ЗНАЧЕНИЕ ЭХОЛОКАЦИИ В ЖИЗНИ ДЕЛЬФИНА
Некоторые животные (китообразные и большинство летучих мышей) обладают удивительной для человека способностью – “видеть” в полной темноте объекты, направляя на них высокочастотные звуковые волны и “слушая” эхо. Эта способность называется эхолокацией. Для них эхолокация – важнейший способ ориентации в пространстве и главный путь получения информации об окружающем мире. В природе дельфины очень часто используют свой эхолокационный аппарат. Эхо дает им точные сведения не только о положении предметов, но и об их величине, форме, материале. В режиме эхолокации дельфины используют короткие широкополосные импульсы, намного отличающиеся по длительности от сигналов наземных лоцирующих животных. В качестве локационных щелчков дельфин использует импульсы длительностью 7-100 мкс. Эти импульсы проходят через лобный выступ головы дельфина – так называемый “мелон”. Он состоит из соединительной ткани и жира. Мелон работает как акустическая линза для фокусировки звука, такое значение эхолокации в жизни дельфина. Звуковые волны распространяются в воде со скоростью около 1,5 км/с (в 4,5 раза быстрее, чем в воздухе). Они отражаются от объекта и возвращаются в форме эха к животному.
ЗНАЧЕНИЕ ЭХОЛОКАЦИИ В ЖИЗНИ ДЕЛЬФИНА:
Время между произведенным
щелчком-сигналом и возвратом его эха указывает животным расстояние до любого
объекта на их пути. Эхолокация наиболее эффективна в диапазоне от 5 до 200 м
для объектов размером от 5 до 15 см в диаметре. Животное может определить
размер и форму объекта. Это помогает дельфинам распознать предпочитаемые ими
виды добычи. Однако исследования показали, что лишенный зрения дельфин тратит
больше времени на эхолокацию.
Для переработки поступаюших эхосигналов требуется высокоразвитый мозг. Не
случайно отделы мозга дельфина, заведующие слуховыми функциями, в десятки раз
больше, чем у человека. Очень многие детали остаются неизвестными, исследования
продолжаются.
Можно сказать, что дельфины видят окружающий мир преимущественно одним глазом.
Только в узком секторе поля зрения, примерно 12°, вперед и книзу от головы
афалина может видеть двумя глазами, бинокулярно.
Дельфины хорошо видят и под водой, и на воздухе. Сетчатка китообразных имеет
две области наилучшего видения (человеческий глаз имеет только одну). На одной
из них оптика глаза обеспечивает хорошее изображение в воде, на другой –
преимущественно в воздухе.
Необычно устроен и зрачок у дельфина: сужаясь, он образует дугообразную щель,
которая при дальнейшем сужении смыкается посередине, оставляя два небольших
отверстия на концах. Эти два узких отверстия работают как диафрагмы
фотообъектива, увеличивая глубину резкости и, тем самым, подправляя недостатки
преломляющей системы глаза.
Сетчатка дельфина содержит два вида клеток, воспринимающих свет: палочки и
колбочки. Это говорит о том, что дельфины могут видеть и в темноте, и при ярком
свете (палочковидные клетки отвечают за меньший уровень освещенности, чем
колбочки). Глаза у дельфинов имеют хорошо выраженный слой клеток, который
отражает свет через сетчатку второй раз. Это улучшает зрение при слабом
освещении.
ТАКТИЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Анатомические исследования и поведенческие наблюдения показывают, что бутылконосые дельфины имеют хорошо выраженную тактильную чувствительность. Кожа дельфина чувствительна в широком диапазоне. Иннервация кожи афалины значительно богаче по сравнению с кожей человека.
О чувстве вкуса у дельфинов известно мало. Особенности мозга и черепных нервов
у дельфинов позволяют предполагать, что они могут иметь некоторый вид вкусовых
ощущений. Однако у дельфинов сильно выражено предпочтение определенных видов
рыбы. Это позволяет не сомневаться в существовании у них вкусовых ощущений.
Было доказано наличие у дельфинов вкусовых луковиц на языке. Наши ученые
экспериментально подтвердили возможность восприятия малых концентраций
некоторых веществ в воде, тем самым доказав существование у зубатых китов
хеморецепции.
ОБОНЯНИЕ
Обонятельные доли мозга и обонятельные нервы отсутствуют у всех зубатых китов, что заставляет предполагать отсутствие у них обоняния.
Адаптация к водной среде
Для жизни в воде и дыхания воздухом предку современного дельфина пришлось
изменить всю дыхательную систему. Дыхательная система зубатых китов полностью
изолирована от пищеварительной системы.
Наружное дыхательное отверстие – непарная ноздря (дыхало) – находится на самой
высокой точке головы. Дыхало закрывается кожно-мышечной складкой.
В отличие от наземных млекопитающих дельфины начинают дыхательный цикл с
выдоха. Они открывают дыхало и начинают выдыхать, когда голова показывается над
поверхностью воды. Сигналом служит смена среды вода – воздух (рефлекторная
регуляция дыхания). Затем животные быстро вдыхают и расслабляют мышцы дыхала,
для того чтобы снова закрыть его. Мышцы дыхала расслаблены в закрытом
положении. Выдох и вдох вместе длятся менее 1 с. Возможность быстрой смены
воздуха в легких – это тоже адаптация дельфинов к жизни в водной среде. Средняя
частота дыхания составляет 2-3 дыхательных акта (выдох-вдох) в минуту. Когда
дельфин выдыхает, морская вода вокруг дыхала удаляется потоком воздуха. Но даже
если вода и попадет в дыхательные пути, она неизбежно выбрасывается наружу в
виде фонтанчиков, состоящих из брызг воды и конденсированного пара.
Верхние дыхательные пути у зубатых китов имеют два барьера, изолирующих
воздухоносные пути от внешней среды. Первый – клапан в виде кожно-мышечных
склaдoк – располагается в области надчерепного дыхательного хода, в который
открывается дыхало. Выступы одной складки клапана заходят во впадины другой.
Второй барьер – носоглоточный сфинктер – расположен в области входа в гортань.
Трахеи и бронхи короткие. Это ускоряет акт дыхания. Число альвеол относительно
больше, а размеры их намного крупнее, чем у наземных млекопитающих.
Во время дыхательного акта дельфин обменивает около 80 % воздуха в легких. Это
значительно более эффективно по сравнению с людьми, которые обменивают только
17 % воздуха в легких во время каждого вдоха.
Дельфины охотятся и в толще воды, и в придонной области. В зависимости от мест
обитания дельфины регулярно ныряют на глубину от 3 до 45 м. Но они в состоянии
нырнуть и на гораздо большую глубину. В экспериментальных условиях дельфин
достигал 547-метровой глубины. Согласно наблюдениям, афалины могут оставаться
под водой 6-7 мин. Многовековой эволюцией физиология дельфина приспособлена к
нырянию. На глубине животные не могут пополнить запас кислорода. Для создания
этого запаса у дельфинов есть целый ряд приспособлений:
Значительный объем легких. Масса легких у афалин по отношению к массе тела
составляет 2,2-2,9 % (у человека – 0,7 %). Коэффициент использования кислорода
в легких в 2,5 раза выше, чем у человека.
Большой объем крови. Высокая концентрация гемоглобина* в крови (по данным
S.Ridgway, кислородная емкость крови на 1/4 – 1/3 выше, чем у человека).
Концентрация миоглобина** в тканях в 4-9 раз выше, чем у наземных животных. При
дыхании гемоглобин в крови и миоглобин в тканях насыщаются кислородом. Во время
ныряния дельфинов запасенный ими кислород расходуется очень экономно. У
животного, находящегося под водой, замедляется сердечный ритм, уменьшается
приток крови к тканям, устойчивым к низкому содержанию кислорода, и
увеличивается кровоснабжение сердца, легких и головного мозга, где кислород
жизненно необходим. Снижается интенсивность метаболизма.
Большой объем жировой ткани, которая имеет свойство растворять больше
кислорода, чем тканевые жидкости.
Природой также предусмотрены приспособления для защиты от баротравм. У
дельфинов подвижная грудная клетка, способная сжиматься под давлением воды,
очень упругие легкие, ткань легких приспособлена к быстрому сжатию и
расширению.
* гемоглобин – белок крови, присоединяющий и транспортирующий кислород и
углекислый газ.
**миоглобин – кислородсвязывающий белок тканей, запасающий кислород и
помогающий предотвратить дефицит кислорода в мышцах.
ПЛАВАНИЕ
Дельфины – одни из самых быстрых обитателей океана. И это понятно – они должны превосходить в скорости рыб, которыми питаются. Обычная скорость плавания дельфина – около 5-11 км/ч. Однако в погоне за добычей они развивают намного большую скорость. Эргометрические исследования показали, что максимальная (бросковая) скорость у афалин – от 29 до 35 км/ч. Но скоростное плавание длится считанные секунды.
ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ
Вода обладает почти в 25 раз большей теплопроводностью, чем воздух. Высокая
теплопроводность воды способствовала формированию в ходе эволюции многих
признаков, обеспечивающих эффективную регуляцию тепла. Под кожей у дельфинов
находится толстый слой жира. Этот слой служит изолятором и энергетическим
резервом. Жир составляет обычно 18-20 % массы тела. Определенное значение в
консервации внутреннего тепла имеют особенности дыхания китообразных. Редкое
дыхание на поверхности, задержка дыхания при нырянии снижают отдачу тепла с
выдыхаемым воздухом.
Веретенообразная форма тела и небольшой размер конечностей уменьшают площадь
поверхности, контактирующей с внешней средой. У животных, живущих в глубоких,
холодных водах, обычно крупнее тела и меньше конечности, чем у дельфинов,
живущих в прибрежных, теплых водах.
Внутренняя температура тела дельфина – около 36-37 С. Кровеносная система
дельфина приспособлена для того, чтобы сохранять или рассеивать тепло тела,
регулируя его температуру.
У афалины основными органами терморегуляции служат спинной, грудные и хвостовые
плавники. Они обильно снабжены кровеносными сосудами. Артерии в ластах, хвосте
и спинном плавнике окружены венами, образуя комплексные сосуды. Комплексный
сосуд состоит из толстостенной мышечной артерии и венозной оплетки –
тонкостенных вен, которые окружают артерию. Эту сосудистую сеть называют
противоточной системой теплообмена. Благодаря ей большая часть тепла,
приносимая к плавникам артериями, отдается не в окружающую среду, а в венозную
кровь, с которой оно уносится, к внутренним органам. Такая система обеспечивает
минимальную теплоизлучающую поверхность и способствует консервации тепла. В тех
случаях, когда животное перегревается, охлаждение достигается усилением
кровотока через поверхностно расположенные вены. Когда необходимо сохранить
тепло, артериальный поток крови в плавники сокращается.
У афалин скорость метаболизма выше, чем у наземных млекопитающих такого же
размера. Это ведет к генерации большего количества тепла.
При изучении сна у афалин исследователи обнаружили, что эти дельфины проводят во сне приблизительно ЗЗ % времени суток. В отличие от наземных млекопитающих, сон афалин и других дельфинов не сопровождается полной неподвижностью, дельфины могут спать во время спокойного плавания. Отечественные исследования показали, что глубокий медленноволновой сон может наблюдаться в данный момент времени только в одном из полушарий головного мозга, поочередно то в правом, то в левом. Подобного, однополушарного сна нет ни у одного наземного млекопитающего.
Современные китообразные составляют два подотряда: усатые (Mystacoceti) и зубатые (Odontoceti) киты. Возможность использования эхолокации для обнаружения предметов в воде была показана впервые у дельфинов в 1958 г. Оценку порога сонарной системы дельфина производили в бассейне с натянутыми проволоками. Если у животных выключить зрение (на глаза надевали резиновые присоски), то они, ориентируясь только сонарной системой, в 100 % случаев избегали проволок диаметром 2,8-4 мм и в 90 % - проволок диаметром 0,5-2,8 мм и только при диаметре 0,2 мм число правильных проходов составило 46 %. Длительность импульса от 3 до 1,2 мс, частота заполнения 2 кГц, частота повторений до нескольких сот в секунду. Спектральный анализ показал, что частотный анализ излучаемых импульсов простирается до 170 кГц, но основная энергия концентрируется в диапазоне до 30 кГц. Интенсивность излучаемого сигнала сонарной системой составила по этим измерениям 70 дБ (фоновый шум в бассейне 35 дБ).
Весь диапазон звуков, излучаемых дельфинами (зубатые киты), разделяют на три категории: 1) эхолоцирующие сигналы (щелчки) - широкополосные высокочастотные импульсы, используемые для ориентации, поиска пищи и пр.; 2) коммуникационные сигналы, издаваемые дельфинами для общения между собой, в основном представлены свистами; 3) сигналы эмоционального и подражательного характера, которые через гидрофон прослушиваются как мяуканье, карканье и т.д.; биологическое значение этих звуков не исследовано. Для определения расстояния дельфины используют принцип временной задержки: измерение времени между излученным и отраженным импульсами.
Сигналы усатых китов впервые зарегистрированы в начале 1960-х годов. Это были низкочастотные сигналы, порядка 20 Гц, длительностью 1 с, которые через гидрофон прослушивались как крики и стоны. Биологическое значение этих звуков изучено недостаточно. Способ излучения акустических сигналов китообразных существенно отличается от того, как это происходит у наземных млекопитающих. У зубатых и усатых китов по-разному устроены дыхательные системы, но и у тех, и у других дыхательное отверстие открывается на темени. У зубатых китов дыхательная система полностью обособлена, тогда как у усатых китов, так же как у других млекопитающих, дыхательная система в глотке пересекается с пищеварительной системой. У зубатых китов имеется сложная система воздухоносных полостей (мешков), которые примыкают к надчерепным носовым проходам. У усатых китов подобные образования отсутствуют, но у них есть своеобразный гортанный мешок. Излучение звуков происходит по свистковому типу. Считают, что локационные сигналы генерируются при прохождении звуков между стенками наружного носового прохода и внутренними носовыми пробками. Кости черепа, вероятно, отражают звук вперед, а жировая подушка, столь характерная для рострума дельфинов, играет роль линзы, которая сужает или расширяет звуковой пучок путем изменения формы лобного выступа (рис. 14.46). Таким образом, предполагают, что дельфин способен фокусировать звуковой пучок. Например, при нахождении рыбы ниже челюстей дельфина, он ее не обнаруживает, но как только рыба перемещается выше челюстей, она сразу обнаруживается.
Строение органов слуха китообразных.
Наружное ухо
у китообразных редуцировано до узкого прохода (1,5-2 мм), который открывается наружу сзади глаз. Ушные раковины отсутствуют. Почти сразу за наружным слуховым отверстием слуховой проход резко сужается, а в жировом слое полностью зарастает. Пройдя жировой слой, слуховой проход делает S-образный изгиб, и в нем снова появляется просвет, который заканчивается у видоизмененной барабанной перепонки (она имеет форму сложенного зонтика).
Среднее ухо у китообразных массивное по сравнению со средним ухом наземных млекопитающих. Вершина барабанной перепонки соединена под углом с укороченной рукояткой молоточка, который, в свою очередь, связан тонким отростком с барабанной костью. Все три слуховые косточки (молоточек, наковальня, стремечко) плотные, небольшой величины, жестко соединены между собой. Система среднего уха специализирована для передачи звуков широкого частотного диапазона, включая ультразвуки.
Внутреннее ухо имеет черты приспособления к восприятию высокочастотных звуков. У китообразных, особенно у зубатых китов, улитка сильно увеличена по сравнению с вестибулярным аппаратом, особенно сильно развит базальный виток. Базилярная мембрана у основания узкая (ширина около 25 мкм), к вершине расширяется до 350 мкм (примерно в 14 раз). Количество волосковых клеток примерно такое же, как у человека. Строение кортиева органа такое же, как у наземных млекопитающих.
Методом регистрации микрофонного потенциала показано, что наружный слуховой проход не участвует в проведении звука. Предполагают, что волноводом служит нижняя челюсть и через нее звуковая волна достигает структур среднего уха. При плавании дельфины совершают маятниковые движения рострумом; считают, что таким образом дельфин как бы сканирует окружающее пространство.
Китообразные ведут водный образ жизни, поэтому их череп не может выполнять роль изолятора между двумя ушами. В связи с этим у китообразных структуры уха не срастаются с черепом, а подвешены на короткой сухожильной связке. Среднее ухо и внутреннее ухо располагаются в одном костном образовании (os petrotympanicum). В результате этого орган слуха механически достаточно надежно изолирован от костей черепа. Другая особенность заключается в том, что среднее ухо и внутреннее ухо окружены специальным синусом, заполненным воздухом и пеной из белковой эмульсии, что также способствует изоляции структур уха от черепа.
Строение и физиология слуховых центров изучены недостаточно, но необходимо отметить очень сильное развитие подкорковых слуховых центров.
Дельфин обладает недостижимой для созданных человеком приборов эффективностью гидроакустической локацией. Он лоцирует дробинку, упавшую в воду на расстоянии 15м; различает размеры предметов одинаковой формы, отличающиеся на единицы процентов, их материал; различает подобно томографу детали внутреннего строения объектов, находящихся в воде или в слое ила, их форму и другие параметры, обнаруживает съедобную рыбу на расстоянии три километра и отличает от той, которая не идет в пищу.
Это достигается совершенством системы гидролокатор-мозг. На рисунке приведена сугубо схематическая структура функционирования гидролокатора дельфина. По эхолокационным сигналам дельфинов ученые смогли выяснить, как эти морские млекопитающие «видят» находящегося в воде человека. Сонарные сигналы, записанные подводным микрофоном, были преобразованы в картинки. Об этом сообщает Daily Mail.
И вот как это выглядит …
Исследование проведено в дельфинарии города Пуэрто-Авентурас (штат Кинтана-Роо, Мексика). Дайвер Джим МакДоноу (Jim McDonough) надел грузовой пояс и активно выдыхал воздух. Было принято решение не использовать акваланг, так как пузырьки от него повлияли бы на исход эксперимента. Сигналы (записанное на микрофон эхо от сигналов дельфина, направленных в сторону МакДоноу) были переданы британскому ученому Джону Стюарту Риду (John Stuart Reid) - специалисту по акустической физике, создателю аппарата визуализации звука CymaScope.
Основной принцип работы аппарата - преобразование звуковых вибраций в колебания воды. Сначала ученые загрузили последовательность ультразвуковых эхолокационных сигналов дельфина в CymaScope, поставив камеру в режим воспроизводства видео. На поверхности воды они увидели некую странную форму. Затем они проиграли видео назад, кадр за кадром, и через некоторое время увидели смутный силуэт человека. Компьютерная обработка изображения принесла новые детали (в частности, исследователи смогли разглядеть грузовой пояс МакДоноу).
Ранее (в 2012 году) с помощью той же методики биологи выяснили, как животные воспринимают неодушевленные объекты.
Таким образом, эхолокация позволяет дельфинам «увидеть» не только тени объектов, но и очертания их поверхности. «Мы думаем, что дельфины могут пользоваться звуко-визуальным языком - языком картинок, которыми они делятся друг с другом (кодируя картинки эхолокационными сигналами - прим. «Ленты.ру» )», - заявил автор исследования Джек Кассевиц (Jack Kassewitz).
А теперь давайте все же подробнее изучим как это работает.
Носовой канал (1 ) , идущий от дыхала к легким соединяет три пары воздушных мешков (2) , представляющие собой полости, окруженные системой радиальных мышц.
Мембраны, находящиеся в месте соединения мешков с носовым каналом, при продувании воздуха из левого мешка в правый или наоборот генерируют ультразвуковые колебания, которые фокусируются с помощью рефлектора (3) , представляющего собой параболическое углубление в передней части черепа и акустической линзы (4) , представляющей собой жировое образование, окруженное системой мышц, изменяющих при необходимости его форму и, следовательно, фокусное расстояние.
В результате образуется ультразвуковой луч (5) , частота и диаграмма направленности которого могут меняться. Лоцируемый объект 6 рассеивает падающее на него излучение и воспринимается антенной системой в виде трех областей (7) , расположенных на коже раструма и нижней челюсти дельфина.Эти области образуются акустическими рецепторами кожи с плотностью распределения около 600 единиц на 1 кв.см. и представляют собой, по сути, пространственную голографическую приемную систему.
Приведенная схема сугубо условна . Действительная форма ее элементов значительно сложнее. Однако отображение этих анатомических деталей только усложнило бы понимание принципа действия системы.
Сделаем маленькое отступление. Скорость движения дельфина в воде может достигать величины50-60 км/час , что намного превышает его мускульные энергетические возможности. Впервые на этот факт обратил внимание Джон Грэй .
Он показал, что удобообтекаемое твердое тело одинаковых с дельфином размеров и формой должно было бы затрачивать для преодоления сопротивления воды мощность, примерно в семь раз большую, чем та, которой он располагает.
Этот факт, получивший впоследствии название «парадокс Грэя» , объясняется тем, что коэффициент сопротивления при ламинарном обтекании значительно ниже, чем при турбулентном.
Объясняют парадокс Грэя особенности структуры и функционирования кожного покрова с гидрофобными и демпфирующими свойствами, а также двигательный механизм, как кожного покрова, так и всего тела дельфина.
Прежде всего, поверхность кожи совершенно гладкая и обладает гидрофоб-ным свойством (когда дельфин выныривает, на его коже нет капель воды). Гладкость же поверхности обеспечивается ее постоянным обновлением, слущиванием отмирающих частей, что защищает от биологического обрастания, столь характерного для морских плавсредств и многих обитателей морей. Это первая ступень защиты , обеспечивающая минимальный коэффициент трения.
Вторая ступень защиты обеспечивает гашение мелкомасштабных пульсаций давления водной среды предвещающих образование турбулентности.
Для этой цели эпидермис содержит два слоя: тонкий наружный и лежащий под ним ростковый или шиповидный. В ростковый слой входят шиповидные упругие сосочки дермы, которые обеспечивают надежное сцепление с амортизатором – слоем жира, пронизанным густыми сплетениями коллагеновых и эластиновых волокон.
Первая и вторая ступени – пассивные.
Под жировым слоем находится слой развитой системы подкожной мускулатуры и кровеносных сосудов. Это третья ступень защиты
.
Работает третья ступень защиты следующим образом. Важнейшим условием сохранения ламинарности (безвихревого обтекания) является наличие продольного, отрицательного градиента давления, который препятствует образованию вихрей. Как только в каком либо мес-те кожи возникает тенденция к образованию положительного градиента, мускулатурный, насыщенный кровью слой тут же меняет форму поверхности тела дельфина в соответствующем месте таким образом, что ликвидирует эту тенденцию. Это уже активная мышечно-гидравлическая защита.
Информацию о поле давления выдают соответствующие рецепторы, покрывающие все тело дельфина. Одним из рецепторов осязания у животных и человека являются волосы. Дельфин, утратив волосы при своей эволюции, превратил то, что от них осталось в эти рецепторы. Поле дав-лений обтекающей воды анализируется соответствующим разделом мозга и выдает нужные команды вегетативной нервной системе, управляющей системой мускулатуры и крови.
Ту же роль в сохранении ламинарности обтекания тела дельфина играет его хвостовая часть, движения которой создают отрицательный градиент давления. Это четвертая степень защиты.
Когда дельфину нужно достичь максимально возможной скорости, например, перед высоким прыжком, он включает «форсаж», превращая кожу в дополнительный двигатель. На скоростной киносъемке хорошо видно, как по телу дельфина в направлении хвоста бежит поперечный «гофр» из выступов кожи, который является дополнительным гребным механизмом.
Таким образом, дельфин весь является двигателем высшей степени совершенства, способным двигаться с большой скоростью, находясь при этом в полностью ламинарном обтекании.
А это значит, кроме всего прочего, что у него нет и шумов обтекания, которыми так богаты технические морские средства.
А теперь, закончим сделанное отступление и вернемся к гидроакустике, зная, что дельфин движется, не создавая гидродинамических шумов.
Все тело человека покрыто густой сетью рецепторов осязания. Рецепторов прикосновения и давления (механорецепторов) в коже человека свыше 600 тысяч. Это тельца Пачини и Мейснера, а также диски Меркеля.
Механорецепторы воспринимают, в том числе вибрации и звук. Последнее не является основным их назначением – для этого существуют уши. Однако известны случаи, когда с детства глухие люди, положив ладони на стол или поставив ступни на пол, могут слушать музыку.
У дельфина механорецепторов, по-видимому, значительно больше , чем у человека. В процессе эволюции они превратились в многие тысячи гидрофонов, покрывающих все тело дельфина. В результате поверхность тела дельфина представляет собой чрезвычайно развитое многофункциональное антенное устройство, работающее в диапазоне частот от нескольких герц до 200 кГц при очень низком уровне собственных шумов и имеющее на выходе уникальное анализирующее устройство – мозг.
Иными словами все тело дельфина – это совершенный акустический глаз , который может работать как в активном, так и в пассивном режиме с круговым обзором и возможностью концентрировать максимальную разрешающую способность в нужном направлении.
Различие между оптическим глазом и акустическим заключается только в том, что в первом случае анализ информации осуществляется на основе законов геометрической оптики, а во втором – на основе законов акустической голографии.
В линзовой системе единственная информация, которую можно получить от одного рецептора, это амплитуда акустического давления. В голографической же системе построения изображения используется как амплитуда, так и фаза. Поскольку голографическая антенна несет большую информацию от каждого рецептора, то получаемые изображения обладают большей информативностью. К тому же, поскольку рецепторы покрывают все тело дельфина, т.е. антенна имеет максимальные размеры, то и разрешение ее имеет максимально достижимую величину.
На основе вышесказанного рассмотрим общую схему гидроакустической системы дельфина.
Дельфин как приемно-излучающая гидроакустическая
система.
Первая подсистема – уши (1) , дополняемые третьим приемным устройством – нижней челюстью. Она обеспечивает, в основном, прием коммуникационных сигналов, а также обеспечивает часть функций освещения подводной обстановки.
Вторая подсистема – изучающая все типы звуков в диапазоне 10 Гц – 196 кГц. Зона ее излучения (2) .
Третья подсистема – система ближней гидролокации работает в зоне
(3)
и использует наиболее высокочастотные сигналы.Те же гидроакустические рецепторы, что с большой плотностью распределены на лицевой стороне, с меньшей плотностью расположены по поверхности всего тела дельфина и образуют многоэлементную широкополосную гидроакустическую приемную антенну с круговой диаграммой направленности
(4)
.
Эта подсистема голографического приема обеспечивает освещение подводной обстановки, работая как в активном, так и в пассивном режимах, а также дополняет работу первой подсистемы.
Дельфин может воспринимать звуки такой частоты, которые сам не в состоянии воспроизвести, в отличие от наземных млекопитающих и человека, которые слышат звуки, только такой частоты, которые издают сами.
Дельфин обладает несколькими гидроакустическими информационными системами, частично перекрывающими друг друга и работающих параллельно.Разделение поступающей информации, и совместная ее обработка осуществляется с по-мощью мозга, в реальном масштабе времени.
Таким образом, обеспечивается существенное улучшение отношения сигнал/шум и соединение направленного приема, обеспечивающего высокое пространственное разрешение, с круговым обзором, который ведется как в активном, так и в пассивном режиме, что недоступно для технических средств.
Полученная информация кодируется мозгом, по-видимому, в виде четырехмерных образов (три пространственных и один частотный).
Для дельфина гидроакустический канал получения информации означает гораздо больше, чем зрение для человека. Остальные органы чувств играют вспомогательную роль.
Что видит дельфин с помощью своей гидроакустической системы? Он видит поверхность, видит дно со всеми деталями его строения, в том числе с деталями слоев подстилающих пород; видит предметы, лежащие на дне, в том числе и лежащие глубоко в иле; видит особенности каждого предмета, его размеры, форму, особенности материала, внутреннего устройства.
Он ничего не может «сказать», о каком либо конкретном предмете, если раньше его не видел. Но если рядом находятся два подобных друг другу предмета, он при некоторой тренировке, может отличить один от другого по любому параметру: по размеру, по форме, по материалу, по на-личию пустот внутри, размерам и форме этих пустот и т.д.
Он видит все плавающие вокруг него объекты (в общих чертах, так сказать «боковым зрением») и если что-то его заинтересовало, концентрирует на нем остроту своего акустического зрения. Кстати, когда дельфин плывет или хочет рассмотреть что-либо, он делает движения головой, очень похожие на движения зрачков человека в подобных ситуациях.
Несколько простейших примеров. Дельфин различает: два совершенно одинаковых по форме и размерам предмета, но сделанных, один - из стали, другой – из латуни; два одинаково обработанных сплошных стальных шара, различающихся по диаметру на 2-3%; два одинаковых герметичных толстостенных полых цилиндра, полость которых частично заполнена водой, если разность уровней воды в них со-ставляет 3-4 мм и т д.
Более сложный пример. Если в воде плывет несколько человек, среди которых один знаком дельфину, дельфин подплывет именно к нему, если знакомство имеет положительный оттенок. Если плывет одновременно, пусть на большом расстоянии, несколько хорошо знакомых людей, тренированный дельфин подплывет в случае получения команды именно к тому, на кого ему будет указано.
Как это происходит? Каждый подводный объект является трансформатором гидроакустических полей в окружающем его пространстве. На каких-то частотах преобладает отражение падающих на объект волн, на каких-то – поглощение. Происходит сдвиг фаз и меняется интерференционная структура поля, поглощенная объектом акустическая энергия переизлучается им на собственных резонансных частотах и т.д.
Каждый излученный дельфином гидроакустический локационный импульс, отражаясь от объекта, несет информацию о его положении, размерах и форме (по углу и времени прихода эхо-волн). Энергия же импульса, имеющего форму дельта-функции, возбуждает весь спектр собственных резонансных частот объекта, что создает его неповторимый акустический образ.
Основную информацию дельфину дают активные гидролокаторы: передний (высокого разрешения) и кругово й (грубого разрешения), а также пассивная слуховая стереосистема приема окружающих акустических полей.
Но возможно, определенный вклад вносит и голографическая система, работающая в пассивном режиме (без собственной подсветки), основанная на искажении объектами интерференционных полей на различных частотах, образуемых внешними источниками как когерентного, так и широкополосного фонового излучения.
У дельфинов достаточно хорошо развиты такие органы чувств как органы осязания, зрения, вкуса и слуха.
Рецепторы кожи посылают в мозг дельфина сигналы о прикосновениях к телу, о температуре среды, о болевых ощущениях, об изменении давления воды, о звуковых колебаниях, которые распространяются в воде. Сигналы мгновенно анализируются мозгом. При лёгком прикосновении к коже дельфины обычно открывают и закрывают глаза. Ощущение, вызываемое сменой среды при выныривании, превращается в сигнал для открывания на голове дельфина дыхала и выполнения слитного выдоха-вдоха.
Родятся дельфины с открытыми глазами. В воде, где свет поглощается быстро и уже на небольшой глубине царит вечный мрак, условия для развития остроты зрения совсем неподходящие. И тем не менее у дельфинов довольно острое зрение как в воздухе, так и в воде. Считается, что дельфины, как и все китообразные, не различают цветов. Это предположение основано на том, что в сетчатке китообразных колбочки либо очень малочисленные, либо отсутствуют, а поверхность глаза смазывается прозрачной густой жидкостью, выделяемой так называемыми гардеровыми железами. Глаза дельфинов в темноте светятся, как у кошек, что объясняется наличием особой отражательной оболочки, содержащей кристаллики гуанина.
Наземные млекопитающие обладают острым обонянием. По понятным причинам для большинства из них это жизненная необходимость. Переход предков дельфинов в воду привёл к тому, что их обоняние постепенно атрофировалось, так как запахи в носовой канал могли попадать только в те мгновения, когда после длительной дыхательной паузы с закрытыми ноздрями животное делало короткий вдох. Вместо обоняния у дельфинов развилось чувство вкуса, которое компенсирует отсутствие обоняния. Вкусовые рецепторы дают дельфинам информацию о запахе растворённых в воде веществ, пищи, мочи сородичей. Морские дельфины не могут долго находиться в пресной воде, у них начинаются кожные болезни. Дельфины определяют даже небольшую разницу в солёности воды. Поэтому киты и дельфины, встречающиеся в Средиземном море, где солёность воды составляет 35 ‰ , не заходят в Чёрное море, где солёность воды вдвое ниже. Здесь, в Чёрном море, постепенно прижились, приспособились к условиям лишь три вида дельфинов, ставшие самостоятельными подвидами: афалина, дельфин белобочка и морская свинья.
Но из всех органов чувств у дельфинов лучше всего развиты органы слуха. В жизни дельфинов и других китообразных слух приобрёл первостепенное значение и часто заменяет зрение. Поясним это простым рассуждением. Известно, что некоторые дельфины кормятся не только днём, но и ночью, ныряют на большую глубину, где почти или совсем темно. Китайского речного дельфина и гангского дельфина окружает мутная вода, у них совсем слабое зрение. Но при ловле добычи плохое зрение, похоже, им не очень мешает. Оказывается, плохое зрение им фактически заменяет слух, который воспринимает различные звуки моря (или реки, озера), в том числе сигналы сородичей и эхо собственных сигналов.
Ещё сравнительно недавно (начало ХХ века) учёные считали, что слух у дельфинов развит слабо. В самом деле, что можно услышать в «мире безмолвия», каким долгое время считали океан? И только в 20-30-х годах ХХ века стало ясно, что тишина в море - вещь невозможная.
Интерес к подводным шумам проявил уже пять веков назад гениальный Леонардо да Винчи. Он произвёл первые в мире эксперименты по обнаружению вражеских кораблей, прослушивая создаваемый ими шум с помощью изобретённых им гидроакустических приспособлений.
Гидроакустика до начала второй мировой войны была развита слабо. Военные гидроакустики почти ничего не знали о биологических шумах и о тех существах, которые производили эти шумы. Иногда звуки, производимые косяками рыб, принимались за шум двигателей вражеских подводных лодок, и тогда объявлялась боевая тревога. Ложные тревоги дорого обходились обороняющейся стороне, вызывая сумятицу и дезориентирование, раскрывая противнику состав и расположение боевых единиц и огневых средств.
После войны настало время серьёзно заняться изучением биологических шумов моря. А в море шумных существ бесчисленное множество: это стаи различных рыб, скопления креветок и ракообразных, тюлени, дельфины, все остальные киты и так далее. Издаваемые этими животными звуки самые разнообразные по характеру, частоте, громкости. Это свисты, щёлканья, трескотня и подвывания дельфинов, жужжание, пыхтение, свист, хрюкание, гудение различных рыб, мычание, вой, скрежет, стоны и вздохи крупных китов, хлопки и пощёлкивания крошечных креветок.
Частота этих звуков колеблется в больших пределах. Рыбы издают звуки частотой от 20-50 герц до 20 килогерц. Дельфины и другие зубатые киты генерируют ультразвуковые импульсы с частотой 60-90 килогерц.
Как же дельфины издают звуки? У наземных предков дельфинов голосовой аппарат наверняка был тесно связан с дыхательной системой. Как и у современных наземных млекопитающих. Но эволюция изменила у дельфинов устройство дыхательных путей. У всех зубатых китов, в том числе у дельфинов, ни ротовая полость, ни глотка с лёгкими не сообщаются, а рот служит только для захвата и поглощения пищи. Дышат дельфины через так называемое дыхало - отверстие, находящееся в самой верхней точке головы. Дыхало имеет надёжный клапан - мясистую пробку, предохраняющую лёгкие от попадания туда воды. Широкая «ноздря» - дыхало позволяет до минимума сократить время на вдох и выдох. С проходом дыхала, назовём его новым проходом, соединены три пары ассиметричных воздушных мешков, которые окружены мышцами и имеют в местах соединения с носовым проходом перемычки и внутренние пробки. Исследователи полагают, что воздушные мешки играют главную роль в образовании звуков, которые возникают при закрытой пасти и заткнутом дыхале в результате перекачивания воздуха из одного мешка в другой.
Ещё более сложно у дельфинов устроен и функционирует орган слуха, то есть механизм восприятия звуков. Ушных раковин, которые были у их предков, у дельфинов нет. При движении в воде они создавали бы дополнительное сопротивление, вызывали бы очаги турбулентности пограничного слоя воды, обтекающего тела дельфина, а порождаемый этим шум заглушил бы другие звуки. Это ещё одно, с виду внешнее, но по сути глубоко внутреннее проявление результатов длительной эволюции китообразных. Природа создала совершенную слуховую систему китообразных. Сложная по устройству и принципу функционирования, эта система схематично может быть представлена следующим образом. Звуковые сигналы проходят через небольшое наружное ушное отверстие и слуховой проход (частично заросший) к среднему уху. Среднее и внутреннее ухо дельфина помещены не в общей черепной кости, а замурованы в особое, твёрдое и прочное вещество в виде отдельных образований и подвешены к черепу на специальной сухожильной связке. От остального черепа эти образования отделены полостями, заполненные воздухом или пеной из белковой эмульсии. Сильно развитый слуховой нерв передаёт сигналы в головной мозг. Полностью независимые друг от друга звукоприёмники правого и левого уха хорошо приспособлены для определения местоположения источника звука. Например, дельфин афалина способен в огромном бассейне по всплеску точно определить, куда упала рыбка, небольшая монетка или просто каплю воды. Дальнейшие исследования звукоприёмного механизма дельфинов показали, что у них есть ещё один приёмник звука - нижняя челюсть, точнее - расположенная в нижней челюсти тонкая костная пластинка - мембрана толщиной 0,3 мм.
Слуховые способности дельфинов поразительны. Диапазон частот воспринимаемых ими звуков очень широк: от 1 герца до 320 килогерц. Это примерно в 15 раз выше предела слышимости человеческого уха. При этом дельфины способны различать звуки с минимальной разницей по частоте. Афалины, например, улавливают разницу в 0,3 %, а азовки - даже в 0,02 %. Лучше всего дельфины улавливают звуки ультразвукового диапазона. Вместе с тем они способны издавать ультразвуки большой энергии. Если бы человек мог услышать эти звуки, то они показались бы ему громче рёва турбин реактивного самолёта, стартующего на взлётно-посадочной полосе.
Высокие слуховые возможности дельфинов и их способность издавать звуки-сигналы в широком диапазоне частот являются абсолютно необходимыми для жизни этих животных. Природа ничего не делает бессмысленно. Без способности воспринимать и анализировать самые разнообразные звуки, без способности издавать звуки китообразные жить в море не могут. При этом для них одинаково важны как звуки, издаваемые другими живыми существами, так и эхо, отражение звуков, издаваемых ими самими. Способ получения информации о предмете путём восприятия и анализа эха (отражения) посланного сигнала называется эхолокацией. В природе эхолокация известна, например, у летучих мышей. У дельфинов эхолокация была открыта совсем недавно, в середине ХХ века. Запоздало это открытие всё по той же причине: море считали миром безмолвия.
Эхолокация позволяет дельфинам хорошо ориентироваться в пространстве, находить пищу даже в мутной воде или в тёмной пучине моря, избегать опасности встречи с хищником или с естественным препятствием. Эхолокационный аппарат дельфинов весьма надёжен. Звуковые волны, отражаясь от поверхностей, являющихся границами двух сред, дают дельфинам информацию не только об обращенной к ним стороне лоцируемого объекта, но и о противоположной, невидимой глазом, стороне. Звук в воде распространяется почти в пять раз быстрее, чем в воздухе. За секунду звук проходит в воде более полутора километров. С помощью эхолокатора дельфины могут находить друг друга на расстоянии до 150 метров. При этом они используют чаще всего ультразвуковые сигналы с частотой 60-90 килогерц (человеческое ухо воспринимает звуки с частотой до 14-16 килогерц). Ультразвук быстро затухает, но дельфины издают ультразвуковые сигналы, обладающие большой энергией, и эти сигналы хорошо слышат те, кому они предназначены. Учёные предполагают, что дальность эхолокации дельфинов может достигать нескольких километров. А если предположить, что дельфин будет издавать звуки низкой частоты и при этом использовать звуковой канал, то сородичи могут услышать его и за несколько сотен километров.
Справка: Звуковой канал - это слой воды в Мировом океане, который охватывает всю его акваторию, нигде не прерывается и пропускает звуковые волны на огромные расстояния, практически не снижая их энергии. Это явление сверхдальнего распространения звука в воде открыли в 1946 году советские учёные Л.М. Бреховских и Л.Д. Розенберг.
Некоторые учёные предполагают, что крупные киты, звуки которых имеют большую энергию, используют звуковой канал океана для взаимного общения.
Издавая ультразвуковые сигналы, дельфин проводит «рекогносцировку» окружающего пространства. Отразившийся от подводного объекта локационный звуковой импульс сильно изменяется и отличия дают дельфину нужную информацию обо всём, что творится вокруг. Для обследования окружающих его объектов дельфин подаёт десятки и сотни звуковых импульсов. В результате дельфин получает информацию не только об удалённости лоцируемых объектов, но и об их размере, форме и даже материале (твёрдый, мягкий, плотный, пористый и так далее).
Способность сформировать и направить звуковой сигнал на обследуемый объект дельфинам обеспечивает особое устройство из звукогенерирующего аппарата, основными элементами которого являются упомянутые выше воздушные мешки, лобно-носовая жировая подушка и вогнутая передняя поверхность черепа, образующие своеобразный звуковой излучатель, акустический «прожектор».
В механизме образования звуков дельфинов многое ещё остаётся неясным. Природа умеет подчас строго хранить свои тайны.
Дельфины очень полезные и интересные звери. Однако биология их еще слабо изучена. Почему, например, дельфины и киты «чувствуют» приближение шторма, заранее отходят от берегов в открытое море и чаще, чем обычно, выпрыгивают из воды? Еще 60 лет назад академик В. В. Шулейкин открыл явление, названное им «голосом моря». Во время сильного ветра и движения воздуха над гребнями волн возникают инфразвуки, исходящие от поверхности моря. Инфразвуковые волны с огромной быстротой распространяются во все стороны. Некоторые морские животные, по-видимому, обладают способностью воспринимать такие инфразвуковые штормовые предупреждения, посылаемые самим морем. Теперь мы уже твердо знаем, что не только дельфины, но даже медузы - животные, стоящие на очень низком уровне развития, - воспринимают «голос моря» и задолго перед штормом опускаются на глубину.
Можно предположить, что инфразвуки, воспринимаемые дельфинами, действуют на них как раздражители, заставляя уходить в открытое море подальше от берегов. Во время шторма зверям опасно находиться на мелководье. Сильной волной они могут быть выброшены на берег или поранены об камни. Возможно, что инфразвуки им неприятны, поэтому они чаще выпрыгивают из воды. Но это только одно из предположений. Может быть, прыжки дельфинов вызываются другими причинами, например «игровым рефлексом».
Некоторые ученые считают, что игровой рефлекс свойствен только молодым животным, но у дельфинов он развит и у взрослых. Дельфины очень восприимчивы к внешним раздражителям. Именно поэтому они быстро привыкают к неволе, хорошо поддаются дрессировке.
Во Флоридском океанарии, в США, дельфинов приучили играть в баскетбол: подбрасывать с воды мяч и попадать им в корзину - нормальное баскетбольное кольцо с сеткой, укрепленное над водой. Дельфины виртуозно выполняют команды дрессировщика. За исполнение каждого трюка они получают вознаграждение - небольшую рыбку. Если почему-либо дрессировщик не дает ее, обиженный дельфин плавает вдоль края бассейна и издает звуки, похожие на ворчание, показывая тем самым свое неудовольствие и требуя вознаграждения.
Дельфины во Флоридском океанарии прыгают сквозь обручи, затянутые бумагой, поднимают флаг над океанарием, дергая за веревку, звонят в колокол, «поют» дуэтом и хором перед микрофоном. Конечно, нельзя понимать это абсолютно. Дельфины не поют в нашем обычном представлении, но все же они издают звуки, которые можно, пожалуй, назвать вокальными. Понятно также, что никакой мелодии в «песнях» дельфинов нет. Но издаваемые ими звуки по приказу дрессировщика отличаются от множества других, которые они обычно употребляют при общении друг с другом.
Занимаясь исследованием морских животных, изучая их голоса и звуковые сигналы, ученые установили, что многие обитатели морей и океанов имеют, если можно так выразиться, свой «разговорный» язык. При помощи звуковых сигналов эти животные общаются между собой, «разговаривают». Причем каждый вид дельфинов или рыб имеет свой собственный язык, непонятный для других. Например сельдь (ее щебетанье похоже на чириканье воробья) не может «разговаривать» с треской, а дельфин-белобочка с афалиной (бутылконосым дельфином): они говорят на разных языках.
Оказалось даже, что самые обычные серые вороны, живущие в Англии, не понимают ворон, обитающих во Франции. Недавно один американский ученый-зоолог установил, что у разных пород собак имеется 170 «диалектов» своего «собачьего» языка. Собаки разных пород «говорят» и понимают только свой язык. Конечно, есть отдельные звуковые сигналы, понятные многим видам, но это главным образом сигналы тревоги. Дельфины в основном издают ультразвуки, не слышимые человеком, ибо частота их колебаний доходит до 200 тысяч в секунду (то есть 200 тысяч герц), а человек может слышать лишь те звуки, частота колебаний которых варьирует от 18 герц до 20 тысяч герц.
Дельфины не отличаются остротой зрения. Зрение у них слабое. А вот слух у животных уникальный. Исследования показали, что дельфины воспринимают звуковые волны не только слуховым аппаратом, а всем телом и особенно поверхностью головы. Из хаоса подводных звуков они умеют отбирать именно те, которые им нужны. Поэтому у дельфинов очень развита способность ориентироваться даже в совершенно мутной воде. Эксперименты показали, что дельфины издалека обнаруживают стоящую на их пути мелкоячейную сеть. В мутной воде и даже ночью, в полной темноте, эти живые эхолокаторы «ощупывают» предметы звуком, определяют не только их местонахождение, но различают даже и вид рыбы, опущенной в воду экспериментатором. Если это их любимая пища, они моментально находят ее на достаточно большом расстоянии. Если же не представляет для них интереса или это какой-то посторонний предмет, то, «ощупав» его звуком издалека, они даже не подходят к нему. У рыб такая эхолокация отсутствует. Надо вообще сказать, что сложность поведения и «разговора» дельфинов намного выше уровня поведения и звуковых сигналов рыб, да и других животных.
Все звуки, издаваемые дельфинами - свист, кряканье, щебет, скрежет, поющие звуки, - имеют самое разное значение. Пока ученые только подходят к расшифровке значения этих звуков. Правда, некоторые уже переведены на человеческий язык. Это сигналы опасности, призывы о помощи или звуки, которыми животные обмениваются, когда находят пищу. В течение последних лет американский ученый доктор медицины Джон Лилли занимался изучением психической деятельности дельфинов. Он установил много интереснейших и ранее не известных подробностей их поведения.
Джон Лилли утверждает, что, в конце концов, человек сможет разговаривать с дельфинами на их языке. Он считает, что можно расшифровать звуковые сигналы, издаваемые дельфинами, а затем воспроизвести их в нужном сочетании при помощи специальных аппаратов. «Наступит такой момент, - говорит Джон Лилли, - когда человек сможет задавать вопросы и получать на них ответы от дельфинов, то есть «разговаривать» с животными, стоящими по сравнению с человеком на значительно более низкой ступени психического развития» (хотя как сказать, может дельфины смогут многому научить нас, людей. Примечание редактора).
На первый взгляд это кажется фантастическим заявлением. Но к таким выводам Джона Лилли привели не только наблюдения, но и анатомическое строение центральной нервной системы дельфинов. Мозг дельфинов оказался близким по весу к мозгу человека. У дельфинов он весит 1750 граммов, а у человека - 1450 граммов. Правда, если взять относительный вес мозга на единицу длины, то получатся несколько иные цифры: на каждые 15 сантиметров длины тела человека падает 197 граммов веса мозга, а у дельфина - только 165 граммов. Но все это наиболее близкие, наиболее совпадающие цифры по сравнению с любыми другими животными. Дельфин по развитию психических способностей с полным правом может считаться самым близким к человеку млекопитающим. Собаки и человекообразные занимают следующие ступеньки.
У дельфинов очень сильно развита подражательная способность. И хотя у них голосовые связки отсутствуют, а аппарат для воспроизведения звуков очень своеобразен, несовершенен и, кстати сказать, еще слабо изучен, дельфины, как уверяет Лилли, подражают не только голосу и интонации человека, но быстро заучивают и повторяют отдельные слова и даже целые фразы. Джон Лилли и его сотрудники слышали неоднократно, как животные повторяли сказанные Лилли фразы. Правда, четкость произношения дельфинами отдельных слов оставляла желать много лучшего…
Продолжение следует.
P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что оказывается даже само изображения дельфинов, может оказывать на человека благоприятное влияние. Так что пожалуй картины с изображениями дельфинов даже можно вешать когда проектируется дизайн интерьера Киев , и человек находящийся в таком интерьере всегда будет чувствовать спокойствие и умиротворение.
Loading...