Скорее всего, в термоскопических глазах кальмаров восприятие излучающего тепло объекта достигается путем фотохимических реакций. Здесь происходят, вероятно, процессы такого же типа, как и на сетчатке обычного глаза или на фотопластинке в момент экспозиции. Поглощенная органом энергия приводит к перекомбинации светочувствительных (у кальмаров — теплочувствительных) молекул, которые воздействуют на нерв, вызывая в мозгу представление наблюдаемого объекта.
Термолокаторы змей действуют иначе — по принципу своеобразного термоэлемента.
Тончайшая мембрана, разделяющая две камеры лицевой ямки, подвергается с разных сторон воздействию двух разных температур. Внутренняя камера сообщается с внешней средой узким каналом, входное отверстие которого открывается в противоположную сторону от рабочего поля локатора. Поэтому во внутренней камере сохраняется температура окружающего воздуха. (Индикатор нейтрального уровня!) Наружная же камера широким отверстием — тепло- улавливателем направляется в сторону исследуемого объекта. Тепловые лучи, которые тот испускает, нагревают переднюю стенку мембраны. По разности температур на внутренней и наружной поверхности мембраны, одновременно воспринимаемых нервами, в мозгу и возникает ощущение излучающего тепловую энергию предмета.
Помимо ямкоголовых змей органы термолокации обнаружены у питонов и удавов (в виде небольших ямок на губах). Маленькие ямки, расположенные над ноздрями у африканской, персидской и некоторых других видов гадюк, служат, очевидно, для той же цели.
Разведка звуком
Что делал аббат на колокольне?
етом 1793 года рано на рассвете учёный аббат Ладзаре Спалланцани залез на колокольню собора в Павии. Сумрак только начинал рассеиваться, и летучие мыши, возвращаясь из ночных полетов, прятались по разным закоулкам под сводами старой башни. Аббат ловил летучих мышей и сажал в мешок. Потом с мешком спустился с колокольни и пошел домой.
Там он их выпустил в комнате. От потолка к полу в ней были натянуты тонкие нити, много нитей, всю комнату они опутали. Выпуская каждую мышь, Спалланцани заклеивал ей глаза воском. И вот по старому залу заметались крылатые тени.
Но ни одна слепая летучая мышь не задела за нитку! Ни одна. Словно глаза им и не нужны были, чтобы видеть.
Спалланцани отпустил потом этих мышей на волю. А рано утром на следующий день опять полез на колокольню. Снова наловил летучих мышей. Среди них были и старые его знакомые — слепые зверьки. Он вскрыл их — желудки полны комаров! Значит, чтобы продуктивно, так сказать, охотиться, этим зверюшкам совсем не нужны глаза. Спалланцани решил, что летучие мыши наделены каким-то особенным, неведомым нам шестым чувством, которое и помогает им ориентироваться в полёте.
Швейцарский натуралист Шарль Жюрин узнал об опытах Спалланцани. Он повторил их; да, слепые мыши летают не хуже зрячих. Тогда Шарль Жюрин заткнул их уши воском.
Результат был неожиданным: летучие мыши перестали различать окружающие предметы, стали натыкаться на стены, точно слепые.
В чем дело? Не могут же они видеть ушами?
Спалланцани, когда узнал об опытах Шарля Жюрина, подумал вначале, что произошла какая-то ошибка. Он решил проверить, так ли это.
Спалланцани изготовил тонкие медные трубочки точно по размеру ушных отверстий летучих мышей. Кропотливая эта была работа: ведь приходилось отливать трубочки толщиной меньше миллиметра. Медные втулки вставили летучим мышам в уши, зверьки отлично летали и на препятствия не натыкались. Когда же трубочки заткнули воском, мыши «ослепли».
В чем же дело? Спалланцани знал об этом не больше своих критиков. А критиков объявилось много, и все дружно высмеивали аббата-фантазера.
Жорж Кювье, знаменитый французский анатом и палеонтолог, крупнейший авторитет в биологической науке того времени, тоже не хотел поверить, что слух имеет какое-то значение в ориентировке летучих мышей. Кювье выдвинул довольно остроумную гипотезу, которая должна была иначе объяснить таинственные способности летучих мышей.
Летучие мыши, говорил Кювье, обладают очень тонким осязанием. Особенно чувствительна у них кожа крыльев. Настолько чувствительна, что, приближаясь к препятствию, летучая мышь воспринимает сгущение воздуха, возникающее между ее телом и встречным предметом. Это служит сигналом: впереди препятствие! И «пилот» изменяет курс.
Больше ста лет продержалась в научных представлениях гипотеза Кювье. Лишь в середине нашего столетия с помощью новейших приборов удалось установить наконец истину.
К решению этой интересной проблемы ученые пришли почти одновременно в разных странах.
Голландец Свен Дийграаф решил проверить, действительно ли осязание помогает летучим мышам избегать препятствия. Он перерезал осязательные нервы крыльев — оперированные животные отлично летали. Значит, осязание здесь ни при чём. Тогда экспериментатор лишил летучих мышей слуха — они сразу точно ослепли.
Дийграаф рассуждал так: поскольку стены и предметы, встречающиеся летучим мышам в полете, не издают никаких звуков, значит, кричат сами мыши. Эхо их собственного голоса, отраженное от окружающих предметов, извещает зверюшек о препятствии на пути.
Дийграаф заметил, что летучая мышь, прежде чем пуститься в полет, раскрывает рот. Очевидно, издает неслышные для нас звуки, «ощупывая» ими окрестности. В полете летучие мыши тоже то и дело открывают рты (даже когда не охотятся за насекомыми).
Это наблюдение подало Дийграафу мысль проделать следующий эксперимент. Он надел на голову зверька бумажный колпак. Спереди, точно забрало у рыцарского шлема, в колпаке открывалась и закрывалась маленькая дверка.
Летучая мышь с закрытой дверкой на колпаке не могла летать, натыкалась на предметы. Стоило лишь в бумажном шлеме поднять забрало, как зверек преображался, его полет вновь становился точным и уверенным.
Свои наблюдения Дийграаф опубликовал в 1940 году. А в 1946 году советский ученый профессор А. П. Кузякин начал серии опытов над летучими мышами.
Он залепил им пластилином рот и уши и выпустил в комнате с натянутыми вдоль и поперек веревками — почти все зверьки не смогли летать. Экспериментатор установил интересный факт: летучие мыши, впервые пущенные в помещение для пробного полета с открытыми глазами, «многократно и с большой силой, как только что пойманные птицы, ударялись о стекла незанавешенных окон».
Это происходило днем. Вечером при свете электрической лампы мыши уже не натыкались на стекла. Значит, днем, когда хорошо видно, летучие мыши доверяют больше зрению, чем другим органам чувств. А ведь зрению летучих мышей многие исследователи склонны были совсем не придавать значения.
Профессор А. П. Кузякин продолжал опыты в лесу. На головы зверькам — рыжим вечерницам — он надел колпачки из черной бумаги. Зверьки не могли теперь ни видеть, ни употребить свой акустический радар. Летучие мыши не рискнули лететь в неизвестность Они раскрывали крылья и опускались на них, как на парашютах, на землю. Лишь некоторые отчаянные полетели на авось. Результат был печальным: они ударились о деревья и упали на землю.
Тогда в черных колпачках вырезали три отверстия: одно для рта, два для ушей. Зверьки без страха пустились в полет.
А. П. Кузякин пришел к выводу, что органы звуковой ориентировки летучих мышей «могут почти полностью заменить зрение, а органы осязания… никакой роли в ориентировке не играют, и зверьки ими в полете не пользуются».
Несколькими годами раньше американские ученые Д. Гриффин и Р. Галамбос применили другую методику для изучения загадочных способностей летучих мышей.
Начали они с того, что просто поднесли этих зверюшек к аппарату Пирса — прибору, который мог «слышать» ультразвуки. И сразу же стало ясно, что летучие мыши «издают множество криков, но почти все они попадают в диапазон частот, лежащих за порогом возможностей человеческого уха», — писал Дональд Гриффин позднее.
С помощью электротехнической аппаратуры Гриффин и Галамбос сумели обнаружить и исследовать физическую природу «криков» летучих мышей. Установили также, вводя особые электроды во внутреннее ухо подопытных зверьков, какой частоты звуки воспринимают органы их слуха.
Изучением этой проблемы занялись и другие исследователи. И вот что было установлено.
Эхопеленг
С физической точки зрения всякий звук — это колебательные движения, распространяющиеся волнообразно в упругой среде.
Чем больше вибраций совершает в секунду колеблющееся тело (или упругая среда), тем выше частота звука. Самый низкий человеческий голос (бас) обладает частотой колебаний около восьмидесяти раз в секунду, или, как говорят физики, частота его колебаний достигает восьмидесяти герц. Самый высокий голос (например, сопрано перуанской певицы Имы Сумак) около 1400 герц.
В природе и технике известны звуки еще более высоких частот — в сотни тысяч и даже миллионы герц. Рекордно высокий звук у кварца — до одного миллиарда герц! Мощность звука колеблющейся в жидкости кварцевой пластинки в 40 тысяч раз превышает силу звука мотора самолета. Но мы не можем оглохнуть от этого «адского грохота», потому что не слышим его. Человеческое ухо воспринимает звуки с частотой колебаний лишь от шестнадцати до двадцати тысяч герц. Более высокочастотные акустические колебания принято называть ультразвуками, их волнами летучие мыши и «ощупывают» окрестности.
Ультразвуки возникают в гортани летучей мыши. Здесь в виде своеобразных струн натянуты голосовые связки, которые, вибрируя, производят звук. Гортань ведь по своему устройству напоминает обычный свисток: выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через нее — возникает «свист» очень высокой частоты, до 150 тысяч герц (человек его не слышит).
Летучая мышь может периодически задерживать поток воздуха. Затем он с такой силой вырывается наружу, словно выброшен взрывом. Давление проносящегося через гортань воздуха вдвое больше, чем в паровом котле. Неплохое достижение для зверька весом 5-20 граммов!
В гортани летучей мыши возбуждаются кратковременные высокочастотные звуковые колебания — ультразвуковые импульсы. В секунду следует от 5 до 60, а у некоторых видов даже от 10 до 200 импульсов. Каждый импульс, «взрыв», длится всего 2–5 тысячных долей секунды (у подковоносов 5-10 сотых секунды).
Краткость звукового сигнала — очень важный физический фактор. Лишь благодаря ему возможна точная эхолокация, то есть ориентировка с помощью ультразвуков.
От препятствия, которое удалено на семнадцать метров, отраженный звук возвращается к зверьку приблизительно через 0,1 секунды. Если звуковой сигнал продлится больше 0,1 секунды, то его эхо, отраженное от предметов, расположенных ближе семнадцати метров, будет восприниматься органами слуха зверька одновременно с основным звучанием.
А ведь именно по промежутку времени между концом посылаемого сигнала и первыми звуками вернувшегося эха летучая мышь инстинктивно получает представление о расстоянии до предмета, отразившего ультразвук.
Поэтому звуковой импульс так краток.
Советский учёный Е. Я. Пумпер сделал в 1946 году очень интересное предположение, которое хорошо объясняет физиологическую природу эхолокации. Он считает, что летучая мышь каждый новый звук издает сразу же, после того как услышит эхо предыдущего сигнала. Таким образом, импульсы рефлекторно следуют друг за другом, а раздражителем, вызывающим их, служит эхо, воспринимаемое ухом. Чем ближе летучая мышь подлетает к препятствию, тем быстрее возвращается эхо и, следовательно, тем чаще издает зверек новые эхолотирующие «крики». Наконец при непосредственном приближении к препятствию звуковые импульсы начинают следовать друг за другом с исключительной быстротой. Это сигнал опасности. Летучая мышь инстинктивно изменяет курс полета, уклоняясь от направления, откуда отраженные звуки приходят слишком быстро.
Действительно, опыты показали, что летучие мыши перед стартом издают в секунду лишь 5-10 ультразвуковых импульсов. В полете учащают их до 30. При приближении к препятствию звуковые сигналы следуют еще быстрее — до 50–60 раз в секунду. Некоторые летучие мыши во время охоты на ночных насекомых, настигая добычу, издают даже 250 «криков» в секунду.
Эхолокатор летучих мышей — очень точный навигационный «прибор»: он в состоянии запеленговать даже микроскопически малый предмет — диаметром всего 0,1 миллиметра!
И только когда экспериментаторы уменьшили толщину проволоки, натянутой в помещении, где порхали летучие мыши, до 0,07 миллиметра, зверьки стали натыкаться на нее.
Летучие мыши наращивают темп эхолотирующих сигналов примерно за два метра от проволоки. Значит, за два метра они ее и «нащупывают» своими «криками». Но лету- чая мышь не сразу меняет направление, летит и дальше прямо на препятствие и лишь в нескольких сантиметрах от него резким взмахом крыла отклоняется в сторону.
С помощью сонаров, которыми их наделила природа, летучие мыши не только ориентируются в пространстве, но и охотятся за своим хлебом насущным: комарами, мотыльками и прочими ночными насекомыми.
В некоторых опытах зверьков заставляли ловить комаров в небольшом лабораторном зале. Их фотографировали, взвешивали — одним словом, все время следили за тем, насколько успешно они охотятся. Одна летучая мышь весом в семь граммов за час наловила грамм насекомых. Другая малютка, которая весила всего три с половиной грамма, так быстро глотала комаров, что за четверть часа «пополнела» на десять процентов. Каждый комар весит примерно 0, 002 грамма. Значит, за пятнадцать минут охоты было поймано 175 комаров — каждые шесть секунд один комар! Очень резвый темп.
Гриффин говорит, что если бы не сонар, то летучая мышь, даже всю ночь летая с открытым ртом, поймала бы «по закону случая» одного-единственного комара, и то если бы комаров вокруг было много.
Типы природных сонаров
До недавнего времени думали, что природными сонарами обладают только мелкие насекомоядные летучие мыши вроде наших ночниц и нетопырей, а крупные летающие лисицы и собаки, пожирающие тонны фруктов в тропических лесах, их будто бы лишены. Возможно, это так, но тогда, значит, роузеттус представляет исключение, потому что летающие собаки этого рода наделены эхолокаторами.
В полете роузеттусы все время щелкают языком. Звук прорывается наружу в углах рта, которые у роузеттуса всегда приоткрыты. Щелчки несколько напоминают своеобразное цоканье языком, к которому прибегают иногда люди, осуждая что-нибудь. Примитивный сонар летучей собаки работает, однако, достаточно точно: миллиметровую проволоку он засекает с расстояния в несколько метров.
Все без исключения мелкие летучие мыши из подотряда Microchiroptera, то есть микрорукокрылые, наделены эхолотами. Но модели этих «приборов» у них разные. В последнее время исследователи выделяют в основном три типа природных сонаров: шепчущий, скандирующий и стрекочущий, или частотно-модулирующий тип.
Шепчущие летучие мыши обитают в тропиках Америки. Многие из них подобно летучим собакам питаются фруктами. Ловят также и насекомых, но не в воздухе, а на листьях растений. Их эхолотирующие сигналы — очень короткие и очень тихие щелчки. Каждый звук длится тысячную долю секунды и очень слаб. Услышать его могут только очень чувствительные приборы. Иногда, правда, летучие мыши-шептуны «шепчут» так громко, что и человек их слышит. Но обычно сонар их работает на частотах 150 килогерц.
Знаменитый вампир тоже шептун. Нашептывая неведомые нам «заклинания», он отыскивает в гнилых лесах Амазонии измученных путешественников и сосет их кровь. Заметили, что собаки редко бывают искусаны вампирами: тонкий слух заранее предупреждает их о приближении кровососов. Собаки просыпаются и убегают. Ведь вампиры нападают только на спящих животных. Были сделаны даже такие опыты. Собак выдрессировали: когда слышали они «шепот» вампира, сейчас же начинали лаять и будили людей. Предполагается, что будущие экспедиции в американские тропики будут сопровождать эти дрессированные «вампиролокаторы».