–PAGE_BREAK–5.1.Техническое обеспечение эхолокации:
Эхолокация может быть основана на отражении сигналов различной частоты — радиоволн, ультразвука и звука. Первые эхолокационные системы направляли сигнал в определённую точку пространства и по задержке ответа определяли её удалённость при извесной скорости перемещения данного сигнала в данной среде и способности препятствия, до которого измеряется расстояние, отражать данный вид сигнала. Обследование участка дна таким образом при помощи звука занимало значительное время.
Сейчас используются различные технические решения с одновременным использованием сигналов различной частоты, которые позвляют существенно ускорить процесс эхолокации.
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.
Звук — колебания воздуха, воды или другой среды с частотами от 16 до 20000 Гц. Любой естественный звук — это набор колебаний разных частот. От того, из колебаний каких частот составлен звук, зависят его высота, тембр, т.е. то, чем один звук отличается от другого. Ухо животного или человека способно анализировать звук, то есть определять, из какого набора частот он состоит. Это обусловлено тем, что ухо работает как набор частотных фильтров, каждый из которых откликается на свою частоту колебаний. Чтобы анализ был точным, настройка частотных фильтров должна быть «острой». Чем острее настройка, тем меньшую разницу частот различает ухо, тем выше его частотная разрешающая способность (ЧРС). Но звук — не просто набор колебаний разных частот. Каждое из них еще меняется со временем: становится то сильнее, то слабее. Слуховая система должна успевать отслеживать эти быстрые изменения звука, и чем лучше она это делает, тем богаче сведения о свойствах звука. Поэтому помимо ЧРС очень важна временная разрешающая способность (ВРС). ЧРС и ВРС определяют способность отличать один звук от другого. Именно эти характеристики слуха измеряют у дельфинов.
продолжение
–PAGE_BREAK–