Без колючек лопуха, нервов кальмара и клюва зимородка - соответственно - у нас не было бы липучки, входных цепей триггера Шмитта или высокоскоростного сверхскоростного поезда Синкансэн. Инженеры любят копаться в природе в поисках идей.
Эхолокация - еще один пример того, как природа опередила человечество. Эхолокация - это процесс обнаружения или исследования объекта путем воздействия на него высокочастотными звуковыми волнами, которые затем отражаются обратно к источнику. Сонарная технология позволяет людям делать это уже более 100 лет, но многочисленные зубатые киты - линия, в которую входят дельфины, морские свиньи и кашалоты - используют эхолокацию. Так же как и около 1000 видов летучих мышей.
По мере развития гидролокаторов будущие изобретатели, вероятно, будут черпать вдохновение как у летучих мышей, так и у зубастых китообразных. Но какая группа будет более ценной для пионеров завтрашнего дня?
Этот вопрос вызвал шутливые насмешки среди ученых. Лора Клоппер - доцент биологии в Колледже Святой Марии в Индиане. На собрании Акустического общества Америки в ноябре 2018 года она представила новое исследование, в котором подчеркиваются некоторые ключевые различия между эхолокацией летучих мышей и дельфинов. И для Клоппер выбор очевиден: она считает, что летучие мыши используют эту технику гораздо более впечатляющим образом.
Но другие не так уверены. В этой королевской звуковой битве может не быть окончательного победителя. Прежде чем объявить себя «Командной летучей мышью» или «Командой дельфинов», вот описание матча.
Звучит не так
В воде звук распространяется примерно в четыре раза быстрее, чем в воздухе. Это позволяет зубатым китам эхолокировать на гораздо большие расстояния. Используя свой гидролокатор, афалина, погруженная в воду, может определить потенциальную пищу на расстоянии 361 фута (110 метров).
У летучих мышей гораздо более узкий диапазон сонара: большинство видов, охотящихся на насекомых, могут обнаруживать добычу только на расстоянии от 9,8 до 16,4 футов (от 3 до 5 метров) от них. Здесь нет конкурса.
Объем - еще одна область, где зубастые киты сметают конкурентов. Дельфины и их сородичи эхолокируют, используя свои носовые ходы, чтобы сделать серию щелчков, которые проходят через «дыню», жировой орган, расположенный над челюстями. Подобно встроенному мегафону, дыня фокусирует и направляет исходящий звук. У некоторых из этих китов последовательность щелчков достигает 230 децибел.
Это почти на 130 децибел громче, чем любой рев поездов, который вы услышите на станции метро Нью-Йорка. Это также затмевает звуки, издаваемые летучими мышами: летуны с гидролокатором издают звуки громкостью от 100 до 110 децибел.
У летучих мышей обычно язык или гортань генерируют звуковые волны, которые делают возможной эхолокацию. Ученые недавно узнали о другом, более примитивном методе. Исследование 2014 года показало, что летучие мыши Старого Света ориентируются в темноте, щелкая крыльями и прислушиваясь к эху. Исследователи еще не выяснили, как это работает.
Как справиться с болтовней
Теперь издавать эти звуки - только полдела. Если вы собираетесь использовать гидролокатор, вы должны обрабатывать возвращающиеся эхосигналы, когда они приходят. Дельфины делают это своими челюстями и зубами, которые улавливают эхо и передают его в средние уши. И, конечно же, летучие мыши используют свои разросшиеся наружные уши для сбора ответных сигналов.
Даже с такими большими старыми ушами удивительно, что летучие мыши слышат так же хорошо, как они. Многие виды живут, путешествуют и охотятся большими колониями; самые большие из них насчитывают около 15 миллионов животных. Когда сотни, тысячи или миллионы этих животных одновременно начинают эхолокировать, конечным результатом является тонна фонового шума.
Таким образом, данная летучая мышь должна уметь отличать свои крики от криков других летучих мышей. С этой целью крылатые млекопитающие могут изменять высоту, частоту и синхронизацию своих отдельных голосов. Другой вариант - бороться грязно: мексиканская свободнохвостая летучая мышь намеренно издает звуки, которые заглушают сигналы сонара других летучих мышей. В любви, на войне и в охоте за жуками все хорошо.
Сигналы летучих мышей сложны, гибки и ими легко манипулировать. С другой стороны, щелчки сонара, используемые зубатыми китами, имеют тенденцию быть намного более однородными. Китообразные гораздо меньше контролируют высоту или продолжительность относительно простых звуков, которые они используют для эхолокации.
Это одна из причин, по которой Клоппер считает летучих мышей более опытными пользователями сонара. Стратегии защиты от помех могут стать еще одним преимуществом летающих млекопитающих. В недавнем эксперименте Клоппер и ее коллеги показали двум дельфинам записи искусственных щелчков китообразных. Вместо того, чтобы дезориентироваться, водные звери немного изменили время и частоту исходящих сигналов сонара. Выступление было неплохим, но Клоппер подчеркивает, что у летучих мышей по-прежнему большая гибкость голоса.
Эхо прошлого
16 ноября 2018 года Клоппер выступил в защиту команды летучих мышей в дружеских дебатах Science Friday с Брайаном Бранстеттером, биологом из Национального фонда морских млекопитающих. На полпути ее противник заметил, что у дельфинов есть звуковая суперсила, которой нет у летающих тварей.
Ответные сигналы летучих мышей содержат информацию о внешнем виде твердых объектов. Но из-за особенностей воды, когда зубастый кит осуществляет эхолокацию, его сигналы проходят сквозь цели. Это говорит животному, как объект выглядит внутри и снаружи. Эксперимент 1992 года показал, что дельфины-афалины могут определять толщину полых цилиндров, используя только свои способности к эхолокации.
Несмотря на все то, что их разделяет, дельфины и летучие мыши могут быть не такими уж разными. Генетический анализ 2010 года показал, что две линии независимо развили сонар после того, как прошли через один и тот же общий набор мутаций, связанных со слухом, по мере их эволюции. История повторяется; можно даже сказать, что это перекликается.
Интересно
Летучие мыши и зубатые киты - не единственные животные, которые полагаются на сонар. Обитающие в пещерах масляные птицы используют эхолокацию для навигации в темноте, и теоретически землеройки используют тот же прием, чтобы почувствовать свое окружение.