Ультразвук и летучие мыши
Мы слышим только шелест крыльев, на самом же деле в подземной обители звучит чудовищный хор… Ян Линдблад. В краю гоацинов
Можете ли вы себе представить, какой ужасный шум обрушился бы на вас, если бы вы вдруг оказались среди тысяч самолетов, моторы которых работают на полную мощность? Вероятно, такую ситуацию вообразить очень трудно. Но давайте немного пофантазируем. Для начала предположим, что вы попали в пещеру, где полным-полно летучих мышей (впрочем, это еще не фантазия). Теперь допустим, что, попав в пещеру, вы неожиданно приобрели способность слышать сигналы ультразвукового диапазона, то есть те, частота которых выше 20 килогерц. Если бы все это случилось, вам, вероятно, пришлось бы перенести довольно неприятные ощущения. Вы были бы просто оглушены страшным ревом, источником которого явились маленькие крылатые жители пещеры. Дело в том, что громкость ультразвуковых криков многих видов летучих мышей на расстоянии 10 сантиметров от головы животного достигает 110-120 децибел. Примерно такой же шум, но в слышимом диапазоне частот производит авиационный двигатель на расстоянии 1 метра. Для сравнения надо отметить, что уровень громкости 130 децибел и выше вызывает у человека болевые ощущения.
Прежде чем объяснить поразительные способности летучих мышей к такому оглушительному крику, вспомним о некоторых свойствах ультразвука.
Одна из особенностей ультразвука состоит в том, чего можно излучать в виде почти параллельного узкого пучка, в то время как звуки слышимого диапазона, как правило, излучаются во всех направлениях. Это свойств ультразвука объяснимо с точки зрения общей дифракции волн.
Возможность образования ультразвуковых пучков позволяет фокусировать энергию сигнала в определенное место. Интенсивность ультразвука увеличивается пропорционально квадрату частоты колебаний, и поэтому, повышая частоту, можно относительно легко получить ультразвуки огромной силы. Однако большое количество энергии ультразвука теряется при прохождении в среде, в связи с чем сигнал быстро затухает.
Из всего сказанного понятно, почему летучим мышам так легко удается излучать интенсивные сигналы высокой направленности. Ясно также и то, что сигналы меньшей интенсивности терялись бы в воздухе, не давая зверькам возможности воспользоваться одним из удивительных способов ориентации в пространстве — эхолокацией.
Летучие мыши давно уже стали классическим объектом изучения эхолокации животных, а их «сонары» сделались едва ли не самой популярной темой всевозможных статей и публикаций о «патентах природы». История открытия, вернее, исследования эхолокации насчитывает без малого 200 лет и ведет свое начало с 90-х годов XVIII столетия.
Профессор университета итальянского города Павии Лазаро Спалланцани был уже немолод, когда он впервые заинтересовался способностью ночных животных находить путь в темноте. Среди своих коллег ученый к тому времени был достаточно известен трудами в различных областях естествознания.
Первые опыты Спалланцани провел в 1793 году. Сначала он установил, что летучие мыши свободно передвигаются в темном помещении, в котором даже такие, казалось бы, зоркие ночные животные, как совы, беспомощны. Спалланцани решил, что весь секрет кроется в чрезвычайной остроте зрения летучих мышей, позволяющей им ориентироваться в полной темноте. Чтобы проверить свое предположение, он, ослепив нескольких летучих мышей, выпустил их на волю. Лишенные зрения зверьки прекрасно летали и даже ловили насекомых.
Спалланцани, уверенный в том, что летучие мыши обладают неизвестным доселе чувством, тут же разослал ученым-коллегам письма с просьбой повторить эксперименты и сообщить ему о результатах. Многие из них подтвердили правильность исследований Спалланцани. Но швейцарский натуралист Шарль Жюрин, повторив описанные Спалланцани опыты, на этом не остановился и предпринял еще один шаг на пути раскрытия тайны летучих мышей. Оказалось, что если залепить уши животных воском, то он: начинают натыкаться на препятствия. Жюрин сделал вывод: летучие мыши «видят ушами».
Летучая лисица (Pteropus)
Спалланцани проверил опыты Жюрина и, убедившие в их достоверности, пришел к заключению, что летуча: мышь может прекрасно обходиться без зрения, но потер: слуха неминуемо ведет ее к гибели. Однако дать убедительного объяснения способности зверьков ориентироваться при помощи слуха Спалланцани не смог. Выводы его вскоре были отвергнуты, а впоследствии и вовсе забыты! Противники его идей, издеваясь над «слуховой» теорией, насмешливо вопрошали: «если летучие мыши видят своими ушами, то не слышат ли они своими глазами?»
Крупнейший французский ученый того времени Жорж Кювье, разгромив выводы Жюрина и Спалланцани, выдвинул свою умозрительную теорию. По его мнению, крылья летучих мышей обладают высокой чувствительностью и могут улавливать даже самое незначительное сгущение воздуха, которое образуется между крылом и препятствием. Эта гипотеза Кювье, получив название «тактильной теории», была признана многими учеными и просуществовала в науке более 100 лет. За весь этот период к вопросам, касающимся ориентации летучих мышей, не было прибавлено ни одного свежего факта. Несмотря на то, что некоторые исследователи изредка вспоминали о заботой «слуховой теории», их эксперименты не заходили дальше тех, которые уже были проведены Спалланцани и Жюрином.
В начале нашего столетия, после трагического случая с трансатлантическим лайнером «Титаник», многие ученые принялись ломать головы над созданием устройства, обеспечивающего кораблю сигнализацию при приближении к айсбергу. Не остался в стороне от этой проблемы известный американский изобретатель Хайрем Максим, тот самый, чье имя носит скорострельный станковый пулемет. Максим был первым, кто высказал мысль о том, что летучие мыши используют в полете звуковую локацию, и предложил применить принцип эхолокации в приборе для обнаружения невидимых объектов. Ошибка Максима была в том, что он предполагал наличие у летучих мышей ориентационных сигналов низких инфразвуковых частот, нет слышимых человеческим ухом. Источником таких звуков, по мнению изобретателя, могли служить машущие крылья зверьков.
Во время первой мировой войны французский физик Ланжевен получил патент на изготовление прибора для обнаружения подводных объектов при помощи генератора ультразвука. В 1920 году английский нейрофизиолог Хартридж, зная о работах Ланжевена, высказал гипотезу о том, что механизм эхолокации летучих мышей, вероятно, основан на использовании ультразвуков. Однако гипотеза оставалась гипотезой, так как экспериментальных подтверждений сделано не было.
Окончательно дело прояснилось только в 1938 году. Решающую роль в открытии сыграло сотрудничество представителей разных наук — физики и биологии. Незадолго до этого в лаборатории физического факультета Гарвардского университета профессор Пирс сконструировал прибор для преобразования высокочастотных звуков в колебания более низкой частоты, слышимой человеческим ухом. Узнав о существовании звукового детектора — так назывался этот прибор,- студент-биолог того же университета Дональд Гриффин принес однажды в лабораторию Пирса клетку с летучими мышами. Это были широко распространенные в США малая бурая ночница и большой бурый кожан. Когда микрофон детектора направили на клетку, из громкоговорителя на ученых обрушился оглушительный поток трескучих звуков. Стало совершенно ясно, что летучие мыши издают сигналы в диапазоне частот, лежащих выше порога слышимости человека.
Аппарат Пирса был устроен таким образом, что при необходимости можно было установить распределение интенсивности звуков по частотам. Проводя исследования, Гриффин и Пирс обнаружили, что частоты звуков, испускаемых летучими мышами в полете, лежат в пределах 30- 70 килогерц, а наивысшей интенсивности сигналы достигают в диапазоне 45-50 килогерц. Кроме того, ученые выяснили, что зверьки излучают звуки не непрерывно, а в виде коротких импульсов длительностью 1-2 миллисекунды.
Вскоре после этого Гриффин и Галамбос провели ряд экспериментов, в которых доказали, что лишить летучую мышь возможности хорошо ориентироваться среди препятствий можно не только затыкая ей уши, но и плотно закрывая рот. Эти опыты подтвердили высказанную некогда Хартриджем гипотезу о наличии у летучих мышей сигналов ультразвукового диапазона и их использовании при ориентации в пространстве.
