Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Патенты природы

Кандидат биологических наук И. Акимушкин, инженер Ю. Калинин

1. ЖИВОЙ РАДАР

Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации

Живет в Ниле рыбка. Она никогда не попадается в сети. Издали чувствует приближение человека. Поймать ее почти невозможно.

Рыба эта - мормирус. Называют ее и "водяным слоном" из-за вытянутых в длинный хобот челюстей. До недавнего времени была непонятна ее способность видеть невидимое. Изобретение радиолокатора помогло раскрыть тайну. Оказывается, природа наделила "водяного слона" чувствительным радаром.

В хвосте у мормируса помещается небольшая "карманная батарейка" - электрический орган. Напряжение тока, который он вырабатывает, невелико всего несколько вольт. Но этого достаточно. Возникающие от разрядов "батарейки" электромагнитные колебания отражаются от окружающих предметов и в виде радиоэха вновь возвращаются к мормирусу. "Приемник", улавливающий эхо, расположен в основании спинного плавника рыбки.

Мормирус ощупывает окрестности с помощью радиоволн.

Замечательный радиоглаз обнаружен в хвосте и электрического угря Южной Америки - длинной, похожей на толстого червя рыбы. Ее электрические органы развивают рекордное напряжение - до 600 вольт!

Радиолокаторами наделены, по-видимому, также длинные и плоские рыбы-ножи, или гимнотиды. Они живут в густых подводных джунглях Амазонки. Переползая с растения на растение, ножи-рыбы с трудом' протискиваются в дремучих дебрях водорослей. "Глаз", который видит сквозь густые заросли, им весьма кстати.

Физическая природа рыбьего радиолокатора еще не совсем ясна. Может быть, мормирус в результате длительной эволюции сумел "подобрать" для своего радиолокатора какой-то неизвестный пока человеку диапазон электромагнитных волн, с помощью которых ему удалось осуществить радиолокацию и под водой, разумеется, на небольших дистанциях. А может быть, все дело в чувствительности его воспринимающих органов, относительная мощность которых превосходит показатели, достигнутые человеком в радиотехнике?

Есть на этот счет и совсем особая точка зрения некоторые исследователи предполагают, что действие локатора мормируса основано на принципе измерения электропроводности среды.

2. ШЕСТОЕ ЧУВСТВО

Всем известно, что летучие мыши пользуются в полете ультразвуковым навигационным органом. Этому вопросу посвящено немало и научных и популярных статей. Однако еще многое неясно в "конструкции" и режиме работы природного эхолокатора. Как отличает он собственное эхо от ультразвуковых сигналов своих собратьев? Каков физиологический механизм эхолотирования? Какие средства защиты от ультразвукового пеленгатора существуют в природе?

Ультразвуки возникают в гортани летучей мыши (по своему устройству гортань напоминает обычный свисток). Выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через природный "свисток", рождается звук очень высокой частоты - до 70 тысяч герц (человек его не слышит).

Летучая мышь может периодически задерживать поток воздуха, идущий через гортань, а затем вновь освобождает его. Воздух с силой вырывается наружу, словно выброшенный взрывом. Отдельные "взрывы" прорывающегося через гортань воздуха вызывают кратковременные высокочастотные звуковые колебания - ультразвуковые импульсы. В секунду следует от 5 до 60, а у некоторых видов летучих мышей даже от 10 до 200 импульсов. Каждый импульс всего длится 2 - 5 тысячных доли секунды.

Краткость звукового сигнала - очень важный физический фактор. Лишь благодаря ему возможна точная эхолокация, то есть ориентировка с помощью ультразвуков.

От препятствия, которое удалено от зверька на 17 метров, отраженный звук возвращается приблизительно через одну десятую секунды. Если звуковой сигнал продлится дольше, то это эхо, отраженное от предметов, расположенных ближе 17 метров, будет восприниматься органами слуха одновременно с основным звучанием. А ведь, очевидно, по промежутку времени между концом звукового импульса и первыми звуками вернувшегося эха летучая мышь инстинктивно получает представление о расстоянии до предмета, отразившего ультразвук. Поэтому звуковой сигнал так краток.

Советский ученый Е. Я. Пумпер сделал в 1946 году очень интересное предположение, которое хорошо объясняет физиологическую природу эхолокации. Он считает, что летучая мышь каждый новый звуковой импульс издает сразу же после того, как получит отраженный сигнал от предыдущего звука. Таким образом, импульсы рефлекторно следуют друг за другом. Раздражителем, вызывающим их, служит эхо, уловленное 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 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, а в полете - до 30. При приближении к препятствию звуковые сигналы учащаются до 50 - 60 раз в секунду. Некоторые летучие мыши во время охоты на ночных насекомых, настигая добычу, посылают даже 200 импульсов в секунду.

Эхолокатор летучих мышей - очень точный навигационный прибор он в состоянии запеленговать даже микроскопически малый предмет диаметром всего в 0,2 миллиметра. Но вот дальность его действия невелика около одного метра.

Однако в последние годы у некоторых видов летучих мышей открыты более мощные эхолокаторы, способные оповещать зверька о препятствиях, удаленных на 68 метров. Эти летучие мыши - подковоносы. Некоторые из них обитают на юге нашей страны - в Крыму, на Кавказе, в Средней Азии. Подковоносами их называют за скульптурные наросты на морде в виде кожистой подковы, странной формы гребней и складок. Наросты - не праздные украшения это своего рода антенны, направляющие звуковой сигнал и воспринимающие его эхо. Некоторые исследователи утверждают, что носовые отверстия подковоноса расположены в центре сложной системы акустических рефлекторов, роль которых выполняют упомянутые кожистые "украшения".

Подковоносы испускают ультразвук не через рот, как наши обычные (гладконосые) летучие мыши, а через нос. Звуковые импульсы, которые они издают, отличаются гораздо большей (в 20-30 раз) продолжительностью. Принцип эхолотирования у подковоносов, очевидно, иной, нежели у гладконосых летучих мышей. О расстоянии до предметов они, по-видимому, судят не по длительности промежутка между звуковым импульсом и возвращением эха, а по силе отраженного звука от более удаленных предметов приходит менее громкое эхо, чем от близких.

В Африке найдены летучие мыши, совмещающие оба принципа эхолотирования. Отдаленные предметы они "ощупывают" более продолжительными звуковыми импульсами, а близкие - короткими, обладающими к тому же и большей частотой звука (около 120 тысяч герц).

С помощью эхолокации летучие мыши находят и свою добычу стаи комаров и других ночных насекомых.

В последние годы было установлено, что ультразвуковым навигационным органом наделены не только летучие мыши. Это "шестое" чувство, оказывается, очень широко распространено в природе.

Кулики, совы, некоторые козодои и певчие птицы, застигнутые в полете туманом или темнотой, "ощупывают" своим криком землю. Прислушиваясь к эху, узнают о высоте полета, о препятствиях на пути.

Ориентируются путем эхолокации и насекомые, морские свинки, крысы, сумчатые летяги и даже обезьяны.

Киты и рыбы, которых долго считали немыми, тоже с помощью ультразвуков обмениваются сигналами, измеряют глубины, узнают о приближении добычи.

Советский зоолог А. Томилин установил, что черноморские дельфины издают звуки дыхалом (ноздрей, снабженной сильной мускулатурой, которая замыкает носовое отверстие, когда дельфин погружается в воду). Звук этот похож на писк, напоминает скрип двери. Находящийся под водой человек слышит его отчетливо. Видны и пузырьки воздуха, пробивающиеся из плотно закрытой ноздри. Писк - это только воспринимаемая нашим ухом часть разнообразной гаммы звуков.

Дельфин издает писк каждые 15-20 секунд. Малейший всплеск на поверхности воды - и он сейчас же учащает свои крики, "ощупывает" ими погружающийся предмет. Даже маленькая дробинка, упавшая в воду, не ускользает от внимания дельфина; рыба, брошенная в водоем, засекается немедленно. Не видя в мутной воде добычу, дельфин тем не менее безошибочно преследует ее, вслед за ней точно меняет курс. Прислушиваясь к эху своего голоса, дельфин слегка наклоняет голову то в одну, то в другую сторону, как и человек, пытающийся точнее установить направление звука.

3. МОЖНО ЛИ ВИДЕТЬ ТЕПЛО?

Натуралистов всегда поражала тонкость зрения сов. Охотятся они в ночной темноте на мелких грызунов и вылавливают их немало десятки за ночь.

Некоторые ученые считают, что совы видят... тепло, которое испускает тело их жертвы. Возможно, что глаза сов как-то улавливают невидимые для нашего зрения инфракрасные, то есть тепловые, лучи.

Опыты с совами дали разноречивые результаты. Одни исследователи как будто подтвердили предположение об их "тепловом зрении". Другие же своими работами показали, что такого зрения у совы нет. Вопрос этот еще подлежит уточнению.

Но есть другие животные, способные "видеть" тепло. Некоторые глубоководные кальмары, помимо обычных глаз, наделены еще так называемыми термоскопическими глазами, то есть органами, способными улавливать инфракрасные лучи. Термоскопические глаза рассеяны по всей нижней поверхности хвоста. Устроены они, как обычный глаз, но снабжены светофильтрами, задерживающими все лучи, кроме инфракрасных.

Возможно, что в термоскопических глазах происходят процессы такого же типа, как на сетчатке нашего глаза или на фотопластинке в момент экспозиции. Поглощенная органом энергия приводит здесь к перекомбинации светочувствительных (у кальмаров - теплочувствительных) молекул, которые воздействуют на нерв, вызывая в мозгу представление наблюдаемого объекта.

Своеобразными термолокаторами снабжены и змеи. На востоке нашей страны водятся ядовитые змеи, прозванные щитомордниками. Голова у них сверху покрыта крупными щитками. По бокам с каждой стороны между ноздрей и глазом у щитомордников видны какие-то большие ямки. Впечатление такое, будто у них четыре ноздри.

Змей с четырьмя "ноздрями" зоологи объединяют в одно семейство так называемых ямкоголовых. Ямкоголовые змеи водятся в Америке (гремучие змеи) и в Азии.

Проведенные анатомами тщательные исследования показали, что лицевые ямки гремучих змей представляют собой углубления в верхней челюсти Каждая ямка на некоторой глубине от входного отверстия разделена поперечной перегородкой (мембраной) на две камеры - внутреннюю и наружную. Наружная камера лежит впереди и широким воронкообразным отверстием открывается наружу, между глазом и ноздрей, Задняя (внутренняя) камера совершенно замкнута. Позднее удалось заметить, что и она сообщается с внешней средой узким и длинным каналом, который выходит на поверхность головы (около переднего угла глаза) почти микроскопической порой. Однако размеры поры могут, по-видимому, значительно увеличиваться отверстие снабжено кольцевой замыкающей мускулатурой.

Перегородка, разделяющая обе камеры, очень тонка - около 0,025 мм. Ее пронизывают густые переплетения нервных окончаний.

Бесспорно, это органы каких-то чувств. Но каких?

Проделали такой эксперимент. Змею лишили слуха, зрения и обоняния. Затем к ней поднесли обернутую черной бумагой электрическую лампочку. Пока лампа была холодной, змея не обращала на нее внимания. Но вот лампочка нагрелась. Змея это сразу почувствовала. Подняла голову, насторожилась. Лампочку поднесли ближе. Змея сделала молниеносный бросок и укусила теплую "жертву". Не видела ее, но укусила точно, без промаха!

Экспериментаторы установили, что змеи обнаруживают нагретые предметы, температура которых хотя бы только на 0,2С выше окружающего воздуха (если их приблизить к самой морде). А более теплые предметы распознают на расстоянии до 35 см. В холодной комнате термолокаторы работают точнее. Они приспособлены, очевидно, для ночной охоты. С их помощью змея разыскивает мелких теплокровных зверьков и птиц. Не запах, а тепло тела выдает жертву! У змей слабое зрение и обоняние и неважный слух. На помощь им пришло иное чувство - термолокация.

Американские физиологи Т. Буллок и Р. Каулс в качестве сигнала, оповещающего о том, что предмет обнаружен термолокатором змеи, выбрали не реакцию змеиной головы, а изменение биотоков в нерве, обслуживающем лицевую ямку.

Известно, что все процессы возбуждения в организме животных (и человека) сопровождаются возникающими в мышцах и нервах электрическими токами. Их напряжение невелико - обычно сотые доли вольта. Это так называемые "биотоки возбуждения".

Т. Буллок и Р. Каулс наркотизировали змей введением определенной дозы яда кураре. Очистили от мышц и других тканей один из нервов, разветвляющихся в мембране лицевой ямки, вывели его наружу и зажали между контактами прибора, измеряющего биотоки. Затем лицевые ямки подвергались различным воздействиям их освещали светом (без инфракрасных лучей), подносили вплотную сильно пахнущие вещества, раздражали звуком, вибрацией, щипками - биотоки не возникали.

Но стоило к змеиной голове приблизить нагретый предмет, даже просто руку (на расстояние 30 сантиметров), как в нерве возникало возбуждение, прибор фиксировал биотоки. Облучили ямки инфракрасными лучами - нерв возбуждался сильнее.

Самая слабая реакция нерва наблюдалась при облучении его инфракрасными лучами с длиной волны около 0,001 мм. Увеличивалась длина волны - сильнее возбуждался нерв. Наибольшую реакцию вызывали длинноволновые инфракрасные лучи (0,010,015 мм), то есть те, которые несут максимум тепловой энергии, излучаемой телом.

Оказалось также, что термолокаторы гремучих змей обнаруживают не только более теплые, но даже и более холодные, чем окружающий воздух, предметы.

Воронкообразные отверстия лицевых ямок направлены не в сторону, а косо вперед. Поэтому зона действия термолокатора лежит перед головой змеи. Вверх от горизонтали она занимает сектор в 45 градусов, а вниз - 35. Вправо и влево от продольной оси тела змеи поле действия термолокатора ограничено углом в 10 градусов.

Физический принцип, на котором основано устройство термолокагоров змей, совсем другой, чем у кальмаров. Они действуют как своеобразные термоэлементы.

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 вну гренней камере сохраняется температура окружающего воздуха. Это индикатор нейтрального уровня. Наружная же камера широким отверстием - теплоулавливателем направляется в сторону исследуемого объекта. Тепловые лучи, которые он испускает, нагревают переднюю стенку мембраны. Разность температур на внутренней и наружной сторонах мембраны, воспринимается нервами одновременно и дает ощущение излучающего тепловую энергию предмета.

Рис. С. Каплана и В. Федотова.

Читайте в любое время

Другие статьи из рубрики «Архив»




Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее