Живые системы работают не хуже, но иначе

Зрение – важнейшее средство ориентации животных в пространстве. Ну, а если его нет или оно развито слабо? Насколько важен этот фактор в эволюции? Природа ответила на этот вопрос, создав животных, использующих для ориентации принцип эхолокации.

Среди южноамериканских птиц есть родственник нашего козодоя, которого местные жители называют гуахаро. В отличие от козодоя, он обитает в сырых и глубоких пещерах. Летающий в темноте гуахаро издает резкие звуки с частотой около 7 кГц. Воспринимая эхо, птица узнает о том, где и на каком расстоянии находятся стены пещеры.

Сходными способностями обладают и южноазиатские стрижи – саланганы. Внешне они напоминают обычных стрижей, но гнездятся на скалистых побережьях, часто в нишах и углублениях скал. Их гнезда местные гурманы охотно употребляют в пищу, называя их «ласточкины гнезда». Саланганы живут в условиях ограниченной видимости и часто совершают полеты в глубоких сумерках, поэтому они, так же как гуахаро, приспособились ориентироваться в пространстве по отраженным от скал сигналам. Издаваемые ими с этой целью звуки относительно низкочастотные и воспринимаются человеческим ухом.

Предполагается, что кроме птиц, способности к эхолокации есть у насекомых, морских свинок, крыс, сумчатых летяг, обезьян и других животных. Однако их способности если и выражены, то в очень слабой степени.

Давно известно о способности летучих мышей летать в абсолютной темноте, совершая виртуозные повороты между деревьями и ветвями и отлавливая на лету насекомых. В позапрошлом веке итальянский ученый Л.Спалланцани установил, что ослепленные летучие мыши могут летать по комнате, не задевая расставленных там предметов, а выпущенные на волю (и затем снова отловленные) питались так же успешно, как и зрячие.

Спустя полтора века опыты итальянского ученого продолжили три американца – Г.Пирс, Д.Гриффин, Р.Галамбос. Они повторили некоторые опыты Спалланцани и убедились, что зверьки с закупоренным воском ртом или носом утрачивают способность к эхолокации. Электронная аппаратура позволила установить, что для эхолокации летучие мыши используют ультразвук, причем ультразвуковой локатор позволял им не только ориентироваться, но и опознавать предметы, определяя такие их характеристики, как размеры и форму, фактуру поверхности и т.д. Один из современных исследователей метко назвал всю совокупность этих способностей «звуковидением», подчеркивая, что в эволюции они возникли как главный способ пространственной ориентации в тех условиях, в которых летучие мыши живут.

Гортань летучей мыши напоминает свисток, через который зверек продувает воздух из легких. При этом рождается звук очень высокой частоты – от 50 до 100 кГц. Летая с открытым ртом, зверек использует его как рупор для ультразвуковых сигналов, распространяющихся в виде сфокусированного луча в направлении полета.

Если размеры предметов значительно больше длины волны, звук от них отражается, давая сильное эхо. Если же размеры отражающего объекта равны или меньше длины волны, вторичные волны распространяются во всех направлениях, уменьшая энергию отраженной волны.

Когда длина звуковой волны больше диаметра устья «рупора», звук фокусируется очень слабо. Локатор, работающий на частоте 100 кГц, излучает ультразвуковые волны длиной 3,3 мм, легко фокусируемые открытым ртом. Зверек способен обнаруживать проволоку диаметром 0,12 мм с расстояния 30 см и легко пролетает сквозь сетку из такой проволоки с достаточно крупными ячейками.

Начиная полет, летучие мыши издают 5–10 сигналов в 1 с, в крейсерском полете – 20–30 сигналов в 1 с, приближаясь к ночной бабочке – своей главной добыче – зверьки издают в 1 с до 250 сигналов.

Издавая сигнал, летучая мышь сначала закрывает уши, а затем вновь их открывает, чтобы зафиксировать отраженный сигнал. Для этой цели она использует специальные мышцы. При максимальной частоте зондирующих импульсов 250 Гц заслонка в ухе открывается и закрывается 500 раз в 1 с, причем ее открывание занимает менее 1 мс.

Чтобы можно было с помощью эха определять расстояние до предмета, интервалы между импульсами должны превышать время, в течение которого звук долетает до предмета и возвращается обратно. За 1 мс звук пробегает 33 см. Если предмет расположен в 16,5 см от зверька, сигнал поступает в «приемник» уже через 1 мс после испускания. Для успешного определения расположения близких целей импульсы должны иметь малую длительность (1 мс). Замечено, что летучие мыши не способны определять местоположение препятствий, расположенных ближе 16 см.

Ну а как летучие мыши обнаруживают более близкие цели? Ведь им приходится ловить насекомых, подлетая к ним практически вплотную. Здесь работает уже другой механизм, основанный на частотной модуляции импульсов. Каждый импульс начинается с очень высокой частоты, а затем падает на целую октаву. Например, начальная частота импульса 100 кГц, а конечная – 45 кГц, причем общая длительность сигнала составляет 1 мс.

Приближаясь к добыче на расстояние меньше 16 см, летучая мышь уменьшает энергию испускаемых импульсов, делая их безопасными для «приемника». Вероятно, на таких расстояниях до момента контакта с добычей уши перестают «отключаться» на время работы передатчика. В этот момент на слуховую систему зверька одновременно действуют сильный сигнал и слабый сигнал, отразившийся от цели. Этот последний каким-то образом выделяется из шума, создаваемого работающим передатчиком. По задержке этого сигнала относительно зондирующего импульса зверек оценивает расстояние до цели. Если задержка составляет 0,1 мс, цель находится на расстояния 1,6 см от уха.

Уши летучей мыши способны «отстраиваться» от сигналов, не представляющих для нее интереса, прежде всего сигналов других летучих мышей. Ее приемник защищен от помех настолько, что обнаруживает полезный сигнал даже в том случае, если помехи в 30 раз превышают уровень сигнала.

Далеко не все возможности эхолокатора летучей мыши исследованы биологами и инженерами. Во всяком случае, не настолько, чтобы их можно было однозначно использовать в технических устройствах. Но уже существуют реально работающие модели, помогающие, например, слепым людям. Так, уже в 1960-х гг. были сконструированы точные портативные приборы, компенсирующие слепоту и позволяющие человеку с ограниченным зрением избегать разнообразных препятствий.

Спустя 10 лет новозеландский профессор Л.Кэй, работающий в Кентерберийском университете, создал прибор, названный «сонаром» и облегчающий ориентацию в пространстве слепым людям,

Подобно локатору летучей мыши, сонар испускает в окружающую среду ультразвуковые импульсы. Эхо, отразившееся от препятствий, накладывается на эти импульсы, создавая звуковые сигналы, которые человек воспринимает через наушники. Высота воспринимаемого таким образом звука свидетельствует о близости или удаленности окружающих предметов. Однако тот, кто собирается использовать ультразвуковой сонар, должен уметь различать качество эха, отраженного от различных предметов – стены, изгороди, столба, дерева и т.д. При отражении эха от двух различных предметов звучат своеобразные аккорды. Необходимые навыки различать эти звуки человек приобретает только после некоторой практики.

В дальнейшем прибор был существенно усовершенствован. Узкий пучок излучаемых импульсов был заменен широким «освещением» окружающих предметов. Новый прибор был назван «ультразвуковыми очками», а его передатчик был вмонтирован в переднюю часть специальных очков. Отраженное эхо от окружающих предметов улавливали приемники-микрофоны, помещающиеся по обеим сторонам головы. Местонахождение источника эха определялось по разнице в степени громкости, высоте звука и времени поступления сигналов, воспринимаемых каждым ухом.

Людям, полностью утратившим зрение, был предназначен созданный российскими учеными и инженерами портативный ультразвуковой локатор «Ориентир». Подобно летучей мыши, этот прибор излучает тонкий ультразвуковой луч, который, отражаясь от встречающихся на его пути предметов, создает разные по частоте и тональности звуки, воспринимаемые через миниатюрные приемники.

В настоящее время работы по моделированию подобных приборов продолжаются, а уже готовые образцы совершенствуются. Так что есть надежда, что благодаря бионике для людей, потерявших зрение, откроются новые возможности ориентироваться в пространстве.