Глава 2. Удачный проект

Глава 2. Удачный проект

Естественный отбор — это слепой часовщик. Он слеп, ибо не смотрит вперёд, не планирует результатов и не имеет никакой цели. Тем не менее, живые результаты естественного отбора несказанно впечатляют нас ощущением задуманности как бы высококвалифицированным часовщиком, впечатляют иллюзией запроектированности и запланированности.

Цель этой книги — разрешить этот парадокс к удовлетворению читателя, а цель этой главы — ещё более впечатлить читателя силой этой иллюзии задуманности. Мы рассмотрим конкретный пример и сделаем вывод, что Пали лишь прикоснулся к этой теме, настолько велика его сложность и красота замысла.

Мы можем говорить, что живое тело или орган хорошо разработаны, если они обладают особенностями, которые умный и опытный инженер мог встроить в них для достижения определённой разумной цели — такой, как полёт, плавание, видение, питание, размножение — или, говоря шире, для поддержки своего выживания и репликации генов организма. Нет необходимости предполагать, что замысел данного тела или органа — это лучшее из того, до чего инженер мог бы додуматься. Часто бывает, что лучшее достижение одного инженера, может быть в общем случае превзойдено лучшим достижением другого инженера, особенно если второй живёт позже в технологической истории. Но любой инженер может понять цель разработки объекта, даже если он разработан плохо, и обычно он может понять эту цель, изучая его структуру. В первой главе мы интересовались главным образом философскими аспектами. В этой главе я буду рассматривать конкретный пример, который, полагаю, произвёл бы впечатление на любого инженера — а именно сонар («радар») летучих мышей. Объясняя каждый пункт, я буду начинать с изложения проблемы, стоящей перед живой машиной; затем я буду рассматривать возможные решения этой проблемы, которые мог бы рассмотреть разумный инженер; и наконец — к решению, фактически принятому природой. Разумеется, наш пример для ллюстрации выбран почти произвольно. Если инженера увлечёт функционирование летучих мышей, его столь же увлекут другие бесчисленные примеры живых проектов.

Перед летучими мышами стоит проблема: как находить путь в темноте? Они охотятся ночью и не могут использовать свет для поисков добычи и избегания препятствий. Вы могли бы здесь заметить, что если это проблема, то это проблема их привычек, и этой проблемы они могли бы избежать, просто изменив эти привычки и перейдя к охоте днём. Но дневная экономическая ниша уже плотно занята другими существами, такими, как птицы. Учитывая, что ночью есть возможность изыскать средства к существованию, а также учитывая, что альтернативные дневные экономические ниши полностью заняты, естественный отбор одобрил летучих мышей, которые практикуют экономику ночной охоты. Кстати, вероятно, что ночной образ жизни вели предки всех ныне существующих млекопитающих. В эпоху, когда динозавры доминировали в дневной экономике, наши млекопитающие предки, возможно, именно потому сумели вообще выжить, что нашли способы бороться за существование[2] ночью. И только после таинственного массового исчезновения динозавров примерно 65 миллионов лет назад, наши предки получили возможность выйти на дневной свет в каких-то существенных количествах.

Итак, у летучих мышей есть техническая проблема: как находить путь и искать добычу при отсутствии света. Летучие мыши — не единственные существа, стоящие перед этой трудностью сегодня. Очевидно, что летающие ночью насекомые, на которых летучие мыши охотятся, также должны как-то находить свой путь. Глубоководных рыб и китов тоже окружает полная или почти полная темнота — и днём, и ночью, потому что лучи солнца не могут проникать глубоко в воду. Рыбы и дельфины, которые живут в чрезвычайно мутной воде, также не могут видеть — несмотря на наличие света, так как свет рассеивается загрязнениями. Многие другие современные животные живут в условиях, в которых использование зрения затруднено или невозможно.

Какие решения мог бы рассмотреть инженер, поставленный перед проблемой маневрирования в темноте? Первое, что могло бы придти к нему в голову, так это идея выработки света — какого-нибудь фонаря или прожектора. Светлячки и некоторые рыбы (обычно с помощью бактерий) имеют возможность излучать собственный свет, но этот процесс, похоже, потребляет много энергии. Светлячки используют свой свет для привлечения самок. Для этого не требуется непомерно большой энергии: самка может заметить тёмной ночью крошечную светящуюся точка самца с довольно большого расстояния, поскольку на её глаза действует прямой свет самого источника. Использование света для освещения своего пути требует значительно большей энергии, так как глаза должны при этом уловить крошечную долю излучённого света, рассеянного предметами окружающей сцены. Поэтому, если мы хотим использовать свет для освещения пути, то источник этого света должен быть намного ярче, чем сигнальный источник для информирования кого-то другого. Ну так или иначе, действительно ли причина в расходе энергии или нет, но похоже, что это факт — за возможным исключением одной таинственной глубоководной рыбы, никакое другое животное, кроме человека, не использует продуцированный свет для освещения пути своего передвижения. О чём ещё инженер мог бы подумать? Вроде бы слепые люди иногда демонстрируют сверхъествественное чутьё препятствий на их пути. Этому явлению дали название «лицевого зрения», потому что слепые сообщали об ощущениях, подобных лёгкому прикосновению к лицу. Одно сообщение описывает полностью слепого мальчика, который мог ездить на хорошей скорости на своём трёхколесном велосипеде вокруг квартала близ своего дома, пользуясь «лицевым зрением». Эксперименты показали, что на деле «лицевое зрение» не имеет ничего общего с прикосновениями к лицу, хотя ощущения при этом могут быть описаны именно так, и, видимо, подобны фантомной боли ампутированной конечности. Оказалось, что ощущение «лицевого зрения», на деле приходит через уши. Слепые люди, даже не осознавая этого факта, на деле используют эхо звука своих собственных шагов и других звуков, ощущая наличие препятствий. Инженеры построили приборы, использующие этот принцип, например — для замера глубины моря под судном, ещё до обнаружения этого факта. Как только эта техника была изобретена, то адаптация ее разработчиками оружия для обнаружения субмарин была лишь вопросом времени. Обе стороны во второй мировой войне активно использовали эти устройства под наименованиями «Асдик» (в Британии) и «сонар» (в США). Подобная технология была использована в «радарах» (в США) или «RDF» (в Британии), где использовалось эхо не звуковой, а радиоволны. Разработчики первых сонаров и радаров ещё не знали про летучих мышей, но сейчас весь мир знает, что летучие мыши или, скорее, естественный отбор, работавший на летучих мышах, усовершенствовал эту систему на десятки миллионов лет раньше, и их «радары» творят такие подвиги детектирования и навигации, от каких инженер онемел бы от восторга. Будет технически неправильным говорить, что летучие мыши пользуются «радаром», так как они не используют радиоволны. Это сонар. Но теоретические принципы работы радара и сонара очень близки, и большая часть научного осмысления подробностей работы сонара летучих мышей появилась благодаря приложению к ним теории радаров. Американский зоолог Дональд Гриффин, внёсший значительный вклад в открытие сонара у летучих мышей, предложил термин «эхолокация», охватывающий как звуковую, так и радиолокацию, и применимый как эхолокаторам животных, так и рукотворным человеческим приборам. Впрочем, на практике это слово в основном относиться к сонарам животных.

Неправильно говорить о летучих мышах как об совершенно однородной группе. Ну это примерно как если бы мы говорили про собак, львов, ласок, медведей, гиен, панд и других в одном духе — только потому, что все они — плотоядные животные. Различные группы летучих мышей используют сонар совершенно по-разному, и, похоже, «изобрели» его независимо друг от друга — подобно тому, как англичане, немцы и американцы независимо друг от друга изобрели радар. Не все летучие мыши используют эхолокацию. У тропических растительноядных летучих мышей Старого Света хорошее зрение, и они в основном используют для ориентации только свои глаза. Однако один или два вида плодовых летучих мышей, например Rousettus, способны ориентироваться в полной темноте, где глаза, даже хорошие, бессильны. Они используют сонар, но более примитивный, чем тот, что используется более мелкими летучими мышами умеренных широт, с который мы знакомы. Rousettus в полёте громко и ритмично щёлкает языком, и ориентируется, измеряя интервал времени между каждым щелчком его эхо. Rousettus издают ясно слышимые для нас щелчки (т. е. издают, по определению, звуки, а не ультразвуки: ультразвук — это то же самое, что и звук, только слишком высокого тона, чтобы люди могли его слышать).

По теории, чем выше используется тон звука, тем точнее производится эхолокация — потому, что у звуков низкого тона большая длина волны, которая не позволяет различать близко расположенные объекты.[3] Поэтому летательному снаряду, использующему эхолокацию в системе наведения, при прочих равных условиях было бы целесообразно генерировать очень высокие звуки. И в самом деле — большинство летучих мышей используют чрезвычайно высокие звуки, намного более высокие, чем те, которые люди могут слышать — ультразвуки. В отличие от Rousettus, которые видят очень хорошо, и которые используют неизменяющиеся относительно низкие звуки для своей скромной эхолокации в дополнение к своему хорошему зрению, более мелкие летучие мыши, судя по всему, — технически высокоразвитые механизмы эхолокации. У них крошечные глаза, которые в большинстве случаев не могут увидеть много. Они живут в мире эхо, и, вероятно, их мозг может на основании эхо производить что-то вроде «построения изображений», хотя нам почти невозможно представить, как бы могло выглядеть такое изображение. Шум, который они производят, не просто слегка выше того, что люди могут слышать, вроде своего рода пронзительного визга супер-собаки. В многих случаях он значительно выше того, что какое-либо существо может услышать или вообразить. И кстати, нам очень повезло, что мы не можем их слышать, ибо это очень мощные звуки, и для нас они были бы оглушительно громки — при такой громкости мы вряд ли смогли бы спать.

Эти летучие мыши, как миниатюрные самолёты-разведчики, нашпигованы изощрённой аппаратурой. Их мозг — это тонко настроенный пакет миниатюрных штучек для электронного колдовства, запрограммированных сложным программным обеспечением, необходимым для расшифровки мира эхо в режиме реального времени. Их мордочки часто искривлены в фантастические горгульи, представляющиеся нам отвратительными, — до тех пор, пока мы не видим для чего они нужны — это изысканно скроенные инструменты для излучения ультразвука в нужных направлениях. Хотя мы не можем непосредственно слышать импульсы ультразвука этих летучих мышей, но мы можем понять происходящее посредством аппаратуры перевода или «бат-детектора». Он принимает импульс специальным ультразвуковым микрофоном и преобразует его в слышимый щелчок или тон, который мы уже можем слышать в наушниках. Если мы возьмём такой «бат-детектор» на лесную вырубку, где кормятся летучие мыши, то мы услышим каждый испускаемый ими импульс, хотя мы не можем слышать, как этот импульс в действительности «звучит». Если наши летучие мыши — Myotis, а это одна из обычных у нас небольших коричневых летучих мышей, то мы услышим щелчки с частотой примерно 10 щелчков в секунду (10 Герц), когда она курсирует по своему обычному маршруту. Это примерно частота работы стандартного телетайпа или скорострельного пулемёта.

Возможно, что образ мира, в котором крейсирует летучая мышь, обновляется 10 раз в секунду. Наш с вами визуальный образ мира представляется нам беспрерывно, пока наши глаза открыты, обновляющимся. Мы можем видеть, как мог бы выглядеть дискретно обновляющийся образ мира, включив ночью стробоскоп. Их иногда используют на дискотеках, и он производит довольно впечатляющий эффект. Танцующий человек выглядит последовательностью замороженных статичных поз. Очевидно, что чем чаще следуют импульсы строба, тем ближе полученный образ соответствует нормальному «беспрерывному» зрению. Стробоскопическое видение с частотой крейсерского полёта летучей мыши (примерно 10 образов в секунду) — даёт почти столь же хорошую картину, как и нормальное «непрерывное» зрение — для обычных целей, но не для ловли шарика или насекомого.

Но это «дежурная» частота выборки образов летучей мышью на обычном крейсерском полёте. Когда маленькая коричневая летучая мышь обнаруживает насекомое и ложится на курс его перехвата, то частота щелчков возрастает. Она щелкает при этом быстрее пулемёта, частота может достичь 200 Герц, пока она наконец не достигает свою движущуюся цель. Чтобы достичь того же эффекта, нам придётся ускорить наш стробоскоп настолько, чтобы его вспышки следовали с частотой, вдвое большей, чем полуциклы в нашей электрической сети, хотя даже эта частоту мы уже воспринимаем слитно и не видим мерцания люминесцентных ламп. Обратите внимание, что у нас при этом нет никаких проблем с выполнением наших обычных визуальных задач в их свете — даже при игре в сквош или пинг-понг, хотя наш визуальный мир при этом пульсирует на такой высокой частоте (100 Герц). Если предположить, что мозг летучей мыши строит образ мира, аналогичный нашим визуальным образам при частоте нашей сети, то можно предположить, что образ мира в эхе летучей мыши по меньшей мере столь же детализирован и «беспрерывен», как и наш с вами визуальный образ. Конечно, возможны и другие причины, приводящие к меньшей (чем у нас) детализации образа мира летучей мыши.

Если летучие мыши могут повышать частоту импульсов до 200 Герц, то почему они не поддерживают эту частоту всё время? Так как у них очевидно есть «регулятор частоты», своего «стробоскопа», то почему они не держат его постоянно на максимуме? Ведь тем самым всё время они поддерживают своё восприятие мира в его наиболее отчётливой форме и готовы отреагировать на любую критическую ситуацию? Одна из причин этого может быть в том, что высокие частоты хороши лишь для близких целей. Если импульсы следуют слишком часто, то один излучаемый импульс может слиться с эхом его предшественника от далёкой цели. Даже если это не так, то, вероятно, имеются веские экономические причины для того, чтобы не поддерживать частоту импульсов на максимальном уровне всё время. Должно быть накладно производить громкие сверхзвуковые ипульсы — накладно в смысле и энергии, и износа голоса и слуха, и может быть — в компьютерном времени. Мозг, который обрабатывает 200 раздельных эхокартин в секунду, возможно, уже не имеет запаса производительности для «размышлений» о чём-нибудь ещё. Частота выборки даже в 10 герц, вероятно, также весьма накладна, но намного меньше таковой на максимальной частоте 200 Герц. Конкретная летучая мышь, повысившая частоту своих тиков, заплатит дополнительную цену в энергии и т. д., которая не будет оправдана увеличенной точностью сонара. Когда единственный движущийся объект в округе — сама летучая мышь, то образы видимого мира, отстоящие друг от друга на десятую долю секунды вполне подобны друг другу и не нуждаются в более частой смене. Когда же в обозримой близости наличествует другой движущийся объект, особенно — летящее насекомое, бьющееся и мечущееся в отчаянной попытке избавиться от преследователя, то выгода от увеличения частоты импульсов более чем оправдывает возросшие издержки. Конечно, соображения насчёт издержек и выгод в этом абзаце — это предположение, но что-нибудь вроде этого почти наверняка должно иметь место.

Инженер, приступающий к разработке эффективного сонара или радара скоро сталкивается с проблемой, вытекающей из необходимости производить импульсы максимальной громкости. Они должны быть громкими, потому что волновой фронт излученного звука распространяется по расширяющейся сфере. Интенсивность звука распределяется и, в каком-то смысле, «растворяется» по всей поверхности сферы. Поверхность сферы пропорциональна квадрату радиуса. Поэтому интенсивность звука в любой заданной точке на поверхности сферы уменьшается не прямо пропорционально расстоянию (радиусу), а пропорционально квадрату расстояния от источника звука. Это означает, что в своём путешествии от источника (в нашем случае — летучей мыши) звук затихает довольно быстро.

Когда этот ослабленный звук достигает цели, скажем — мухи, он от неё отражается. Этот отражённый звук, в свою очередь, также излучается от мухи по расширяющемуся сферическому фронту. Как и в случае первичного импульса, он угасает пропрционально квадрату расстояния от мухи. К тому моменту, когда эхо вновь достигает летучей мыши, угасание его интенсивности оказывается пропорциональным не расстоянию от мухи до летучей мыши и даже не квадрату этого расстояния, а квадрату квадрата — т. е. четвёртой степени расстояния. Это означает, что он будет очень и очень тихим. Проблему возможно частично преодолеть, если летучая мышь будет излучать звук направленно, как из мегафона, но для этого ей нужно уже знать направление на цель. В любом случае, если летучей мыши нужно получить некое внятное эхо от всех отдалённых целей, то писк, исходящий от мыши, должен быть в самом деле очень громким; а инструмент обнаружения отражённого — ухо, должен быть очень чувствителен к слабому звуку эхо. И как мы уже знаем, летучая мышь часто и в самом деле кричит очень громко, а её уши и в самом деле очень чувствительны.

Теперь рассмотрим проблему, которая озадачила бы инженера, если б он попытался спроектировать некое подобие механической летучей мыши. Если микрофон (или ухо) будет столь чувствительным, как это требуется здесь, то он будет подвергаться большой опасности серьёзного повреждения собственным — чрезвычайно громким излученным импульсом звука. Нет смысла бороться с проблемой, снижая громкость излученного звука, ибо тогда эхо будет слишком тихим, чтобы его расслышать. И также нет смысла повышать чувствительность микрофона («уха»), ак как это сделает его более уязвимым для повреждений, путь уже несколько более тихим излученным звуком! Эта дилемма неразрывно связана с радикально различной интенсивности излученного и принятого звука, и различие это неумолимо следует из законов физики.

Какое другое решение мог бы предложить инженер? Когда перед аналогичной проблемой встали проектировщики радара во второй мировой войне, то они натолкнулись на решение, которое они назвали «приёмо-передающим» радаром. Локационные сигналы посылались обязательно в виде очень мощных импульсов, которые могли бы повредить высокочувствительный приёмник, ожидающий слабое отражённое эхо. Приёмо-передающий переключатель временно отсоединяет входные цепи приёмника от антенны непосредственно перед началом излучения исходящего импульса, а затем снова включает их к тому времени, когда нужно будет принимать эхо.

Летучие мыши развили «приёмо-передающее» переключение очень давно, вероятно, за миллионы лет до того, как наши предки спустились с деревьев. Она работает так: в ухе, как и у летучей мыши, так у нас, звук передаётся от барабанной перепонки к «микрофонным», звукочувствительным клеткам посредством моста из трёх крошечных костей, названных (из-за внешнего сходства) молоточком, наковальней и стремечком. Между прочим, расположение и подвеска этих трёх костей очень точно решают задачу, которую квалифицированный инженер назвал бы задачей «согласования импедансов», но это уже другая история. Важно, что у некоторых летучих мышей хорошо развиты мускулы, воздействующие на стремя и молоточек. Когда эти мускулы напряжены, то эти косточки передают звук ослабленно — как если бы вы приглушили микрофон, прижимая палец к вибрирующей мембране. Летучая мышь может использовать эти мускулы, чтобы временно отключать свои уши. Сокращение этих мускулов непосредственно перед выдачей каждого исходящего импульса, тем самым выключает уши, чтобы они не были повреждены громким звуком. Затем они расслабляются, чтобы ухо возвратилось к своей максимальной чувствительности ко времени получения отражённого эха. Эта приёмо-передающая переключательная система работает только тогда, когда обеспечивается точность отслеживания времени в доли секунды. Летучая мышь, называемая Tadarida способна к поочерёдному напряжению и расслаблению переключающих мускулов 50 раз в секунду, соблюдая полную синхрониизацию с механизмом стрельбы ипульсами ультразвука. Это огромное достижение, сопоставимое с хитрым механизмом, использовавшимся в некоторых истребителях времён первой мировой войны. Их пулемёты, стреляющие «сквозь» пропеллер, тщательно выбирали момент выстрела, строго синхронизированный с его вращением, чтобы пули всегда пролетали между лопастями и никогда не отстреливали их.

Следующая проблема, которая могла бы возникнуть у нашего инженера, такова. Раз уж сонар измеряет расстояние до цели, измеряя длительность тишины между излучением звука и вернувшимся от него эхом — а этот метод Rousettus кажется и в самом деле использует, то импульс должен быть при этом очень кратким и отрывистым — эдакое стаккато. Длинный, растянутый импульс всё ещё бы излучался, когда бы уже вернулось эхо, и даже будучи частично приглушенным мускулами «приемо-передатчика», попал бы в механизм распознавания эха. В идеале импульс летучей мыши должен быть очень коротким, и это, похоже, так и есть. Но чем короче импульс, тем труднее сделать его достаточно мощным, чтобы получить удовлетворительное эхо. Здесь имеет место другая неблагоприятная для нас альтернатива, вытекающую из законов физики. Изобретательные инженеры могли бы предложить два решения этой проблемы, что и действительно было предложено ими, опять же применительно к радару. Какое из этих двух решений предпочтительнее — зависит от того, что для нас важнее — измерить удаление объекта от измерителя или измерить скорость перемещения объекта относительно измерителя. Первое решение известно радиоинженерам как «чирикающий радар»[4].

Радарные сигналы представляют собой серию импульсов, но у каждого импульса есть так называемая несущая частота. Представьте себе быстрое включение и выключение звука (или ультразвука). Как мы помним, крики летучей мыши представляют собой импульсы с частотой следования в десятки или сотни штук в секунду (десятки и сотни герц). И каждый из этих импульсов имеет несущую частоту — от десятков до сотен тысяч герц.

Популярно говоря, каждый импульс является коротким и очень высоким взвизгом. Импульс радара точно так же является «взвизгом» радиоволн, с высокой несущей частотой. Специфической особенностью «чирикающего» радара является отсутствие строго фиксированной несущей частоты каждого взвизга. Вместо этого, несущая частота меняется вверх или вниз примерно на октаву. Если вы хотите представить себе звуковой эквивалент его, то каждый такой радарный импульс можно представить как ниспадающий свист удивлённого человека. Преимущество «чирикающего» радара в сравнении с радаром фиксированной несущей частотой состоит в следующем. Для него не имеет большого значения, что исходящий импульс всё ещё не закончился, когда уже пришло эхо. Они не будут перепутаны друг с другом — ведь эхо, получаемое в данный момент времени, будет отражением более ранней части импульса и, следовательно, будет иметь отличающуюся частоту.

Люди-разработчики радаров извлекли много пользы из этой изобретательной техники. Имеются ли какие-нибудь свидетельства того, что летучие мыши тоже это «открыли» — подобно тому, как они открыли приёмо-передающую систему? Да, действительно, многие виды летучих мышей производит крики с ниспадающей несущей частотой, обычно примерно на октаву в каждом крике. Эти посылки «удивлённого свиста» известны как частотная модуляция (FM). Они используются людьми там, где требуется использовать технику «чирикающего радара». Однако, есть свидетельства, пока предположительные, что летучие мыши используют эту технику не для различения сигнала эхо от исходного звука, а для решения более тонкой задачи отличения одного эхо от другого. Летучая мышь живёт в мире многих эхо — близких объектов, далёких объектов и объектов на всех промежуточных расстояниях, и ей нужно отсортировывать эти эхо друг от друга. Если она издаёт ниспадающие «удивлённые свисты», то сортировку можно чётко сделать по тону. Когда эхо от далёкого объекта наконец приходит назад к летучей мыши, оно будет «старше», чем одновременно пришедшее эхо от близкого объекта, и поэтому будет иметь более высокий тон. Когда летучая мышь принимает эхо от нескольких объектов сразу, то она может следовать простому эмпирическому правилу: чем выше тон, тем дальше объект.

Вторая умная идея, которая могла бы придти в голову инженеру, особенно он интересуется измерением скорости перемещающейся цели, заключается в использовании интересного эффекта, называемого физиками допплеровским сдвигом. Его можно также назвать «эффектом санитарной машины», так как самое знакомое его проявление — резкое снижение тона сирены санитарной машины, когда она проносится мимо слушателя. Допплеровский сдвиг случается всякий раз, когда источник звука (или света, а также волн другого вида) и его приёмник двигаются друг относительно друга. Легче всего представить источник звука неподвижным, а слушателя — двигающимся. Допустим, что сирена на крыше фабрики гудит непрерывно и всё время на одной ноте. Звук излучается как ряд волн. Эти волны нельзя увидеть, так как это волны воздушного давления; но если б они были видимы, то выглядели бы как концентрические круги, распространяющиеся вдаль, наподобие волн от камешка, брошенного в спокойный пруд. Представте себе, что непрерывная серия камешков падает в середину пруда так, чтобы волны постоянно исходили из середины. Если мы поставим игрушечный кораблик на якорь в какой-то фиксированной точке пруда, то кораблик будет ритмично качаться на проходящих под ним волнах. Частота, с который раскачивается кораблик, в чём-то подобна звуковому тону. Теперь предположим, что кораблик снялся с якоря и на всех парах двинулся пересекать пруд в примерном направлении центра, от которого и исходят круги волн. Он по прежнему будет раскачиваться, поскольку волны по прежнему будут проходить под ним. Но частота проходящих под корабликом волн будет теперь выше, так как он путешествует к источнику волн и будет качаться с более высокой частотой. На другой стороне от центра пруда, когда кораблик минует источник волн, частота, с которой он будет раскачиваться, очевидно понизится.

Если мы быстро проедем на (предпочтительно малошумном) мотоцикле мимо гудящей фабричной сирены, то по той же причине при приближении к фабрике высота тона будет повышена — наши уши при этом поглощают волны с более высокой частотой, чем когда они бы не двигались. И точно так же, когда наш мотоцикл минует фабрику и будет удаляться от неё, тон будет понижен. Когда мы останавливаем движение, то мы будем слышать тон сирены, средний по высоте между двумя допплер-сдвинутыми тонами. Из этого следует, что если мы знаем точную высоту тона сирены, то мы в принципе можем определить, насколько быстро мы двигаемся к источнику или от него, просто сравнивая слышимый тон с известным «истиным».

Те же самые рассуждения справедливы, когда источник звука перемещается, а слушатель неподвижен. Именно этот случай имеет место при движении санитарной машины мимо нас. Хотя это не слишком правдоподобно, но говорят, сам Христиан Допплер демонстрировал этот эффект, наняв духовой оркестр для исполнения музыки на открытом железнодорожном вагоне-платформе, которая помчалось мимо его изумлённой аудитории. Имеет значение относительное перемещение, и для эффекта Допплера безразлично, источник ли звука перемещается относительно уха, или ухо перемещается мимо источника. Если два поезда двигаются во встречном направлении, каждый — со скоростью 125 миль в час, то пассажир одного поезда будет слышать пронзительный вой другого поезда, мчащегося навстречу, повышенный особенно радикальным допплеровским сдвигом, ибо относительная скорость этих поездов составит 250 миль в час (400 км/ч). Эффект Допплера используется в полицейских радарах — измерителях скорости автомобилей. Неподвижный прибор излучает сигнал радара вдоль дороги. Волны радара отражаются от приближающегося автомобиля и регистрируются приёмной аппаратурой. Чем быстрее двигается автомобиль, тем выше будет допплеровский сдвиг по частоте. Сравнивая излученную частоту с частотой отражённого эха, полиция или, скорее, их автоматический прибор, может вычислять скорость каждого автомобиля. Ну если полиция может использовать этот эффект для измерения скорости лихачей, то смеем ли мы надеяться, что удастся обнаружить использование её летучими мышами для измерения скорости насекомого-добычи? Да, есть такое дело. Давно было известно, что маленькие летучие мыши, известные как «подковки» издают длинные крики стабильного тона — а не стаккато щелчки или ниспадающий «свист удивления». Говоря «долго», я имею в виду, что долго по стандартам летучих мышей. Её «крик» длится менее десятой части секунды. И, как мы далее увидим, часто в конце крика имеется «свист удивления». Представим себе, что вначале подковка издаёт неизменяющийся тон ультразвука, когда быстро летит к неподвижному объекту, например, к дереву. Волны импульса будут падать на дерево с увеличенной частотой, так как мышь летит к дереву. Если бы в дереве был микрофон, то он бы «слышал» повышенный из-за допплер-смещения тон звука этого импульса благодаря движению летучей мыши. Микрофона в дереве кончено нет, но эхо, отражённое назад от него, будет иметь именно такой повышенный тон, какой бы слышал микрофон. Далее волны эха бегут назад от дерева к приближающейся летучей мыши, ибо она всё ещё быстро двигается навстречу к ним. Поэтому происходит дальнейшей допплеровский сдвиг тона эхо вверх при восприятии его летучей мышью. Движение летучей мыши приводит к своего рода двойному допплер-эффекту, величина которого точно характеризует скорость летучей мыши относительно дерева. Сравнивая тон своего крика с тоном эхо, летучая мышь (лучще сказать — её бортовой компьютер в мозгу), может в принципе вычислять, как быстро она приближается к дереву. Этот эффект не сообщает мыши, как далеко это дерево, но тем не менее, это может быть очень полезной информацией.

Если отражающий эхо объект будет не статичным деревом, а двигающимся насекомым, допплер-эффект будет сложнее, но тем не менее — летучая мышь сможет вычислить скорость своего перемещения относительного цели — очевидно, такого рода информация нужна такой сложной «управляемой ракете», как охотящаяся летучая мышь. Некоторые летучие мыши проделывают более интересный трюк, чем просто испускание крика постоянного тона с последующим измерением тона вернувшегося. Они так подстраивают тон исходящих криков, чтобы принимаемый тон был постоянен после его допплеровского сдвига. Так как, бросившись к двигающемуся насекомому, они ускоряются, то тон их криков всё время непрерывно меняется, чтобы эхо возвращалось некоего фиксированного тона. Эта изобретательная хитрость поддерживает эхо такого тона, к которому их уши максимально чувствительны, что важно, так как эхо слабое. При этом они точно так же получают информацию о скорости цели, сравнивая излученный и принятый тон. И хотя в данном случае сдвигается излученный, а не принятый тон, но разность их будет той же самой. Я не знаю, используют ли эту хитрость рукотворные устройства, будь то сонары или радары. В принципе, я бы рискнул держать пари, что наиболее умные идеи в этой сфере первыми изобрели летучие мыши.

Логично предположить, что эти два весьма различных метода — техника допплеровского сдвига и техника «чирикающего радара» — полезны для различных конкретных применений. Одни группы летучих мышей специализируются на одной из них, другие — на другой. Некоторые группы вроде бы даже стараються взать лучшее из обоих миров, прицепляя частотно-модулированный «свист удивления» к концу (или иногда к началу) длинного «крика» с постоянной частотой. Другая любопытная хитрость «подковок» относится к движениям их ушных раковин. В отличие от других летучих мышей, «подковки» быстро двигают своими ушными раковинами, двигая их вперёд и назад. Можно предположить, что эти дополнительные быстрые перемешения звуковоспринимающей поверхности относительно цели порождает полезные модуляции допплеровского сдвига, дающие дополнительную информацию. Когда ухо движется в сторону к цели, то воспринимаетмая скорость движения к цели будет выше. Когда оно двигается от цели, то будет наоборот. Мозг летучей мыши знает направление движения каждого уха и, в принципе, может проделывать необходимые вычисления, чтобы извлекать пользу из этой информации.

Возможно, наиболее трудная проблема из тех, с которыми сталкиваются все летучие мыши — это опасность непредумышленных взаимных помех от криков других летучих мышей. Люди-экспериментаторы обнаружили, что помешать летучим мышам делать их великие успехи, облучая их громким искусственным ультразвуком, до удивления сложно. Впрочем, это легко было предсказать. Летучие мыши, должно быть уже давно справились с проблемой помех. Многие виды летучих мышей ночуют в пещерах огромными скоплениями и могли бы оглохнуть от вавилонского столпотворения криков и эхо, но, тем не менее, они быстро летают в полной темноте пещер, избегая стен и друг друга. Как удаётся летучей мыши идти по следу своего эхо и не впадать в заблуждение от эхо других? Первое решение, которое могло бы придти в голову инженеру — применить какую-то разновидность разнесения частот: каждая летучая мышь могла «работать» на своей собственной личной частоте, точно так же, как это делают наши радиостанции. В какой-то степени это может иметь место, но это ни в коем случае не может быть исчерпывающим решением проблемы.

Как летучие мыши избегают помех от других летучих мышей, пока не очень ясно, но интересный ключ к решению дают эксперименты по попыткам сбить с толку летучих мышей. Они показывают, что можно активно обманывать каких-нибудь летучих мышей, проигрывая им их собственные крики в искусственной задержкой. Другими словами, подсовывать им ложное эхо из их собственного крика. Удаётся даже, тонко управляя электронным аппаратом задержки ложного эха, вынудить летучих мышей к попытке приземлиться на фантомном выступе скалы. Я предполагаю, что у летучих мышей имеет место некий эквивалент нашего взгляда на мир через хрусталик глаза. Похоже, что летучие мыши могут использовать нечто такое, что мы могли назвать «фильтром чужака». Каждое следующее эхо собственного крика летучей мыши порождает картину мира, которая имеет смысл лишь в сопоставлении с предыдущей картиной этого мира от более ранней локации. Если мозг летучей мыши воспринимает эхо крика другой летучей мыши, то попытки включить её в текущую картину мира, будут бессмысленны. Это будет выглядеть так, словно все предметы в мире внезапно подскочили в разнообразных случайных направлениях. Объекты в реальном мир не ведут себя таким сумасшедшим образом, так что мозг может их без опаски отфильтровывать, как явное фоновое эхо. Когда человек-экспериментатор предлагает летучей мыши искусственно задержанное или ускоренное «эхо» её собственных криков, то ложное эхо будет иметь смысл в образе картины мира, которую летучая мышь построила до этого. Ложное эхо пропущено фильтром чужака, потому что оно вполне вероятно в контексте предыдущего эхо. Оно принуждает объекты выглядеть лишь слегка измененившимися, что есть именно то поведение, какое можно правдоподобно ожидать от объектов в реальном мире. Мозг летучей мыши полагается на предположение о том, что мир, порождаемый неким ипульсом эха, будет примерно тем же самый, что и мир, порождённый предыдущими, или лишь слегка отличным: например, отслеживаемое насекомое возможно, немного передвинулось.

У философа Томаса Нейджела есть известная статья под названием «Каково быть летучей мышью?». Статья эта не столько про летучих мышей, сколько о философской проблеме вживления в образ того или чего, чем мы не являемся. Философ выбрал летучую мышь в качестве особенно красноречивого примера потому, что восприятие мира эхолокацией было сочтено особенно чуждым нам и отличным от нашего собственного. Если вы хотите разделить с летучей мышью её жизненный опыт, то зайдите в пещеру, крикните или стукните ложку об ложку, засеките время задержки до прихода эхо и вычислите, насколько далеко должна быть стена. Впрочем, это будет весьма обманчивое сходство — не сходнее попытки понять хорошую картину, используя только и возможный для летучей мыши метод восприятия цвета — с помощью прибора для измерения длины волны входящего в глаз света: если волна длинная, то вы видите красный, если короткая — то фиолетовый или синий. Так получилось, что свет, который мы называем красным, имеет большую длину волны, а свет, который мы называем синим — меньшую. Свет с различными длинами волн воздействует на различные виды фоторецепторов в сетчатке — красно-, зелёно- и сине-чувствительне. Но в нашем субъективном восприятии цвета нет и следа физической концепции длины волны. Ничто не подсказывает нам, что красный цвет имеет более длинную волну, чем синий. Если это вдруг имеет значение (обычно нет), то мы просто вспоминаем этот физический факт или (как всегда делаю я) смотрим это в книге. Точно так же летучая мышь чувствует расположение насекомого, используя то, что мы называем эхо. Но, конечно же, летучая мышь чувствуя насекомое, думает о задержках эхо не больше, чем мы думаем о длинах волн, когда ощущаем синий или красный цвет.

Вообще-то, если бы мне пришлось постараться сделать невозможное и представить себе каково быть летучей мышью, я бы предположил, что эхолокация для них могла быть довольно близким подобием того, что есть зрение для нас. Мы столь неотъемлемо визуальные животные, что вряд ли понимаем, насколько это сложное дело — видение. Объекты — «вон там», и мы полагаем, что мы «видим» их там. Но я полагаю, что в действительности наше восприятие — это компьтерная модель в мозгу, тщательно построенная на основе информации, поступающей оттуда, однако преобразованная в голове в удобную для использования форму. Различия длин волн наружного света будут закодированы как «цветовые» различия в компьютерной модели у нас в голове. Очертание и другие атрибуты объекта кодируются сходным образом в форму, удобную для дальнейшей работы с ними. Восприятие видения очень отлично для нас от восприятия слышания, но не потому, что свет и звук очень физически отличаются. И свет, и звук — в конце концов, транслируются соответствующими органами чувств в те же самые нервные импульсы. Исходя из физических параметров нервных импульсов, невозможно определить, идёт ли по этому нерву передача информации о свете, звуке или запахе. Причина, по которой зрительное ощущение настолько отлично от слухового и обонятельного в том, что мозг полагает удобным использовать различные модели для внутреннего визуального мира, внутреннего мира звука и мира запаха. Из-за того, что мы внутри себя используем визуальную и слуховую информацию различным образом и для различных целей, наши визуальные и слуховые ощущения настолько различны. Но не из-за непосредственного физического различия между светом и звуком. Но летучая мышь использует свою звуковую информацию для почти тех же самых целей, для которых мы используем визуальную. Она использует звук для восприятия и непрерывного уточнения положения объектов в трёхмерном пространстве — точно так же, как мы используем свет. Следовательно, потребный тип внутренней компьютерной модели должен отвечать задаче внутреннего представления меняющегося положения объектов в трёхмерном пространстве. Моё мнение таково, что форма этого субъективного представления мира животным будет определяться свойствами внутренней компьютерной модели. Какая именно модель будет разработана эволюцией для её удобного и продуктивного внутреннего представления, не будет зависеть от физических характеристик стимулов, воспринимаемых ею извне. И мы, и летучие мыши, нуждаемся в однотипной внутренней модели для представления расположения объектов в трёхмерном пространстве. Тот факт, что летучие мыши строят свою внутреннюю модель на основании сигналов эхо, а мы строим нашу на основании световых сигналов, не имеет значения. Эта внешняя информация в любом случае транслируется те же самые нервные импульсы, гуляющие в мозге. Поэтому я предполагаю, что летучие мыши «видят» почти так же, как и мы, хотя физическая среда, посредством которой мир «вон там» транслируется в нервные импульсы очень различна — в одном случае — ультразвук, в другом — свет. Летучие мыши могут в принципе даже испытывать ощущения — типа нашего цвета — для восприятия каких-то различий в «наружном» мире, которые не имеют никакого отношения к физике и длине волны, но которые играют для них ту же функциональную роль, что цвета играют для нас. Возможно, что у самцов летучих мышей поверхность тела тонко текстурирована таким образом, что отражающееся от неё эхо будет воспринято самками великолепно раскрашенным, эдакий звуковой эквивалент свадебного оперения райской птицы. И это не отвлечённая метафора. Возможно, что самка летучей мыши и в самом деле субъективно ощущает цвет самца, как, скажем, ярко красный — такой же, какой я ощущаю, гляда на фламинго. Ну по крайней мере, восприятие летучей мышью своего партнёра может не более отличаться от моего визуального ощущения фламинго, чем моё визуальное ощущение фламинго отличается от визуального ощущения одним фламинго другого.

Дональд Гриффин рассказал о своём (в соавторстве с Робертом Галамбосом) первом сообщении на конференции зоологов в 1940-м году об их тогда новом открытии — эхолокации у летучих мышей. Участники были изумлены! Один выдающийся ученый настолько негодовал в своём недоверии, что…

…схватил Галамбоса за плечи и тряс его, выражая недовольство тем, что мы, возможно, не имели в виду столь скандальные намёки. Радар и сонар в то время были одними из высших достижений военной технологии, и указание на то, что летучие мыши могли бы проделывать что-нибудь даже отдалённо похожее на наипоследнийший триумф радиотехнической мысли, шокировала бы большинство людей не только как нечто неправдоподобное, но и эмоционально отталкивающее.

Выдающегося скептика легко понять. Имеется нечто очень человеческое в его нежелании верить в это. И это нечто говорит: человек — это точно то, что он есть. Точно — потому, что человечьи органы чувств не способны к тому, к чему способны летучие мыши — во что так трудно поверить. Трудно, поскольку мы можем воспринять это лишь нашей аппаратурой и после математических вычислений на бумаге, и трудно представить, что это небольшое животное проделывает это в своей маленькой головке. Однако математические вычисления, потребные для объяснений принципов зрения, столь же сложны и трудны, но ни для кого не составляет труда поверить, что маленькое животное может видеть. Причина такого нашего пристрастного скептицизма весьма проста — мы сами можем видеть, но не можем эхолоцировать.

Можно представить себе некий другой мир, в котором совершенно слепые, летуче-мышеподобные учёные участники конференции изумлялись бы, если б им рассказывали о животных, называемых людьми, способных использовать недавно обнаруженные неслышимые лучи, называемые «свет» (кстати, объект сверхсекретной военной разработки), для ориентации в пространстве. Эти, во всех остальных отношениях невзрачные «люди» — почти совсем глухие (ну ладно, они могут неважнецки слышать, и даже издавать редкое, тяжко медленное, глубоко тягучее рычание, но они используют эти звуки лишь для элементарных целей, таких как коммуникация друг с другом; они не выглядят способными использовать эти способности для обнаружения даже самых крупных объектов). Вместо этого, у них есть высокоспециализированый орган, называемый «глазами» для эксплуатации световых лучей. Солнце — главный источник этих лучей, и «люди» умеют замечательно эксплуатировать сложное световое эхо, которое отражается от объектов, когда световые лучи от солнца попадают на них. У них есть хитроумное устройство под названием «хрусталик» форма которого представляется математически рассчитаной так, чтобы эти неслышимые лучи преломлялись таким образом, что на поверхности из клеток, называемой «сетчаткой» получается точное, один-к-одному соответствие между объектами в мире и их образами на «изображении». Эти клетки сетчатки способны каким-то таинственным образом переводить свет в, так сказать, «слышимую» форму и ретранслировать эту информацию в мозг. Наши математики показали, что теоретически возможно, производя крайне высокосложные вычисления, использовать эти световые лучи для безопасной навигации в мире — столь же эффективно, как мы обычно делаем, используя ультразвук — в некоторых отношениях даже более эффективно! Но кто мог бы вообразить, что эти невзрачные «люди» в состоянии проделывать такие вычисления?

Данный текст является ознакомительным фрагментом.