Слепой часовщик. Как эволюция доказывает отсутствие замысла во Вселенной

Рукокрылые отладили технологию “автоматизированной передачи и приема” давным-давно — вероятно, за миллионы лет до того, как наши с вами предки спустились с деревьев. А работает она так. В ушах у летучих мышей, так же как и у нас, звук передается от барабанной перепонки к сенсорным “клеткам-микрофонам” по мостику из трех миниатюрных косточек, названия которых соответствуют их форме и переводятся с латыни как “молоточек”, “наковальня” и “стремечко”. Надо сказать, что соединение и расположение этих трех косточек в точности таково, каким бы сделал его звуковой инженер, чтобы решить проблему согласования сопротивлений, но это другая история. Сейчас нам важно то, что у некоторых летучих мышей к стремечку и к молоточку подведены хорошо развитые мускулы. Когда они сокращаются, эффективность передачи звука через косточки падает — как если бы вы заглушили микрофон, пальцем придавив вибрирующую диафрагму. При помощи этих мышц рукокрылые способны временно выключать свои уши. Каждый раз непосредственно перед тем, как произвести исходящий звуковой импульс, летучая мышь сокращает эти мускулы, отключая таким образом уши и защищая их от повреждения громким сигналом. Затем мускулы расслабляются, и уши возвращаются в режим максимальной чувствительности — как раз вовремя, чтобы уловить вернувшееся эхо. Такая система переключения передачи и приема имеет смысл, только если координация во времени выверена с точностью до мгновения. Летучая мышь Tadarida способна поочередно сократить и расслабить эти мышцы-выключатели 50 раз в секунду, сохраняя абсолютную синхронность с пулеметными очередями исходящих ультразвуковых импульсов. Это чудо слаженности сравнимо с хитроумным изобретением, использовавшимся на некоторых истребителях в Первую мировую войну. Их пулеметы стреляли “сквозь” пропеллер — частота выстрелов была так тщательно скоординирована с его вращением, что пули неизменно пролетали между лопастями, не задевая их.

Затем наш инженер мог бы задуматься о следующей проблеме. Раз принцип работы сонара основан на измерении продолжительности паузы между звуком и его эхом — прием, которым, очевидно, пользуется Rousettus, — то издаваемым звукам следовало бы, по всей вероятности, быть отрывистыми, стаккато. Долгий, протяжный звук может не успеть закончиться к моменту возвращения эха и, даже будучи отчасти приглушен мускулами автоматического переключения передачи и приема, помешать восприятию. Действительно, может показаться, что в идеале импульсы рукокрылых должны быть чрезвычайно короткими. Однако чем короче звук, тем сложнее сделать его достаточно мощным, чтобы произвести хоть сколько-нибудь приемлемое эхо. Похоже, законы физики ставят нас перед необходимостью еще одного неприятного компромисса. Искусным инженерам тут могли бы прийти в голову два решения, и они действительно пришли им в голову при встрече с аналогичной проблемой — только опять-таки это было в ходе разработки радара. Какое из данных двух решений предпочтительнее, зависит от того, что важнее измерить: дальность (на каком расстоянии от прибора находится объект) или скорость (насколько быстро объект перемещается относительно прибора). Первое решение известно специалистам по радиолокации как “чирплет-радар”.

Сигналы радара можно представить как серию импульсов, однако каждый импульс характеризуется так называемой несущей частотой, которая аналогична “высоте” звука или ультразвука. Как мы знаем, крики летучих мышей повторяются с периодичностью, равной десяткам или сотням в секунду. Несущая частота каждого из этих импульсов измеряется десятками и сотнями тысяч повторяющихся циклов в секунду. Другими словами, каждый импульс — это высокий, пронзительный визг. Точно так же и каждый сигнал радара представляет собой “визг” радиоволн, отличающийся высокой несущей частотой. Особенностью чирплет-радара является то, что на протяжении каждого его “взвизгивания” несущая частота не является неизменной, а “взмывает” или “сползает” приблизительно на октаву. Если вам нужен эквивалентный звуковой образ, то представьте себе, что во время каждого импульса радар как бы присвистывает от удивления. Преимущество чирплет-радара перед радаром с фиксированной высотой импульсов состоит в следующем. Неважно, закончился исходящий “присвист” к моменту возвращения своего эха или еще нет. Их все равно не перепутаешь. Ведь эхо, улавливаемое в каждый конкретный момент времени, будет отражением более ранней части сигнала и потому иметь отличную от него частоту.