Эхолокация

Содержание
  1. Как работает эхолокация?
  2. Какие животные используют эхолокацию

Эхолокация – это физиологический процесс, который используется некоторыми животными для обнаружения объектов в местах с плохой видимостью. Животные излучают высокие звуковые волны, которые отражаются от объектов, возвращая «эхо» и предоставляя им информацию о размере объекта и расстоянии. Таким образом, они могут понимать, что их окружает и перемещаться по окружающей среде, даже когда не видят.

Навык в основном предназначен для животных, ведущих ночной образ жизни, глубоко роющих норы или живущих в глубинах океанов. Поскольку они живут или охотятся в районах с минимальным освещением или полной темнотой, они стали меньше полагаться на зрение, вместо этого они используют звук для создания мысленного образа своего окружения. Мозг животных, который эволюционировал, чтобы понимать эти эхо, улавливает определенные звуковые характеристики, такие как высота звука, громкость и направление, чтобы ориентироваться в окружающей среде или находить добычу.

Следуя аналогичной концепции, некоторые слепые люди смогли приучить себя использовать эхолокацию, щелкая языком.

Как работает эхолокация?

Чтобы использовать эхолокацию, животное сначала должно создать какой-то звуковой импульс. Обычно звуки состоят из высоких или ультразвуковых писков или щелчков. Затем они прислушиваются к эхо излучаемых звуковых волн, отражающихся от объектов в их среде.

Летучие мыши и другие животные, использующие эхолокацию, специально настроены на свойства этого эха. Если звук возвращается быстро, животное знает, что объект находится ближе; если звук более сильный, оно знает, что объект больше. Даже высота эха помогает животному составлять карту своего окружения. Объект, движущийся по направлению к нему, создает более высокий тон, а объекты, движущиеся в противоположном направлении, приводят к более низкому возвращающемуся эхо.

Исследования сигналов эхолокации обнаружили генетическое сходство между видами, которые используют эхолокацию. В частности, косатки и летучие мыши, имеют общие специфические изменения в наборе из 18 генов, связанных с развитием ганглиев улитки (группа нейронных клеток, ответственных за передачу информации от уха в мозг).

Эхолокация теперь предназначена не только для природы. Современные технологии позаимствовали концепцию таких систем, как гидролокатор, используемый для навигации подводных лодок, и ультразвук, используемый в медицине для отображения изображений тела.

Какие животные используют эхолокацию

Летучие мыши

Согласно оценке ископаемых останков, летучие мыши пользуются эхолокацией уже по меньшей мере 52 миллиона лет — дольше, чем существует человечество. Сегодня сотни подвидов этой группы млекопитающих способны применять эхолокацию: она помогает им охотиться на москитов, моль и прочую добычу. Некоторые виды летучих мышей обладают настолько чутким слухом, что от них не могут спрятаться даже неподвижные насекомые. Отдельные виды насекомых развили соответствующие защитные механизмы против сонара мышей: например, лунные мотыльки отращивают длинные хвосты, выполняющие роль рефлективных приманок.

Полёт между проводами

Точность эхолокационного аппарата удивительная. Летучие мыши „замечают» провода толщиной 0,28 мм, находясь от них на расстоянии более метра. Если провода толще 3 мм, они „видят» их уже примерно за 2-3 метра. Система эхолокации южного подковоноса ещё лучше. Зверь в полёте может избежать столкновения с проводами толщиной 0,05 мм. Остроухая ночница обнаруживает проволоку диаметром 2 мм на расстоянии 1,1 м.

Чёткость „изображения»

В результате многочисленных опытов было доказано, что североамериканские большие летучие мыши могут отличить предметы, находящиеся на расстоянии примерно 10-12 мм друг от друга, также отличить треугольник с длиной сторон 10, 10 и 5 миллиметров от треугольника с размером сторон 9, 9 и 4,5 миллиметров.

Излучение сигнала: летучая мышь через определённые промежутки издаёт ультразвуковые сигналы. Животное довольно точно определяет время между сигналом и отражённым от предмета эхом.

Приём сигнала: эхо сигнала летучая мышь улавливает ушами, а в мозгу на основании полученных звуков строится картина — точное представление о форме и величине предмета.

Образование звуков

Только в 1938 году учёные обнаружили, что летучие мыши издают очень много звуков, которые находятся выше порога слышимости человека. Частота ультразвука лежит в пределах 30-70 тысяч Гц. Летучие мыши издают звуки в виде дискретных импульсов, длительность каждого из которых составляет от 0,01 до 0,02 сек. Прежде чем издать звук, летучая мышь сжимает воздух в голосовом аппарате между двумя мембранами, которые под воздействием воздуха начинают колебаться. Мембраны натягиваются различными мышцами и позволяют летучей мыши образовывать различные звуки. Прежде чем звук выйдет через рот или нос, проходя через несколько камер, он усиливается и видоизменяется. У всех летучих мышей, которые посылают сигналы через нос, на носу расположены сложные наросты.

Строение ушей

Уши у летучих мышей исключительно чувствительны. Это необходимо для того, чтобы лучше воспринять сигналы, которые отражаются от предметов. Уши летучих мышей — это настоящие радары, которые улавливают и распознают звуки высокой частоты. Летучие мыши могут шевелить ушами, поворачивая их так, чтобы наилучшим образом воспринимать звуковые сигналы, которые идут с разных сторон. Звуковые волны, уловленные ушами, попадают в мозг, где они анализируются и составляются таким же способом, как в человеческом мозгу складывается трёхмерное изображение из информации, которую передают органы зрения, наблюдая за предметом. С помощью таких „звуковых» картинок летучие мыши абсолютно точно определяют место нахождения добычи.

ВИДЕНИЕ „ЗВУКОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ»

Летучие мыши получают картину окружающего их мира с помощью анализа отражений звуковых волн, подобно, тому как её получает и человек, неосознанно анализируя зрительные образы. Однако видение человеком предметов зависит от внешних источников света, а летучие мыши выстраивают картины благодаря звукам, которые они сами отсылают. Сигналы разных видов летучих мышей сильно различаются по своей интенсивности. Чтобы ориентироваться в темноте, они высылают серии коротких звуков высокой частоты, которые распространяются подобно свету фонарика. Когда такой сигнал встречает на своём пути какой-либо предмет, его отражение возвращается обратно и улавливается летучей мышью. Такой способ ориентации имеет много преимуществ.

Во-первых, звуки коротких волн легко различать, поэтому они годятся для поиска летающих насекомых, которыми питаются большинство летучих мышей. Низкие звуки длинных волн не отражаются от мелких объектов и обратно не возвращаются. Звуки высокой частоты очень легко отличить от звуков окружающего мира, частота которых значительно ниже. Кроме того, летучие мыши „видят», но сами остаются „невидимыми», поскольку звуки, которые они издают, неслышны для других животных (то есть, насекомые не могут заметить летучих мышей и избежать их).

Киты

Дельфины, косатки и другие представители группы зубатых китов развили эхолокацию ровно для тех же целей, что и летучие мыши: для охоты и навигации во тьме. Однако эти водные млекопитающие издают ультразвуковые волны совсем другим способам. Внутри китовых голов, зачастую недалеко от дыхала, находятся специальные лоскуты плоти. Когда животные продавливают воздух вдоль этих лоскутов, отростки вибрируют, создавая щелчки. Изгибы черепа дельфинов передают эти звуки в жиросодержащий орган в передней части головы под названием мелон. Он, в свою очередь, передает эти вибрации в морскую воду.

Эхо отскакивает от добычи и других объектов, однако киты не полагаются на внешние слуховые органы для восприятия сигналов, т.к. их ушные каналы прочно закупорены серой. Вибрации проходят через челюстные кости, где расположены тонкие впадины, заполненные жиром — они расположены как раз недалеко от внутреннего уха животных.

Землеройки

Землеройки имеют плохое зрение, но чувствительные усы — на научном языке они называются вибриссами. Для изучения своих лесистых и травянистых ареалов обитания они используют грубую форму эхолокации, которая подсказывает, есть ли перед землеройкой какое-либо препятствие. Их звуки похожи на птичьи и вполне слышны человеческим слухом. Правда, ученые до сих пор не могут сказать, какой точностью обладает эхолокация землероек.

Самые талантливые эхолокаторы

Кроме перечисленных животных, есть и другие, способные заниматься эхолокацией. Это некоторые виды птиц и тюленей, но самые изощренные эхолокаторы – это рыбы и миноги. Раньше учёные считали летучих мышей самыми способными, но в последние десятилетия выяснилось, что это не так. Воздушная среда не располагает к эхолокации – в отличие от водной, в которой звук расходится в пять раз быстрее. Эхолокатором рыб является орган боковой линии, который воспринимает вибрации окружающей среды. Используется как для навигации, так и для охоты. У некоторых видов есть ещё и электрорецепторы, которые улавливают электрические колебания. Что такое эхолокация для рыб? Часто это синоним выживания. Она объясняет, как ослепшие рыбы могли доживать до почтенного возраста – им и не нужно было зрение.

Эхолокация у животных помогла объяснить схожие способности у слабовидящих и незрячих людей. Они ориентируются в пространстве с помощью издаваемых ними щелкающих звуков. Ученые говорят, что такие короткие звуки издают волны, которые можно сравнить со светом карманного фонарика. На данный момент слишком мало данных для разработки этого направления, поскольку способные эхолокаторы среди людей – большая редкость.

Источники