Изот Литинецкий - На пути к бионике

Таким образом, на основании множества самых разнообразных опытов ученые пришли к общему выводу: эхолокация у дельфинов является основным способом распознания объектов, погруженных в воду.

Дальнейшие исследования показали, что возможности дельфиньего гидроакустического локатора до сих пор превосходят характеристики созданных инженерами их искусственных аналогов - сонаров. Поразительна точность эхолокации дельфинов. На расстоянии в десятки метров направление на цель определяется ими с точностью до полградуса. В экспериментах, проводившихся советскими учеными на Черном море, афалины безошибочно подплывали к дробинке диаметром 4 миллиметра, брошенной в воду на расстоянии 20-30 метров от животного. Уже известный нам Норрис вместе с Тернером научили знакомую нам Алису с закрытыми глазами и плотно заткнутым "носом" различать размеры бросаемых в воду шариков. Сначала они научили ее различать два стальных шара, маленький диметром 3,75 сантиметра и большой диаметром 6,25 сантиметров. Если животное выбирало большой шар, оно получало в награду рыбу. "Затем,- рассказывает Норрис,- мы закрыли глаза Алисе и постепенно увеличивали размер маленького шара. С закрытыми глазами, выбирая между шарами диаметром 5 и 6,25 сантиметра, Алиса не ошиблась ни разу на протяжении сотни опытов. Даже когда диаметры шаров составляли 5,62 и 6,25 сантиметра, она в большинстве случаев не ошибалась, хотя и были случайные ошибки. Разница в 0,6 сантиметра так мала, что вы с трудом можете обнаружить ее невооруженным глазом"*. Дальнейшие эксперименты показали, что, пользуясь своей сонарной системой, дельфин обнаруживает металлическую проволоку диаметром 0,2 миллиметра в 77% случаев.

* ( И. Б. Литинецкий. Беседы о бионике. М., "Наука", 1968, стр. 211. )

Изучая работу локационного аппарата дельфина, ученые открыли еще одну очень важную его особенность: издаваемые животным ультразвуки, отражаясь от окружающих предметов, позволяют ему определять не только местоположение последних, но и их форму, природу, структуру. Та же Алиса с плотно закрытыми глазами с помощью своего сонара легко отличала желатиновую капсулу, наполненную водой, от куска рыбы такой же величины. В экспериментах Келлога и его коллег подопытные дельфины Альберт и Бетти в кромешной тьме безошибочно отличали форель длиной 15 сантиметров от кефали длиной 30 сантиметров: форель нравилась им явно больше. В другом опыте крупной кефали дельфины предпочли вдвое меньшего пятнистого горбыля: когда обеих рыб погружали в бассейн, афалины почти всегда устремлялись к горбылю. Когда горбыля подвешивали за стеклянным экраном (рыба была видна, но недоступна для эхолокации), а кефаль - перед ним (она была доступна для ультразвукового распознавания), то дельфин никогда не пытался ловить горбыля и довольствовался кефалью.

Особенно интересно, что гидролокационный аппарат китообразных значительно лучше защищен от воздействия помех, чем самый совершенный сонар. Тот же Келлог пытался дезориентировать афалин, ищущих пищу, записанными ранее на пленку различными громкими сигналами. Животные без труда отличали свои сигналы от искусственных, хотя полезные сигналы были в десятки раз слабее мешающего шума.

Как же, по современным воззрениям, устроен гидролокатор китообразных?

Чтобы ответить на этот вопрос, пойдем обратным путем, от техники к природе. Мы найдем в организме дельфина все основные функциональные узлы стандартного локатора: источник колебаний, передающую антенну, формирующую направленный луч, приемную антенну, приемник излучения, обрабатывающий принимаемую информацию и выдающий координаты цели.

Предполагают, что источником звуковых и ультразвуковых колебаний у китообразных является наружный надчерепной носовой проход, причем звуки различных частот возникают в разных его отделах. Диапазон излучаемых частот очень широк - от нескольких десятков герц до 200-250 килогерц. Максимум интенсивности звуков лежит в диапазоне 20-60 килогерц. Звук может подаваться непрерывно или короткими импульсами, на одной частоте или с постепенным ее изменением. Интересно, что китообразные подают звуки за счет циркуляции воздуха в дыхательных путях, не выпуская его через дыхало наружу.

До сравнительно недавнего времени было неясно, как устроена передающая антенна дельфинов, каким образом они ухитряются фокусировать ультразвуки, посылать импульсы в нужном направлении, что является непременным условием работы любого локатора. В 1962 году американские исследователи Вильям Эванс и Джон Прескотт высказали предположение, что выпуклая жировая подушка, расположенная на челюстях и межчелюстных костях, и вогнутая передняя поверхность черепа дельфинов действуют как звуковая линза. Аналогичная гипотеза была выдвинута и советскими учеными В. Бельковичем и А. Яблоковым. Роль рефлектора генерируемых дельфином ультразвуков ученые отвели его черепу. Таким образом, согласно гипотезе Эванса-Прескотта и Бельковича - Яблокова, "линза" и "рефлектор" - это те органы в природном гидролокаторе дельфина, которые играют роль передающей антенны, концентрируют сигналы, излучаемые носовым проходом, и в виде звукового пучка направляют их на лоцируемый объект. Меняя форму жировой подушки, которая снабжена собственной мускулатурой, дельфин может "ощупывать" пространство впереди себя и широким, рассеянным пучком ультразвука, и очень узким, концентрированным. Исследования последних лет внесли некоторые уточнения в эту гипотезу.

Оказалось, что природная линза дельфина преобразует сферический фронт звуковой волны в плоский. Это позволяет мозгу дельфина наиболее экономно обрабатывать получаемую информацию и не менять способ обработки при приближении животного к интересующему его предмету. В отличие от многих локаторов, созданных человеком, передающая антенна дельфина не переключается на прием отраженных сигналов. Дельфины снабжены отдельной приемной антенной. Ею, возможно, является нижняя челюсть животного, от которой к каждому внутреннему уху тянется жировой тяж. Поясним, что внутреннее ухо китообразных очень хорошо изолировано и экранировано. Наружный слуховой проход и упомянутый жировой тяж являются единственными каналами, по которым звуковой сигнал может проникнуть во внутреннее ухо. Итак, отраженные сигналы принимают уши дельфина, а обработку сигналов производит их великолепный мозг.

Как же работает локатор дельфина? Так, как будто дельфин знает, что при постоянных размерах акустической линзы звуковой луч тем шире, чем ниже частота (тон) звуковых колебаний; что звуковые волны высокого тона сильнее поглощаются морской водой, что чем короче звуковой сигнал, тем выше должна быть разрешающая способность его локатора по дальности. В режиме "дальнего обзора" дельфин излучает резкие импульсы сравнительно низкого тона, слабо затухающие в воде. Ширина звукового луча максимальна, и, покачивая головой (а возможно, и переключая источники звука), дельфин "просматривает" окружающее пространство на большом расстоянии. Обнаружив добычу и приближаясь к ней, дельфин повышает частоту тона. Одновременно число импульсов возрастает с 5-10 до 70-100 в секунду и уменьшается длительность самих импульсов. Акустический луч все более и более сужается. Растет разрешающая способность по углу и по дальности. Наконец, добыча почти рядом. Посылаемые дельфином и отраженные от цели импульсы сливаются, мешая обнаружить добычу. И дельфин включает "частотную модуляцию". Он испускает длинный импульс продолжительностью 5-10 секунд, плавно меняя частоту сигнала, например от 7 до 20 килогерц. Легко понять, что чем дальше добыча, тем позже вернется отраженный сигнал и тем больше будет разница между частотами излучаемого и принимаемого сигнала. При определенной разности частот мозг выдает команду хватать добычу. Интересно, что дельфины используют частотномодулированное излучение для определения расстояния до дна, близости берега и льдов, для предотвращения столкновений с проплывающими кораблями. Именно этот принцип лежит в основе устройства многих сонаров, используется он и в некоторых радиовысотомерах.