Живые радары

С поразительной ловкостью летают рукокрылые, лавируя между проводами и ветвями деревьев. Просто удивительно, как эти животные с крохотными глазками ухитряются ни на что не наталкиваться в полной темноте.

Вначале предполагали, что они обладают необычайно острым зрением. В 1793 году на севере Италии в небольшом городке Павия ученый аббат Лаццаро Спалланцани заинтересовался тем, что же дает возможность этим зверькам находить дорогу в темноте. Отловив летучих мышей на колокольне собора, где они нашли себе приют, аббат принес их домой. Заклеив зверькам глаза воском, он выпустил их в комнату, в которой от пола до потолка были натянуты тонкие нити. Они продолжали летать так же хорошо, как и до ослепления. Тогда Спалланцани выпустил их на волю, а на следующий день рано утром вновь полез на колокольню и отловил еще нескольких мышей. Каково же было его удивление, когда среди отловленных зверьков он обнаружил и слепых, выпущенных накануне. Вскрытие показало, что желудки ослепленных мышей, также как и зрячих, были наполнены насекомыми. Следовательно, для охоты за насекомыми рукокрылым зрение не нужно.

Швейцарский естествоиспытатель Шарль Жюрин повторил опыты Спалланцани и убедился, что слепые животные летают не хуже зрячих. Но когда он тампоном из ваты заткнул зверькам уши, мыши стали натыкаться на все преграды.

Узнав об экспериментах своего швейцарского коллеги, Лаццаро Спалланцани решил их проверить. Он изготовил крошечные медные трубочки, полые внутри, по размеру равные ушным отверстиям летучих мышей. Эти трубочки он вставил мышам в уши. Зверьки по-прежнему превосходно летали. Но как только трубочки закрывали, мыши, теряя ориентацию, начинали натыкаться на преграды. Как слух заменял им зрение? На этот вопрос Спалланцани ответить не мог.

Знаменитый французский ученый Жорж Кювье, не веря в то, что слух имеет какое-то значение для ориентации летучих мышей, выдвинул свою довольно остроумную гипотезу. Крылья летучих мышей, говорил он, обладают повышенным чувством осязания, они воспринимают мельчайшие сгущения воздуха, образующиеся между крылом и препятствием. Это служит зверьку сигналом, и он сворачивает в сторону, облетая преграду. Гипотеза Кювье продержалась более века.

В середине нашего столетия об опытах Спалланцаня вспомнили одновременно ученые многих стран. Американский изобретатель Хайрем Максим предположил, что летучие мыши издают звуки небольшой частоты, не слышимые человеческим ухом, и ориентируются по возвратившемуся эху. На основе собственной биологической гипотезы он предложил прибор эхолокатор, чтобы предотвратить в тумане столкновение судов с айсбергами. Однако верная в принципе его догадка была все же неточной: летучие мыши действительно пользуются звуком, но, как мы узнаем позже, не низких, а очень высоких частот.

Другой ученый, голландец Свен Дийграаф, заметил, что летучие мыши прежде чем пускаться в полет раскрывают рот. Ученый рассуждал так: поскольку стены и предметы, встречающиеся летучим мышам в полете, не издают никаких звуков, значит, кричат сами мыши. Эхо их собственного крика, отраженное от окружающих предметов, извещает зверьков о преграде на пути. В полете мыши постоянно открывают рот. Очевидно, рассуждал исследователь, они издают неслышимые для нас звуки, "ощупывая" ими окрестности. Для развития своей мысли ученый проделал интересный опыт. Он надел на голову зверька бумажный колпак, у которого спереди открывалась и закрывалась маленькая дверца. С закрытой дверкой на колпаке летучая мышь не могла летать. С открытием этой дверки полет становился нормальным.

Результаты своих наблюдений Дийграаф опубликовал в 1940 году, а в 1946 году советский ученый профессор А. П. Кузякин начал проводить над летучими мышами серии экспериментов. Он залепил им пластилином рот и уши, выпустил в комнату с натянутыми вдоль и поперек веревками; почти все зверьки не могли летать. Ученый установил интересный факт: летучие мыши, впервые выпущенные в помещении для пробного полета с открытыми глазами, как только что пойманные птицы многократно и с большой силой ударялись о стекла незанавешенных окон. Это происходило днем. Вечером при электрическом свете они не натыкались на стекла. Значит днем, когда хорошо видно, зверьки доверяют больше зрению, чем другим органам чувств. А ведь многие ученые зрению летучих мышей склонны были не придавать значения. Профессор продолжил опыты в лесу. На головы рыжим вечерницам он надел колпачки из черной бумаги. Зверьки не могли теперь ни видеть, ни употребить свой акустический радар. Они расправляли крылья и опускались на них, как на парашютах, на землю. А те, которые летали, ударялись о ветви деревьев и падали. Когда же в черных колпачках вырезали по три отверстия (одно для рта и два для ушей), мыши полетели нормально. А. П. Кузякин пришел к выводу, что органы звуковой ориентации летучих мышей могут почти полностью заменять зрение, а органы осязания никакой роли в ориентировке не играют, и зверьки ими в полете не пользуются.

Несколькими годами раньше американские ученые Дональд Гриффин и Роберт Галамбос применили другую методику для изучения загадочных способностей летучих мышей. Они подносили зверьков к прибору, который мог улавливать ультразвуки. И сразу же выяснилось, что летучие мыши "издают множество криков, но почти все они попадают в диапазон частот, лежащих за порогом возможностей человеческого уха", - писал Д. Гриффин. Было установлено, что мыши в полете издают ультразвуки с частотой порядка 50000 колебаний в секунду, и каждый такой звук длится меньше двух-пяти тысячных долей секунды. Источником ультразвуков у мышей является относительно широкая и снабженная мышцами гортань. Ухо летучей мыши регистрирует эхо, когда звук, который испускался ее голосовыми связками, отражается от препятствия. По промежутку времени между концом посылаемого сигнала и первыми звуками возвратившегося эха летучая мышь инстинктивно получает представление о расстоянии до предмета, отразившего ультразвук, и избегает препятствия.

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 звук издает сразу же после того, как услышит эхо предыдущего сигнала. Таким образом, импульсы рефлекторно следуют друг за другом, а раздражителем, вызывающим их, служит эхо, воспринимаемое ухом. Чем ближе летучая мышь подлетает к препятствию, тем быстрее возвращается эхо, и, следовательно, тем чаще зверек издает новые эхолоцирующие крики. Наконец, при непосредственном приближении к препятствию звуковые импульсы начинают следовать друг за другом с исключительной быстротой. Это сигнал опасности. Летучая мышь инстинктивно изменяет курс полета, уклоняясь от направления, откуда отраженные звуки приходят слишком быстро.

Действительно в дальнейшем опыты показали, что летучая мышь перед стартом издает в секунду лишь 5-10 ультразвуковых импульсов, а в полете учащает их до 30. При приближении к препятствию звуковые импульсы следуют еще быстрее - 50--60 раз в секунду. Некоторые мыши во время охоты за ночными насекомыми, настигая добычу, издают даже 250 "криков" "в секунду.

Эхолокатор летучих мышей - очень точный навигационный "прибор", он в состояния запеленговать даже микроскопически малый предмет диаметром всего 0,1 миллиметра. С помощью эхолокатора, которым рукокрылых наградила природа, они не только ориентируются в пространстве, но и охотятся за сумеречными и ночными насекомыми.

Летучие мыши, очень близкие к современным видам, бороздили небо уже в эпоху среднего миоцена, а это значит, что рукокрылые пользуются эхолокатором уже около 50 миллионов лет.

Летучие мыши и ночные бабочки служат прекрасным примером взаимоотношений хищника и жертвы в борьбе за .существование. Переход некоторых групп бабочек к ночному образу жизни происходил в процессе эволюции, по-видимому, под давлением насекомоядных птиц. Насекомоядные летучие мыши не могли соперничать с птицами, уступая им в скорости и маневренности полета, и поэтому, чтобы выжить, вынуждены были перейти к ночному образу жизни. Под давлением естественного отбора рукокрылые выработали совершенную систему эхолокации, позволяющую им избегать препятствия и находить пищу в полной темноте. В свою очередь под давлением естественного отбора, а точнее, под давлением со стороны летучих мышей ночные бабочки выработали систему тимпональных органов, при помощи которой они улавливают ультразвуковые импульсы летучих мышей. Как показали последние исследования в области бионики, некоторые ночные бабочки, которыми питаются летучие мыши, имеют "противолокационную защиту", с помощью которой они могут обнаруживать мышей и избегать их нападения. Ученые установили, что у бабочек функции органов, улавливающих ультразвуковые сигналы рукокрылых, выполняет тимпанальный орган, расположенный между первым члеником брюшка и последним члеником груди. Если летучая мышь находится на расстоянии более 30 метров от бабочки, то звуки, издаваемые ею, вызывают нервную импульсацию в нервных волокнах тимпонального органа бабочки, и она может изменить направление своего полета и улететь от опасности. Если же летучая мышь находится в непосредственной близости от бабочки (2-4 метра) тимпональные органы работают в режиме насыщения, и бабочка перестает получать информацию о направлении полета мыши. В этом случае она может уклониться от опасности, лишь хаотически меняя направление своего полета, делая беспорядочные повороты с последующим "пикированием". Сложив крылья, она садится на ветку или падает на землю, чтобы дезориентировать летучую мышь.

В последние годы интерес к летучим мышам, особенно за рубежом, сильно возрос. Достаточно оказать, что в связи с их важным эпидемиологическим значением во многих странах западного полушария, особенно в США, множество работ по изучению рукокрылых финансируется и выполняется по заданию различных ведомств. Интересно остановиться на таком случае. Во время второй мировой войны летучие мыши в США чуть не стали участниками одного из самых фантастических военных экспериментов.

Что случится, если выпустить миллион летучих мышей, снабженных крохотными термическими бомбами, среди бела дня над Японией? Любая мышь, по-видимому, заберется в ближайшую темную труднодоступную щелку, чтобы переждать там до наступления сумерек. Даже малая часть миллиона пожаров вызовет опустошения среди легких, тесно расположенных фабричных зданий и жилых домов Японии. С этим предложением врач из Пенсильвании Лайит Адамс обратился в военное ведомство США. Военных специалистов оно заинтересовало.

А может ли летучая мышь нести такой груз? Претворение в жизнь данного предложения поручили профессору Луису Физер. В результате опытов вскоре было установлено, что летучая мышь может нести груз приблизительно в три раза больше своего веса. Вместе со своими помощниками, он разработал крошечную зажигательную бомбу, которая с помощью специального пояска крепилась на груди мышей-бомбардировщиков.

А где добыть такое огромное количество летучих мышей? Оказалось, что наиболее многочисленный вид рукокрылых в США - мексиканская хвостатая мышь (весом около 10 граммов) в некоторых пещерах образует громадные колонии. Только в одной Карлсбадской пещере обитает несколько миллионов этих зверьков. Отловили достаточное количество мышей. Испытали способ прикрепления к зверькам термитных бомбочек. Эффект получился неожиданный. Несколько зверьков ускользнули из лаборатории и в этот же день дотла спалили огромный ангар вспомогательной военно-воздушной базы около Карлсбада стоимостью в два миллиона долларов и находящуюся здесь же автомашину генерала - начальника этой базы. Подготовили контейнеры, вмещавшие сравнительно удобно тысячи летучих мышей. Реле выдержки открывали контейнеры при сбрасывании на парашюте на заданной высоте. Испытания показали, что летучие мыши при сбрасывании этим способом рассеиваются в пределах круга диаметром в 65 километров.

На операцию "Летучая мышь" в течение двух лет было истрачено два миллиона долларов. Все было, по-видимому, готово для операции к концу 1944 года, но... затем всю работу без объяснения внезапно прекратили. Это было за несколько месяцев до атомной бомбардировки города Хиросимы. Так летучие мыши потеряли шанс стать "военными героями".

Военных специалистов США заинтересовала и удивительная способность летучих мышей-рыболовов обнаруживать свою добычу под водой. Они пытались и пытаются сконструировать эхолокаторы, подобные имеющимся у мышей, для обнаружения подводных лодок самолетами. Летучие мыши интересуют и радиотехников. Как мы уже говорили, пещеры иногда могут служить убежищем для нескольких тысяч и даже миллионов рукокрылых. Например, в Бракенской пещере, расположенной на юге США, обитает свыше 20 миллионов этих зверьков. Каждый вечер они покидают свое убежище, чтобы утром снова вернуться в него. При этом зверьки не сталкиваются и не мешают друг другу. Можно только удивляться совершенству их навигационного аппарата. В самом деле, как при такой сложной звуковой какофонии каждая мышь безошибочно выделяет и принимает эхо посылаемого ею же ультразвука? Сейчас, когда в эфире работает столько станций, мешающих, друг другу, отличные "мышиные" принципы отбора собственных звуков представляют для инженеров и физиков большой интерес.

Специалисты по радиолокации также заинтересовались акустическими радарами летучих мышей. Ведь система эхолокации зверьки во многих отношениях превосходит изобретенный человеком эхолокатор, а радиолокация, работающая на дальние расстояния, еще долго будет "учиться" у летучих мышей выделению слабого сигнала. Сейчас стоит задача: разработать для близких расстояний такой прибор, обладателем которого пока что является только летучая мышь.

Известный французский спелеолог и исследователь рукокрылых Норберт Кастере (1959) писал: "Благодаря глубокому изучению летучих мышей удастся сконструировать портативный точный прибор, который будет компенсировать слепоту и позволит невидящим легко и без всякого риска избегать самых разнообразных препятствий". С тех пор не прошло и десяти лет, как в Англии уже был создан прибор для слепых, названный "зонаром" (от слова "зондировать"). Принцип работы этого прибора подсказала английскому профессору Лесли Кею сама природа, а точнее говоря, удивительная способность летучих мышей безошибочно ориентироваться в полной темноте. Этот портативный прибор, похожий на электрический фонарик, излучает ультразвуки (16 000 колебаний в секунду), улавливает их отражение и преобразует в звуковой сигнал. Воспринимая на слух меняющиеся по тону сигналы, человек сравнительно быстро начинает разбираться в разнообразии звуков, отраженных от встречающихся на пути различных препятствий и предметов, в конструкции предметов и даже материала, из которого они сделаны. Он как бы ощупывает разнообразные препятствия еще издали. На расстоянии трех-семи метров можно, например, по звуку принятого сигнала определить, где находится металлическая дверная ручка, а значит, и замочная скважина.

Первые образцы этого своеобразного радара для слепых, продемонстрированные на выставке в Лондоне, привлекли внимание многих специалистов самых различных учреждений и организаций. В настоящее время усовершенствованные образцы этого аппарата, эффективно помогающего ориентироваться незрячим, проходят практические испытания в 25 странах.

В Советском Союзе радиоинженеры на принципе ультразвукового эхолокатора летучих мышей создали для слепых прибор "Ориентир". Держа в руках ультразвуковой фонарик, слепые могут ходить по улицам без "поводыря". Если узкий луч фонарика попадает на препятствие, то в миниатюрном головном телефоне возникает определенный сигнал. По высоте тона можно судить о расстоянии до обнаруженного предмета, по тембру - о его характере, а изменение высоты сигнала предупредит, что предмет движется. Таким образом можно "обозревать" местность в радиусе до десяти метров. Вся электроника полупроводниковая, поэтому прибор компактен. Вес ручного фонарика всего 230 граммов. Восемь сухих батареек типа "Кристалл" обеспечивают бесперебойную работу прибора в течение суток.

Итак, природа выдала человеку еще один патент. Для того, чтобы можно было представить, сколь широк круг бионических исследований, достаточно назвать только несколько тем исследований, которыми занимаются ученые мира; модель зрительной системы человека; нервные механизмы эхолокации у летучих мышей; способы сигнализации в стае рыб; надежность головного мозга; роль больших молекул в механической памяти; автоматика движения крыла птицы; теория подъемной силы кальмара; суставы конечностей как "амортизаторы"; механизмы восприятия запахов и др.

Исследования по биоакустике летучих мышей продолжаются в Московском и Ленинградском университетах. Как видим, летучие мыши, часто несправедливо обижаемые человеком, приносят большую пользу. Что дадут науке продолжающиеся исследования этих зверьков - покажет ближайшее будущее.