Велкро був винайдений на основі реп’яха. Ланцюг Шмітта був натхненний нервами кальмара. Ніс швидкісного поїзда Сінкансен імітує дзьоб зимородка. Інженери постійно черпають ідеї із природного світу.
Ехолокація ще один приклад того, як природа знайшла рішення задовго до людей. Цей процес включає відправлення високочастотних звукових хвиль до об’єкта і прослуховування відбитого сигналу. Люди використовують сонар уже понад століття. Однак зубаті кити і кажани відточили цю навичку першими.
Дельфіни, морські свині та кашалоти використовують цю біологічну сонарну систему. Також надходять близько 1000 видів кажанів. У міру розвитку інженерії майбутні винахідники, ймовірно, звертатимуться до цих тварин за натхненням. Але яка група пропонує велику цінність піонерам майбутнього?
Вчені сперечаються один з одним із цього питання. Лора Клоппер, асистент-професор біології у Коледжі Святої Марії в Індіанаполісі, представила нові дослідження на засіданні Акустичного товариства Америки у листопаді 2018 року. Вона виділила ключові відмінності між ехолокацією кажанів та дельфінів. Її висновок однозначний: вона вважає, що кажани використовують цей метод набагато вражаючим чином.
Не всі згодні з цією думкою. У цій «ауральній» битві може бути однозначного переможця. Перш ніж вибрати сторону, розгляньте дані.
Перевага в дальності та гучності
Звук поширюється у воді приблизно вчетверо швидше, ніж у повітрі. Це дозволяє зубатим китам використовувати ехолокацію на величезних відстанях. Занурений дельфін-афаліну може виявити потенційний видобуток з відстані 361 фут (110 метрів).
Дальність ехолокації у кажанів значно вже. Більшість видів, що полюють на комах, виявляють видобуток лише на відстані від 9,8 до 16,4 футів (від 3 до 5 метрів). У плані дальності кити здобувають переконливу перемогу.
Гучність – ще один показник, у якому домінують зубаті кити. Дельфіни та його родичі використовують носові проходи для генерації клацань. Ці звуки проходять через “мелон” – жировий орган, розташований над щелепами. Мелон діє як вбудований мегафон: він фокусує і спрямовує вихідний звук.
Деякі з цих китів клацають гучністю до 230 децибелів. Це майже на 130 децибелів голосніше, ніж рев поїздів у нью-йоркському метро. Цей показник також перевершує звуки, що видаються кажанами. Кажани, що використовують сонар, видають звуки гучністю близько 100 децибел.
У кажанів звукові хвилі зазвичай генеруються мовою чи гортанню. Нещодавно вчені виявили примітивніший метод. Дослідження 2014 показало, що фруктові кажани Старого Світу орієнтуються в темряві, клацаючи крилами, а потім прислухаючись до луни. Дослідники досі намагаються зрозуміти, як це працює.
Обробка звукового шуму
Створення звуку – лише половина завдання. Необхідно також обробляти ехо-сигнали, що повертаються. Дельфіни використовують щелепи та зуби для перехоплення луни. Ці сигнали передаються у середнє вухо. Кажани використовують розрослі зовнішні вуха для збору сигналів, що повертаються.
Навіть із такими великими вухами дивно, що кажани чують так добре. Багато видів живуть, переміщаються і полюють у величезних колоніях. Найбільші групи налічують близько 15 мільйонів особин. Коли сотні чи мільйони кажанів одночасно використовують ехолокацію, виникає хаотичний шум фону.
Кожна кажан повинна відрізняти свої власні крики від інших криків. Для цього крилаті ссавці змінюють висоту тону, частоту та час звучання своїх індивідуальних голосів. Деякі йдуть далі: мексиканська вільноголова кажан навмисно видає звуки, щоб заглушувати сонарні сигнали інших кажанів. У коханні, війні та полюванні на жуків все дозволено.
Сигнали кажанів складні. Вони гнучкі та легко піддаються маніпуляціям. Клацання зубастих китів більш однорідні. Китоподібні мають менше контролю за висотою тону чи тривалістю своїх щодо простих звуків.
Ця гнучкість — одна з причин, через які Клоппер вважає кажанів складнішими істотами. Стратегії захисту від перешкод також підтверджують цю думку. У недавньому експерименті Клоппер та її колеги піддали двох дельфінів запису штучних клацань китоподібних. Водні тварини не втратили орієнтації. Вони трохи змінили час і частоту своїх вихідних сигналів.
Результат був непоганий. Однак Клоппер підкреслює, що кажани зберігають велику вокальну гнучкість. Інженерні можливості, приховані в горлі кажана, можуть бути складнішими, ніж ті, що укладені в мелоні кита.
16 листопада 2018 року в ході дружньої наукової дискусії у програмі «Science Friday» було підкреслено дивовижну відмінність у можливостях сонара у кажанів та дельфінів. Клеппер представляла команду «Кажани», а Браян Бранстеттер, біолог з Національного фонду морських ссавців, — команду «Дельфіни». На півдорозі обговорення Бранстеттер вказав на явну перевагу, яку зубаті кити мають перед своїми літаючими побратимами.
Кажани використовують звук для картування зовнішньої поверхні твердих об’єктів. Відображені сигнали повідомляють їм, як виглядає об’єкт зовні. Дельфіни діють інакше. Оскільки звук поширюється у воді, їх ехолокаційні сигнали проходять крізь цілі. Це дозволяє бачити об’єкт як зсередини, і зовні. Дослідження 1992 довело, що дельфіни-афаліни можуть визначати товщину порожнистих циліндрів, використовуючи тільки свою природну ехолокацію.
Ці два види можуть здаватися зовсім різними. Вони живуть у різних середовищах. Вони еволюціонували на різних континентах. Проте генетичний аналіз 2010 виявляє загальний шлях. Обидві лінії незалежно розвинули сонар після подібних мутацій, пов’язаних зі слухом. Еволюція повторила себе. Історія повторюється.
За межами кажанів і китів
Кажани і зубаті кити – не єдині тварини, що покладаються на сонар. Масляні птахи, що мешкають у печерах, використовують ехолокацію для навігації у повній темряві. Кроти, можливо, також використовують цей прийом для сприйняття довкілля. Здатність «бачити» з допомогою звуку поширена ширше, ніж ми думали.
«Дельфіни можуть визначати товщину порожнистих циліндрів, використовуючи лише свої ехолокаційні здібності».
Цей біологічний конвергентний розвиток викликає питання, як тварини сприймають свій світ. Для кажанів найважливіше – це зовнішня сторона. Для дельфінів секрети приховані усередині. Обидві стратегії працюють. Обидві розвинулися завдяки подібним генетичним змінам. Механізм відрізняється. Результат однаковий.
Чому багатьом тваринам потрібен цей орган почуттів? Темрява приховує хижаків. Мутна вода приховує видобуток. Рішення просте. Випромініть звук. Прислухайтеся до сигналу, що повертається. Мозок будує зображення на основі луни. Це універсальна мова простору.
Масляний птах літає в темряві. Кріт копається у землі. Дельфін плаває у синіх водах. Кажан літає вночі. Усі вони слухають. Усі вони чують. Відлуння реально. Воно завжди там. Чекає.
