БИОФИЗИКА: ЭХО В МИРЕ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ – СОНАРЫ ЛЕТУЧИХ МЫШЕЙ

Предлагаю читателям зелёных страничек познакомиться поближе с удивительными животными – летучими мышами, незаслуженно обиженными человеческим родом… Локационный аппарат летучих мышей представляет значительный интерес для учёных и техников, так как он обладает большей точностью, чем созданные человеком радио- и гидролокаторы.
Вашему вниманию занимательно-познавательный биофизический материал в сопровождении восхитительных иллюстраций в исполнении шотландского художника-иллюстратора Арчибальда Торберна, а также иллюстраций из коллекций Музея Естествознания Германии и Зоологического общества Лондона.

Путешествие в царство летучих мышей

Отряд летучих мышей (учёные называют их отрядом рукокрылых) насчитывает около тысячи видов. Есть среди них очень маленькие зверьки – массой всего несколько граммов, но есть и настоящие гиганты, называемые летучими собаками или лисицами за сходство их головы с головой собаки, а может быть лисицы ;-) размах крыльев у них достигает более полутора метров.

Летучая лисица Бисмарка Летучая лисица Бисмарка (Pteropus capistratus; Bismark Masked Flying bat) из коллекции Берлинского музея естествознания, 1899 год

Разрешите представить ;-) – Летучая лисица Бисмарка. Внешность у зверька специфическая и весьма располагающая ;-) не то собака, не то лисица… с роскошными крыльями за спиной, привыкшая спать и отдыхать вниз головой…, с восхитительным цветовым раскрасом. Обитает в Новой Гвинее – зверь в наших краях невиданный и потому сказочный ;-) Размах крыльев – более полутора метров! Всю свою жизнь Летучая лисица Бисмарка, согласно законам эволюции, мяса не ест, ничью кровь не пьёт! С удовольствием сидит на вкуснейшей фруктово-ягодной диете ;-) Активна, как и все летучие мыши, ночью – на зависть всем, сидячим на диете :-)))
Музей естествознания (Museum für Naturkunde) – один из крупнейших музеев естествознания в Германии.

Летучие мыши – млекопитающие, которые живут в мире птиц. Волей судьбы, а точнее говоря – эволюции, они приобрели способности, которые для млекопитающих являются необычными. Летучие мыши – это летающие звери, и вполне понятно, что человек не мог остаться равнодушным к ним.

В летучей мыши людям издавна не нравилось решительно всё – уродливое строение тела, отвратительная голова, ночной мистический образ жизни. Конечно, «уродливое», «отвратительное», «мистический» – всё это с точки зрения людей. Особую неприязнь всегда вызывали летучие мыши – вампиры.
Эта разновидность летучих мышей кровожадна в прямом смысле. Бесшумно приблизившись к какому-либо животному, они прокусывают его кожу и жадно лижут кровь, вытекающую из ранки. Правда кровожадные вампиры – всего лишь одна из разновидностей летучих мышей, однако людская неприязнь распространяется на всех.

Австралийский ложный вампир Австралийский ложный вампир (Macroderma gigas) из коллекции Зоологического общества Лондона, 1880 год

Разрешите представить ;-) – Австралийский ложный вампир. Внешность у зверька весьма экзотическая и устрашающая, снабжённая весьма выразительным кожистым придатком на мордочке, торчащим кверху, но… Длина тела этой летучей мыши всего навсего 6,5–14 см, кровожадностью она не отличается – ничью кровь не пьёт! Питается преимущественно насекомыми, в том числе кровососущими :-) время от времени включает в свой рацион мелких грызунов, птичек, рыбок…
Зоологическое общество Лондона (The Zoological Society of London, ZSL) – научное общество зоологов Великобритании, исследующих животных и популяризующих сведения о них.

«Летучая мышь – это химера, чудовищное, невозможное существо, символ грёз, кошмаров, призраков, больного воображения – писал во второй половине XIX века французский натуралист Альфонс Туссенель. – Всеобщая неправильность и чудовищность, замеченная в организме летучей мыши, безобразные аномалии в устройстве чувств, допускающие гадкому животному слышать носом и видеть ушами, – всё это как будто нарочно приноровлено к тому, чтобы летучая мышь была символом душевного расстройства и безумия». С давних времён человек считал, что летучие мыши сродни «нечистой силе». И в наше время сохранилась неприязнь к этим удивительным животным – ни один современный сериал или леденящий душу фильм про вампиров и прочую нечисть не обходится без летучих мышей. При этом летучие мыши в абсолютном своём большинстве, право же, совершенно не заслуживают такого отношения.

Сонары летучих мышей
Почему летучие мыши могут уверенно летать в полнейшей темноте?

Этот вопрос настолько заинтересовал в конце XVIII века Ладзаро Спалланцани, что тот проделал над летучими мышами ряд опытов. Спалланцани установил, что летучие мыши, лишённые зрения, продолжают спокойно порхать в тесном помещении, по-прежнему прекрасно ориентируясь в темноте. При этом они полностью сохраняют способность охотиться за насекомыми. В то же время мыши, у которых уши залеплены воском, становятся беспомощными – они теряют ориентировку и всё время натыкаются на разные препятствия. Спалланцани сделал правильный вывод: летучие мыши ориентируются в темноте при помощи слуха. Он предположил, что мыши издают во время полёта какие-то звуки и улавливают эхо от препятствий, а также от насекомых. По эхо-сигналам они и ориентируются в полёте.

В те времена подобное предположение многим казалось несерьёзным, поскольку было известно, что летучие мыши летают совершенно бесшумно. Тогда ещё не знали, что наряду со слышимыми звуками бывают звуки, которые человеческое ухо не воспринимает, – инфразвуки и ультразвуки.

Бурый ушан и Европейская широкоушка Long Eared Bat and Barbastella Bat Бурый, или обыкновенный ушан (Plecotus auritus) Европейская широкоушка, или курносый ушан (Barbastella barbastellus) Арчибальд Торберн, 1920 год

Неудивительно, что после смерти Спалланцани опыты с летучими мышами надолго прекратились. Они возобновились лишь в начале XX века. В 1938 году американские исследователи Г. Пирс и Д. Гриффин, применив специальную аппаратуру (ультразвуковые микрофоны), установили, что великолепная ориентировка летучих мышей в пространстве и, в частности, в полной темноте в самом деле связана с их способностью воспринимать эхо. Оказалось, что во время полёта летучая мышь излучает короткие ультразвуковые сигналы на частоте около 8·10⁴ Гц, а затем воспринимает эхо-сигналы, которые приходят к ней от ближайших препятствий и от пролетающих вблизи насекомых. По аналогии с радиолокацией Гриффин назвал способ ориентировки летучих мышей по ультразвуковому эху эхолокацией.

Использование для эхолокации именно ультразвука вполне естественно. Чем меньше длина волны излучения, тем более мелкими могут быть объекты, которые необходимо опознать при помощи эхо-сигналов. Напомним, что в данном случае линейные размеры объекта должны быть больше или по крайней мере порядка длины волны звука.

Частоте ν = 8·10⁴ Гц отвечает длина волны λ = c/ν = 4·10^–3 м = 4 мм (здесь с = 330 м/с – скорость звука). Кроме того, следует принять во внимание тот факт, что с уменьшением длины волны легче реализуется направленность излучения, а это очень важно для эхолокации.

Эхо в ночи

Летучие мыши – типично монофазно-ночные животные (активные только ночью). Их неслышные (нам!) крики наполняют летние ночи высокочастотным звучанием и многократно отражённым его эхом. Эти ультразвуки пронзают мрак во всех возможных направлениях. А мы упиваемся тишиной ;-) Ночи в лесах и полях не казались бы нам такими безмолвными, если бы наши уши могли слышать звуки высоких частот.

Усатая ночница и Длинноухая ночница Whiskered Bat and Bechsteins Bat Усатая ночница (Myotis mystacinus) Длинноухая ночница, или ночница Бехштейна (Myotis bechsteinii) Арчибальд Торберн, 1920 год

Звук, как известно, – это колебательные движения, распространяющиеся волнообразно в упругой среде. Одно колебание в секунду называют герцем, а тысячу – килогерцем. Человеческое ухо слышит лишь звуки с частотой колебаний от 16–18 герц до 20 килогерц. Более высокочастотные акустические колебания – это ультразвук, и мы их не слышим.
Ультразвуками летучие мыши «ощупывают» окрестности.

В гортани летучей мыши в виде своеобразных струн натянуты голосовые связки, которые, вибрируя, производят звук. Гортань ведь по своему устройству напоминает обычный свисток. Выдыхаемый из лёгких воздух вихрем проносится через неё – возникает «свист» очень высокой частоты, до 150 тысяч герц (человек его не слышит).

Летучая мышь может периодически задерживать поток воздуха. Затем он с такой силой вырывается наружу, словно выброшен взрывом. Давление проносящегося через гортань воздуха вдвое больше, чем в паровом котле. Неплохое достижение для зверька весом 5–20 граммов!

В гортани летучей мыши возбуждаются кратковременные звуковые колебания – ультразвуковые импульсы. В секунду следует от 5 до 60, а у некоторых видов даже от 10 до 200 импульсов. Каждый импульс-взрыв длится обычно всего 2–5 тысячных долей секунды.

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

От препятствия, которое удалено на семнадцать метров, отражённый звук возвращается к зверьку приблизительно через 0,1 секунды. Если звуковой сигнал продлится больше 0,1 секунды, то его эхо, отражённое от предметов, расположенных ближе 17 метров, зверёк услышит одновременно с основным звучанием.

А ведь именно по промежутку времени между концом посылаемого сигнала и первыми звуками вернувшегося эха летучая мышь инстинктивно получает представление о расстоянии до предмета, отразившего ультразвук. Поэтому звуковой импульс так краток.

Ночница Наттерера и Водяная ночница Natterer's Bat and Daubenton's Bat Ночница Наттерера (Myotis nattereri) Водяная ночница, или ночница Добантона (Myotis daubentonii) Арчибальд Торберн, 1920 год

По-видимому, летучая мышь каждый новый звук издаёт 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 издаёт 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 инстинктивно изменяет курс полёта, уклоняясь от направления, откуда отражённые звуки приходят слишком быстро.

Действительно, опыты показали, что летучие мыши перед стартом издают в секунду лишь 5–10 ультразвуковых импульсов. В полёте учащают их до 30. При приближении к препятствию звуковые сигналы следуют ещё быстрее – до 50–60 раз в секунду. Некоторые летучие мыши во время охоты на ночных насекомых, настигая добычу, издают даже 250 «криков» в секунду. Эхолокатор летучих мышей – очень точный навигационный прибор – природный звуковой радар: он в состоянии запеленговать даже микроскопически малый предмет – диаметром всего 0,1 миллиметра!

Иллюстрации из книги Альфреда Эдмунда Брема «Жизнь животных: Летучие мыши»
Водяная ночница Myotis daubentonii		Большой подковонос Rhinolophus ferrumequinum

Альфред Эдмунд Брем (Alfred Edmund Brehm; 02.02.1829–11.11.1884) – немецкий учёный-зоолог и путешественник, автор знаменитой научно-популярной работы «Жизнь животных».

Природные звуковые радары

Летучие мыши – обладатели весьма совершенных природных звуковых радаров, или, иначе говоря, природных сонаров (в слове «сонар» первый слог «со» происходит от английского sound, что означает «звук»). Устройство сонаров различно у различных видов летучих мышей.

Например, остроухая ночница (как, впрочем, и многие другие виды мышей) излучает ультразвуковые волны через рот, а большой подковонос через ноздри, которые у него окружены кожистыми выростами наподобие рупоров. На рисунке 1,а) изображена мордочка ночницы, а на рисунке 1,б) – подковоноса. Там же приведены диаграммы направленности ультразвука, излучаемого этими летучими мышами.

Длина красных отрезков на диаграммах пропорциональна интенсивности звука в соответствующем направлении. Видно, что остроухая ночница испускает звуковой луч с углом раствора около 40°, а большой подковонос – около 80°.

Отражённые от объекта ультразвуковые волны летучая мышь воспринимает ушами, имеющими сравнительно большие размеры (смотри рисунок 1). Слуховой аппарат у летучих мышей значительно совершеннее, чем у человека. Дело здесь не только в том, что летучие мыши улавливают ультразвуковые частоты. Они способны улавливать крайне слабые звуки, например звук, отражённый пролетающим комаром. Кроме того, летучая мышь удивительно точно определяет направление на объект, который отразил звуковой сигнал.

Большой и Малый подковонос Greater Horseshoe Bat & Lesser Horseshoe Bat Большой подковонос (Rhinolophus ferrumequinum) Малый подковонос (Rhinolophus hipposideros) Арчибальд Торберн, 1920 год

§ Фотосессия зубастого мистера Подковоноса ;-) на зелёной страничке «Адыгея: Уна-коз. Даховский разлом. Печеры. Чёртов палец».

Летучая мышь на охоте

Многие виды летучих мышей питаются мелкими летающими насекомыми, например комарами. Комар имеет массу примерно 0,002 г. Предположим, что за 15 минут активной охоты за комарами масса маленькой летучей мыши возросла 5 г до 5,4 г. Значит, проглоченные мышью комары составили в данном случае массу 0,4 г, что соответствует 200 комарам – меньше 5 с на каждого комара. И это отнюдь не рекорд. Производя звукозапись поведения летучих мышей, Гриффин обнаружил, что мышь может затрачивать на отлов одного комара менее секунды. Когда летучая мышь охотится за комарами, то со стороны кажется, что она совершает быстрые беспорядочные движения в воздухе, беспомощно мечется, бросаясь то в одну, то в другую сторону. В действительности же перед нами опытнейшая летунья, наделённая совершенным сонаром. Каждое её малейшее движение является целенаправленным и точным.

Поздний кожан и Малая вечерница Serotine and Leisters Bat Поздний кожан (Eptesicus serotinus) Малая вечерница (Nyctalus leisleri) Арчибальд Торберн, 1920 год

Удивительные свойства природных сонаров

Природные сонары летучих мышей не могут не восхищать исследователей и, в частности, они не могут не вызывать зависти у специалистов по радиолокации. Мы уже отмечали их очень высокую чувствительность, позволяющую улавливать крайне слабые эхо-сигналы от комара, который пролетает на расстоянии нескольких метров. Ещё более удивительно то, что сонар летучей мыши позволяет ей различить эхо от неподвижного препятствия и эхо от движущегося объекта. Сама мышь находится, заметим, в движении. И при этом она не только легко различает неподвижные и движущиеся объекты, но способна воспринять слабенькое эхо от летящего комара на фоне во много раз более сильного эха от поверхности земли, деревьев и т. п. Специалисты по радиолокации знают, как трудно подчас различить радиоэхо от низко летящего самолёта и от земной поверхности. Естественно, что их не может не заинтересовать природный сонар летучей мыши.

Летучие мыши обычно живут в пещерах, где собираются огромными стаями. Вылетая из пещеры или влетая в неё, каждая мышь пользуется, естественно, своим сонаром. Таким образом, одновременно издают звуки тысячи и более летучих мышей. А между тем весь этот шум, по-видимому, нисколько не мешает каждой мыши легко ориентироваться внутри пещеры даже в полной темноте. Получается, что природные сонары обладают завидной способностью, по выражению специалистов, отстраиваться от паразитных сигналов. Известно, что в радиолокации проблема такой отстройки является очень важной и острой.

Нетопырь и Вечерница Pipistrelle & Noctule Bat Неотопырь-карлик (Pipistrellus pipistrellus) Рыжая вечерница (Nyctalus noctula) Арчибальд Торберн, 1920 год

Пока мы не знаем достаточно хорошо, чем объясняются столь удивительные свойства природных сонаров. Ясно, что они связаны с особенностями устройства природных звукоизлучателей и звукоприёмников летучих мышей. Возможно также, что определённую роль играет отмечавшаяся выше частотная модуляция локационных сигналов, посылаемых летучими мышами. Одним словом, природные сонары летучих мышей заслуживают самого тщательного изучения. Нет сомнения, что они подскажут людям немало интересных и полезных технических решений…

P.S.:
Справедливости ради, отметим… Вампировые летучие мыши, питающиеся кровью, распространены в Центральной и Южной Америке – от Мексики до северной Аргентины.
Все виды летучих мышей, являющиеся представителями фауны России и всех стран бывшего СССР, питаются насекомыми, в том числе вредными и кровососущими!!!, которых обнаруживают с помощью слуха и эхолокации и ловят на лету, реже собирают с листьев и стволов деревьев.

Врагов у летучих мышей немного: хватают их по ночам совы, а в сумерках – хищные птицы. В наших широтах летучие мыши страдают больше не от хищников, а от паразитов: блох, клещей, бескрылых мух, клопов (близких родичей наших постельных). Губит многих и быстро наступающая на пустоши и леса цивилизация. Мало осталось мест, пригодных для зимовок и дневного сна летучих мышей, оттого число их сильно сократилось.

Нужно ли говорить, что летучие мыши, уничтожая летними ночами мегатонны вредных насекомых, очень полезны человеку. Что их надо беречь! И по возможности, не разрушать разные старые колокольни, штольни, погреба и дуплистые деревья. Нужно научиться даже строить для них специальные дуплянки, башни и прочие необходимые им «спальни» для дневного и зимнего сна.

Акимушкин Игорь Иванович (01.05.1929–01.01.1993) – советский биолог, писатель – популяризатор биологии, автор научно-популярных книг о жизни животных. Лауреат премии Всесоюзного общества «Знание». Член Союза писателей СССР. Наиболее известной публикацией Игоря Акимушкина является шеститомная книга «Мир Животных».

Арчибальд Торберн (Archibald Thorburn; 31.05.1860–09.10.1935) – шотландский художник-иллюстратор.

Материалы этой статьи полезно будет применить не только на уроках физики и биологии, но и во внеклассной работе.
Биофизический материал является чрезвычайно благодатным для мобилизации внимания учащихся, для превращения абстрактных формулировок в нечто конкретное и близкое, затрагивающее не только интеллектуальную, но и эмоциональную сферу.

В процессе подготовки материалов для этой статьи и активной работе со своей домашней библиотекой, нашла замечательную книгу «Вопросы и задачи по физике» Владимира Александровича Золотова (Москва: издательство «Просвещение», 1965 год) и решила добавить 10 задачек из этой книги на зелёную страничку «Шкатулка качественных задач по физике: Механические волны – звук» – в тему :-) и в удовольствие – Для тех, кто любит учиться!

Литература:
§ Акимушкин И.И. С вечера до утра
Москва: издательство «Детская литература», 1974
§ Тарасов Л.В. Физика в природе
Москва: издательство «Просвещение», 1988
§ Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики
Москва: издательство «Просвещение», 1988

БИОФИЗИКА НА УРОКАХ ФИЗИКИ

§ Биофизика: Звучание насекомых
Басня «Стрекоза и Муравей» Ивана Андреевича Крылова
Суть басни Крылова «Стрекоза и муравей», казалось бы, лежит на поверхности – «Кто не работает, тот не ест», но в реалиях современной России получается всё шиворот-навыворот :-(

§ Биофизика: Ноги, хвосты… главное… – уши!
Познавательный материал, посвящённый приспособлению животных к различной температуре на примере представителей семейства псовых – фенека, лисицы, песца…

§ Биофизика: Тайны дельфина
Занимательно-познавательный биофизический материал, который приоткрывает завесу тайны над некоторыми особенностями организации дельфинов: самонастраивающаяся кожа и непревзойдённый гидролокатор…

§ Биофизика: Реактивное движение в живой природе
По принципу реактивного движения в живой природе передвигается целый ряд животных, например медузы, морские моллюски гребешки, личинки стрекозы-коромысла, кальмары, осьминоги, каракатицы…
Познакомимся с некоторыми из них поближе ;-)

§ Биофизика: Почему у кошки глаза светятся?
«Физическая неожиданность и интересность» ;-)
Почему у собак, кошек и других животных, имеющих хорошее ночное зрение, глаза светятся в темноте?

Предлагаю почитателям физики заглянуть на зелёные странички:

§ Физика и художественная литература: Механические волны – звук
Особенностью живого ума является то, что ему нужно лишь немного увидеть и услышать для того, чтобы он мог потом долго размышлять и многое понять. Джордано Бруно

§ Шкатулка качественных задач по физике: Механические волны – звук
«Многие вещи нам непонятны не потому, что наши понятия слабы, но потому, что сии вещи не входят в круг наших понятий». Козьма Прутков
Дидактические материалы по физике для учащихся, а также их родителей ;-) и, конечно же, для творческих педагогов. Для тех, кто любит учиться!

§ Физика и художественная литература: Звуковые колебания
Басня «Квартет» Ивана Андреевича Крылова
Грустно бывает слушать музыку без слов,
но ещё грустнее – слушать музыку без музыки… Марк Твен

§ «Физика и художественная литература (Константин Георгиевич Паустовский)
Холодное свечение в природе – биолюминесценция
Светящиеся глубоководные рыбы в исполнении Кондакова Николая Николаевича.

§ Шкатулка качественных задач по физике: Электричество
Биологическое электричество: рыбы, обладающие электрическими свойствами

Любителям анималистики предлагаю заглянуть на зелёные странички:

§ Цуцик это кто? Малюсенькое исследование
Цуцик бывает разный :-)

§ Картины-загадки художника Стивена Гарднера (I часть)
Панды, чёрные медведи (барибалы), совы, волки (4 картинки-загадки)

§ Картины-загадки художника Стивена Гарднера (II часть)
Лошади, койоты, пумы, моржи (4 картинки-загадки)

§ Картины-загадки художника Стивена Гарднера (III часть)
Морские черепахи, киты, косатки, дельфины (4 картинки-загадки)

_statistics

---