Эхо (стр. 3 из 6)

5.2.Эхолокация у животных:

Животные используют эхолокацию для ориентации в пространстве и для определения местоположения объектов вокруг, в основном при помощи высокочастотных звуковых сигналов. Наиболее развита у летучих мышей и дельфинов, также её используют землеройки, ряд видов ластоногих (тюлени), птиц (гуахаро, саланганы и др.).

Данный способ ориентации в пространстве позволяет животным обнаруживать объекты, распознавать их и даже охотиться в условиях полного отсутствия света, в пещерах и на значительной глубине.

Эхолокационная система бабочек.

Совки (Noctuidae), или ночницы, - самое богатое видами семейство чешуекрылых, которое включает более 20 тыс. видов (в нашей стране около 2 тыс. видов). Теплыми летними вечерами эти пушистые бабочки со сверкающими желтыми глазами часто бьются о стекла дачных веранд, привлеченные светом ламп. К семейству совок принадлежат также красивые крупные бабочки - "ленточницы", или "орденские ленты", (Catocalinae) с красным, желтым или голубым рисунком на задних крыльях. Эти совершенно безобидные создания чаще всего страдают от коллекционеров за свою красоту. Совки кормятся нектаром цветов или забродившим соком растений, но в стадии гусеницы нередко становятся злейшими вредителями сельского хозяйства. Из них особенно известны капустная совка (Mamestra brassicae) и совка озимая (Agrotis segetum).

Свое название совки получили из-за сходства с совами, а внешний облик тех и других во многом определяется спецификой ночного образа жизни. Имеются и другие элементы конвергентного сходства: зрение, адаптированное к очень низкой освещенности, высокочувствительная слуховая система и, как необходимое условие реализации возможностей слуха, - способность к бесшумному полету. И совы, и совки используют слух при пассивной локации: птицы по характерному шуршанию определяют положение добычи, а бабочки, воспринимая эхолокационные сигналы летучих мышей, могут вовремя сманеврировать и уйти от своего основного врага.

В отличие от системы пассивной локации сов, эхолокатор летучих мышей - активная система, так как они сами излучают ультразвуковые зондирующие импульсы. С помощью эхолокатора мыши хорошо ориентируются в полной темноте, при полете в густых зарослях улавливают акустические отражения от мелких насекомых даже на фоне листвы. Бабочки могут услышать громкие щелчки мышей с расстояния 35 м; это в пять-шесть раз больше дальности обнаружения насекомого мышью. Такое соотношение заставило хищников перестраивать стратегию охоты. Некоторые виды мышей, подлетая к жертве, не пользуются эхолокатором, а ориентируются на шум полета самого насекомого; другие перестраивают свою локационную систему в сторону снижения громкости зондирующих сигналов и смещения доминирующих частот в те области ультразвукового диапазона, в которых совки менее чувствительны.

Планомерно изучать акустические взаимоотношения летучих мышей и бабочек начали в 50-е годы с появлением адекватного оборудования. Эти исследования неразрывно связаны с именами американских ученых К.Редера, Э.Трита, Г.Эйджи, В.Адамса, канадца Дж.Фулларда и датских биоакустиков под руководством А.Михельсена. Благодаря усилиям этих и многих других исследователей были установлены основные количественные соотношения в системе "эхолокационного противодействия" ночных бабочек и летучих мышей.

Однако не все известные факты хорошо вписывались в концепцию защитной функции слуховой системы бабочек. В частности, совки, обитающие на островах (Гавайских и Фарерских), где нет летучих мышей, тем не менее воспринимают ультразвуки так же хорошо, как и их континентальные собратья. Возможно, предки островных бабочек когда-то соседствовали с летучими мышами, но их пространственная изоляция от хищников длится уже несколько десятков тысяч лет. Сохранность у островных совок высокой акустической чувствительности в широком диапазоне частот указывает на то, что их слуховая система может выполнять не только функцию защиты от летучих мышей. Интересно, что у бабочек, перешедших от ночного образа жизни к дневному, обнаружены признаки редукции слуховой системы.

Еще в прошлом веке было известно, что многие ночные бабочки в полете сами издают короткие щелчки. Сигналам медведиц (Arctiidae) ныне приписывают защитно-предупредительную функцию, поскольку в отличие от большинства других эти насекомые несъедобны. Совки (как самцы, так и самки) в полете также могут щелкать. Человек способен услышать эти звуки, напоминающие тихие разряды статического электричества. Субъективно невысокую громкость щелчков можно объяснить тем, что только малая часть спектральных составляющих сигнала сосредоточена в том диапазоне частот, который доступен нашему слуху. Способность совок к акустической эмиссии нельзя объяснить в рамках сложившейся концепции защитного поведения, поскольку, издавая ультразвуки, они только демаскируют себя перед летучими мышами, использующими при эхолокации тот же диапазон частот.

Совка, освещенная импульсной лампой в момент регистрации эхолокационного щелчка.

Осциллограмма и спектр акустического щелчка совки Amphipyra perflua. По вертикальной оси спектрального графика - амплитуда (относ. ед.) гармонических составляющих в линейном масштабе.

Предположение о способности ночных бабочек к эхолокации впервые высказал английский энтомолог Г.Е.Хинтон на заседании Лондонского Королевского энтомологического общества в 1955 г. Идея вызвала резонанс: появилось несколько работ, в том числе с теоретическими расчетами возможной дальности действия эхолокатора бабочек. Оценки разных исследователей отличались более чем на порядок - от 10 см до 2 м. И хотя техника 50-х годов уже позволяла экспериментально проверить эхолокационную гипотезу, это направление по каким-то причинам не получило развития.

О способности ночных бабочек к активной акустической локации писал отечественный энтомолог Г.Н.Горностаев. "Принято считать, что тимпанальные органы бабочек служат для перехвата ультразвуковых импульсов охотящейся летучей мыши. Однако едва ли эта их роль является основной, а тем более единственной. На наш взгляд, бабочки, летающие в самое темное время суток, должны иметь, подобно летучим мышам, эхолокационную систему, в которой тимпанальные органы могли бы выполнять функцию приемников отраженных сигналов"¹.

Для того чтобы проиллюстрировать динамику полета совки средних размеров (длиной 3 см) со скоростью 1 м/с в привычных человеку масштабах, проведем простой расчет: за 1 с бабочка пролетает 1 м или 33 своих габарита. Автомобиль длиной 3 м, проезжающий за 1 с 33 свои длины, движется со скоростью 100 м/с или 360 км/ч. Какое надо иметь зрение, чтобы при такой скорости ориентироваться, пользуясь светом от звезд? Следует отметить, что совки на открытых пространствах летают со скоростью, значительно превышающей 1 м/с. Однако в зарослях бабочки обычно летят медленно, но и освещенность там за счет затенения листвой примерно на порядок меньше, чем под звездным небом. Таким образом, даже очень чувствительного зрения может быть недостаточно для ориентации в быстро меняющейся обстановке. Надо, правда, признать, что в отличие от автомобиля столкновение насекомого с препятствием не станет столь катастрофическим событием.

При планировании экспериментов по изучению эхолокационных способностей бабочек нам пришлось решать целый комплекс взаимно противоречивых задач. Первая и, может быть, наиболее сложная - как разделить ориентацию, основанную на эхолокационной и зрительной информации? Если бабочкам замазать глаза какой-нибудь краской, они перестают летать, а если опыты проводить в темноте, то как регистрировать поведение насекомого? Инфракрасную технику мы не стали использовать, поскольку у ночных бабочек уже давно подозревают способность воспринимать длинноволновое оптическое излучение. Во-вторых, бабочки во время полета сильно возмущают воздушную среду. Рядом с летящим насекомым и за ним от каждого взмаха образуются воздушные вихри. Предметы, попадающие в зону этих вихрей, неминуемо искажают воздушные потоки, а такие изменения бабочка в принципе может почувствовать с помощью многочисленных механорецепторов, расположенных на ее крыльях и теле. И наконец, при постановке опытов желательно иметь какую-то априорную информацию о параметрах гипотетической эхолокационной системы, так как экспериментальные установки, основанные на расчетной дальности действия 10 см и 2 м, могут быть конструктивно совершенно разными.

Эхолокация у дельфинов.

Лет двадцать тому назад дельфины были в большой моде. Не было недостатка в фантастических спекуляциях на любую тему, касавшуюся этих животных. Со временем мода прошла, и спекуляции заслуженно забыты.

А что же осталось? То, что привлекало ученых с самого начала. Дельфины - весьма своеобразно устроенные животные. Из-за исключительно водного образа жизни все системы организма дельфина - органы чувств, системы дыхания, кровообращения и др. - работают в совершенно иных условиях, чем аналогичные системы наземных млекопитающих. Поэтому изучение дельфинов позволяет по-новому взглянуть на многие функции организма и глубже понять фундаментальные механизмы, лежащие в их основе.

Среди всех систем организма дельфина одна из самых интересных - слуховая. Дело в том, что под водой возможности зрения ограничены из-за невысокой прозрачности воды. Поэтому основные сведения об окружающей обстановке дельфин получает с помощью слуха. При этом он использует активную локацию: анализирует эхо, возникающее при отражении издаваемых им звуков от окружающих предметов. Эхо дает точные сведения не только о положении предметов, но и об их величине, форме, материале, т.е. позволяет дельфину создать картину окружающего мира не хуже или даже лучше, чем с помощью зрения. То, что дельфины имеют необычайно развитый слух, известно уже десятки лет. Объем отделов мозга, ответственных за слуховые функции, у дельфинов в десятки раз больше, чем у человека (хотя общий объем мозга примерно одинаков). Дельфины воспринимают частоты акустических колебаний почти в 8 раз более высокие (до 150 кГц), чем человек (до 20 кГц). Они способны слышать звуки, мощность которых в 10-30 раз ниже доступных слуху человека. Но чтобы ориентироваться в обстановке с помощью слуха, мало слышать звуки. Нужно еще тонко отличать один звук от другого. А способность дельфинов к различению звуковых сигналов была исследована слабо. Мы постарались восполнить этот пробел.