Велкро был изобретён на основе репейника. Цепь Шмитта была вдохновлена нервами кальмара. Нос скоростного поезда Синкансэн имитирует клюв зимородка. Инженеры постоянно черпают идеи из природного мира.
Эхолокация — ещё один пример того, как природа нашла решение задолго до людей. Этот процесс включает в себя отправку высокочастотных звуковых волн к объекту и прослушивание отражённого сигнала. Люди используют сонар уже более века. Однако зубатые киты и летучие мыши отточили этот навык первыми.
Дельфины, морские свиньи и кашалоты используют эту биологическую сонарную систему. Так же поступают около 1000 видов летучих мышей. По мере развития инженерии будущие изобретатели, вероятно, будут обращаться к этим животным за вдохновением. Но какая группа предлагает большую ценность для пионеров будущего?
Учёные спорят друг с другом по этому вопросу. Лора Клоппер, ассистент-профессор биологии в Колледже Святой Марии в Индианаполисе, представила новые исследования на заседании Акустического общества Америки в ноябре 2018 года. Она выделила ключевые различия между эхолокацией летучих мышей и дельфинов. Её вывод однозначен: она считает, что летучие мыши используют этот метод гораздо более впечатляющим образом.
Не все согласны с этим мнением. В этой «ауральной» битве может не быть однозначного победителя. Прежде чем выбрать сторону, рассмотрите данные.
Преимущество в дальности и громкости
Звук распространяется в воде примерно в четыре раза быстрее, чем в воздухе. Это позволяет зубатым китам использовать эхолокацию на огромных расстояниях. Погружённый дельфин-афалина может обнаружить потенциальную добычу с расстояния 361 фут (110 метров).
Дальность эхолокации у летучих мышей значительно уже. Большинство видов, охотящихся на насекомых, обнаруживают добычу лишь на расстоянии от 9,8 до 16,4 футов (от 3 до 5 метров). В плане дальности киты одерживают убедительную победу.
Громкость — ещё один показатель, в котором доминируют зубатые киты. Дельфины и их родственники используют носовые проходы для генерации щелчков. Эти звуки проходят через «мелон» — жировой орган, расположенный над челюстями. Мелон действует как встроенный мегафон: он фокусирует и направляет исходящий звук.
Некоторые из этих китов издают щелчки громкостью до 230 децибел. Это почти на 130 децибел громче, чем рев поездов в нью-йоркском метро. Этот показатель также значительно превосходит звуки, издаваемые летучими мышами. Летучие мыши, использующие сонар, издают звуки громкостью около 100 децибел.
У летучих мышей звуковые волны обычно генерируются языком или гортанью. Недавно учёные обнаружили более примитивный метод. Исследование 2014 года показало, что фруктовые летучие мыши Старого Света ориентируются в темноте, щёлкая крыльями, а затем прислушиваясь к эху. Исследователи всё ещё пытаются понять, как это работает.
Обработка звукового шума
Создание звука — лишь половина задачи. Необходимо также обрабатывать возвращающиеся эхо-сигналы. Дельфины используют челюсти и зубы для перехвата эха. Эти сигналы передаются в среднее ухо. Летучие мыши используют разросшиеся внешние уши для сбора возвращающихся сигналов.
Даже с такими большими ушами удивительно, что летучие мыши слышат так хорошо. Многие виды живут, перемещаются и охотятся в огромных колониях. Самые крупные группы насчитывают около 15 миллионов особей. Когда сотни или миллионы летучих мышей одновременно используют эхолокацию, возникает хаотичный фоновый шум.
Каждая летучая мышь должна отличать свои собственные крики от криков других. Для этого крылатые млекопитающие изменяют высоту тона, частоту и время звучания своих индивидуальных голосов. Некоторые идут дальше: мексиканская свободноголовая летучая мышь намеренно издает звуки, чтобы заглушать сонарные сигналы других летучих мышей. В любви, войне и охоте на жуков всё позволено.
Сигналы летучих мышей сложны. Они гибки и легко поддаются манипуляциям. Щелчки зубатых китов более однородны. Китообразные имеют меньше контроля над высотой тона или продолжительностью своих относительно простых звуков.
Эта гибкость — одна из причин, по которым Клоппер считает летучих мышей более сложными существами. Стратегии защиты от помех также подтверждают эту точку зрения. В недавнем эксперименте Клоппер и её коллеги подвергли двух дельфинов записи искусственных щелчков китообразных. Водные животные не потеряли ориентацию. Они слегка изменили время и частоту своих исходящих сигналов.
Результат был неплохим. Однако Клоппер подчёркивает, что летучие мыши сохраняют большую вокальную гибкость. Инженерные возможности, скрытые в горле летучей мыши, могут быть просто более сложными, чем те, что заключены в мелоне кита.
16 ноября 2018 года в ходе дружеской научной дискуссии в программе «Science Friday» было подчеркнуто удивительное различие в возможностях сонара у летучих мышей и дельфинов. Клёппер представляла команду «Летучие мыши», а Брайан Бранстеттер, биолог из Национального фонда морских млекопитающих, — команду «Дельфины». На полпути обсуждения Бранстеттер указал на явное преимущество, которое зубатые киты имеют перед своими летающими собратьями.
Летучие мыши используют звук для картирования внешней поверхности твердых объектов. Отраженные сигналы сообщают им, как объект выглядит снаружи. Дельфины действуют иначе. Поскольку звук распространяется в воде, их эхолокационные сигналы проходят сквозь цели. Это позволяет им видеть объект как изнутри, так и снаружи. Исследование 1992 года доказало, что дельфины-афалины могут определять толщину полых цилиндров, используя только свою естественную эхолокацию.
Эти два вида могут казаться совершенно разными. Они обитают в разных средах. Они эволюционировали на разных континентах. Однако генетический анализ 2010 года выявляет общий путь. Обе линии независимо развили сонар после претерпевания схожих мутаций, связанных со слухом. Эволюция повторила себя. История повторяется.
За пределами летучих мышей и китов
Летучие мыши и зубатые киты — не единственные животные, полагающиеся на сонар. Масляные птицы, обитающие в пещерах, используют эхолокацию для навигации в полной темноте. Кроты, возможно, также используют этот прием для восприятия окружающей среды. Способность «видеть» с помощью звука распространена шире, чем мы думали.
«Дельфины могут определять толщину полых цилиндров, используя только свои эхолокационные способности».
Это биологическое конвергентное развитие вызывает вопросы о том, как животные воспринимают свой мир. Для летучих мышей самое важное — это внешняя сторона. Для дельфинов секреты скрыты внутри. Обе стратегии работают. Обе развились благодаря схожим генетическим изменениям. Механизм различается. Результат одинаков.
Почему столь многим животным нужен этот орган чувств? Темнота скрывает хищников. Мутная вода скрывает добычу. Решение простое. Излучите звук. Прислушайтесь к возвращающемуся сигналу. Мозг строит изображение на основе эха. Это универсальный язык пространства.
Масляная птица летает в темноте. Крот копается в земле. Дельфин плавает в синих водах. Летучая мышь летает ночью. Все они слушают. Все они слышат. Эхо реально. Оно всегда там. Ждет.
