Эхолокация в мире животных на примере дельфинов и летучих мышей

     МОУ «Средняя общеобразовательная  школа №6» 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Реферативная  работа на тему:

     «Эхолокация в мире животных на примере дельфинов  и летучих мышей» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнила:

     Ковалева Анастасия

     Ученица 9 «А» класса

     Руководитель:

     Дубровина А.С. 
 
 
 
 
 

     г. Сосновый Бор

     2011

      ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ

     Живой мир природы не перестает удивлять своей сложной организацией и  порой способности животных, их возможности  лежат в основе создания человеком  современных технических средств. Выделяют современную дисциплину – бионику -  науку о создании технических средств, в основе работы которых лежат принципы жизнедеятельности живых организмов. Прямым образом это касается уникальной способности некоторых животных определять размеры и тел и расстояние до них.

     Яркими  представителями данной группы организмов являются дельфины, стрижи – саланганы, летучие мыши, кашалоты и даже медведки.

     В основе эхолокации как явления  лежит  принцип отражения – эхо.

     Даже  в пригородной роще эхо человеческих голосов звучит чуть – чуть таинственно. Тем более в глубоком ущелье или в пещере. Можно только представлять, какое сильное впечатление производило эхо, когда причины его происхождения еще не была известна.

     О том, что феномен эха имеет в своей основе вполне реальное физическое явление, ученые поняли сравнительно недавно. Потребовались века, чтобы изучить самые элементарные свойства звуков. Природа оказалась куда более способным акустиком.

     Она научила животных умело пользоваться эхом.

     Издавая различные звуки, они не могли  не замечать постоянно возникающего эха. Было бы противоестественно, если бы этот бесплатный дар природы пропадал впустую. Животным оставалось научиться  понимать информацию, вложенную в  эхо, да совершенствовать слух и голосовой аппарат.  

     Цель  работы:

     - раскрыть особенности биологической  эхолокации в мире живой природы 

     Задачи  работы:

     - дать краткую характеристику  наиболее ярких представителей  животного мира, способных к эхолокации

     - рассмотреть общие  принципы  биоэхолокации

     - используя различные источники  информации, отразить материал об  открытии эхолокации у животных  и проводимых в дальнейшем  исследованиях.

Глава 1. Общие биологические сведения о животных, способных к эхолокации

1.1. Дельфины

     Дельфины  характеризуются присутствием в обеих челюстях довольно значительного числа однородных конических зубов; оба носовых отверстия соединены обыкновенно в одно поперечное отверстие полулунной формы. Голова относительно небольшая, часто с заостренной мордой; тело вытянутое; есть спинной плавник (Приложении 1, фото 1).

     Очень подвижные и ловкие, прожорливые  хищники, живущие в основном общественно; водятся во всех морях, поднимаются  даже высоко в реки. Питаются главным  образом рыбой, моллюсками, ракообразными; иногда нападают и на своих сородичей. Отличаются также любознательностью и традиционно хорошим отношением к человеку.

     Период  беременности дельфинов – 10 – 18 месяцев. Самка дельфина обычно приносит одного детёныша в 50-60 см длиной и некоторое время заботливо его охраняет. Растут дельфины, по-видимому, медленно, и продолжительность их жизни должна быть довольно значительна (20-30 лет). В некоторых случаях учёные наблюдали, что детёныши совсем не спят первый месяц жизни, вынуждая и самок быть активными всё это время. В 1970-х гг. группа учёных Утришской морской станции ИПЭЭ открыла у дельфинов необычный характер сна. В отличие от других изученных на тот момент млекопитающих, в состоянии медленного сна у них попеременно находится только одно из двух полушарий мозга. Пожалуй, главная причина этого – в том, что дельфины вынуждены время от времени подниматься к поверхности воды для дыхания (Приложение 1, фото 2).

     Мозг  взрослого дельфина весит около 1700 граммов, а у человека - 1400. У  дельфина в два раза больше извилин  в коре головного мозга.

     По  последним научным данным когнитивной этологии, зоопсихологии, дельфины не только имеют «словарный запас» до 14000 звуковых сигналов, который позволяет им общаться между собой, но и имеют самосознание, «социальное сознание» (social cognition) и эмоциональное сочувствие, готовность помочь новорожденным и больным, выталкивая их на поверхность воды.

     Дельфины  имеют систему звуковых сигналов. Сигналы двух типов: эхолокационные (сонарные), служат животным для исследования обстановки, обнаружения препятствий, добычи и «щебеты» или «свист», для коммуникации с сородичами, также выражающие эмоциональное состояние дельфина.

     Сигналы испускаются на очень высоких, ультразвуковых частотах, не доступные человеческому  слуху. Звуковое восприятие людей находится  в полосе частот до 20 кГц , дельфины используют частоту до 300 кГц.

     В «речи» дельфинов ученые уже насчитали 186 разных «свистов». У них примерно столько же уровней организации  звуков, сколько и у человека: шесть, т. е. звук, слог, слово, фраза, абзац, контекст, есть свои диалекты.

     Дельфинов используют в пет-терапии для лечения людей при помощи ультразвукового сонара (Приложение 1, фот 3).

     Обыкновенный  дельфин, Delphinus delphis L., имеет от 100 до 200 (число их непостоянно) маленьких, конических, слегка загнутых внутрь зубов, разделённых равными промежутками; рыло умеренной длины отделяется бороздой от слегка выпуклого лба. Верхняя сторона тела и плавники серовато– или зеленовато-чёрного цвета; пузо белое; кожа очень гладкая и блестящая. Достигает 2 м в длину; высота спинного плавника 80 см; грудные плавники 15-18 см шириной, 55-60 см длиной. Встречаются во всех морях северного полушария, как у берегов, так и в открытом море; заходит и в реки. Держатся стаями в 10, 100 и даже более (до нескольких тысяч) голов.

     Афалины (Tursiops truncatus) – самая известная и популярная разновидность дельфиновых. При упоминании дельфина с большей вероятностью человек представит себе именно этот вид. Отчасти своей популярностью афалины обязаны многочисленным упоминаниям в кинематографе и художественной литературе и высокой способностью к обучению.

     Распространены  по всему миру. Представители рода афалин, обитающих в северной части  Атлантического океана (изредка заходят  и в Балтийское море), встречаются  реже предыдущего вида и достигают большей величины (3,5-4,5 м длины); у гренландцев назывались «незарнак».

1.2. Летучие мыши

     Летучие мыши (лат. Microchiroptera) – подотряд рукокрылых, содержащий большую часть видов этого отряда. Объединяет 700 видов, распределяемых по 16 семействам. Они отличаются от подотряда крыланов следующими признаками:

• у них нет когтя на втором пальце передних конечностей;
• их наружные уши не образуют закрытое кольцо вокруг ушного отверстия;
• у них нет пуховых волос; они либо голые, либо у них растут только стержневые волосы;
• размеры тела меньше (длина тела 3–14 см);
• лицевой отдел черепа укорочен.

     Летучие мыши распространены на всех континентах  Земли, кроме Антарктиды. В полярных районах и на отдаленных островах они также отсутствуют.

     Самый крупный вид летучей мыши Австралийский ложный вампир (Macroderma gigas), длина тела которого достигает 35,5 сантиметров, размах крыльев 60 сантиметров, вес до 200 граммов. Наименьшая летучая мышь – Свиноносая летучая мышь (Craseonycteris thonglongyai), также известная как мышь-шмель, с длиной тела 7,6 сантиметров и весом два грамма, как и Карликовая белозубка считается самым маленьким из ныне существующих млекопитающих в мире.

     Летучие мыши имеют плотную кожу, серого или коричневого цветов. В отличие  от других млекопитающих, они не имеют пуховые волосы, они либо голые, либо у них растут только стержневые волосы.

     Самой поразительной особенностью летучих  мышей являются кожные перепонки, что  позволяет им летать. Перепонка состоит  из двух слоев кожи и тянется от запястья до лодыжки. Дополнительные перепонки находятся между пальцами и на ногах. Перепонка пронизана кровеносными сосудами, мышечными волокнами и нервами.

     Кости рукокрылых мелкие и тонкие, что  является приспособлением к полёту. Большой палец короткий (у Дымчатых летучих мышей (Furipteridae) его нет) с когтем, другие четыре пальца удлинены, вместе с предплечьем и задними конечностями они служат каркасом для кожной перепонки, образующей крыло. В отличие от большинства видов рукокрылых, у летучих мышей отсутствует коготь на втором пальце. Локтевая и малая берцовая кость рудиментарны; лучевая кость удлинена и искривлена, длиннее плечевой; хорошо развита ключица; плечевой пояс более мощный, чем пояс задних конечностей (Приложение 2, фото 1).

Глава 2. Орган слуха и эхолокационный аппарат

2.1. Орган слуха и эхолокационный аппарат дельфинов

     Судя  по поведению, дельфин – очень эмоциональное животное. Об этом свидетельствует неиссякаемая потребность этих зверей проводить свой досуг в играх и развлечениях.

     При внезапно возникшей опасности дельфин иногда издает сильный импульсный звуковой щелчок. При ухаживании за самкой дельфин производит характерные тявкающие звуки. Наконец, некоторые самцы, по-видимому из числа агрессивных (по отношению к своим сородичам), нередко щелкают зубами, резко захлопывая раскрытую пасть.

     При изменении эмоционального состояния  дельфина опознавательный сигнал его  в той или иной степени меняется. Ясно, что эти изменения прекрасно  слышат сородичи дельфина.

     У человека, как мы увидим в следующей  главе, тоже имеется язык эмоций, доставшийся нам от наших далеких предков. Изменения тембра голоса, силы, ритмики речи – все это прекрасно говорит нашему слуху, в каком эмоциональном состоянии находится знакомый нам человек, даже если мы его не видим, а говорим с ним по телефону. Но при всем при том у человека имеется и язык сложной логической речи, акустическая основа которого та же самая, что и у языка эмоций, – характерные изменения акустических (фонетических) свойств звуков.

     Наличие у дельфинов языка эмоций, как  и у всех животных, не вызывает сомнений. Однако в принципе это не отрицает возможности у них и более сложных форм акустического кодирования информации путем различных комбинаций отдельных стандартных звуковых единиц, о чем пишут советские исследователи. Тем более, что чудесный слух дельфина и звуковая память создают для этого прекрасные возможности.

     В изучении слуха дельфинов и их эхолокационного аппарата достигнуты значительно более определенные результаты, чем при изучении языка. В следующих разделах мы и познакомимся с этими не менее любопытными результатами.

     Известно, что слух человека способен воспринимать звуковые колебания, частота которых  составляет приблизительно от 20 до 16 000 Гц. Более высокочастотные звуки  наше ухо бессильно услышать. Эти  недоступные человеческому слуху ультразвуки и слышит дельфин. Более того, здесь, в области высоких ультразвуковых частот –60 000–100 000 Гц, –и лежит зона наилучшей чувствительности слуха дельфина. У нашего дельфина предел слуха по высоте оказался 142 000 Гц (Морозов и др., 1971). Это почти в 10 раз превышает предельные возможности слуха человека (Приложение 3, рис. 1).

     Итак, звук, который издают предметы при ударе (сила, высота, тембр, продолжительность), зависит от материала, из которого сделан предмет. Этот физический закон давно «изучили» дельфины и применили его на практике. Времени у них для этого было предостаточно – миллионы лет эволюции, миллионы лет приспособления к водному образу жизни.

     Далекие исторические предки дельфинов жили на суше. Неизвестно, что заставило их переселиться в воду: недостаток ли пищи или обилие врагов. Но, начав вторично свой водный образ жизни, предки дельфинов обнаружили весьма неприятное свойство водной среды: даже в очень чистой воде дальше 10–20 метров ничего не увидишь. А если занырнуть поглубже или вода станет мутной, то и на 2–3 метра, что называется, «хоть глаз коли» – ничего не видно. Вот здесь, по-видимому, предки дельфинов и сделали свои первые попытки заменить глаза ушами, попытаться научиться «видеть» ушами. Благо слышно в водной среде еще лучше, чем в воздухе: звук распространяется, чуть ли не в 5 раз быстрее и на значительно большее расстояние (Приложении 3, рис. 2).

     Но  чтобы ориентироваться по слуху, надо заставить предметы звучать. Слепой человек пользуется для этого  своим посохом, постукивая им по предметам. Дельфины приспособили для этой цели звуковую волну, точнее, короткий звуковой щелчок, или локационный импульс, который они научились издавать весьма рациональным способом – при помощи сложного лабиринта воздушных каналов и мешков, расположенных в верхней части головы над черепной коробкой. Эти локационные импульсы, необычайно короткие и резкие (длительность – стотысячные доли секунды), хорошо выполняют роль ударного молоточка, заставляющего звучать подводные предметы (что и создает отраженные сигналы, то есть эхо). К тому же дельфины научились излучать их узким направленным пучком при помощи специальной жировой фокусирующей линзы и черепа – рефлектора. Это дает им возможность направлять звуковой луч-импульс на различные подводные предметы, как луч фонарика. Наткнувшись на любое препятствие, звуковой луч-импульс в виде эха возвращается обратно к дельфину, неся в себе информацию о свойствах предмета, ибо характер эха различный при отражении от разных предметов (Приложение 3, рис. 3).

     Вот здесь-то и требуется дельфину необычайно тонкий и острый слух, способный  выделить эту информацию и оценить  свойства предмета. Вот здесь-то и  происходит одно из многочисленных чудес  природы: дельфин без всякого  участия глаз как бы видит предмет ушами. Причем в отличие от зрительного восприятия он не только может оценить внешний вид предмета (размер, форму, характер поверхности), но и прекрасно различает его свойства, например материал, из которого сделан предмет. В опытах известного советского биоакустика Н. А. Дубровского и его коллег дельфин прекрасно отличал сталь от латуни, свинца, эбонита, оргстекла, резины, воска и т. п. Зрение здесь не участвовало, так как эти материалы предъявлялись дельфину для опознавания в форме шаров одинакового цвета и диаметра (В. Велькович, Н. Дубровский, 1976), кроме того, известно, что подобные задачи дельфин прекрасно решал ночью в темноте.

     Таким образом, эхолокатор дельфина подобно  рентгеновскому аппарату «видит» материал. И эта удивительная способность  основана на тонкости слуха дельфина, а также на свойстве звуковой волны в воде проникать внутрь тела и переизлучаться в виде «вторичного» эха, которое и доставляет изощренному слуху дельфина информацию о внутренней структуре материала.

     Звук  в воде распространяется с постоянной скоростью (1500 м/с). Таким образом, чем дальше предмет, тем больше времени нужно, чтобы звуковой импульс добежал от дельфина до предмета и обратно в виде эха. Опыты показали, что дельфин способен оценить это время, а следовательно, и расстояние до лоцируемого предмета.

     Свои  локационные импульсы дельфин излучает сериями, то есть часто следующими друг за другом посылками. Многочисленные статистические измерения показали, что временной  интервал между локационными импульсами дельфин изменяет пропорционально расстоянию до интересующего его предмета: чем дальше расстояние, тем реже следуют друг за другом его локационные импульсы. И наоборот, они становятся все чаще по мере приближения дельфина, например, к рыбе, брошенной в воду.

     Оказалось, что дельфин излучает свой каждый последующий локационный щелчок лишь после прихода эхосигнала от предыдущего посланного им щелчка. Притом не сразу, а лишь спустя некоторое время (в среднем около 20 мс). Эта задержка, по-видимому, необходима дельфину для восприятия эхосигнала и получения из него полезной информации (Приложение 3, рис. 4).

     Частоту следования своих локационных импульсов  дельфин иногда сильно замедляет, начинает издавать очень редкие почти что  одиночные импульсы, притом значительно  увеличенной силы. По-видимому, это  связано с локацией очень удаленных  предметов: дельфину приходится долго ждать возвращения эха. Считается, что дельфины способны обнаружить при помощи эха косяки рыбы на расстоянии до нескольких сот метров. Иногда для локации далеких предметов дельфин издает импульсы, нередко следующие друг за другом, а короткие серии частых импульсов. Послав такую «пачку» импульсов на далекое расстояние, дельфин ждет ее возвращения уже в форме пачки эхосигналов, которую и способен оценить в целом, а не только путем анализа каждого отдельного импульса.

     Обладая быстродействующей системой обработки и получения информации от каждого из эхосигналов в отдельности, дельфин, по-видимому, обладает способностью как-то суммировать и оценивать всю информацию в совокупности от многих полученных им эхосигналов. Поскольку эхосигналы поступают от разных предметов, на которые животное направляет свой звуковой луч эхолокатора, в мозгу дельфина складывается как бы панорама всей окружающей обстановки.

     Чемпионом по дальности эхолокации безусловно является ближайший родственник  дельфинов – кашалот. Поскольку кормится он глубоководными кальмарами, обитающими на глубине 400–600 метров и глубже, кашалоту приходится то и дело заныривать в эти глубины в поисках скоплений кальмаров. Однако зачем же нырять зря так глубоко, если на поиски можно послать звуковую волну?

     Акустическая  эхолокационная система кашалота выглядит поистине грандиозной. Это настоящая  «дальнобойная пушка» длиной около 5 метров и занимает чуть ли не треть  тела животного. Тем не менее она  так же, как и у дельфинов, расположена  в головной части над верхней челюстью, отчего голова у кашалота кажется непомерно большой.

     Что касается слуха дельфина, то оказалось, что подобным свойством направленного (избирательного) восприятия он наделен  в высшей степени. Ультразвуки (80 000–100000 Гц), на которых работает эхолокатор дельфина, животное способно максимально хорошо слышать только в том случае, когда источник звука расположен строго впереди по осевой линии тела дельфина. Малейшее отклонение источника звука в сторону резко ухудшает его слышимость дельфином. Поэтому слух дельфина и оказывается нечувствительным к любым источникам шума, если они расположены сбоку. Практически они не существуют для дельфина, что и помогает ему наилучшим образом слышать полезный сигнал (как бы без помех)- Прямое экспериментальное доказательство этого феномена впервые было получено в нашей лаборатории (Приложение 3, рис. 5).

     Таким образом, эхолокационный слух дельфина устроен так, что дельфин оказывается  связанным с интересующим его  объектом как бы узким звуковым каналом, представляющим собой нечто вроде трубки фонендоскопа, которым врач выслушивает больного.

     Кроме того, надо прибавить, что эхолокатор дельфина работает на высоких ультразвуковых частотах – 80000–100000 ГЦ, в области которых в море царит относительная тишина (в море преобладают низкочастотные звуки и даже инфразвуки). Это обстоятельство также способствует лучшей слышимости их собственных ультразвуковых эхосигналов.

2.2 Эхолокационный аппарат  летучих мышей

     Летучие мыши обнаруживают предметы, преграждающие  им путь, испуская неслышимые для человека звуки и улавливая их эхо, отраженное от предметов. До открытия ультразвуковой эхолокации предполагалось, что летучие мыши обладают экстрасенсорным восприятием. Их лишали возможности использовать зрение, покрывали крылья плотным лаком, чтобы лишить возможности чувствовать воздушные потоки, и все равно они избегали расположенных в экспериментальной камере препятствий.

     Исследования  доктора О. Хенсона, анатома Иельского  университета, показали, что в момент испускания разведывательных ультразвуков мышцы в ушах летучих мышей закрывают ушные раковины для предотвращения повреждения слухового аппарата.

     Во  время полёта летучие мыши поют песни, используя сложные сочетания  слогов, на высоких частотах (что  обусловлено их способностью к эхолокации). Они создают ультразвуковые волны от 40 до 100 кГц. Зов бразильского складчатогуба включает от 15 до 20 слогов. Ухаживая за самкой, каждый самец поёт свою собственную песню, хотя в целом мелодии всех песен похожи. Разница заключается в индивидуальном сочетании различных слогов. Сложные голосовые сообщения используются не только для ухаживаний, но также для опознавания друг друга, обозначения социального статуса, определения территориальных границ, при воспитании потомства и при противодействии особям, вторгшимся на чужую территорию. По мнению биолога Майкла Смотермана, ни одно другое млекопитающее, кроме человека, не обладает способностью общаться с помощью столь сложных голосовых последовательностей. Голосовой центр, ответственный за организацию сложных последовательностей слогов, у летучих мышей расположен несколько выше, чем у человека, и учёные пока не могут определить, где именно он находится.

     Открытие  эхолокации связано с именем итальянского естествоиспытателя Лазаро Спалланцани. Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате (где оказываются беспомощными даже совы), не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими. Коллега Спалланцани Ж. Жюрин провёл другой опыт, в котором залепил воском уши летучих мышей, – зверьки натыкались на все предметы. Отсюда учёные сделали вывод, что летучие мыши ориентируются по слуху. Однако эта идея была высмеяна современниками, поскольку ничего большего сказать было нельзя – короткие ультразвуковые сигналы в то время ещё было невозможно зафиксировать.

     Впервые идея об активной звуковой локации  у летучих мышей была высказана  в 1912 году Х. Максимом. Он предполагал, что летучие мыши создают низкочастотные эхолокационные сигналы взмахами крыльев с частотой 15 Гц.

     Об  ультразвуке догадался в 1920 году англичанин Х. Хартридж, воспроизводивший опыты Спалланцани. Подтверждение  этому нашлось в 1938 году благодаря  биоакустику Д. Гриффину и физику Г. Пирсу. Гриффин предложил название эхолокация (по аналогии с радиолокацией) для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука.

     Эхолакационные  сигналы у детенышей развиваются  из призывных криков.

     Летучие мыши, которые питаются рыбой (например, мексиканская рыбоядная мышь), патрулируют водную поверхность по ночам, излучая весьма сильные эхолокационные сигналы. Однако эти сигналы не проникают в толщу воды. Мышь не обнаружит рыбу, находящуюся под водой, но сразу же найдёт, если рыба высунет из воды хотя бы небольшую часть тела.

     Эхолокация  летучих мышей различается в  разных семействах. Подковоносы излучают сигналы через нос, и эти сигналы представляют собой короткие (50–100 мс) утьтразвуковые посылки с постоянной частотой 81–82 кГц, но в конце сигнала частота резко падает на 10–14 кГц. А гладконосые летучие мыши излучают через рот существенно более короткие (2–5 мс) сигналы с частотой, которая за это время падает с 130 до 30–40 кГц (Приложение 4, фото 1).

     Летучие мыши способны обнаружить препятствие  из проволок на расстоянии от 17 метров. Дальность обнаружения зависит от диаметра проволоки. Проволока диаметром 0,4 мм будет найдена с расстояния 4 метра, а диаметром 0,08 мм – с 50 см. Длина типичных локационных сигналов летучей мыши – около 4 мм. Однако мышь реагирует не только на толщину, но и на длину проволоки, в результате чего при достаточной длине отрезка проволока будет обнаружена.

Глава 3. Медведки и их способность эхолоцировать

     Медведка – крупное насекомое, длина тела (без усов и церок) до 5 сантиметров. Брюшко примерно в 3 раза больше головогруди, мягкое, веретенообразной формы, диаметром у взрослых особей около 1 см. На конце брюшка заметны парные нитевидные придатки – церки, длиной до 1 см. Грудной панцирь твердый, строение его таково, что голова может частично убираться под его защиту. На голове хорошо заметны два больших сложных глаза, длинные усы-антенны и две пары щупалец, обрамляющих ротовой аппарат грызущего типа. Передняя пара конечностей у медведки видоизменена по сравнению с другими двумя, являясь превосходным инструментом для рытья земли. У взрослых особей крылья в сложенном состоянии имеют вид двух длинных тонких чешуй, часто превышающих длину брюшка. Окраска тела: брюшко тёмно-бурое с верхней стороны, светлеющее до оливкового к низу, такой же расцветки конечности. Голова и грудь тёмно-бурые (Приложение 5, фото 1).

     Насекомое ведёт преимущественно подземный  образ жизни. На поверхность выбирается редко, в основном в ночное время  суток. Зимует медведка в земле на глубине до 2-х и более метров, либо в компостных кучах.