Эхолокация в природе

Акустическая локация распространена у некоторых видов млекопитающих и птиц. Наряду с пассивной локацией у них с помощью отраженных звуковых волн, развились механизмы активной локации, так называемая активная локация, или эхолокация (термин введен Griffin в 1944 г.). При эхолокации используются ультразвуки (звуковые колебания частотой от 20 кГц до 1 ГГц, обладающие рядом благоприятных особенностей). Ультразвуки широко распространены в природе. Например, ультразвуковой фон лесов, морей и других ландшафтов имеет уровень порядка 55 дБ; самцы некоторых прямокрылых (цикада, сверчки) излучают ультразвуки интенсивностью 90 дБ (при измерении на расстоянии 30 см).

Преимущество ультразвука состоит в короткой длине волны. Благодаря этому ультразвуки хорошо отражаются от предметов и образуется эхо. Другая особенность ультразвука состоит в том, что он может излучаться почти параллельным пучком. Это дает возможность концентрировать энергию в нужном направлении. Интенсивность ультразвука возрастает при повышении частоты колебаний пропорционально квадрату амплитуды. Другое важное свойство ультразвука заключается в его быстром затухании из-за больших потерь в окружающей среде.

Открытие эхолокации у летучих мышей связывают с именем итальянского исследователя Л. Спалланцани, который в 1793 г. сделал важное наблюдение: летучие мыши свободно летают в темной комнате, даже если их лишали зрения. В 1794 г. швейцарский ученый Р. Джурин сделал еще одно открытие: если ушные ходы животных залепить воском или другим материалом, то животные утрачивали способность ориентироваться в темноте. К сожалению, результаты этих исследований оказались забытыми из-за непререкаемого авторитета знаменитого Ж. Кювье, который полагал, что летучие мыши ориентируются благодаря осязанию (по этой гипотезе рецепторы располагались в перепонках крыльев). «Осязательная» теория Кювье просуществовала столетие, и только в начале XX в. вновь вернулись к гипотезе слуховой локации. Однако поставить эту проблему на научную основу удалось лишь в 1937 г., когда в одной из лабораторий Гарвардского университета был создан звуковой детектор для улавливания ультразвуков. Однажды студент-биолог Дональд Гриффин поднес к этому прибору клетку с летучими мышами и обнаружил, что они излучают ультразвуки, но это еще не доказывало, что они их слышат. В 1941 г. Роберт Галамбос записал у летучих мышей микрофонный потенциал и впервые показал, что летучие мыши воспринимают диапазон колебаний 30—100 кГц, с максимумом ответов в диапазоне 30—50 кГц.

Вначале считали, что эхолокация присуща только летучим мышам. Однако вскоре это явление открыли и у других животных. Так, звуковая локация была открыта в 1953 г. у ночных птиц гуахаро, которые гнездятся в глубоких пещерах Венесуэлы. В 1959 г. эхолокация описана у стрижей-саланганов и рукокрылых из подотряда крыланов. Сенсацию в научном мире вызвало открытие в 1956 г. эхолокации у китообразных.

Голосовой аппарат летучих мышей и его управление. Для голосового аппарата рукокрылых характерны относительно большие размеры гортани, частичное слияние и окостенение отдельных его элементов и мощное развитие мускулатуры. Благодаря этому голосовой аппарат представляет собой единое целое. На фронтальном разрезе гортань напоминает форму песочных часов: в среднем отделе сужена, а кверху и книзу расширена. Средний отдел гортани устроен наиболее сложно. Он отграничен сверху и снизу двумя парами складок, идущих по боковым стенкам гортани. Верхняя складка называется предверной, или ложной голосовой складкой (plica ventricularis), и представляет собой вырост слизистой. В толще ее, ближе к внутреннему краю, лежит ложная голосовая связка. Нижняя складка — истинная голосовая (plica vocalis) — выступает сильнее верхней. Щель между голосовыми складками — голосовая щель (rima glottadis) — самая узкая часть гортани. Ближе к свободному краю голосовой складки лежит голосовая связка, более латерально — голосовая мышца (m. vocalis). У одних видов летучих мышей хорошо развиты и истинные голосовые связки, и ложные, тогда как у других ложные голосовые связки отсутствуют. Иннервация гортани обеспечивается подразделениями блуждающего нерва. Благодаря этим особенностям гортань летучих мышей хорошо приспособлена для производства звуков в ультразвуковом диапазоне.

Голосовой аппарат летучих мышей требует весьма совершенного управления. Общий план строения их слуховой системы такой же, как и у других млекопитающих, но у летучих мышей сравнительно сильно развиты нижние двухолмия. Физиологические эксперименты показали, что заднее двухолмие летучих мышей может полностью регулировать рефлекторную деятельность гортани.

В литературе обсуждаются три гипотезы механизма излучения ультразвука. Одна из них считает, что ультразвук возникает в результате вибрации голосовых связок (по типу вибрации струны). Натяжение голосовых связок производится перстневидно-щитовидной мышцей. По другой гипотезе, вибрирующими элементами гортани являются не голосовые связки, а черепало-надгортанные складки, натяжение которых определяет образование надгортанной щели. Наконец, третья гипотеза считает, что образование ультразвука происходит по «свистковому» типу: воздушная струя, проходя через узкую щель, образует вихри. Наибольшее признание получила первая гипотеза, вместе с тем надо иметь в виду, что окончательное формирование локационного сигнала происходит в резонаторных полостях, через которые проходит звук перед его выходом наружу. Например, у гладконосых летучих мышей резонатором служит ротовая полость, а у подковоносов — носовая полость. Общим для всех летучих мышей является то, что локационные сигналы излучаются только в момент выдоха и на одном выдохе может излучаться целая серия сигналов. Частота дыхания тесно связана с частотой взмахов крыльев.