Rzepy wynaleziono na bazie łopianu. Łańcuszek Schmitta został zainspirowany nerwami kałamarnicy. Nos pociągu rakietowego Shinkansen imituje dziób zimorodka. Inżynierowie nieustannie czerpią pomysły ze świata przyrody.
Echolokacja to kolejny przykład tego, jak natura znalazła rozwiązanie na długo przed ludźmi. Proces ten polega na wysyłaniu fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości do obiektu i słuchaniu odbitego sygnału. Ludzie używają sonaru od ponad wieku. Jednak zębowce i nietoperze jako pierwsze udoskonaliły tę umiejętność.
Delfiny, morświny i kaszaloty korzystają z tego biologicznego systemu sonarowego. To samo robi około 1000 gatunków nietoperzy. W miarę postępu inżynierii przyszli wynalazcy będą prawdopodobnie szukać inspiracji w tych zwierzętach. Ale która grupa oferuje największą wartość pionierom przyszłości?
Naukowcy spierają się między sobą w tej kwestii. Laura Klopper, adiunkt biologii w St. Mary’s College w Indianapolis, zaprezentowała nowe badania na spotkaniu Acoustical Society of America w listopadzie 2018 roku. Podkreśliła kluczowe różnice między echolokacją nietoperzy i delfinów. Jej wniosek jest jasny: uważa, że nietoperze wykorzystują tę metodę w znacznie bardziej efektowny sposób.
Nie wszyscy zgadzają się z tą opinią. W tej „słuchowej” bitwie może nie być wyraźnego zwycięzcy. Zanim wybierzesz stronę, rozważ dane.
Przewaga zasięgu i głośności
Dźwięk rozchodzi się w wodzie około cztery razy szybciej niż w powietrzu. Dzięki temu zębowce mogą korzystać z echolokacji na dużych odległościach. Zanurzony delfin butlonose może wykryć potencjalną ofiarę z odległości 361 stóp (110 metrów).
Zasięg echolokacji nietoperzy jest znacznie węższy. Większość gatunków polujących na owady wykrywa ofiarę dopiero z odległości od 3 do 5 metrów. Pod względem zasięgu wieloryby odnoszą miażdżące zwycięstwo.
Głośność to kolejna metryka zdominowana przez zębowce. Delfiny i ich krewni wykorzystują przewody nosowe do generowania dźwięków kliknięcia. Dźwięki te przechodzą przez „melon”, narząd tłuszczowy znajdujący się nad szczękami. Melon pełni funkcję wbudowanego megafonu: skupia i ukierunkowuje wychodzący dźwięk.
Niektóre z tych wielorybów wydają odgłosy klikania o głośności nawet 230 decybeli. To prawie 130 decybeli głośniej niż ryk nowojorskich pociągów metra. Liczba ta znacznie przewyższa również dźwięki wydawane przez nietoperze. Nietoperze używające sonaru wydają dźwięki o natężeniu około 100 decybeli.
U nietoperzy fale dźwiękowe są zwykle generowane przez język lub krtań. Niedawno naukowcy odkryli bardziej prymitywną metodę. Badanie przeprowadzone w 2014 roku wykazało, że nietoperze owocożerne ze Starego Świata poruszają się w ciemności, klikając skrzydłami, a następnie nasłuchując echa. Naukowcy wciąż próbują zrozumieć, jak to działa.
Przetwarzanie szumu audio
Tworzenie dźwięku to tylko połowa zadania. Powracające echa również muszą zostać przetworzone. Delfiny używają szczęk i zębów do przechwytywania echa. Sygnały te przekazywane są do ucha środkowego. Nietoperze wykorzystują powiększone uszy zewnętrzne do zbierania powracających sygnałów.
Nawet przy tak dużych uszach zaskakujące jest, że nietoperze tak dobrze słyszą. Wiele gatunków żyje, porusza się i poluje w ogromnych koloniach. Największe grupy liczą około 15 milionów osobników. Kiedy setki lub miliony nietoperzy jednocześnie korzystają z echolokacji, pojawia się chaotyczny hałas w tle.
Każdy nietoperz musi odróżniać swoje własne odgłosy od odgłosów innych. Aby to zrobić, skrzydlate ssaki zmieniają wysokość, częstotliwość i synchronizację swoich indywidualnych głosów. Niektórzy idą dalej: meksykański nietoperz celowo wydaje dźwięki, aby zagłuszyć sygnały sonaru innych nietoperzy. W miłości, wojnie i polowaniu na robaki wszystko jest dozwolone.
Wezwania nietoperzy są złożone. Są elastyczne i łatwe w manipulacji. Kliknięcia zębowców są bardziej jednolite. Walenie mają mniejszą kontrolę nad wysokością i czasem trwania swoich stosunkowo prostych dźwięków.
Ta elastyczność jest jednym z powodów, dla których Klopper uważa, że nietoperze są stworzeniami bardziej złożonymi. Strategie przeciwzakłóceniowe również potwierdzają ten pogląd. W niedawnym eksperymencie Klopper i jej współpracownicy wystawili dwa delfiny na nagrania sztucznych kliknięć waleni. Zwierzęta wodne nie straciły orientacji. Nieznacznie zmienili czas i częstotliwość sygnałów wychodzących.
Wynik był całkiem dobry. Klopper podkreśla jednak, że nietoperze zachowują dużą elastyczność wokalną. Możliwości inżynieryjne ukryte w gardle nietoperza mogą być po prostu bardziej złożone niż te zawarte w melonie wieloryba.
16 listopada 2018 r. w przyjaznej dyskusji naukowej w ramach Science Friday uwydatniono zaskakującą różnicę w możliwościach sonaru między nietoperzami i delfinami. Kloepper reprezentował Team Bats, a Brian Branstetter, biolog z National Marine Mammal Foundation, reprezentował Team Dolphins. W połowie dyskusji Branstetter zwrócił uwagę na wyraźną przewagę zębowców nad swoimi latającymi kuzynami.
Nietoperze wykorzystują dźwięk do mapowania zewnętrznej powierzchni obiektów stałych. Odbite sygnały mówią im, jak obiekt wygląda z zewnątrz. Delfiny zachowują się inaczej. Ponieważ dźwięk przemieszcza się przez wodę, sygnały echolokacyjne przemieszczają się przez cele. Dzięki temu mogą zobaczyć obiekt zarówno od wewnątrz, jak i od zewnątrz. Badanie przeprowadzone w 1992 roku wykazało, że delfiny butlonose potrafią określić grubość pustych cylindrów, wykorzystując wyłącznie ich naturalną echolokację.
Te dwa gatunki mogą wydawać się zupełnie różne. Żyją w różnych środowiskach. Ewoluowały na różnych kontynentach. Jednak analiza genetyczna przeprowadzona w 2010 roku ujawnia wspólną ścieżkę. Obie linie niezależnie wyewoluowały sonar po przejściu podobnych mutacji związanych ze słuchem. Ewolucja się powtórzyła. Historia się powtarza.
Poza nietoperzami i wielorybami
Nietoperze i zębowce nie są jedynymi zwierzętami, które polegają na sonarze. Ptaki motylkowe zamieszkujące jaskinie korzystają z echolokacji, aby poruszać się w całkowitej ciemności. Krety mogą również używać tej techniki do wyczuwania otoczenia. Zdolność „widzenia” poprzez dźwięk jest bardziej powszechna, niż nam się wydawało.
„Delfiny potrafią określić grubość pustych cylindrów, wykorzystując jedynie swoje zdolności echolokacyjne”.
Ten biologiczny, zbieżny rozwój rodzi pytania o to, jak zwierzęta postrzegają swój świat. Dla nietoperzy najważniejszy jest wygląd zewnętrzny. Dla delfinów sekrety są ukryte w środku. Obie strategie działają. Obydwa wyewoluowały w wyniku podobnych zmian genetycznych. Mechanizm jest różny. Rezultat jest taki sam.
Dlaczego tak wiele zwierząt potrzebuje tego narządu zmysłów? Ciemność ukrywa drapieżniki. Mętna woda ukrywa ofiarę. Rozwiązanie jest proste. Emituj dźwięk. Słuchaj powracającego sygnału. Mózg buduje obraz na podstawie echa. To uniwersalny język przestrzeni.
Butterbird lata w ciemności. Kret kopie w ziemi. Delfin pływa w błękitnych wodach. Nietoperz lata nocą. Wszyscy słuchają. Wszyscy słyszą. Echo jest prawdziwe. Zawsze tam jest. Czekanie.
