Текст книги "Живые локаторы океана"

Автор книги: Борис Сергеев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 15 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

Откуда что берется

Когда жизнь еще только зарождалась, звуковая обстановка на нашей планете была довольно однообразной. Иногда громыхал гром или посвистывал ветер. Кое-где тишину нарушали срывающиеся со скал водопады, шум морского прибоя да грохот вулканов. Кого тогда на Земле могли интересовать эти звуки? Только когда появились высокоразвитые животные, научившиеся активно передвигаться, странствовать по белу свету и пожирать друг друга, на Земле появились «интересные» звуки. Это были звуки биологического происхождения. Их создавали сами животные, и, естественно, они содержали известную информацию о самих источниках звука. Подобной информацией стоило заинтересоваться.

Интерес к звукам биологического происхождения послужил толчком к развитию звукового анализатора у далеких предков современных животных. Когда звукоулавливающие органы достигли известного совершенства, животные смогли использовать звуки и для взаимного обмена информацией.

У них возникла потребность специально производить звуковые сигналы.

Основа любого музыкального инструмента – вибратор, создающий звуковые волны. Им может быть любое упругое тело, способное колебаться от толчка, удара или трения. Если звук нужно усилить, используется резонатор. Для этой цели чаще всего служит воздух. Он упруг. Столбик газа вибрирует по всей своей длине, как стальная пружина. Он может колебаться с любой частотой, но колебания воздуха скоро затухают. Резонировать могут и стенки полости.

Известны музыкальные инструменты, состоящие из одних вибраторов. Это ксилофон, тарелки, колокольчики и колокола. У флейты резонирует столбик воздуха. Ее стенки в усилении звука участия не принимают. У медных духовых инструментов – труб, валторн – вибрирует и воздух, и металл стенок.

Получается значительное усиление звука. «Музыкальные инструменты» животных или состоят из одного вибратора, или снабжены резонатором. Им может быть мембрана, столбик воздуха или стенки полости, где газ (не обязательно воздух) находится под некоторым давлением.

Природа снабдила живые организмы звукогенераторами самых разных конструкций. У насекомых они достаточно примитивны. Перепончатокрылые пользуются грубыми смычковыми инструментами вроде контрабаса. Саранча водит лапкой по своим жестким крыльям. Кузнечики извлекают звук трением надкрылий. У сверчков на трущейся поверхности крыла находится 150 треугольных призм, а вибрация четырех перепонок усиливает звук.

Удивительным музыкальным инструментом – цимбалами – обладают жители жарких стран – цикады. Поют только самцы.

У них на нижней стороне первого сегмента брюшка находятся две выпуклые пластины. Их и называют цимбалами. Каждая пластина снабжена специальными мощными мускулами. Они втягивают выпуклую часть пластины внутрь и мгновенно отпускают. Втягивают и отпускают. Звук возникает по такому же принципу, как у металлической масленки или консервной банки, когда продавишь пальцем ее дно, а затем позволишь ему с характерным звуком занять прежнюю позицию. Стрекотание цикад слышится в любое время суток. Особенно неистовствуют они с наступлением темноты. Трудно представить южную ночь без неумолчного гомона цикад. Чрезвычайно сильные голоса у тропических видов. Их песня напоминает звук циркульной пилы или стрекотание мотоцикла, а по громкости не уступит пронзительному свистку паровоза.

Умеют издавать самые различные звуки и рыбы, хотя специальных звукогенераторов у них, по-видимому, нет. Некоторые издают звуки за счет трения жаберных крышек. Кариевые рыбы скрежещут зубами, спрятанными глубоко в глотке.

Многие рыбы пользуются плавательным пузырем, работающим как резонатор. Звук возникает благодаря сокращению специальных барабанных мышц, вызывающих колебания его стенок.

С помощью этих несложных устройств рыбы производят стуки, скрежет, удары, свисты, скрипы, всхлипывают, клохчут, мурлыкают, фыркают. Желтая макрель, встретив свою подругу, крякает от удовольствия. Рыба-ангел хрюкает, как поросёнок. Бычок-кругляк во время нереста скрипит, подзывая самку, а увидев ее, начинает квакать. Черная рыба лает по собачьи, а морские собачки предпочитают хрюкать. Морской петух – подумать только! – чтобы подать сигнал опасности, «кудахчет» курицей. Рыба-лоцман на ходу постукивает, по-видимому, для того, чтобы ведомая ею акула не отвлекалась.

Особенно шумно ведут себя рыбы во время брачных игр. Бычок-кругляк верещит, длиннорылый бычок-подкаменщик жужжит. Зеленушка-оцеллята, перед тем как подраться, цокает. Бычок-кругляк, охраняя гнездо, рычит. Рыба-дикобраз скрежещет, как ржавая дверная петля. Рябчик гризеус, выражая угрозу, барабанит, а сахалинский подкаменщик урчит. Испуганный спинорог свистит, чирикает, щелкает.

Самыми молчаливыми животными нужно считать рептилий.

Издаваемые ими звуки весьма однообразны. Почти все змеи умеют угрожающе шипеть. Громко шипят сухопутные черепахи. Некоторые ящерицы способны пищать. Сцинковые гекконы трением чешуек хвоста друг о друга производят странный звук, напоминающий шорох свертываемой пергаментной бумаги. У рогатой гадюки, гадюки Авиценны и песчаной эфы по бокам тела находятся особые пилообразно расположенные чешуйки. Свернувшись в два полукольца и беспрерывно скользя одним полукольцом по другому, эти змеи заставляют свои «музыкальные» чешуйки издавать звук, напоминающий шипение горячего утюга, если на него плюнуть.

Гремучие змеи пользуются погремушкой. Она представляет собой шесть–восемь колокольчиков из высохшей кожи, венчающих кончик хвоста. Свернувшись в кольца, змея приподнимает хвост и, быстро вибрируя им, начинает «греметь».

Звук погремушки похож на стрекотание узкопленочного кинопроектора.

Но самыми непревзойденными вокалистами и музыкантами являются, конечно, птицы. Они широко пользуются всевозможными музыкальными инструментами. Характерным музыкальным аккомпанементом сопровождается полет многих птиц. По свисту крыльев легко опознать вид уток, а по жужжанию – колибри. Бекасы – очевидно, за счет рулевых перьев хвоста – издают в воздухе свист, жужжание или блеющий звук. У стрепетов музыкально одаренным является четвертое маховое перо крыла. Многие птицы просто хлопают крыльями – такие сигналы используют козодои, совы, голуби, жаворонки. Голуби и козодои хлопают крыльями над спиной, остальные под животом. Щелканьем клюва выражают свои эмоции совы, кулики и другие птицы. Аисты на этом инструменте исполняют целые любовные серенады.

Некоторым безголосым птицам приходится брать музыкальные инструменты напрокат. Стук клювом о твердую землю является призывным сигналом для цыплят. Синицы и поползни в качестве барабана используют отставшую сухую кору, дятлы – сухой ствол дерева. Барабанная дробь – это песнь о любви. Близкие виды дятлов барабанят с различной частотой. Самочки безошибочно узнают серенады «своих» кавалеров и не отзовутся на призыв чужака.

Животные пользуются множеством способов генерации звуков. Главным «музыкальным инструментом» является голосовой аппарат. Тенденция к его развитию возникла сразу же, как только древние позвоночные животные покинули воду.

Голосовой аппарат появился уже у амфибий и стал прообразом голосовых органов высших позвоночных животных и человека. Голосовые связки – парные складки слизистой оболочки гортани – служат струнами. У млекопитающих они натянуты между щитовидным и черпаловидными хрящами гортани, образуя голосовую щель. Когда голосовые связки напрягаются, проходящий ток воздуха вызывает их колебания, порождая звук.

Сравнительно недавно выяснилось, что весьма голосистыми созданиями являются дельфины. Кроме щелчков, используемых для локации, они производят множество разных звуков и, казалось бы, должны иметь хорошо развитые голосовые связки. Однако еще 150 лет назад анатомы заявили об их отсутствии. Правда, совсем недавно зоологи сумели отыскать их у афалин, опровергнув заключение весьма обстоятельных немецких исследователей прошлого века. Причем оказалось, что голосовые связки достаточно хорошо развиты. Сейчас даже трудно понять, как их до сих пор не замечали. Исследователи эхолокации давно свыклись с мыслью, что звук возникает у китов совсем иначе, и открытие зоологов не смогло поколебать сложившихся представлений.

Работа голосового аппарата млекопитающих тесно связана с дыхательной системой. Между тем устройство дыхательных путей дельфинов совершенно необычно и не имеет аналогии среди наземных существ. Дышать ртом зубатые киты не могут. Ни ротовая полость, ни глотка с легкими не сообщаются. Рот используется только по прямому назначению – для поглощения пищи. Это новшество имеет вполне разумное объяснение. Соединяйся ротовая полость с трахеей, дельфинам под водой в буквальном смысле слова было бы рта не открыть. А так как, кроме челюстей, у них нет иных приспособлений, чтобы хватать добычу, то при иной конструкции пищеварительной системы они погибли бы голодной смертью.

Зубатые китообразные дышат «носом». Слово «нос» взято в кавычки потому, что носовой проход открывается у них на темени, а не на конце рыла (у дельфинов оно называется рострумом); кроме того, у них всего одна, зато весьма солидная ноздря. Дыхательное отверстие расположено в самой верхней точке головы. Многие дельфины только его и выставляют из воды. С таким дыхалом очень удобно, неподвижно зависнув, дремать, чуть-чуть подгребая ластами, чтобы темя все время выступало наружу. Отверстие дыхала снабжено мощным полулунным клапаном – своеобразной мясистой затычкой. Он предохраняет легкие от попадания воды. Широкая ноздря позволяет до предела сократить время, затрачиваемое на вдох и выдох.

Конструкторские новшества дыхательной системы дополняют три пары асимметричных воздушных мешков, соединенных с наружным носовым проходом. У большинства зубатых китов они узкие и дугообразно искривлены. Располагаются мешки ярусами, один над другим. Если дыхательную систему мертвого дельфина залить гипсом и получить слепок, то воздушные мешки больше всего напоминали бы три неправильной формы баранки, нанизанные на стержень наружного носового прохода. Мешки окружены мышечными слоями, часть из них снабжена собственной мускулатурой и сфинктерами в местах соединения с носовым проходом. У отверстия средней пары мешков находятся внутренние пробки. Это дает основание предполагать, что животные, напрягая мускулатуру мешков, могут произвольно изолировать отдельные полости от остальной дыхательной системы, создавать в них необходимое давление и, регулируя величину соединительного отверстия, перекачивать находящийся там воздух из одного мешка в другой. Для чего нужны воздушные мешки дельфинам, пока никто не знает, но большинство ученых думает, что они имеют непосредственное отношение к производству звуков.

Проще всего предположить, что звук возникает при продувании воздуха через наружное отверстие дыхала. Наблюдая за животными, можно заметить, как во время свиста из отверстия дыхала вылетают струйки мелких пузырьков воздуха.

Однако во время щелчков и других звуков воздух не выделяется.

Местом возникновения звуков вполне могут быть голосовые связки. Воздух, продуваемый через них, не обязательно должен выделяться наружу. Он может закачиваться в воздушные мешки, которые к тому же способны выполнять роль резонаторов. Большинство исследователей давно свыклись с мыслью, что эхолокационные щелчки возникают в наружном носовом проходе при перекачивании воздуха из одного мешка в другой через резко суженные отверстия. Действительно, продувая под давлением воздух через носовой проход мертвых дельфинов афалины и стенеллы удалось получить слабые щелчки, напоминающие локационные.

Предложенная выше теория показалась ученым весьма привлекательной. И действительно, дыхательная система дельфинов имеет шесть воздушных мешков и еще больше суженных мест в воздухоносных каналах. Мускулатура каждого мешка и внутренние пробки в состоянии работать независимо друг от друга. Это значит, что животные имеют возможность одновременно издавать несколько звуков. Наблюдения подтверждают, что афалины, гринды к белобочки могут одновременно издавать свисты и щелчки, свисты и скрип, визг, лай и другие звуки. Существует предположение, что каждый локационный щелчок формируется за счет суммарного действия двух (или более) источников звука. Если эти предположения подтвердятся, станут понятны многие загадки звуков, издаваемых дельфинами, загадки, ответы на которые пока не найдены.

Синтез нескольких звуковых сигналов может обеспечить возникновение совершенно необычных звуков. Джонни Вайс-мюллер, исполнитель роли Тарзана в некогда популярном многосерийном приключенческом фильме, рассказал, что знаменитый крик его героя состоял из голоса самого актера, лая собаки, сопрано оперной певицы, звука скрипичной струны и воя гиены.

Дыхательная система усатых китов устроена проще. Пищевой путепровод анатомически не отделен от дыхательного пути. Лишь во время заглатывания пищи вход в трахею временно закрывается с помощью надглоточного хряща. У усатых китов нет надчерепных воздушных мешков, зато имеется гортанный. Вероятно, звуки возникают в гортани, а воздушный мешок служит резонатором.

А во лбу звезда горит

Любому животному выгодно видеть как можно дальше и иметь как можно более широкий обзор, чтобы не упустить добычу, не просмотреть опасность. Дельфинам приходится «освещать» себе дорогу акустическим лучом. Чтобы выяснить, что он собой представляет, пришлось провести много серий все усложнявшихся опытов. Главным препятствием для подобных исследований является большая подвижность дельфинов. Ученые мечтали заставить животное стоять неподвижно в определенном месте бассейна и по команде лоцировать опущенный в воду предмет. Тогда, расставив вокруг лоцируемого предмета гидрофоны, экспериментаторы могли бы изучить параметры звука в разных точках пространства, и вопрос был бы решен.

К сожалению, этого еще никому не удалось осуществить.

Не так-то просто договориться с дельфином, чтобы он и в воде застыл неподвижно, и локационные посылки излучал по команде. Кроме того, в те годы, когда начиналось изучение эхолокации у китообразных, в физиологических лабораториях не было приборов, позволяющих записать одновременно на одной пленке звуки, уловленные несколькими гидрофонами.

Американские исследователи первыми взялись за изучение формы звукового луча дельфинов. В их распоряжении был небольшой мелководный круглый бассейн, вроде чаши городского фонтана, и один гребнезубый дельфин. После длительной тренировки животное удалось научить пересекать бассейн по диаметру, плывя между двумя туго натянутыми тросами.

Дельфины не любят касаться каких-либо предметов. Этим, видимо, объясняется, что животное оказалось послушным и за пределы предназначенного ему коридора не заплывало. Во время экспериментов глаза дельфина закрывали специальными присосками, и гребнезубу поневоле пришлось пользоваться эхолокацией, чтобы ни на что не натыкаться. Да и экспериментаторам животное вряд ли полностью доверяло. Гораздо благоразумнее было постоянно находиться начеку.

Исследование проводилось с поистине ювелирной точностью. У исследователей был один гидрофон. Перед каждым заплывом они устанавливали его на новом месте. Из всей массы записей локационных посылок приходилось отбирать и сравнивать только те, что были произведены животным в одном и том же месте бассейна при абсолютно одном и том же положении головы. Приходилось заставлять дельфина десятки раз проделывать один и тот же путь, каждый раз переставляя гидрофон на новое место, чтобы выяснить, какие районы лежащего впереди пространства «освещаются» звуковым лучом, а какие остаются «в тени». Преодолев все трудности, исследователи убедились, что чем выше частотные характеристики локационной посылки, тем более узким лучом она распространяется.

Полученные результаты не были для ученых большой неожиданностью. Уже было известно, что летучие мыши пользуются при эхолокации таким же узким звуковым, лучом. Зато возникла новая задача – объяснить, как удается дельфинам так узконаправленно посылать свои локационные посылки.

Ответ на этот вопрос можно получить, познакомившись с анатомией дельфинов. Если считать, что используемые для локации звуковые посылки возникают где-то в наружных воздухоносных проходах, то выходит, что звукогенератор сзади отгорожен длинными костями верхней челюсти и перпендикулярно к ним расположенными, поднимающимися круто вверх и несколько вогнутыми внутрь лобными костями черепа, а спереди – особым образованием, названным дыней, но больше известным как жировая подушка. Изобразив эти образования в виде схемы и обозначив на рисунке место возникновения звука и хода звукового луча, получим чертеж прожектора. Действительно, голова дельфина является прожектором, но только акустическим. Кости черепа служат для звукового луча рефлектором, позволяющим посылать его в определенном направлении, а жировая подушка – фокусирующей линзой, собирающей луч в узкий пучок.

В работе акустического прожектора много неясного. Кость – плохой материал для отражения звуковых волн. Самая твердая – слоновая кость – едва ли способна отразить более 35% энергии падающей на нее звуковой волны. Остальная часть или поглощается костями черепа, или проходит сквозь костное вещество. Сравнение акустических свойств костей черепа различных видов китообразных показало, что костный рефлектор речных дельфинов, клюворылых китов и кашалотов выполнен из более качественного материала, чем у их сородичей. Предполагается, что именно у этих животных эхолокация развита лучше, чем у остальных. Речные дельфины обитают в мутной воде или вообще лишены зрения, а клюворылые и кашалоты в поисках пищи ныряют на такие глубины, где царит постоянный мрак. Но даже у этих китообразных коэффициент полезного действия костного отражателя невелик. Почему дельфины мирятся со столь значительными потерями? Не вредно ли для их мозга постоянное облучение ультразвуком? Впрочем, истинную отражательную способность живой кости дельфина никто еще не измерил. Возможно, она значительно выше. Может быть, поэтому звуковые посылки, используемые для локации, назад практически не распространяются.

Дыня, или жировая подушка, с акустической точки зрения кажется достаточно совершенным устройством. Она только частично состоит из жира. Им наполнены главным образом клетки, расположенные в нейтральной части подушки. В распределении различных видов жиров и их компонентов, обладающих различными преломляющими способностями, прослеживается определенная закономерность. В периферических частях подушки больше включений нежировых клеток и других тканей, так что в конечном итоге трудно обозначить ее границы. Нет никаких оболочек, резких границ между различными средами, от которых могли бы отражаться звуковые волны. Они без потерь проходят через линзу и одновременно преломляются в соответствии со свойствами данного участка.

Преломляющие свойства жировой подушки объясняются изменением скорости прохождения звуковых волн через жировое вещество различных ее участков; благодаря этому чечевицеобразная линза, видимо, способна преобразовать сферический фронт звуковой волны в плоский или даже в вогнутый.

В результате вместо того, чтобы распространяться во все стороны, звук идет узким лучом и вследствие фокусировки усиливается. Ученые предполагают, что дельфины способны изменять форму линзы и фокусировать звуковой луч, подстраиваясь к разной температуре, солености и глубине. Возможно, линза может смещаться в пространстве. Это позволило бы дельфинам менять направление звукового луча.

Бесспорные доказательства существования звукового прожектора накапливались понемногу. Удивительные результаты дали опыты на свежем трупе. Так как мертвое животное по вполне понятным причинам никаких звуков издавать не может, пришлось поместить позади жировой подушки миниатюрный звукоизлучатель, чтобы изучить характер распространения проходящих сквозь нее звуков. Результаты этих странных экспериментов не совпадали между собой. Одни исследователи обнаружили отчетливую фокусировку звуков, особенно высокочастотных: звуковая волна с частотой колебаний 186 кГц распространялась узким лучом шириной всего в 17°.

Другие исследователи обнаружить фокусировку звукового луча не смогли. Впрочем, это совершенно не порочит самой идеи. Мало ли как изменяются свойства жировой подушки после смерти животного.

Вопрос о том, как обшаривают дельфины своим лучом окружающее пространство, несколько прояснился, когда у биоакустиков появились многоканальные магнитофоны. Они давали возможность записывать локационные посылки одновременно из двух, трех или даже десяти точек, а одномоментная киносъемка животного в двух плоскостях двумя кинокамерами – одна над бассейном, вторая в воде – позволяла с точностью до градуса знать, где находился дельфин и куда было направлено рыло животного. На снимках, сделанных верхней камерой, видно, в сторону какого гидрофона повернулся дельфин, а снимки нижней камеры позволяют судить, находился ли он в горизонтальном положении, не опустил ли или не задрал ли нос кверху. На записях локационных посылок отмечаются номера кинокадров, что дает возможность установить, при каком положении головы была издана данная локационная посылка.

С помощью таких устройств в разных лабораториях мира удалось убедиться, что прожектор дельфина действительно посылает вперед узкий и сильный звуковой луч. Он «освещает» дельфину дорогу, позволяя увидеть любой предмет еще загодя, издалека. Мутная вода для него не страшна. Когда внезапно налетает шквал и море вблизи берегов взмучивается от поднятого со дна ила, звуковой луч помогает избегать опасности. Он выручает дельфина в кромешную темень осенней ненастной ночи. Представьте себе, как идет большое дельфинье стадо по ночному морю, обшаривая его десятками прожекторов. Звуковые лучи то меркнут, то вспыхивают с новой силой, устремляются вперед в бесконечную даль или вдруг все вместе скрещиваются на заинтересовавшем животных предмете. Так ловят лучами прожекторов противовоздушной обороны вражеский самолет.