на значительно более низкой ступени психического развития» (хотя как сказать, может дельфины смогут многому научить нас, людей. Примечание редактора).
На первый взгляд это кажется фантастическим заявлением. Но к таким выводам Джона Лилли привели не только наблюдения, но и анатомическое строение центральной нервной системы дельфинов. Мозг дельфинов оказался близким по весу к мозгу человека. У дельфинов он весит 1750 граммов, а у человека - 1450 граммов. Правда, если взять относительный вес мозга на единицу длины, то получатся несколько иные цифры: на каждые 15 сантиметров длины тела человека падает 197 граммов веса мозга, а у дельфина - только 165 граммов. Но все это наиболее близкие, наиболее совпадающие цифры по сравнению с любыми другими животными. Дельфин по развитию психических способностей с полным правом может считаться самым близким к человеку млекопитающим. Собаки и человекообразные занимают следующие ступеньки.
У дельфинов очень сильно развита подражательная способность. И хотя у них голосовые связки отсутствуют, а аппарат для воспроизведения звуков очень своеобразен, несовершенен и, кстати сказать, еще слабо изучен, дельфины, как уверяет Лилли, подражают не только голосу и интонации человека, но быстро заучивают и повторяют отдельные слова и даже целые фразы. Джон Лилли и его сотрудники слышали неоднократно, как животные повторяли сказанные Лилли фразы. Правда, четкость произношения дельфинами отдельных слов оставляла желать много лучшего…
Продолжение следует.
P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что оказывается даже само изображения дельфинов, может оказывать на человека благоприятное влияние. Так что пожалуй картины с изображениями дельфинов даже можно вешать когда проектируется дизайн интерьера Киев , и человек находящийся в таком интерьере всегда будет чувствовать спокойствие и умиротворение.
У дельфинов достаточно хорошо развиты такие органы чувств как органы осязания, зрения, вкуса и слуха.
Рецепторы кожи посылают в мозг дельфина сигналы о прикосновениях к телу, о температуре среды, о болевых ощущениях, об изменении давления воды, о звуковых колебаниях, которые распространяются в воде. Сигналы мгновенно анализируются мозгом. При лёгком прикосновении к коже дельфины обычно открывают и закрывают глаза. Ощущение, вызываемое сменой среды при выныривании, превращается в сигнал для открывания на голове дельфина дыхала и выполнения слитного выдоха-вдоха.
Родятся дельфины с открытыми глазами. В воде, где свет поглощается быстро и уже на небольшой глубине царит вечный мрак, условия для развития остроты зрения совсем неподходящие. И тем не менее у дельфинов довольно острое зрение как в воздухе, так и в воде. Считается, что дельфины, как и все китообразные, не различают цветов. Это предположение основано на том, что в сетчатке китообразных колбочки либо очень малочисленные, либо отсутствуют, а поверхность глаза смазывается прозрачной густой жидкостью, выделяемой так называемыми гардеровыми железами. Глаза дельфинов в темноте светятся, как у кошек, что объясняется наличием особой отражательной оболочки, содержащей кристаллики гуанина.
Наземные млекопитающие обладают острым обонянием. По понятным причинам для большинства из них это жизненная необходимость. Переход предков дельфинов в воду привёл к тому, что их обоняние постепенно атрофировалось, так как запахи в носовой канал могли попадать только в те мгновения, когда после длительной дыхательной паузы с закрытыми ноздрями животное делало короткий вдох. Вместо обоняния у дельфинов развилось чувство вкуса, которое компенсирует отсутствие обоняния. Вкусовые рецепторы дают дельфинам информацию о запахе растворённых в воде веществ, пищи, мочи сородичей. Морские дельфины не могут долго находиться в пресной воде, у них начинаются кожные болезни. Дельфины определяют даже небольшую разницу в солёности воды. Поэтому киты и дельфины, встречающиеся в Средиземном море, где солёность воды составляет 35 ‰ , не заходят в Чёрное море, где солёность воды вдвое ниже. Здесь, в Чёрном море, постепенно прижились, приспособились к условиям лишь три вида дельфинов, ставшие самостоятельными подвидами: афалина, дельфин белобочка и морская свинья.
Но из всех органов чувств у дельфинов лучше всего развиты органы слуха. В жизни дельфинов и других китообразных слух приобрёл первостепенное значение и часто заменяет зрение. Поясним это простым рассуждением. Известно, что некоторые дельфины кормятся не только днём, но и ночью, ныряют на большую глубину, где почти или совсем темно. Китайского речного дельфина и гангского дельфина окружает мутная вода, у них совсем слабое зрение. Но при ловле добычи плохое зрение, похоже, им не очень мешает. Оказывается, плохое зрение им фактически заменяет слух, который воспринимает различные звуки моря (или реки, озера), в том числе сигналы сородичей и эхо собственных сигналов.
Ещё сравнительно недавно (начало ХХ века) учёные считали, что слух у дельфинов развит слабо. В самом деле, что можно услышать в «мире безмолвия», каким долгое время считали океан? И только в 20-30-х годах ХХ века стало ясно, что тишина в море - вещь невозможная.
Интерес к подводным шумам проявил уже пять веков назад гениальный Леонардо да Винчи. Он произвёл первые в мире эксперименты по обнаружению вражеских кораблей, прослушивая создаваемый ими шум с помощью изобретённых им гидроакустических приспособлений.
Гидроакустика до начала второй мировой войны была развита слабо. Военные гидроакустики почти ничего не знали о биологических шумах и о тех существах, которые производили эти шумы. Иногда звуки, производимые косяками рыб, принимались за шум двигателей вражеских подводных лодок, и тогда объявлялась боевая тревога. Ложные тревоги дорого обходились обороняющейся стороне, вызывая сумятицу и дезориентирование, раскрывая противнику состав и расположение боевых единиц и огневых средств.
После войны настало время серьёзно заняться изучением биологических шумов моря. А в море шумных существ бесчисленное множество: это стаи различных рыб, скопления креветок и ракообразных, тюлени, дельфины, все остальные киты и так далее. Издаваемые этими животными звуки самые разнообразные по характеру, частоте, громкости. Это свисты, щёлканья, трескотня и подвывания дельфинов, жужжание, пыхтение, свист, хрюкание, гудение различных рыб, мычание, вой, скрежет, стоны и вздохи крупных китов, хлопки и пощёлкивания крошечных креветок.
Частота этих звуков колеблется в больших пределах. Рыбы издают звуки частотой от 20-50 герц до 20 килогерц. Дельфины и другие зубатые киты генерируют ультразвуковые импульсы с частотой 60-90 килогерц.
Как же дельфины издают звуки? У наземных предков дельфинов голосовой аппарат наверняка был тесно связан с дыхательной системой. Как и у современных наземных млекопитающих. Но эволюция изменила у дельфинов устройство дыхательных путей. У всех зубатых китов, в том числе у дельфинов, ни ротовая полость, ни глотка с лёгкими не сообщаются, а рот служит только для захвата и поглощения пищи. Дышат дельфины через так называемое дыхало - отверстие, находящееся в самой верхней точке головы. Дыхало имеет надёжный клапан - мясистую пробку, предохраняющую лёгкие от попадания туда воды. Широкая «ноздря» - дыхало позволяет до минимума сократить время на вдох и выдох. С проходом дыхала, назовём его новым проходом, соединены три пары ассиметричных воздушных мешков, которые окружены мышцами и имеют в местах соединения с носовым проходом перемычки и внутренние пробки. Исследователи полагают, что воздушные мешки играют главную роль в образовании звуков, которые возникают при закрытой пасти и заткнутом дыхале в результате перекачивания воздуха из одного мешка в другой.
Ещё более сложно у дельфинов устроен и функционирует орган слуха, то есть механизм восприятия звуков. Ушных раковин, которые были у их предков, у дельфинов нет. При движении в воде они создавали бы дополнительное сопротивление, вызывали бы очаги турбулентности пограничного слоя воды, обтекающего тела дельфина, а порождаемый этим шум заглушил бы другие звуки. Это ещё одно, с виду внешнее, но по сути глубоко внутреннее проявление результатов длительной эволюции китообразных. Природа создала совершенную слуховую систему китообразных. Сложная по устройству и принципу функционирования, эта система схематично может быть представлена следующим образом. Звуковые сигналы проходят через небольшое наружное ушное отверстие и слуховой проход (частично заросший) к среднему уху. Среднее и внутреннее ухо дельфина помещены не в общей черепной кости, а замурованы в особое, твёрдое и прочное вещество в виде отдельных образований и подвешены к черепу на специальной сухожильной связке. От остального черепа эти образования отделены полостями, заполненные воздухом или пеной из белковой эмульсии. Сильно развитый слуховой нерв передаёт сигналы в головной мозг. Полностью независимые друг от друга звукоприёмники правого и левого уха хорошо приспособлены для определения местоположения источника звука. Например, дельфин афалина способен в огромном бассейне по всплеску точно определить, куда упала рыбка, небольшая монетка или просто каплю воды. Дальнейшие исследования звукоприёмного механизма дельфинов показали, что у них есть ещё один приёмник звука - нижняя челюсть, точнее - расположенная в нижней челюсти тонкая костная пластинка - мембрана толщиной 0,3 мм.
Слуховые способности дельфинов поразительны. Диапазон частот воспринимаемых ими звуков очень широк: от 1 герца до 320 килогерц. Это примерно в 15 раз выше предела слышимости человеческого уха. При этом дельфины способны различать звуки с минимальной разницей по частоте. Афалины, например, улавливают разницу в 0,3 %, а азовки - даже в 0,02 %. Лучше всего дельфины улавливают звуки ультразвукового диапазона. Вместе с тем они способны издавать ультразвуки большой энергии. Если бы человек мог услышать эти звуки, то они показались бы ему громче рёва турбин реактивного самолёта, стартующего на взлётно-посадочной полосе.
Высокие слуховые возможности дельфинов и их способность издавать звуки-сигналы в широком диапазоне частот являются абсолютно необходимыми для жизни этих животных. Природа ничего не делает бессмысленно. Без способности воспринимать и анализировать самые разнообразные звуки, без способности издавать звуки китообразные жить в море не могут. При этом для них одинаково важны как звуки, издаваемые другими живыми существами, так и эхо, отражение звуков, издаваемых ими самими. Способ получения информации о предмете путём восприятия и анализа эха (отражения) посланного сигнала называется эхолокацией. В природе эхолокация известна, например, у летучих мышей. У дельфинов эхолокация была открыта совсем недавно, в середине ХХ века. Запоздало это открытие всё по той же причине: море считали миром безмолвия.
Эхолокация позволяет дельфинам хорошо ориентироваться в пространстве, находить пищу даже в мутной воде или в тёмной пучине моря, избегать опасности встречи с хищником или с естественным препятствием. Эхолокационный аппарат дельфинов весьма надёжен. Звуковые волны, отражаясь от поверхностей, являющихся границами двух сред, дают дельфинам информацию не только об обращенной к ним стороне лоцируемого объекта, но и о противоположной, невидимой глазом, стороне. Звук в воде распространяется почти в пять раз быстрее, чем в воздухе. За секунду звук проходит в воде более полутора километров. С помощью эхолокатора дельфины могут находить друг друга на расстоянии до 150 метров. При этом они используют чаще всего ультразвуковые сигналы с частотой 60-90 килогерц (человеческое ухо воспринимает звуки с частотой до 14-16 килогерц). Ультразвук быстро затухает, но дельфины издают ультразвуковые сигналы, обладающие большой энергией, и эти сигналы хорошо слышат те, кому они предназначены. Учёные предполагают, что дальность эхолокации дельфинов может достигать нескольких километров. А если предположить, что дельфин будет издавать звуки низкой частоты и при этом использовать звуковой канал, то сородичи могут услышать его и за несколько сотен километров.
Справка: Звуковой канал - это слой воды в Мировом океане, который охватывает всю его акваторию, нигде не прерывается и пропускает звуковые волны на огромные расстояния, практически не снижая их энергии. Это явление сверхдальнего распространения звука в воде открыли в 1946 году советские учёные Л.М. Бреховских и Л.Д. Розенберг.
Некоторые учёные предполагают, что крупные киты, звуки которых имеют большую энергию, используют звуковой канал океана для взаимного общения.
Издавая ультразвуковые сигналы, дельфин проводит «рекогносцировку» окружающего пространства. Отразившийся от подводного объекта локационный звуковой импульс сильно изменяется и отличия дают дельфину нужную информацию обо всём, что творится вокруг. Для обследования окружающих его объектов дельфин подаёт десятки и сотни звуковых импульсов. В результате дельфин получает информацию не только об удалённости лоцируемых объектов, но и об их размере, форме и даже материале (твёрдый, мягкий, плотный, пористый и так далее).
Способность сформировать и направить звуковой сигнал на обследуемый объект дельфинам обеспечивает особое устройство из звукогенерирующего аппарата, основными элементами которого являются упомянутые выше воздушные мешки, лобно-носовая жировая подушка и вогнутая передняя поверхность черепа, образующие своеобразный звуковой излучатель, акустический «прожектор».
В механизме образования звуков дельфинов многое ещё остаётся неясным. Природа умеет подчас строго хранить свои тайны.