Ультразвук і кажани

Ми чуємо тільки шелест крил, насправді ж в підземній обителі звучить жахливий хор ... Ян Ліндблад. В краю гоацинів

Чи можете ви собі уявити, який жахливий шум обрушився б на вас, якби ви раптом опинилися серед тисяч літаків, мотори яких працюють на повну потужність? Ймовірно, таку ситуацію уявити дуже важко. Але давайте трохи пофантазуємо. Для початку припустимо, що ви потрапили в печеру, де повним-повнісінько кажанів (втім, це ще не фантазія). Тепер припустимо, що, потрапивши до печери, ви несподівано отримали здатність чути сигнали ультразвукового діапазону, тобто ті, частота яких вище 20 кілогерц. Якби все це сталося, вам, ймовірно, довелося б перенести досить неприємні відчуття. Ви були б просто приголомшені страшною ревом, джерелом якого з`явилися маленькі крилаті мешканці печери. Справа в тому, що гучність ультразвукових криків багатьох видів кажанів на відстані 10 сантиметрів від голови тварини досягає 110-120 децибел. Приблизно такий же шум, але в чутним діапазоні частот виробляє авіаційний двигун на відстані 1 метра. Для порівняння треба відзначити, що рівень гучності 130 децибел і вище викликає у людини больові відчуття.

Перш ніж пояснити вражаючі здібності кажанів до такого оглушливого крику, згадаємо про деякі властивості ультразвуку.

Одна з особливостей ультразвуку полягає в тому, чого можна випромінювати в вигляді майже паралельного вузького пучка, в той час як звуки чутного діапазону, як правило, випромінюються в усіх напрямках. Це властивостей ультразвуку можна пояснити з точки зору загальної дифракції хвиль.

Можливість утворення ультразвукових пучків дозволяє фокусувати енергію сигналу в певне місце. Інтенсивність ультразвуку збільшується пропорційно квадрату частоти коливань, і тому, підвищуючи частоту, можна відносно легко отримати ультразвуки величезної сили. Однак велика кількість енергії ультразвуку втрачається при проходженні в середовищі, в зв`язку з чим сигнал швидко згасає.

З усього сказаного зрозуміло, чому кажанам так легко вдається випромінювати інтенсивні сигнали високої спрямованості. Ясно також і те, що сигнали меншої інтенсивності губилися б в повітрі, не даючи тваринкам можливості скористатися одним з дивних способів орієнтації в просторі - ехолокацією.

Кажани давно вже стали класичними об`єктом вивчення ехолокації тварин, а їх "сонари" стали ледве чи не найпопулярнішою темою всіляких статей і публікацій про "патенти природи". Історія відкриття, вірніше, дослідження ехолокації налічує без малого 200 років і веде свій початок з 90-х років XVIII століття.

Професор університету італійського міста Павії Лазаро Спалланцани був уже немолодий, коли він вперше зацікавився здатністю нічних тварин знаходити шлях у темряві. Серед своїх колег вчений на той час був досить відомий працями в різних областях природознавства.

Перші досліди Спалланцани провів в 1793 році. Спочатку він встановив, що кажани вільно пересуваються в темному приміщенні, в якому навіть такі, здавалося б, зіркі нічні тварини, як сови, безпорадні. Спалланцани вирішив, що весь секрет криється в надзвичайну гостроту зору кажанів, що дозволяє їм орієнтуватися в повній темряві. Щоб перевірити своє припущення, він, засліпивши кількох кажанів, випустив їх на волю. Позбавлені зору звірята прекрасно літали і навіть ловили комах.

Спалланцани, впевнений в тому, що кажани володіють невідомим досі почуттям, тут же розіслав вченим-колегам листа з проханням повторити експерименти і повідомити йому про результати. Багато з них підтвердили правильність досліджень Спалланцани. Але швейцарський натураліст Шарль Жюріна, повторивши описані Спалланцани досліди, на цьому не зупинився і зробив ще один крок на шляху розкриття таємниці кажанів. Виявилося, що якщо заліпити вуха тварин воском, то він: починають натикатися на перешкоди. Жюріна зробив висновок: кажани "бачать вухами".

Летюча лисиця (Pteropus)

Спалланцани перевірив досліди Жюріна і, що переконали в їх достовірності, прийшов до висновку, що летюча: миша може чудово обходитися без зору, але потер: слуху неминуче веде її до загибелі. Однак дати переконливого пояснення здатності звірків орієнтуватися за допомогою слуху Спалланцани не зміг. Висновки його незабаром були відкинуті, а згодом і зовсім забуті! Противники його ідей, знущаючись над "слуховий" теорією, глузливо запитували: "якщо кажани бачать на власні вуха, то не чують вони своїми очима?"

Найбільший французький вчений того часу Жорж Кюв`є, розгромивши висновки Жюріна і Спалланцани, висунув свою умоглядну теорію. На його думку, крила кажанів мають високу чутливість і можуть уловлювати навіть саме незначне згущення повітря, яке утворюється між крилом і перешкодою. Ця гіпотеза Кюв`є, отримавши назву "тактильної теорії", Була визнана багатьма вченими і проіснувала в науці понад 100 років. За весь цей період до питань, що стосуються орієнтації кажанів, не було додано жодного свіжого факту. Незважаючи на те, що деякі дослідники зрідка згадували про турботою "слуховий теорії", Їх експерименти не заходили далі тих, які вже були проведені Спалланцани і Жюріна.

На початку нашого століття, після трагічного випадку з трансатлантичних лайнером "Титанік", Багато вчених почали ламати голови над створенням пристрою, що забезпечує кораблю сигналізацію при наближенні до айсбергу. Не залишився в стороні від цієї проблеми відомий американський винахідник Хайрем Максим, той самий, чиє ім`я носить скорострільний станковий кулемет. Максим був першим, хто висловив думку про те, що кажани використовують в польоті звукову локацію, і запропонував застосувати принцип ехолокації в приладі для виявлення невидимих об`єктів. Помилка Максима була в тому, що він припускав наявність у кажанів орієнтаційних сигналів низьких інфразвукових частот, немає чутних людським вухом. Джерелом таких звуків, на думку винахідника, могли служити махають крила звірків.

Під час першої світової війни французький фізик Ланжевен отримав патент на виготовлення приладу для виявлення підводних об`єктів за допомогою генератора ультразвуку. У 1920 році англійський нейрофізіолог Хартрідж, знаючи про роботи Ланжевена, висловив гіпотезу про те, що механізм ехолокації кажанів, ймовірно, заснований на використанні еле. Однак гіпотеза залишалася гіпотезою, так як експериментальних підтверджень зроблено не було.

Остаточно справу прояснилося тільки в 1938 році. Вирішальну роль у відкритті зіграла співпраця представників різних наук - фізики та біології. Незадовго до цього в лабораторії фізичного факультету Гарвардського університету професор Пірс сконструював прилад для перетворення високочастотних звуків в коливання більш низької частоти, чутної людським вухом. Дізнавшись про існування звукового детектора - так називався цей прилад, - студент-біолог того ж університету Дональд Гріффін приніс одного разу в лабораторію Пірса клітку з кажанами. Це були широко поширені в США мала бура нічниця і великий бурий кажан. Коли мікрофон детектора направили на клітку, з гучномовця на вчених обрушився оглушливий потік тріскучих звуків. Стало абсолютно ясно, що кажани видають сигнали в діапазоні частот, що лежать вище порога чутності людини.

Апарат Пірса був влаштований таким чином, що при необхідності можна було встановити розподіл інтенсивності звуків за частотами. Проводячи дослідження, Гріффін і Пірс виявили, що частоти звуків, що випускаються кажанами в польоті, лежать в межах 30- 70 кілогерц, а найвищої інтенсивності сигнали досягають в діапазоні 45-50 кілогерц. Крім того, вчені з`ясували, що звірята випромінюють звуки не безупинно, а у вигляді коротких імпульсів тривалістю 1-2 мілісекунди.

Незабаром після цього Гріффін і Галамбоса провели ряд експериментів, в яких довели, що позбавити кажана можливості добре орієнтуватися серед перешкод можна не тільки затикаючи їй вуха, а й щільно закриваючи рот. Ці досліди підтвердили висловлену колись Хартрідж гіпотезу про наявність у кажанів сигналів ультразвукового діапазону і їх використанні при орієнтації в просторі.