Ультразвуковые коммуникации

Ультразвуковые коммуникации

Как млекопитающие общаются между собой криками, мычанием, ржанием, воем, ворчанием и прочее, с давних пор знакомо человеку. Но есть у зверей и неслышная нам «речь» — ультразвуковая. Открыта она была впервые у летучих мышей.

С физической точки зрения всякий звук — это колебательные движения, распространяющиеся волнообразно в упругой среде.

Чем больше вибраций совершает в секунду колеблющееся тело (или упругая среда), тем выше частота звука. Самый низкий человеческий голос (бас) обладает частотой колебаний около восьмидесяти раз в секунду или, как говорят физики, частота его колебаний достигает восьмидесяти герц. Самый высокий голос (например, сопрано перуанской певицы Имы Сумак) около 1400 герц.

В природе и технике известны звуки еще более высоких частот — в сотни и даже миллионы герц. Человеческое ухо воспринимает звуки с частотой колебаний лишь до двадцати тысяч герц. Более высокочастотные акустические колебания называют ультразвуком, его волнами летучие мыши и «ощупывают» окрестности.

Ультразвуки возникают обычно в гортани летучей мыши. Здесь вроде своеобразных струн натянуты голосовые связки, которые, вибрируя, производят звуки. Ведь гортань по своему устройству напоминает обычный свисток. Выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через нее, возникает «свист» очень высокой частоты: до 150 тысяч герц, человек его не слышит.

Летучая мышь периодически задерживает поток воздуха, затем он с такой силой вырывается наружу, словно выброшен взрывом. Давление проносящегося через гортань воздуха вдвое больше, чем в паровом котле. Неплохое достижение для зверька весом в 5–20 граммов!

В гортани летучей мыши возбуждаются кратковременные высокочастотные звуковые колебания — ультразвуковые импульсы. В секунду следует от 5 до 60, а у некоторых видов до 200 импульсов. Каждый импульс, «взрыв», длится 0,002–0,005 секунды (у подковоносов — 0,05–0,1 секунды).

Краткость звукового сигнала — очень важный физический фактор. Только из-за краткости возможна точная эхолокация, то есть ориентировка с помощью ультразвуков.

От препятствия, которое удалено на семнадцать метров, отраженный звук возвращается к зверьку приблизительно через 0,1 секунды. Если звуковой сигнал продлится дольше, то его эхо, отраженное от предметов, расположенных ближе семнадцати метров, будет восприниматься одновременно с исходным звучанием. А ведь по промежутку времени между концом посылаемого сигнала и первыми звуками вернувшегося эха летучая мышь инстинктивно получает представление о расстоянии до предмета, отразившего ультразвук. Поэтому звуковой импульс так краток.

Эхолокатор летучих мышей — очень точный навигационный «прибор»: он в состоянии запеленговать даже микроскопически малый предмет диаметром всего 0,1 миллиметра! И только когда экспериментаторы уменьшили толщину проволоки, натянутую в помещении, где порхали летучие мыши, до 0,07 миллиметра (толщина человеческого волоса), зверьки стали натыкаться на нее.

Летучие мыши наращивают темп эхолотирующих сигналов примерно за два метра от проволоки. Значит, за два метра они ее и «нащупывают» своими «криками». Но летучая мышь не сразу меняет направление, летит прямо на препятствие и лишь в нескольких сантиметрах от него резким взмахом крыла отклоняется в сторону.

С помощью эхолотов, или сонаров (так был назван изобретенный в конце тридцатых годов подводный эхолокатор; он успешно применялся в последней войне для обнаружения неприятельских подводных лодок), которыми наделила их природа, летучие мыши не только ориентируются в пространстве, но и охотятся за своим хлебом насущным: комарами, мотыльками и прочими ночными насекомыми. Эхолоты же служат у них и средством коммуникации друг с другом. В некоторых опытах зверьков заставляли ловить комаров в большом лабораторном зале. Их фотографировали, взвешивали — словом, все время следили, насколько успешно они охотятся. Одна летучая мышь весом в 7 граммов за час наловила 1 грамм насекомых. Другая малютка, которая весила всего 3,5 грамма, так быстро глотала комаров, что за четверть часа «пополнела» на 10 процентов. Каждый комар весит примерно 0,002 грамма. Значит, за пятнадцать минут охоты было поймано 175 комаров: каждые шесть секунд — комар! Довольно резвый темп.

Дональд Гриффин, исследователь сонаров летучих мышей, говорит, что если бы не эхолот, даже всю ночь летая с открытым ртом, летучая мышь поймала бы «по закону случая» одного-единственного комара.

Сначала думали, что природными сонарами обладают только мелкие насекомоядные летучие мыши вроде наших ночниц и нетопырей, а крупные летающие лисицы, или собаки, пожирающие тонны фруктов в тропических лесах, их будто бы лишены. Возможно, это так, но тогда роузеттус представляет исключение, потому что летающие лисицы этого рода наделены эхолокаторами.

В полете роузеттусы все время щелкают языком. Звук (рожденный не гортанью, а языком!) прорывается наружу в углах рта, которые у роузеттуса всегда приоткрыты. Щелчки несколько напоминают своеобразное цоканье языком, как делают иногда люди, осуждая что-нибудь. Примитивный сонар летучей собаки (или лисицы, или крылана — и так их называют!) работает, однако, достаточно точно: миллиметровую проволоку он засекает с расстояния в несколько метров.

Все без исключения мелкие летучие мыши из подотряда микрохироптера (то есть микрорукокрылые) наделены эхолотами. Но модели этих «приборов» у них разные. Исследователи выделяют в основном три типа природных сонаров: шепчущий, сканирующий и стрекочущий (или частотно-модулирующий).

Шепчущие летучие мыши обитают в тропиках Америки. Многие из них, подобно летучим собакам, питаются фруктами либо сосут кровь (вампиры!). Ловят также и насекомых, но не в воздухе, а на листьях растений. Их эхолотирующие сигналы — очень тихие и короткие щелчки. Каждый звук длится 0,001 секунды и очень слаб. Услышать его могут только очень чувствительные приборы. Иногда, правда, летучие мыши-шептуны «шепчут» так громко, что и человек их слышит. Но обычно сонар их работает на частотах 150 килогерц.

Сканируют подковоносы. Некоторые из них обитают на юге нашей страны: в Крыму, на Кавказе и в Средней Азии. Подковоносами они названы за наросты на морде, вроде кожистой подковы двойным кольцом окружающие ноздри и рот. Наросты не праздничные украшения: это своего рода мегафон, направляющий звуковые сигналы узким пучком в ту сторону, куда смотрит летучая мышь. (Подковоносы посылают ультразвуки в пространство не через рот, а через ноздри.)

Подковоносы пользуются на охоте продолжительными, если сравнивать их с «криками» других летучих мышей, и однотонными звуками. Каждый сигнал длится десятую или двадцатую долю секунды, и частота его звучания не меняется: всегда равна 85–120 килогерцам в зависимости от вида животного.

Но наши обычные летучие мыши и их родичи из Северной Америки эхолотируют пространство модулированными по частотам звуками, как лучшие сонары, созданные человеком. Тон сигнала постоянно меняется, значит, меняется и частота отраженного звука. А это, в свою очередь, означает, что в каждый данный момент высота принимаемого звука не совпадает с тоном отправляемого в это время сигнала. И неспециалистам ясно, что такое устройство значительно облегчает эхолотирование.

Американская малая бурая ночница начинает свое «стрекотанье» звуком с частотой около 90 килогерц, а заканчивает его сигналом в 45 килогерц. За 0,002 секунды, пока длится ее «крик», он пробегает по шкале частот вдвое более длинный диапазон, чем весь спектр воспринимаемых человеческим ухом звуков! В «крике» около пятидесяти звуковых волн, но среди них нет и двух одинаковой длины. Таких частотно-модулированных сигналов следует 10 или 20 каждую секунду. Приближаясь к препятствию или к ускользающему комару, летучая мышь учащает сигналы. Теперь уже она «стрекочет» не 10–20, а 200 раз в секунду.

За миллионы лет эволюции ночные насекомые приобрели немало защитных приспособлений от ультразвука. Многие ночные мотыльки, например, густо покрыты мелкими волосками. Дело в том, что мягкие материалы: пух, вата, шерсть (и женские волосы!) поглощают ультразвук. Значит, мохнатых мотыльков труднее запеленговать, чем не «лохматых».

У некоторых ночных насекомых развились чувствительные к ультразвуку органы слуха, которые помогают им заблаговременно узнать о приближающейся опасности. Попадая в радиус действия эхолота летучей мыши, они начинают метаться из стороны в сторону, пытаясь выбраться из опасной зоны. Ночные бабочки и жуки, запеленгованные летучей мышью, прибегают даже к такому тактическому приему: складывают крылья и падают вниз, замирая в неподвижности на земле.

У этих насекомых органы слуха воспринимают обычно звуки двух разных диапазонов: низкочастотного, на котором они «разговаривают» с сородичами, и высокочастотного, на котором работают сонары летучих мышей.

К промежуточным частотам (между двумя этими диапазонами) они глухи.

Больше того! Стало известно, что некоторые ночные бабочки сами издают ультразвуки. И вот что самое странное: эти ультразвуки… отпугивают летучих мышей!

Настигая такую бабочку, летучая мышь метрах в двух от нее круто меняет направление и удаляется прочь. То же происходит, если в момент приближения летучей мыши к насекомому, не издающему ультразвуки, воспроизвести записанные на магнитофонную ленту «щелчки» тех бабочек, у которых такая способность есть: летучая мышь тоже разворачивается и улетает.

Чем пугают ее ультразвуки насекомых? Неизвестно. Есть предположение, что щелчки мотылька предупреждают летучую мышь о том, что насекомое, их производящее, плохое на вкус или ядовитое и лучше его не трогать.

Кроме летучих мышей, лучше всего изучены сонары дельфинов. Эти умные животные очень «болтливы». Ни минуты не молчат. Большая часть их криков составляет разговорный, так сказать, лексикон. Служит для разного рода коммуникаций друг с другом. Другие же — обслуживают сонары.

Дельфин афалина свистит, щелкает, хрюкает, лает, визжит на разные голоса и в разном диапазоне частот. Но когда он плывет «молча», его сонар постоянно ощупывает окрестности «дождем» быстрых криков или, как говорят еще, клаков. Они длятся не больше нескольких миллисекунд и повторяются обычно 15–20 раз в секунду. А иногда и сотни раз!

Малейший всплеск на поверхности — и дельфин сейчас же учащает крики, «ощупывая» погружающийся предмет. Эхолокатор дельфина настолько чувствителен, что даже маленькая дробинка, осторожно опущенная в воду, не ускользнет от его внимания. Рыба, брошенная в водоем, засекается немедленно. Дельфин пускается в погоню. Не видя в мутной воде добычу, безошибочно преследует ее. Вслед за рыбой точно меняет курс.

Если опустить в небольшой бассейн несколько десятков вертикальных стержней, дельфин быстро плывет между ними, не задевая их. Однако крупноячеистые сети он, по-видимому, не может обнаружить своим сонаром. Мелкоячеистые «нащупывает» легко.

Дело здесь в том, наверное, что крупные ячеи слишком «прозрачны» для звука, а мелкие отражают его почти как сплошная преграда.

Считают, что клаки необходимы дельфину для ближней ориентировки. Общая разведка местности и ощупывание более тяжелых предметов производится свистом. И свист этот частотно модулирован! Но начинается он низкими частотами, а заканчивается высокими (у летучих мышей, как мы уже знаем, наоборот).

Другие представители отряда китообразных — кашалоты, финвалы, блювалы и белухи — тоже «разговаривают» и ориентируются с помощью ультразвуков. Вот только не совсем ясно, как издают они эти звуки. Одни полагают, что дыхалом, то есть ноздрей, и воздухоносными мешками дыхательного канала, другие, что горлом. Хотя настоящих голосовых связок у китов и нет, но их с успехом, как считают, могут заменить странные наросты на внутренних стенках гортани. А может быть, и дыхало и гортань в равной мере обслуживают передающую систему сонара.

В сравнительно недавние времена биофизики с изумлением установили, что природа, по-видимому, не очень скупилась, когда наделяла своих детей сонарами. От летучих мышей к дельфинам, от дельфинов к рыбам, птицам, крысам, мышам, обезьянам и морским свинкам и жукам переходили исследователи со своими приборами, тут и там обнаруживая ультразвуки.

Эхолотами вооружены, очевидно, многие птицы. Издают звуки небольшой частоты (20–80 килогерц) морские свинки, крысы, сумчатые летяги и даже некоторые южноамериканские обезьяны.

Мыши и землеройки в экспериментальных лабораториях, прежде чем пуститься в путь по темным закоулкам лабиринтов, в которых этологи испытывали их память, посылали вперед стремительных разведчиков — ультразвуки. В полной темноте зверьки отлично находят норы в земле. Возможно, и тут помогает сонар: из этих дыр эхо не возвращается.