Живые локаторы океана

Сергеев Борис Федорович

Верхом на волне

Проводя рекогносцировку окружающего пространства, дельфины трудятся в поте лица. Им приходится следить за судьбой каждой локационной посылки, а это задача не из легких. Локационный импульс, отразившись от подводного объекта, так изменяется, что самому творцу импульса немудрено и ошибиться, не признав это эхо своим. Между тем именно изменения локационных посылок и рассказывают дельфину обо всем, что творится в мире.

Ученых, изучающих эхолокацию животных, давно интересует вопрос, какую информацию несут на своих спинах звуковые волны, какую часть этой информации и с какой степенью точности может уловить дельфин. К числу основных параметров звуковых волн относится их частота колебаний, амплитуда и фаза. Чтобы составить представление о частоте

колебаний, необходимо уметь оценивать время. Его измерение давно интересовало человечество. Вероятно, жрецы с незапамятных времен умели достаточно точно оценивать время. Первый специальный прибор для отсчета времени – солнечные часы – был изобретен в Египте, видимо, еще в 15 веке до нашей эры.

Для разовых измерений человек придумал песочные и водяные часы. Лишь двадцать с лишним веков спустя появились часы с зубчатыми колесами, приводимые в движение грузом.

Современный тип часов был создан благодаря открытию Галилеем изохронного эффекта маятника. Но сам Галилей вполне удовлетворялся водяными часами, которые так отрегулировал, что ему могли бы позавидовать владельцы современных хронометров. С развитием мореплавания нужда в точных часах сильно возросла. Определить долготу местности можно было только при наличии хронометра. Впервые достаточно надежный инструмент был сконструирован в Англии сравнительно недавно – в 1751 году. С тех пор часы, хронометры, секундомеры продолжали совершенствоваться и в настоящее время достигли удивительной точности.

У высших животных чувство времени развито очень хорошо. Китообразные не являются исключением. Имея где-то в «жилетном кармане» достаточно точный хронометр и обладая способностью проследить судьбу своих локационных посылок, дельфинов не может не «интересовать», сколько времени путешествуют они, прежде чем вернутся эхом обратно. Зная скорость распространения звука в воде нетрудно узнать расстояние до объекта, на который натолкнулась локационная посылка.

Чтобы выяснить, с какой точностью работает секундомер дельфина, ученые придумали десятки специальных приемов.

Чаще всего использовались косвенные методы. Один из них состоял в следующем. В бассейн к дельфину опустили две пластинки, расположив их параллельно друг другу. Из любопытства или по природной осторожности животное начинало их изучать, облучая потоком локационных импульсов. Каждый из них, наткнувшись на переднюю пластинку, частично от нее отражался, частично, пройдя насквозь и напоровшись на вторую, отражался и от нее. Таким образом, каждая локационная посылка возвращалась к дельфину в виде двойного эха. Чем больше было расстояние между пластинками, тем продолжительнее оказывался интервал между отраженными импульсами. Выработав условный рефлекс и понемножку меняя расстояние между пластинками, можно выяснить, с какой точностью животные оценивают величину интервалов. При расстоянии между пластинками, равном 10 см, после частичного отражения звука от первой пластинки вторая его часть, проникшая за пластину, должна покрыть еще 10 см. Только теперь возникает второе эхо. Однако, пока звук преодолевал расстояние между пластинками, первое эхо успеет убежать на те же 10 см.

Таким образом, при расстоянии между пластинками в 10 см расстояние между отраженными посылками будет равняться 20 см. Начнем сближать пластины. Допустим, что дельфин способен «заметить» разницу, если расстояние уменьшить на 1 см (т. е. сделать равным 9 см). В этом случае второе эхо будет отставать от первого на 18 см, т. е. станет на 2 см ближе.

В морской воде 2 см звук преодолевает приблизительно за 13 миллионных долей секунды. Основываясь на результатах подобных опытов, исследователь может сделать заключение, что животные пользуются секундомером, позволяющим измерять время с точностью до 0, 000 013 с. Эксперименты не требовали специальной аппаратуры. Не было нужды в обычном секундомере. Простота методики оказалась столь соблазнительной, что подобные исследования в различных вариантах были осуществлены во многих лабораториях мира. Я специально не останавливаюсь на результатах, так как сами авторы позже отказались от сделанных на их основе выводов. Дело в том, что локационная посылка, наткнувшись на пластины, не только отражается от них, но вызывает их собственные колебания. При изменении расстояния между пластинками характер колебаний существенно меняется. Дельфины, несомненно, замечают изменение расстояния между пластинами, но как они это делают, неясно. С одинаковой долей вероятности можно ожидать, что анализ осуществляется и путем оценки времени между приходом первого и второго эха, и благодаря изменению характера собственных колебаний лоцируемых пластин.

Другой способ определить точность работы секундомера дельфина – заставить его оценить величину интервала между двумя звуковыми сигналами. Осуществить подобный эксперимент достаточно сложно, так как при изменении интервала между звуковыми посылками очень трудно добиться, чтобы их параметры существенно не изменились. В ходе эксперимента было обнаружено удивительное явление. Оказалось, что дельфинам гораздо легче оценивать величину самых маленьких временных отрезков, порядка 0, 000 1 с – например отличить интервал длительностью 0, 000 05 с от интервала продолжительностью 0, 000 055 с. Гораздо хуже дается анализ более длинных интервалов, порядка 0, 000 3 с, а точность анализа отрезков времени длительностью более 0, 000 5 с весьма невелика. Проанализировав экспериментальный материал, ученые пришли к выводу, что часы у дельфина работают с точностью до 1–2 миллионных долей секунды.

Другой эксперимент показал, что дельфины способны реагировать на звуковые посылки только в том случае, если интервалы между ними больше 0, 000 5 с. Сведения об этом получены непосредственно «из первых рук» – из слуховых центров мозга дельфина. Если интервалы между короткими акустическими раздражителями были слишком малы, на второй сигнал электрические биопотенциалы мозга не возникали. Следовательно, дельфины его не замечали. Только когда интервал достиг 0, 000 5 с, второй раздражитель начал вызывать слабые электрические реакции.

Важнейшая характеристика звука – его частота. Очень важно установить, как тонко различают животные близкие звуки. И здесь дельфины удивили ученых. Афалины высокочастотные звуки различают с большей точностью, чем низкочастотные. Они замечали разницу между звуками, если их частота отличалась всего на 0,3–0,4%. Звуки ниже 5 кГц различались хуже. Еще более изощрен слух азовок. Некоторые ученые считают, что они способны заметить изменение частоты звуков всего на 0,02–0,2%.

Различить звуки, имеющие достаточно большую длительность, проще, чем короткие. Последние имеют сложную спектральную структуру, зависящую от частоты следования отдельных звуковых посылок. Дельфины отлично узнают звуки, повторяющиеся часто. Их спектр имеет меньшее число составляющих, и разобраться в нем легче, чем в спектре звуков, возникающих с большими интервалами и имеющих более десяти гармонических составляющих.

Существенной характеристикой звуковых колебаний является их фаза. Теоретические расчеты показали, что анализ фазы акустических сигналов может быть выгоден для животных, так как дает дополнительную информацию и может помочь воспринять сигнал, замаскированный другими звуками. Инженеры-акустики начали использовать фазовый анализ в технических устройствах задолго до того, как биологи задумались над значением фазы звуковой волны. Только недавно стало известно, что человек и многие животные могут различать фазу сигнала. Эта способность связана с тем, что понижение давления, т. е. отрицательная фаза звукового колебания, вызывает состояние невозбудимости волосковых клеток внутреннего уха.

Напротив, положительная фаза звуковой волны, отражающая момент повышения давления, вызывает их возбуждение.

Умеют ли дельфины распознавать начальную фазу сигнала, необходима ли им эта способность для успешной локации, пока неизвестно. При изучении этого вопроса экспериментаторы столкнулись с серьезными трудностями. Изменение фазы сигнала сопровождается существенным изменением его спектра. Это осложняет исследования. Все же попытки провести эксперимент, хотя и неудачные, уже предприняты. Если способности дельфина и здесь окажутся на высоте, изучение эхолокации китообразных может дать толчок к созданию радарных устройств принципиально нового типа. Жаль, что такие дружелюбные по отношению к человеку существа так неохотно посвящают нас в свои тайны.