На пути к бионике

До сравнительно недавнего времени было неясно, как устроена передающая антенна дельфинов, каким образом они ухитряются фокусировать ультразвуки, посылать импульсы в нужном направлении, что является непременным условием работы любого локатора. В 1962 году американские исследователи Вильям Эванс и Джон Прескотт высказали предположение, что выпуклая жировая подушка, расположенная на челюстях и межчелюстных костях, и вогнутая передняя поверхность черепа дельфинов действуют как звуковая линза. Аналогичная гипотеза была выдвинута и советскими учеными В. Бельковичем и А. Яблоковым. Роль рефлектора генерируемых дельфином ультразвуков ученые отвели его черепу. Таким образом, согласно гипотезе Эванса-Прескотта и Бельковича - Яблокова, "линза" и "рефлектор" - это те органы в природном гидролокаторе дельфина, которые играют роль передающей антенны, концентрируют сигналы, излучаемые носовым проходом, и в виде звукового пучка направляют их на лоцируемый объект. Меняя форму жировой подушки, которая снабжена собственной мускулатурой, дельфин может "ощупывать" пространство впереди себя и широким, рассеянным пучком ультразвука, и очень узким, концентрированным. Исследования последних лет внесли некоторые уточнения в эту гипотезу.

Оказалось, что природная линза дельфина преобразует сферический фронт звуковой волны в плоский. Это позволяет мозгу дельфина наиболее экономно обрабатывать получаемую информацию и не менять способ обработки при приближении животного к интересующему его предмету. В отличие от многих локаторов, созданных человеком, передающая антенна дельфина не переключается на прием отраженных сигналов. Дельфины снабжены отдельной приемной антенной. Ею, возможно, является нижняя челюсть животного, от которой к каждому внутреннему уху тянется жировой тяж. Поясним, что внутреннее ухо китообразных очень хорошо изолировано и экранировано. Наружный слуховой проход и упомянутый жировой тяж являются единственными каналами, по которым звуковой сигнал может проникнуть во внутреннее ухо. Итак, отраженные сигналы принимают уши дельфина, а обработку сигналов производит их великолепный мозг.

Как же работает локатор дельфина? Так, как будто дельфин знает, что при постоянных размерах акустической линзы звуковой луч тем шире, чем ниже частота (тон) звуковых колебаний; что звуковые волны высокого тона сильнее поглощаются морской водой, что чем короче звуковой сигнал, тем выше должна быть разрешающая способность его локатора по дальности. В режиме "дальнего обзора" дельфин излучает резкие импульсы сравнительно низкого тона, слабо затухающие в воде. Ширина звукового луча максимальна, и, покачивая головой (а возможно, и переключая источники звука), дельфин "просматривает" окружающее пространство на большом расстоянии. Обнаружив добычу и приближаясь к ней, дельфин повышает частоту тона. Одновременно число импульсов возрастает с 5-10 до 70-100 в секунду и уменьшается длительность самих импульсов. Акустический луч все более и более сужается. Растет разрешающая способность по углу и по дальности. Наконец, добыча почти рядом. Посылаемые дельфином и отраженные от цели импульсы сливаются, мешая обнаружить добычу. И дельфин включает "частотную модуляцию". Он испускает длинный импульс продолжительностью 5-10 секунд, плавно меняя частоту сигнала, например от 7 до 20 килогерц. Легко понять, что чем дальше добыча, тем позже вернется отраженный сигнал и тем больше будет разница между частотами излучаемого и принимаемого сигнала. При определенной разности частот мозг выдает команду хватать добычу. Интересно, что дельфины используют частотномодулированное излучение для определения расстояния до дна, близости берега и льдов, для предотвращения столкновений с проплывающими кораблями. Именно этот принцип лежит в основе устройства многих сонаров, используется он и в некоторых радиовысотомерах.

Гидролокатор дельфина позволяет животному обнаруживать только впереди расположенные предметы. Но попробуйте напасть на него сзади или сбоку. Вас постигнет неудача. В чем же дело? Оказывается, дельфин использует не только активную, но и пассивную локацию, просто слушая окружающие шумы и звуки, как и все живые существа. Для этого ему служат уши, воспринимающие звуки через наружные слуховые проходы. Кроме того, полагают, что вся богато иннервированная кожа китообразных принимает разнообразные сигналы, в том числе и акустические.