Як орієнтуються кажани. Летюча миша може кажан посилаючи сигнал частотою

метелик ведмедиця Bertholdia trigona   - єдине відоме в природі тварина, здатне захищатися від кажанів шляхом глушіння їх локаційних сігналов.Миші не можуть навчитися ловити цей вид ведмедиць, що видає характерні ультразвукові клацання. Однак як саме діють клацання метеликів B. trigona   на кажанів, було невідомо. Американські біологи поставили поведінкові експерименти, в яких вони перевіряли три можливих механізму. Виявилося, що сигнали, що видаються B. trigona, Зменшують точність, з якою кажан визначає відстані до неї. В результаті видаваних метеликом клацань кажан міняє характер своїх сигналів, що ще більш ускладнює можливість спіймати метелика. Автори вважають, що така поведінка B. trigona   могло виникнути з більш давнього способу захисту, відомого у деяких метеликів, - коли акустична сигналізація супроводжується виділенням хімічних речовин, що відлякують хижака.

Кажани і нічні метелики змагаються в еволюційної гонці принаймні протягом 50 мільйонів років. В процесі цієї боротьби метелики виробили досить просту конструкцію слухових органів, яка сприяє швидкому попередження про небезпеку, що наближається і запуску реакції уникнення хижака. Метелики з сімейства ведмедиць, або Arctiidae, крім того, здатні видавати ультразвукові клацання, причому різні види роблять це по-різному. Багато з них видають клацання досить рідко, але акустичний сигнал супроводжується виділенням пахучих речовин, які відлякують кажанів. Інші види навчилися наслідувати цим неїстівним метеликам, клацаючи і не виділяючи ніяких запахів (Barber, Conner, 2007). Ще один із способів захисту - клацання з метою налякати недосвідчену кажана. Цей спосіб, проте, не дуже надійний, тому що миші вчаться і через кілька спроб перестають звертати увагу на клацання метелики.

Нещодавно американські вчені з Університету Уейк-Фореста показали, що один вид ведмедиць, Bertholdia trigona,може видавати часті ультразвукові сигнали, які глушать ехолокаційні сигнали кажанів (Corcoran et al., 2009). Чудово, що кажани не здатні навчитися боротися з цією перешкодою: після численних спроб миші так і не вдається зловити метелика. Тепер ті ж автори поставили завдання з'ясувати механізм, за допомогою якого B. trigonaтак вміло захищає себе (Corcoran et al., 2011). Вони запропонували три гіпотези.

Згідно з першою -   гіпотезі ілюзорного луни, - кажан може плутати сигнали метелика з луною власного сигналу від об'єкта, якого не існує. В цьому випадку миша повинна змінювати траєкторію польоту, відлітаючи від неіснуючого об'єкта. згідно з другою - гіпотезі дистанційній перешкоди, - сигнали, що видаються метеликом, можуть зменшувати точність визначення кажаном відстані до жертви. Це може відбуватися в тому випадку, якщо клацання метелики випереджають відлуння від власного сигналу кажана. Нарешті, відповідно до третьої - гіпотезі маскування, - сигнали метелики можуть повністю маскувати її, і вона виявляється «невидимої» для кажана.

Поведінка кажана в експерименті може показати, яка гіпотеза правильна. Миша або буде змінювати траєкторію польоту, або буде намагатися зловити метелика і промахуватися, або не буде сприймати метелика взагалі і буде продовжувати політ.

Поведінкові експерименти проводили протягом семи ночей в звуконепроникній кімнаті розміром 5,8 × 4,0 × 3,0 м. В експериментах використовували широко поширеного в Америці бурого кажана, Eptesicus fuscus,   відноситься до сімейства гладконосих кажанів. Експерименти проводили на трьох особин E. fuscus.

Попередньо було показано, що всі три миші охоче їли досліджуваний вид ведмедиць в тому випадку, якщо метелики не видавали звуків (відсутність акустичних сигналів було зафіксовано у 22% метеликів). Перед кожним експериментом перевіряли, наскільки надійно миша ловить контрольних метеликів, що не видають сигналів. В якості контролю використовували Galleria melonella. Після цього кожну ніч 16 метеликів (4 - B. trigona, 4 - інші види ведмедиць, які не видають звук, 8 - G. melonella) У випадковому порядку пред'являли одного кажана. Метелики були закріплені на нитки довжиною 60 см. Миша могла атакувати метелика кілька разів, але для аналізу враховували тільки першу атаку.

Всі експерименти записувалися на дві швидкісні відеокамери (250 кадрів в секунду). Ці записи аналізували за допомогою комп'ютерної програми (MATLAB), яка дозволяла порахувати тривимірні координати об'єктів в полі зору камер. В результаті розраховували вектор польоту, мінімальна відстань між мишею і метеликом і вектор від миші до метелика в кожний момент кожного взаємодії. Кут φ визначали як кутове відхилення між вектором польоту миші і вектором між мишею і метеликом (рис. 1).

метелики B. trigona, Як і інші ведмедиці, видають клацання так званими тімбальнимі органами (див. Tymbal). Ці органи добре досліджені у співочих цикад, але у метеликів вони мають дещо інше будова. На тімбальних склеритах у ведмедиць є борозенки, які дозволяють їм генерувати клацання з високою частотою. Серії клацань генеруються як при активному згинанні тімбального склерита всередину (active cycle), так і при пасивному поверненні склерита (passive cycle, рис. 2). Середній інтервал між клацаннями B. trigona, Рівний 325 мкс, виявляється менше, ніж роздільна здатність вуха кажана (400 мкс), тому вся серія клацань сприймається мишею як безперервний звук. На рис. 2 також видно, що частотний спектр сигналу метелики дивним чином імітує спектр сигналу кажана.

У поведінкових експериментах автори спостерігали три типи поведінки кажанів. По-перше, пряму атаку, коли миша підлітала і намагалася схопити метелика (рис. 3А); по-друге, атаку близької дії, коли миша не намагалася схопити метелика, але продовжувала атаку після того, як метелик починала клацати (рис. 3В); по-третє, уникнення, коли миша припиняла атаку незабаром після початку клацання метелика і також не намагалася її схопити (рис. 3С). Три типу поведінки розрізнялися за величиною кута φ (Рис. 3D-F). У разі прямої атаки значення φ не перевищували довірчого інтервалу контрольних атак. При атаці близької дії значення φ зменшувалися або були постійні після початку клацання метелика, але під кінець слідував сильний стрибок, що перевищує довірчий інтервал. При уникненні значення φ починали рости відразу після того, як метелик починала клацати.

Ехолокаційні сигнали миші також розрізнялися у всіх трьох випадках (рис. 3G-I). У разі прямої атаки сигнал закінчувався типовою треллю, яка завжди була присутня в атаках на контрольну метелика (рис. 3G, 4А). Інтервал між клацаннями миші був в середньому 6 мс. В атаці близької дії домінували звичайні клацання, що випливають із інтервалом 10-40 мс, які зазвичай видаються мишами в пошуковій поведінці. Якщо трель і проводилася, то дуже коротка (рис. 3H, 4В). При уникненні миша починала видавати рідкісні клацання незабаром після того, як метелик починала клацати, і взагалі не видавала трелі (рис. 4С).

Досвід кажана в експериментах мав велике значення. Поведінка уникнення переважало протягом двох перших ночей (рис. 5), тоді як з 3-го по 7-ю ніч домінували атаки близької дії. Це говорить про те, що спочатку миші лякалися клацали метеликів, але потім звикали. Проте, тільки 30% атак закінчувалися успішно, і атаки були успішні лише в тих випадках, коли метелики мало клацали. Це підтверджує зроблене авторами припущення, що клацання метелики ефективні для глушіння сигналів мишей тільки в тому випадку, якщо вони генеруються з високою частотою. В атаках близької дії миша промахувалася в середньому на 16 см.

Ці результати, на думку авторів, відповідають прогнозам гіпотези дистанційній перешкоди. Низький відсоток избеганий протягом 3-7 ночей говорить про те, що миші не намагаються ухилятися від ілюзорних перешкод. Наближення миші до метелика на відносно коротку відстань і спроби атак показують, що метелик не повністю маскується, а отже, гіпотезу маскування також можна відхилити.

Відомо, що, коли кажан наближається до своєї жертви, інтервали між клацаннями, тривалість та інтенсивність сигналу зменшуються. Ці зміни в сигналізації миші надзвичайно адаптивні. Висока частота клацань дозволяє миші швидко оновлювати свою «локаційних інформацію», тоді як мінімальна тривалість сигналу запобігає перекривання сигналу і луни, яке починає приходити швидше в міру наближення до жертви. В експериментах з B. trigona   автори спостерігали зворотну ситуацію: тривалість сигналів і інтервали між клацаннями E. fuscus   збільшувалися. Така реакція миші повинна ще більше ускладнювати знаходження потенційної жертви. Автори порівнюють цю поведінку з поведінкою інших ссавців, які таким же чином змінює свій сигнал в умовах високого шуму. Показано, що в цьому випадку поліпшується розпізнавання сигналів.

Вважається, що від початку ведмедиці генерували рідкісні клацання для розсіювання хімічних речовин з метою попередження про свою неїстівності. Очевидно, що еволюція акустичної сигналізації у метеликів йшла по шляху вдосконалення звукових органів, зокрема розвитку борозенок на тімбальной мембрані і почергової активації тімбалов, що дозволило їм генерувати клацання з високою частотою. В результаті деякі види (а автори вірять, що B. trigona   - не єдиний вид метелика, здатний глушити сигнали кажанів) виробили такий чудовий спосіб захисту від досить витонченого хижака.

Кажани зазвичай живуть величезними зграями в печерах, в яких вони прекрасно орієнтуються в повній темряві. Влітаючи і вилітаючи з печери, кожна миша видає нечутні нами звуки. Одночасно ці звуки видають тисячі мишей, але це ніяк не заважає їм чудово орієнтуватися в просторі в повній темряві і літати, не стикаючись один з одним. Чому кажани можуть впевнено літати в цілковитій темряві, що не натикаючись на перешкоди? Дивна властивість цих нічних тварин - вміння орієнтуватися в просторі без допомоги зору - пов'язано з їх здатністю випускати і вловлювати ультразвукові хвилі.

Виявилося, що під час польоту миша випромінює короткі сигнали на частоті близько 80 кГц, а потім приймає відбиті ехо-сигнали, які приходять до неї від найближчих перешкод і від пролітають поблизу комах.

Для того, щоб сигнал був перешкодою відбитий, найменший лінійний розмір цієї перешкоди повинен бути не менше довжини хвилі посилається звуку. Використання ультразвуку дозволяє виявити предмети меншого розміру, ніж можна було б виявити, використовуючи більш низькі звукові частоти. Крім того, використання ультразвукових сигналів пов'язано з тим, що зі зменшенням довжини хвилі легше реалізується спрямованість випромінювання, а це дуже важливо для ехолокації.

Реагувати на той чи інший об'єкт миша починає на відстані близько 1 метра, при цьому тривалість посилаються мишею ультразвукових сигналів зменшується приблизно в 10 разів, а частота їх проходження збільшується до 100-200 імпульсів (клацань) в секунду. Тобто, помітивши об'єкт, миша починає клацати більш часто, а самі клацання стають коротшими. Найменша відстань, яке миша може визначити таким чином, становить приблизно 5 см.

Під час зближення з об'єктом полювання кажан як би оцінює кут між напрямком своєї швидкості і напрямом на джерело відбитого сигналу і змінює напрямок польоту так, щоб цей кут ставав все менше і менше.

Чи може кажан, посилаючи сигнал частотою 80 кГц, виявити мошку розміром 1 мм? Швидкість звуку в повітрі прийняти рівною 320 м / с. Відповідь поясніть.

кінець форми

початок форми

Для ультразвукової ехолокації миші використовують хвилі частотою

1)   менше 20 Гц

2)   від 20 Гц до 20 кГц

3)   більше 20 кГц

4)   будь-якої частоти

кінець форми

початок форми

Уміння чудово орієнтуватися в просторі пов'язано у кажанів з їх здатністю випромінювати і приймати

1)   тільки інфразвукові хвилі

2)   тільки звукові хвилі

3)   тільки ультразвукові хвилі

4)   звукові і ультразвукові хвилі

Запис звуку

Можливість записувати звуки і потім відтворювати їх була відкрита в 1877 році американським винахідником Т.А. Едісоном. Завдяки можливості записувати і відтворювати звуки з'явилося звукове кіно. Запис музичних творів, оповідань і навіть цілих п'єс на грамофонні або патефонні пластинки стала масовою формою звукозапису.

На малюнку 1 дана спрощена схема механічного звукозаписувального пристрою. Звукові хвилі від джерела (співака, оркестру і т.д.) потрапляють в рупор 1, в якому закріплена тонка пружна пластинка 2, звана мембраною. Під дією звукової хвилі мембрана коливається. Коливання мембрани передаються пов'язаного з нею різцю 3, вістря якого креслить при цьому на обертовому диску 4 звукову борозенку. Звукова борозенка закручується по спіралі від краю диска до його центру. На малюнку показаний вид звукових борозенок на платівці, що розглядаються через лупу.

Диск, на якому проводиться звукозапис, виготовляється зі спеціального м'якого воскового матеріалу. З цього воскового диска гальванопластичним способом знімають мідну копію (кліше). При цьому використовується осадження на електроді чистої міді при проходженні електричного струму через розчин її солей. Потім з мідної копії роблять відбитки на дисках з пластмаси. Так отримують грамофонні платівки.

При відтворенні звуку грамофонну пластинку ставлять під голку, пов'язану з мембраною грамофона, і призводять пластинку в обертання. Рухаючись по хвилястою бороздке пластинки, кінець голки коливається, разом з ним коливається і мембрана, причому ці коливання досить точно відтворюють записаний звук.

При механічного запису звуку використовується камертон. При збільшенні часу звучання камертона в 2 рази

1) довжина звукової борозенки збільшиться в 2 рази

2)   довжина звукової борозенки зменшиться в 2 рази

3)   глибина звуковий борозенки збільшиться в 2 рази

4)   глибина звуковий борозенки зменшиться в 2 рази

кінець форми

2. молекулярна фізика

Поверхневий натяг

У навколишньому світі повсякденних явищ діє сила, на яку зазвичай не звертають уваги. Сила ця порівняно невелика, її дія не викликає потужних ефектів. Проте, ми не можемо налити воду в стакан, взагалі нічого не можемо зробити з тієї або іншою рідиною без того, щоб не пустити в хід сили, які називаються силами поверхневого натяженія.Еті сили в природі і в нашому житті відіграють чималу роль. Без них ми не могли б писати пір'яний ручкою, з неї відразу вилилися б все чорнило. Не можна було б намилити руки, оскільки піна не змогла б утворитися. Слабкий дощик промочив би нас наскрізь. Порушився б водний режим грунту, що виявилося б згубним для рослин. Постраждали б важливі функції нашого організму.

Найпростіше вловити характер сил поверхневого натягу у погано закритого або несправного водопровідного крана. Крапля росте поступово, з часом утворюється звуження - шийка, і крапля відривається.

Вода виявляється як би укладеної в еластичний мішечок, і цей мішечок розривається, коли сила тяжіння перевищить його міцність. Насправді, звичайно, нічого, крім води, в краплі немає, але сам поверхневий шар води поводиться як розтягнута еластична плівка.

Таке ж враження справляє плівка мильної бульбашки. Вона схожа на тонку розтягнуту гуму дитячого кульки. Якщо обережно покласти голку на поверхню води, то поверхнева плівка прогнеться і не дасть голці потонути. З цієї ж причини водомерки можуть ковзати по поверхні води, не провалюючись в неї.

У своєму прагненні скоротитися поверхнева плівка надавала б рідини сферичну форму, якби не тяжкість. Чим менше крапелька, тим більшу роль відіграють сили поверхневого натягу в порівнянні з силою тяжіння. Тому маленькі крапельки близькі за формою до кулі. При вільному падінні виникає стан невагомості, і тому дощові краплі майже строго кулясті. Через заломлення сонячних променів в цих краплях виникає веселка.

Причиною поверхневого натягу є міжмолекулярної взаємодії. Молекули рідини взаємодіють між собою сильніше, ніж молекули рідини і молекули повітря, тому молекули поверхневого шару рідини прагнуть зблизитися один з одним і зануритися вглиб рідини. Це дозволяє рідини приймати форму, при якій число молекул на поверхні було б мінімальним, а мінімальну поверхню при даному обсязі має кулю. Поверхня рідини скорочується, і це призводить до поверхневого натягу.

Можна подумати, що немає нічого спільного між радіолокатором і кажаном, між апаратом, яким пишається техніка XX століття, і маленьким звірятком з великими крилами. Однак це не так.

Кажани - дуже своєрідні тварини. Вони водяться головним чином на півдні. Це нічні жителі. Вдень вони сплять, а як тільки зникне сонце, вилітають зі своїх укриттів. Такий спосіб життя крилатих тваринок утруднював спостереження за ними, і про них складали легенди.

Кажани мають гострий слухом. Він допомагає їм полювати за комахами по звуку. Вони мають дуже великі вуха і рот.

Вуха кажанів надзвичайно рухливі. Почувши найменший шум, миша піднімає їх і вслухається, а при сильному шумі швидко відгинає назад.

Давно помічено, що кажани можуть літати в повній темряві, що не натикаючись на перешкоди. Півтори сотні років тому один вчений натураліст вирішив з'ясувати, що ж допомагає їм орієнтуватися в темряві.

Він заліпив кажана очі і пустив її в темну кімнату. Засліплена миша літала повз перешкод, спритно огинаючи їх.

У перегородці зробили отвір. Миша майстерно пролетіла крізь нього. Кімнату перетягнули уздовж і поперек дротом, обвішаної дзвіночками. Позбавлена \u200b\u200bзору, миша годинами літала по кімнаті і ні разу не зачепила за дріт; дзвіночки мовчали.

Провели досвід з іншого мишею - повторилося те ж саме. Тоді покрили миша лаком. Позбавлена \u200b\u200bдотику, вона як і раніше літала по кімнаті, не наштовхуючись на дріт.

Миша черзі позбавляли кожного з органів почуттів. Це аніскільки не впливало на політ: вона літала так само впевнено.

Нарешті їй заткнули вуха. Вона злетіла, і відразу ж по кімнаті задзвонили дзвоники. Миша втратила орієнтування і металася, натикаючись на перешкоди. Стало ясно, що слух, найтонший слух, дозволяє миші облітати перешкоди, які зустрічаються на шляху.

Але як же проводиться така точна орієнтування? Де той джерело звуку, який допомагає миші в її майстерному польоті? Жоден біолог не міг на це відповісти. Таємниця кажанів довго залишалася нерозгаданою.

У 1920 році було висловлено припущення, чи не видають чи миші особливий звук, не чутний людиною. У той час, коли проводилися перші досліди з кажанами, ніхто про це не здогадувався. Тоді не знали про існування ультразвука, який добре вивчений в даний час.

Якщо число коливань частинок повітря більше 20 тисяч в секунду, людина такий високий тон почути не може. Це і є ультразвук. Те, що ми чуємо, - лише невелика частина тих звуків, які існують в природі.

У 1942 році біологи знову піддали випробуванню кажанів. Але тепер вони вже були озброєні досягненнями науки XX століття. Біологи не тільки повторили всі старі досліди, але і доповнили їх тим, що зав'язували миші рот. Це діяло на неї точно так же, як і позбавлення слуху.

Припущення про ультразвук починало підтверджуватися. Але наука вимагає абсолютно чітких, неспростовних доказів. Якщо ультразвук почути не можна, вчені вирішили його побачити і за допомогою особливої \u200b\u200bапаратури записали на стрічку. На ній відбилися сліди коливань дуже високої частоти.

Коли їх підрахували, виявилося, що миша видає звук надзвичайно високого тону - від 25 тисяч до 70 тисяч звукових коливань в секунду.

Після копітких дослідів з'ясувалося, що кажан видає звук і сама ж сприймає його після відображення від перешкод.

Запис ультразвуку, видаваного кажаном, розкрила, як миша користується своїм апаратом для орієнтування. Виявилося. що миша видає ультразвук з перервами.

Ультразвукове відлуння попереджає кажана про перешкоду на її шляху

Після дуже короткого «вигуку» вона замовкає. Потім «кричить» знову і знову замовкає. Таких вигуків вона видає в секунду близько десяти перед зльотом, близько тридцяти в польоті і близько шістдесяти, коли підлітає близько до перешкоди.

Черговий вигук робиться відразу ж після того, як повернеться відбитий звук. Чим коротше шлях до перепони, тим швидше повертається відлуння і тим частіше скрикує миша. Очевидно, за частотою цих вигуків вона і відчуває відстань до перешкоди.

Летюча миша користується звуковими хвилями майже так само, як в радіолокації користуються радіохвилями. Це своєрідний локатор із застосуванням ультразвуку.

Чутний людиною звук для такої мети не підходить. Він не має тих властивостей, якими володіє ультразвук. Ультразвукові хвилі дуже короткі, тому їх надзвичайно легко посилати вузьким пучком. До того ж вони добре відбиваються від незначних перешкод і дають відображення навіть від дроту і гілок. А це як раз необхідно для того, щоб виявити найдрібніші перепони, відрізнити їх одну від одної і визначити напрямок.

Коли миша знаходиться в польоті, її рот діє, як звуковий «прожектор». Він ніби «висвітлює» шлях вузьким звуковим пучком. Величезні вушні раковини миші направляються в ту ж сторону і ловлять відбитий ультразвук.

Така розвідка звуком працює чудово. Якщо шлях вільний, миша летить прямо, якщо ж на шляху перешкода, миша почує це і зверне в сторону. Гранична дальність, на якій миша відчуває перешкоду, близько 25 метрів.

Але є перешкоди, які вона все ж виявити не може. Біологи часто спостерігали, що миша, майстерно облітає в темряві всі перепони, наштовхувалася на людську голову. Це викликало повне здивування, але тепер можна пояснити таке дивне поведінка миші.

Волосся, дуже сильно поглинаючи ультразвук, не дають відображення. А раз немає луни, перешкода не виявляється і миша легко може наштовхнутися на людську голову. Однак в житті кажанів це трапляється рідко, вони з успіхом користуються природним звуковим локатором в своїх нічних польотах.

Ми чуємо тільки шелест крил, насправді ж в підземній обителі звучить жахливий хор ... Ян Ліндблад. В краю гоацинів

Чи можете ви собі уявити, який жахливий шум обрушився б на вас, якби ви раптом опинилися серед тисяч літаків, мотори яких працюють на повну потужність? Ймовірно, таку ситуацію уявити дуже важко. Але давайте трохи пофантазуємо. Для початку припустимо, що ви потрапили в печеру, де повним-повнісінько кажанів (втім, це ще не фантазія). Тепер припустимо, що, потрапивши в печеру, ви несподівано отримали здатність чути сигнали ультразвукового діапазону, тобто ті, частота яких вище 20 кілогерц. Якби все це сталося, вам, ймовірно, довелося б перенести досить неприємні відчуття. Ви були б просто приголомшені страшною ревом, джерелом якого з'явилися маленькі крилаті мешканці печери. Справа в тому, що гучність ультразвукових криків багатьох видів кажанів на відстані 10 сантиметрів від голови тварини досягає 110-120 децибел. Приблизно такий же шум, але в чутному діапазоні частот виробляє авіаційний двигун на відстані 1 метра. Для порівняння треба відзначити, що рівень гучності 130 децибел і вище викликає у людини больові відчуття.

Перш ніж пояснити вражаючі здібності кажанів до такого оглушливого крику, згадаємо про деякі властивості ультразвуку.

Одна з особливостей ультразвуку полягає в тому, чого можна випромінювати в вигляді майже паралельного вузького пучка, в той час як звуки чутного діапазону, як правило, випромінюються в усіх напрямках. Це властивостей ультразвуку можна пояснити з точки зору загальної дифракції хвиль.

Можливість утворення ультразвукових пучків дозволяє фокусувати енергію сигналу в певне місце. Інтенсивність ультразвуку збільшується пропорційно квадрату частоти коливань, і тому, підвищуючи частоту, можна відносно легко отримати ультразвуки величезної сили. Однак велика кількість енергії ультразвуку втрачається при проходженні в середовищі, в зв'язку з чим сигнал швидко згасає.

З усього сказаного зрозуміло, чому кажанам так легко вдається випромінювати інтенсивні сигнали високої спрямованості. Ясно також і те, що сигнали меншої інтенсивності губилися б в повітрі, не даючи тваринкам можливості скористатися одним з дивних способів орієнтації в просторі - ехолокацією.

Кажани давно вже стали класичними об'єктом вивчення ехолокації тварин, а їх "сонари" стали чи не найпопулярнішою темою всіляких статей і публікацій про "патентах природи". Історія відкриття, вірніше, дослідження ехолокації налічує без малого 200 років і веде свій початок з 90-х років XVIII століття.

Професор університету італійського міста Павії Лазаро Спалланцани був уже немолодий, коли він вперше зацікавився здатністю нічних тварин знаходити шлях у темряві. Серед своїх колег вчений на той час був досить відомий працями в різних областях природознавства.

До перших спроб Спалланцани провів в 1793 році. Спочатку він встановив, що кажани вільно пересуваються в темному приміщенні, в якому навіть такі, здавалося б, зіркі нічні тварини, як сови, безпорадні. Спалланцани вирішив, що весь секрет криється в надзвичайну гостроту зору кажанів, що дозволяє їм орієнтуватися в повній темряві. Щоб перевірити своє припущення, він, засліпивши кількох кажанів, випустив їх на волю. Позбавлені зору звірята прекрасно літали і навіть ловили комах.

Спалланцани, впевнений в тому, що кажани володіють невідомим досі почуттям, тут же розіслав вченим-колегам листа з проханням повторити експерименти і повідомити йому про результати. Багато з них підтвердили правильність досліджень Спалланцани. Але швейцарський натураліст Шарль Жюріна, повторивши описані Спалланцани досліди, на цьому не зупинився і зробив ще один крок на шляху розкриття таємниці кажанів. Виявилося, що якщо заліпити вуха тварин воском, то він: починають натикатися на перешкоди. Жюріна зробив висновок: кажани "бачать вухами".

Летюча лисиця (Pteropus)

Спалланцани перевірив досліди Жюріна і, переконали в їх достовірності, прийшов до висновку, що летюча: миша може чудово обходитися без зору, але потер: слуху неминуче веде її до загибелі. Однак дати переконливого пояснення здатності звірків орієнтуватися за допомогою слуху Спалланцани не зміг. Висновки його незабаром були відкинуті, а згодом і зовсім забуті! Противники його ідей, знущаючись над "слуховий" теорією, глузливо запитували: "якщо кажани бачать на власні вуха, то не чують вони своїми очима?"

Найбільший французький вчений того часу Жорж Кюв'є, розгромивши висновки Жюріна і Спалланцани, висунув свою умоглядну теорію. На його думку, крила летючих мишей мають високу чутливість і можуть уловлювати навіть саме незначне згущення повітря, яке утворюється між крилом і перешкодою. Ця гіпотеза Кюв'є, отримавши назву "тактильної теорії", була визнана багатьма вченими і проіснувала в науці понад 100 років. За весь цей період до питань, що стосуються орієнтації кажанів, не було додано жодного свіжого факту. Незважаючи на те, що деякі дослідники зрідка згадували про турботою "слуховий теорії", їх експерименти не заходили далі тих, які вже були проведені Спалланцани і Жюріна.

На початку нашого століття, після трагічного випадку з трансатлантичних лайнером "Титанік", багато вчених почали ламати голови над створенням пристрою, що забезпечує кораблю сигналізацію при наближенні до айсбергу. Не залишився в стороні від цієї проблеми відомий американський винахідник Хайрем Максим, той самий, чиє ім'я носить скорострільний станковий кулемет. Максим був першим, хто висловив думку про те, що кажани використовують в польоті звукову локацію, і запропонував застосувати принцип ехолокації в приладі для виявлення невидимих \u200b\u200bоб'єктів. Помилка Максима була в тому, що він припускав наявність у кажанів орієнтаційних сигналів низьких інфразвукових частот, немає чутних людським вухом. Джерелом таких звуків, на думку винахідника, могли служити махають крила звірків.

Під час першої світової війни французький фізик Ланжевен отримав патент на виготовлення приладу для виявлення підводних об'єктів за допомогою генератора ультразвуку. У 1920 році англійський нейрофізіолог Хартрідж, знаючи про роботи Ланжевена, висловив гіпотезу про те, що механізм ехолокації кажанів, ймовірно, заснований на використанні еле. Однак гіпотеза залишалася гіпотезою, так як експериментальних підтверджень зроблено не було.

Остаточно справу прояснилося тільки в 1938 році. Вирішальну роль у відкритті зіграла співпраця представників різних наук - фізики та біології. Незадовго до цього в лабораторії фізичного факультету Гарвардського університету професор Пірс сконструював прилад для перетворення високочастотних звуків в коливання більш низької частоти, чутної людським вухом. Дізнавшись про існування звукового детектора - так називався цей прилад, - студент-біолог того ж університету Дональд Гріффін приніс одного разу в лабораторію Пірса клітку з кажанами. Це були широко поширені в США мала бура нічниця і великий бурий кажан. Коли мікрофон детектора направили на клітку, з гучномовця на вчених обрушився оглушливий потік тріскучих звуків. Стало абсолютно ясно, що кажани видають сигнали в діапазоні частот, що лежать вище порога чутності людини.

Апарат Пірса був влаштований таким чином, що при необхідності можна було встановити розподіл інтенсивності звуків за частотами. Проводячи дослідження, Гріффін і Пірс виявили, що частоти звуків, що випускаються кажанами в польоті, лежать в межах 30- 70 кілогерц, а найвищої інтенсивності сигнали досягають в діапазоні 45-50 кілогерц. Крім того, вчені з'ясували, що звірята випромінюють звуки не безупинно, а у вигляді коротких імпульсів тривалістю 1-2 мілісекунди.

Незабаром після цього Гріффін і Галамбоса провели ряд експериментів, в яких довели, що позбавити кажана можливості добре орієнтуватися серед перешкод можна не тільки затикаючи їй вуха, а й щільно закриваючи рот. Ці досліди підтвердили висловлену колись Хартрідж гіпотезу про наявність у кажанів сигналів ультразвукового діапазону і їх використанні при орієнтації в просторі.

Гарну міфологічну легенду розповідає Овідій в «Метаморфозах» про молоду німфу, яка в один прекрасний день закохалася в молодого і дуже красивого юнака Нарциса. Однак він залишився байдужим до неї і вважав за краще проводити весь час, нахилившись до води, щоб милуватися відображенням свого красивого образу. Врешті-решт він вирішив обійняти власне зображення, впав в річку і потонув. Зневірившись, німфа збожеволіла. Її голос, блукаючи всюди, відповідає всім криків в лісах і горах.

Овідій, в'язень ТОМІС, не думав, що між "відлунням" ніжною німфи і нічним родом кажанів буде встановлена \u200b\u200bтаємний зв'язок.

Перший крок зробив італійський вчений Ладзаро Спаланцані, який влітку 1783 року сотні разів відвідував дзвіницю кафедрального собору в Падуї, щоб виконати надзвичайно цікаві досліди з кажанами, які гронами висіли на запиленому виступі зводу храму. Спочатку він простягнув безліч тонких ниток між стелею і підлогою, потім зняв кілька кажанів, заліпив їм воском очі і відпустив. На другий день зловив кажанів з заліпленими очима і з подивом помітив, що їх шлунок повний комарів. Отже, цим тваринам не потрібні очі для лову комах. Спалланцани зробив висновок, що кажани мають невідоме шосте чуття, за допомогою якого вони орієнтуються в польоті.

Знаючи про досліди Спалланцани, швейцарський природодослідник Шарль Жюріна вирішив замазати вуха кажанів воском. Він отримав несподіваний результат: кажани були не здатні розрізняти навколишні предмети, билися об стіни. Чим можна пояснити таку поведінку кажанів? Хіба маленькі тварини бачать вухами?

Відомий французький анатом і палеонтолог Жорж Кюв'є, високоавторитетному вчений свого часу в області біології, заперечував дослідження Спалланцани і Жюріна і висунув досить сміливу гіпотезу. Кажани, говорив Кюв'є, володіють найтоншим почуттям дотику, які перебувають на дуже тонкій шкірці крил, чутливих до найменшого тиску повітря, яке утворюється між крилами і перешкодою.

Така гіпотеза більше 150 років існувала в світовій науці.

У 1912 році винахідник автоматичного кулемета Максим зовсім випадково висунув гіпотезу про те, що кажани орієнтуються з допомогою луни, одержуваного від шуму власних крил; він запропонував побудувати на цьому принципі апарат для попередження суден про наближення айсбергів.

Голландець С. Дійкграаф в 1940 році і радянський вчений А. Кузякин в 1946 році ясно показали, що органи дотику не грають ніякої ролі в орієнтуванні летючих мишей. Таким чином, була розвіяна гіпотеза, яка проіснувала 150 років. Американські вчені Д. Гріффін і Р. Галамбоса зуміли дати справжнє пояснення орієнтування кажанів. За допомогою приладу для виявлення еле вони встановили, що кажани видають безліч звуків, які не сприймаються вухом людини. Вони зуміли виявити і вивчити фізичні властивості "крику" кажанів. Встромивши у вуха кажанів спеціальні електроди, американські вчені встановили разом з тим і частоту звуків, що сприймаються їх слухом. Отже, прогрес науки і техніки дозволити пояснення однієї з хвилюючих таємниць природи. Відомо, що з фізичної точки зору звук - це коливальні рухи, що поширюються в формі хвиль в пружному середовищі. Частота звуку (отже його висота) залежить від їла коливань в секунду. Вуха людини сприймають коливання повітря від 16 до 20000 Гц. Сприймаються людиною звуки частотою більше 20000 Гц називаються ультразвуками, вони можуть бути дуже легко продемонстровані за допомогою введеної в воду кварцової пластинки під тиском. При цьому шум кварцової платівки не чути, а видно результати її вібрації в формі вихорів і навіть бризок, води. За допомогою кварцу можна отримати коливання до мільярда герц.

Ультразвук знаходить нині широке застосування. За допомогою ультразвуку можна виявити найдрібніші тріщини або порожнечі в структурі відлитих з металу деталей. Він застосовується замість скальпеля в безкровних хірургічних операціях на мозку і при різанні і шліфовці надтвердих деталей.

Кажани використовують ультразвук для орієнтування. Ультразвук утворюється вібрацією голосових зв'язок. За своєю структурою гортань схожа на свисток. Видихається легкими повітря виходить з великою швидкістю і видає свист з частотою 30000-150000 Гц, що не вловлюється вухом людини. Тиск повітря, що проходить через гортань кажана, в два рази більше тиску пари у паровоза, що для маленької тварини є великим досягненням.

У гортані тваринного виникають 5-200 звукових коливань високої частоти (ультразвукові імпульси), які зазвичай тривають всього лише 2-5 тисячних частки секунди. Стислість сигналу є дуже важливим фізичним фактором: тільки такий сигнал може забезпечити високу точність ультразвукового орієнтування. Вихідні від розташованого на відстані 17 м перешкоди звуки повертаються до летючої миші приблизно за 0,1 секунди. Якщо тривалість звукового сигналу перевищує 0,1 секунди, відлуння, отражаемое перешкодами, які розташовані на відстані менше 17 м, сприймається вухом тваринного одночасно з породжує його звуком. Тим часом, по інтервалу часу, що розділяє кінець сигналу від перших звуків і відлуння, кажан визначає відстань, яке її відділяє від об'єкта, який відбив ультразвук. Ось чому звуковий сигнал настільки короткий.

Встановлено, що летюча миша, у міру наближення до перешкоди, збільшує кількість "сигналів". При нормальному польоті гортань тваринного видає лише 8-10 сигналів в секунду. Однак, як тільки тварина виявить видобуток, його політ прискорюється, число видаваних сигналів досягає 250 в секунду. У цьому полягає "вимотування" видобутку шляхом зміни координат нападу. Апарат "локації" у кажана діє просто; і винахідливо. Тварина літає з відкритим ротом так, що видаються їм сигнали випромінюються в конусі з кутом більше 90 °. Летюча миша орієнтується шляхом порівняння сигналів, що приймаються її вухами, які залишаються піднятими протягом всього часу польоту, як приймальні антени. Підтвердженням такого припущення є те, що якщо одне вухо не діє, кажан зовсім втрачає здатність орієнтуватися.

Всі кажани підряду Microchiroptera (дрібні кажани), оснащені ультразвуковими радарами різних моделей, які можуть бути розділені на три категорії: муркочуть, що скандують, кричущі або миші з частотною модуляцією.

"Муркоче" кажани живуть в тропічних районах Америки і харчуються фруктами і комахами з листя. Іноді їх муркотіння при пошуку мошок може почути людина, якщо вони видають звуки на частоті нижче 20000 Гц. І кажан-вампір видає такі ж звуки. Мугикаючи "кабалістичні формули", вона шукає у вологих лісах Амазонки знесилених мандрівників, щоб висмоктати з них кров.

Скандують кажанами, що видають уривчасті звуки, є rhinolofii, або кажани-підкови, які зустрічаються на Кавказі і в Центральній Азії; таку назву вони отримали через форми складок навколо носа. Підкова є репродуктор, який збирає звуки в спрямований пучок. Скандують кажани підвішуються головою вниз і, повертаючись майже вкруговую, вивчають навколишній простір за допомогою звукового пучка. Цей живий детектор залишається висячим до тих пір, поки яка-небудь комаха не потрапить в поле його звукового сигналу. Тоді кажан робить ривок, щоб схопити здобич. Під час полювання кажани-підкови видають монотонні дуже тривалі порівняно з їхніми найближчими родичами (10-20 часток секунди) звуки, частота яких постійна і завжди однакова.

Кажани в Європі і в Північній Америці вивчають навколишній простір за допомогою звуків модульованої частоти. Тон сигналу і висота відбиваного звуку постійно змінюються. Такий пристрій набагато полегшує орієнтування по луні.

У польоті кажани останніх двох груп поводяться по-особливому. Звичайні кажани тримають вуха нерухомо, прямо, а кажани з носом у вигляді підкови безперервно виробляють рухи головою, а вуха у них вібрують.

Однак рекордом в області орієнтування мають кажани, що мешкають в районах Америки і харчуються рибою. Летюча миша-рибалка літає майже біля поверхні води, різко пікірує і здійснює стрибок в воду, опускає туди лапи з довгими кігтями і вихоплює рибу. Таке полювання здається дивною, якщо врахувати, що лише тисячна частина испускаемой хвилі проникає в воду і також тисячна частина енергії луни від води повертається до локатор кажана. Якщо до цього додати, що частина енергії хвилі відбивається в рибі, м'ясо якої містить велику кількість води, можна зрозуміти, яка мізерно мала частка енергії досягає вуха тварини і яку фантастичну точність повинен мати його звуковий орган. Можна також додати, що таку дуже слабку хвилю потрібно ще відрізнити від звукового фону безлічі перешкод.

70 мільйонів років існування кажанів на землі навчили їх використовувати фізичні явища, які ще невідомі нам. Виявлення сигналу, повернутого до свого джерела, значно ослабленого і затонулого в шумі перешкод, є технічною проблемою, яка надзвичайно займає розуми вчених. Правда, в розпорядженні людини є дивовижний детектор на радіохвилях, так званий радар, який за чверть століття свого існування зробив чудеса, кульмінацією яких з'явилися зондування Місяця і точне вимірювання орбіти планети Венера. Що б робили без радара авіація, морський флот, протиповітряна оборона, географи, метеорологи, гляциологи білих континентів? І все ж радіотехніки мріють про радар на ультразвук кажана, безперечно більш досконалому, ніж той, який винайшов людина. Маленька істота вміє відбирати і посилювати мізерну залишкову фракцію сигналу, що подається серед океану перешкод. Стикаючись з надзвичайно великим шумом, званим божевільним ефіром, інженери і техніки були б щасливі, якби могли використовувати принципи уловлювання сигналу, якими користуються кажани. Якщо радар залишається блискучим детектором для великих відстаней, то локатор кажанів на основі луни залишається ідеальним засобом для малих відстаней.