Сергей Рязанцев - В мире запахов и звуков

Забвению гипотез Спалланцани и Жюрина немало способствовала теория, выдвинутая в 1800 году блестящим французским зоологом Жоржем Кювье. Он с легкостью отбросил выводы своих предшественников, сославшись на то, что методика их опытов была крайне жестока. Кювье считал, что затыкание ушей само по себе могло оказывать гораздо большее влияние на животных, чем просто ограничение их слухового восприятия. В то время он выдвинул свою так называемую тактильную теорию, из которой следовало, что способность летучих мышей ориентироваться в темноте основана на хорошо развитом у них чувстве осязания. Благодаря авторитету Кювье тактильная теория была принята большинством естествоиспытателей без всяких экспериментальных доказательств и просуществовала в науке более ста лет.

Впервые предположение о наличии звуковой локации у летучих мышей высказал в 1912 году X. Максим — изобретатель скорострельного станкового пулемета. К мысли о звуковой локации Максима привел трагический случай гибели парохода «Титаник», столкнувшегося с айсбергом. Максим предложил для безопасности судоходства локационное предупреждающее устройство, которое сигнализировало бы о приближении к айсбергу. Обосновывая принцип действия своего сигнального аппарата, Максим высказал мысль, что и летучие мыши, возможно, пользуются при полете в темноте звуковой локацией. Это была совершенно новая, прогрессивная постановка вопроса. Однако Максим ошибочно считал, что при полете летучие мыши используют отражения низкочастотных звуков, лежащих ниже слухового порога человека и создаваемых взмахами крыльев.

С другого конца к открытию эхолокации у летучих мышей пришел английский нейрофизиолог X. Хартридж. В 1920 году Хартридж, работая ночью в своем кабинете в Кембридже, заметил, что в открытое окно влетело несколько летучих мышей, которые преследовали насекомых. Закрыв окно, он стал наблюдать за животными, любуясь их быстротой и маневренностью. Его удивило, что они продолжали летать из комнаты в комнату даже тогда, когда свет был выключен, а дверь частично притворена. Будучи экспериментатором, он и тут остался верен себе. Делая щель в двери то шире, то уже, Хартридж установил, что летучие мыши точно определяли свои возможности и ни разу не пытались пролететь в слишком узкую для них щель. Животные совершенно явно располагали средствами, позволяющими им определить, достаточно ли широка щель, совсем не видя при этом двери и не прикасаясь к ней.

Хартридж в то время работал над проблемой зрения, и в его лаборатории была светонепроницаемая камера, в которой он проводил эксперименты. Поэтому ему нетрудно было продолжить исследования и на летучих мышах в темноте. Он снова подтвердил, что зрение летучих мышей не играет роли в преодолении препятствий. Следуя по пути исключения, он в конце концов предположил, что парадокс летучих мышей «видеть ушами» может быть объяснен механизмом эхолокации с использованием звуков высокой частоты, лежащих выше порога слышимости человека и поэтому не воспринимаемых им. Хартридж выдвинул эту гипотезу как возможное объяснение данного явления, но, будучи занят другими исследованиями, не уделил времени ее обоснованию.

Полностью раскрыть тайну летучих мышей помогло появление новой электронной аппаратуры. В одной из лабораторий физического факультета Гарвардского университета в США Г. Пирс начал проводить исследования по изучению свойств ультразвуков. Под его руководством был создан прибор — звуковой детектор, позволяющий улавливать звуки широкого диапазона частот. Именно этот прибор зарегистрировал неслышимые человеком звуки летучих мышей, когда в 1936 году студент-биолог упомянутого выше университета Дональд Гриффин принес в лабораторию Пирса полную клетку летучих мышей. Позднее, в 1961 году, вспоминая об этом, Гриффин писал, что когда он поднес летучих мышей к аппарату Пирса, сразу же обнаружилось, что они издают множество звуков, но почти все эти звуки попадают в диапазон частот, лежащих выше порога слышимости человека.

Пирс и Гриффин провели частотный анализ звуков, издаваемых летучими мышами в полете, и установили, что диапазон их составляет 30–70 килогерц, а область наибольшей интенсивности — 45–50 килогерц. Далее они обнаружили, что от животных исходит звук не непрерывно, а виде дискретных импульсов, длительность каждого из которых всего 1–5 миллисекунд.

Уже эти первые сведения блестяще подтвердили гипотезу Хартриджа о существовании неслышимых звуков, исходящих от летучих мышей при полете в темноте, и позволили по-новому взглянуть на результаты «абсурдных» опытов Спалланцани и Жюрина. Однако теперь требовалось в условиях точного эксперимента доказать, что летучие мыши действительно используют ультразвук в целях ориентировки в пространстве, и что они способны воспринимать эхо этих звуков, возникшее в результате отражения их от встречаемых на пути предметов.

Применяя барьеры вертикально натянутых проволок, Д. Гриффин и Р. Галамбос получили количественную оценку способностей летучих мышей преодолевать препятствия при частичном или полном выключении зрения или слуха и при закрывании животным рта.

Эксперименты Гриффина и Галамбоса вновь подтвердили, что летучие мыши могут отлично ориентироваться и без участия зрения. Однако или частичное (одностороннее), или полное (двустороннее) выключение слухового аппарата влечет за собой либо резкое ухудшение этой способности, либо полную ее ликвидацию. Но эти исследователи пошли дальше своих предшественников. Они показали, что закрывание рта летучей мыши, лишающее ее возможности издавать высокочастотные звуки, столь же эффективно нарушает ее ориентационные способности, как и плотное закрывание ушей.

Далее выяснилось, что частота следования подаваемых летучей мышью звуковых импульсов в разных ситуациях не остается постоянной, а увеличивается по мере приближения животного к препятствию. При подготовке к взлету мышь излучает от 5 до 10 импульсов в секунду, а в полете число импульсов в секунду достигает 30. Установление факта регулярного изменения последовательности ультразвуковых импульсов от расстояния до препятствия имело принципиальное значение, так как объективно показало, что летучая мышь определяет расстояние по отраженному ультразвуку.

И хотя в общих чертах уже было ясно, что принцип использования ультразвука у летучих мышей близок к тем техническим принципам, которые лежат в основе радиолокационных устройств, тем не менее Галамбос и Гриффин не были удовлетворены своими результатами. Они считали, что их опыты достоверно демонстрируют лишь то, что летучие мыши издают ультразвук в виде импульсов, но еще не вполне доказывают, что мышь слышит отраженное эхо ультразвука. Необходимо было убедиться, что летучие мыши могут слышать ультразвук в том диапазоне, в котором они его излучают. Электрофизиологическими методами было подтверждено, что они действительно способны воспринимать звуки в широком диапазоне частот — от 30 герц до 98 килогерц, но лучше всего в области ультразвуковых частот — от 30 до 50 килогерц. После этих опытов отпали последние сомнения в правильности взглядов на роль ультразвука в ориентировке летучих мышей при полете.