Самые различные звуковые приборы

Человек слышит звуки частотой от 30 до 20 000 герц, а летучая мышь - до 100 000 герц, хотя нижний предел примерно равен нашему. Так что этот крохотный летающий комочек, покрытый шерстью, живет в настоящем мире звуков. Так же как и дельфин, это существо находит нужную ему пищу с помощью эхо-локатора. Сонаром летучих мышей ученые занимались более длительное время, чем звуковым локатором дельфина. Еще в 1793 году выдающийся итальянский исследователь Ладзаро Спалланцани установил, что летучие мыши ориентируются и находят свою добычу с помощью слуха. Однако понадобилось около 150 лет, чтобы понять, что делают они это с помощью ультразвуковой локации. И здесь нельзя не оценить работ американских ученых Г. Пирса, Д. Гриффина и Р. Галамбоса, внесших неоценимый вклад в расшифровку работы ультразвукового локатора у летучих мышей.

Как и у дельфинов, у летучих мышей есть генератор ультразвука и приемники отраженного эха. И тот и другой прибор в процессе эволюции достигли совершенства. Гортань у летучих мышей очень широкая. Она, как резонатор, позволяет усиливать ультразвуки, создаваемые свистом. Но мыши издают не просто свист, не слышимый для нашего уха, а серию ультразвуковых щелчков. Перед взлетом мышь посылает 5-10 сигналов в секунду, начался поиск - частота возрастает до 20-30 щелчков, а насекомое мышь настигает при 250 сигналах в секунду. Как мышь производит непрерывную серию сигналов-писков, пока не известно.

У разных видов летучих мышей генераторы отличаются по строению. У одних, гладконосых, звуки, как мы говорили, издаются гортанью, поэтому такая летучая мышь летает с открытым ртом. Большая часть гладконосых мышей живет на Североамериканском континенте, но и у нас есть их представители. Самые маленькие из них - нетопыри - встречаются в Подмосковье и почти по всей средней полосе России. В сумерках без труда можно увидеть, как они охотятся за насекомыми на фоне еще непомеркшего неба. Создавая серию сигналов, нетопырь, как и все гладконосые летучие мыши, посылает ультразвук по всем направлениям, а затем улавливает отраженный сигнал. Другая группа летучих мышей - подковоносые, которых можно встретить, например, на Кавказе, генерирует ультразвуковые сигналы не ртом, а носом. Вокруг их носа находится мясистый вырост, напоминающий подкову, который позволяет отражать ультразвук и собирать его в узкий пучок. Летает подковонос с закрытым ртом, импульсы длятся тысячную долю секунды (100 мс), а у гладконосых это щелчок всего в одну миллисекунду (рис. 5). Поэтому, если подковонос переходит на низкую частоту, его сигналы напоминают тиканье наручных часов.

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

Приемник отраженных сигналов у летучих мышей - тоже совершенное устройство: ведь он способен услышать эхо, которое в 2000 раз слабее посланного генератором сигнала. Вполне понятно, что для улавливания таких слабых сигналов нужны большие ушные раковины; и у некоторых видов они достигают почти половины общей длины головы и туловища. Так, у ушанов размером 8 сантиметров уши в длину равны 4 сантиметрам. Внутреннее ухо тоже имеет особое строение. Вспомним, что из среднего уха колебания передаются во внутреннее стремечком и часть уха летучих мышей, расположенная рядом со стремечком, сильно расширена.

Ну а теперь о самом интересном - устройстве звукового приемника летучих мышей, позволяющем предохранять его от крика-импульса, посылаемого собственным локатором. Ведь посылаемый импульс, как мы сказали, в 2000 раз сильнее принимаемых отраженных звуков. Таким звуком мышь может себя оглушить и после этого ничего не слышать. Чтобы этого не случилось, перед импульсом ультразвука стремечко специальной мышцей оттягивается от окна улитки внутреннего уха. Колебания механически прерываются и не попадают во внутреннее ухо. По существу, стремечко тоже делает щелчок, но не звуковой, а "антизвуковой", оно сразу же возвращается на место после крика-сигнала, и ухо готово принять отраженный сигнал. Просто диву даешься, с какой скоростью может сокращаться и расслабляться мышца, выключающая на время посылаемого крика-импульса слух мыши! При высоком полете это всего 5 импульсов за секунду. При меньшей высоте полета - 10-12 импульсов, а при преследовании добычи - 200-250 импульсов за секунду. Конечно, при самой высокой частоте мышца не успевает выключать ухо каждый раз, но эхо так сильно, что и при отведенном стремечке летучая мышь, скорее всего, слышит сигналы, отраженные от насекомого, находящегося в нескольких сантиметрах от ее мордочки.

Ничего не скажешь, эхо-локационная система летучей мыши совершенная радарная установка, работающая в ультразвуковом диапазоне. Ее масса не более 7,5 грамма, а в ней помещаются и передатчик, и приемник, и вычислительное устройство - мозг. Напомним, что созданная человеком радарная установка весит десятки килограммов и для ее перевозки нужен грузовой автомобиль или автомобиль, специально оборудованный для радарной установки. Конечно, радар работает на радиоволнах, а не на ультразвуке, дальность действия его значительно превосходит ультразвуковой локатор летучих мышей. Принцип локации у них одинаковый, но живая система значительно эффективнее, если учесть ее мизерную массу.

Можно только удивляться изобретательности природы и тем эволюционным механизмам, которые формировали ультразвуковые приборы у живых существ. Летучие мыши слышат ультразвуковые колебания частотой до 100 000 герц, а ночные бабочки и златоглазки, за которыми они охотятся, воспринимают ультразвуковые сигналы с частотой до 240 000 герц. Их "уши" напоминают слуховые органы кузнечиков, о которых шла речь ранее. Как только насекомые услышат, что их лоцирует летучая мышь, они начинают выделывать фигуры высшего пилотажа, спирали и мертвые петли, лишь бы летучая мышь промахнулась и не схватила их. А так как насекомые проворнее летучих мышей, то им часто удается увернуться от преследователя. Но на этом не заканчиваются взаимоотношения между бабочками и летучими мышами. Недавно удалось установить, что некоторые бабочки сами способны производить ультразвуковые импульсы. Как только насекомое обнаружит, что летучая мышь прослеживает его путь локирующими сигналами, оно само начинает издавать ультразвуковые импульсы. Причем эти импульсы так действуют на преследователя, что он улетает прочь, как бы пугается.

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

На этот счет пока есть только предположения. По одним из них ультразвуковые щелчки - это приспособительные сигналы насекомых, сходные с теми, которые посылает сама летучая мышь, только в 1000 раз сильнее. Ожидая услышать слабый отраженный звук от своего сигнала, преследователь слышит оглушающий грохот, как будто сверхзвуковой самолет пробивает звуковой барьер. По другим представлениям, которых придерживается известный исследователь чувств животных Р. Бертон, ночные бабочки испускают предупреждающие ультразвуковые сигналы для летучих мышей. Если хотите, это можно назвать тоже мимикрией, только не зрительной, а ультразвуковой. Множество насекомых стремится слиться с окружающей средой и приобретает соответствующую защитную окраску. Ряд же ядовитых насекомых, наоборот, одеты в самые яркие красочные "костюмчики". Это окраска-предупреждение. Но для летучих мышей, которые охотятся в ночное время, яркая окраска не имеет значения. Ядовитые насекомые используют предупреждающие ультразвуковые сигналы. Возможно, защитную роль этих сигналов постигли и безобидные бабочки и пугают ими летучих мышей. Вот и получилась своеобразная мимикрия.

Каким же образом в длительном эволюционном процессе у насекомых появилась способность воспринимать ультразвуковые сигналы и мгновенно понимать опасность, которую несут в себе "сигналы" летучей мыши? С ультразвуковыми сигналами летучих мышей еще сложнее - никакие крики-сигналы соплеменников (а их иногда в одном месте, как в Бракенской пещере на юге США, собирается свыше 20 000 000), никакие искусственные ультразвуковые сигналы, создаваемые человеком с помощью аппаратуры, не мешают охотиться рукокрылым. Они узнают свое эхо среди миллионов голосов и других звуков, а воспроизведение сигналов, создаваемых бабочкой, заставляет мышь улетать прочь. Эти сигналы предельно подобраны к локатору летающего зверька, и, возможно, их щелчки раздаются точно в то время, когда летучая мышь включает ухо, чтобы услышать эхо. Если это так, то ночная бабочка успевает принять частоту лоцирующего ее импульса и послать ответный с учетом приближения охотника точно в унисон с ним. Такой прибор не может образоваться постепенно, в процессе отбора и совершенствования. Насекомое получает его сразу в готовом виде, только тогда он спасет ему жизнь. Вот так сложно устроенный звуковой локатор ставит новую загадку в эволюции живого, которую пока не решили ученые.

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

Кошки тоже слышат ультразвуки. В нашем "кис-кис" целый аккорд ультразвуков, и, возможно, в нем кошки слышат ряд свистов в большом диапазоне. Собаки не уступают кошкам, их даже можно приучить прибегать к хозяину на сигнал ультразвукового свистка. Верхняя граница слуха различна и у людей. Дети могут слышать более высокие звуки по сравнению со взрослыми. Описан случай, когда четырехлетний мальчик проснулся ночью, разбудил родителей и начал настаивать, что "оно" кричит и пищит. Родители ничего не слышали. Сначала они думали, что ребенок видел что-то во сне, и начали его успокаивать. Через некоторое время ребенок опять закричал, что "оно" запищало и что в комнате кто-то есть. Родители, чтобы успокоить ребенка, начали обыскивать комнату и нашли... летучую мышь, прицепившуюся к одной из занавесок. Справедливости ради можно заметить, что ребенок все равно бы не услышал ультразвуков, на которых лоцирует насекомых летучая мышь, скорее всего, это были сигналы, посылаемые другим рукокрылым на частотах низковолнового ультразвука, где-нибудь в области 25 000 герц.

Не у всех животных есть такой сложный и совершенный аппарат эхо-локации, как у летучих мышей и дельфинов. Некоторые животные используют свой сонар только для ориентации в темных пещерах. Так, в Юго-Восточной Азии в пещерах живут стрижи-саланганы. Они знамениты своими гнездами из густой застывшей слюны. В восточной кухне их используют для приготовления супа и называют "ласточкины гнезда". В пещерах саланганы издают щелкающие звуки до 5-10 раз в секунду и по эху определяют, где стены, а где гнезда. Другая птица - гуахаро из Южной Америки тоже проводит весь день в темных пещерах и только ночью вылетает, чтобы полакомиться плодами деревьев. В темной пещере она ориентируется с помощью сонара, издавая пронзительные отрывистые крики частотой около 7000 герц.

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

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

Ученые взяли две платформы, тщательно промыли их, чтобы исключить обонятельные ориентационные эффекты, и раздвигали платформы на разные расстояния. При удачном перепрыгивании землеройки получали их любимую пищу. Как обычно, животное подбегало к краю одной платформы, обследовало его, а затем точным прыжком перебиралось на другую платформу, с которой дорожка вела к пище. Если расстояние между платформами было 17 сантиметров, землеройки без труда обнаруживали вторую платформу и перепрыгивали на нее. Стоило расстояние увеличить до 25 сантиметров - прыжки прекратились, зверек метался по краю первой платформы, ощущал, где находится вторая, но преодолеть огромнейшую для него "пропасть" было очень трудно. Вот эти опыты и помогли ученым установить, что для своей локации землеройки используют ультразвук.

Мы познакомились с обитателями воздушных просторов, пещер, наземными существами и обитателями морских глубин, которые имеют ультразвуковые эхо-локаторы, поражающие своим совершенством и показывающие пути создания новых лоцирующих приборов.