<< Предыдущая

стр. 4
(из 12 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>




\
0
0"

/

¦о- —




/
°v

n

ч
ч

о
</



С4

о





—7^



Рис. 4. Раявитие суточных ритмов у детей. а) Частота пульса; б) температура тела. Сплошные линии — средние значения показателей физиологических функций, пунк­тирные — характеристика разброса. Справа у графиков в числите­ле — число обследованных детей, в знаменателе — суммарное чис­ло суток, затраченных на обследование всех детей.
ТТ, а циклы, состоящие в чередовании фаз света и тем­ноты,— СТ. Например, суточный ритм, состоящий из 12 час света и 12 час темноты, по этой системе будет обозначаться 12С — 12Т.
Биологические часы были бы совершенно непрактич­ны, если бы их нельзя было переводить назад и вперед.

6 И. Б. Литинецкяй
161

Опыты показали, что если держать животное, активное при свете, в полной темноте, то обычно через несколько дней суточный цикл его жизнедеятельности пропадает, но его можно опять полностью восстановить, воздейст­вуя на животное светом. Так, у мушки дрозофилы су­точный цикл восстанавливается вспышкой света продол­жительностью всего 0,005 сек\ А чтобы «пустить» в ход «часовой механизм» фасоли, выросшей при непрерыв­ном освещении, — заставить, например, подниматься и опускаться ее листья,— надо подержать фасоль не ме­нее 9—10 час в темноте. Причем если это количество часов темноты будет дано с перерывами, то биологиче­ские часы фасоли ни за что не заведутся. Однако если фасоль выросла в непрерывной темноте, то описанный ритм возникнет после самого кратковременного ее осве­щения.
В случае же изменения длительности циклов света и темноты организм непременно приспосабливается и к ним. Весьма показателен в этом отношении экспери­мент, проведенный немецким ученым М. Линдауэром. Он привез с Цейлона в Мюнхен индийских пчел. Так как длительность дня и ночи тропического и умерен­ного поясов не совпадают, вполне естественно было бы ожидать, что пчелы, биологические часы которых идут по тропическому времени, в условиях континентальной Европы будут полностью дезориентированы. Так оно и случилось. Но прошло всего лишь шесть недель, и все вошло в норму: пчелы перестроили ход своих «часов» на европейский лад, а потом и совсем европеизиро­вались, превосходно приспособившись к новым усло­виям.
Американский ученый Хампер из Калифорнийского университета исследовал, как влияет нарушение циркад-ного ритма на развитие растений. Опыт проводился с соевым деревом. Когда Хампер создавал дереву «ночь» длительностью 16 час и «день» — 8 час, оно цвело так же, как и в естественных условиях. Но стоило только продлить «ночь» до 24 час, а «день» оставить преж­ним — дерево переставало цвести. Однако при этом обнаружилась и интересная закономерность: если пол­ный цикл СТ был кратен 24 час, например, «ночь» со­ставляла 64 час, а «день» — 8 час, цветение наступало, как обычно.
Любопытные наблюдения провели китайские ученые. С 11 ДО 13 час плодовые деревья накрывали от дневного света. Оказалось, что этот своеобразный «мертвый час» пошел деревьям на пользу. Яблоки наливались и созре­вали в три раза быстрее и были больше обычных яблок подобного сорта!
И, наконец, советские ученые И. Е. Лобашев и В. Б. Савватеев провели множество опытов с курами. Цыплят с первого дня жизни содержали при ритме gC _ 4Т, т. е. 8 час света, 4 час темноты. Ночь каждые сутки для них наступала с 12 до 16 и с 24 до 4 час. Птицы вскоре приспособились к этим условиям. После кормления они засыпали в середине «дневной ночи», и в конце ее петухи даже пели по нескольку раз, а в 16 час куры отряхивались и чистили перья. В то время как контрольные куры начинали готовиться ко сну, садились на насесты, подопытные разгуливали и в су­мерках, разыскивая в траве корм.
Теперь расскажем, как влияет на работу биологиче­ских часов температура. Оказывается охлаждение ор­ганизма до 0° и ниже влечет за собой остановку био­логических часов! Но стоит животное отогреть, повы­сить его температуру до нормальной, и «часы» снова начинают идти. И самым любопытным при этом оказа­лось то, что, подобно обычным часам, которые некото­рое время стояли, а затем были пущены в ход без перевода стрелок, биологические часы животных в этом случае будут «отставать» ровно настолько, сколько они находились в покое при 0°, и все ритмические цик­лы при этом соответственно сдвинутся. Так, если пчел подержать в холодильнике, они опаздывают к кормушке. Однако если тех же пчел подержать некоторое время при необычно высокой температуре, то они раньше по­ложенного появятся у кормушки. Между тем «часы» идут достаточно стабильно в том широком диапазоне температур, при котором обычно протекает жизнь пчел. Это и понятно. От биологических часов не было бы большой пользы, если бы в теплые дни они шли на­много быстрее, чем в холодные. В этом нет ничего удивительного, например, когда речь идет о млекопита­ющих, у которых температура тела колеблется от 35 до 40° и регулируется самим организмом. Но и у других живых существ — рыб, лягушек и змей, температура тела которых, как известно, больше зависит от темпера­туры окружающей среды, — биологические часы в этом случае не ускоряют и не замедляют своего хода!
Б. Суини и Дж. Гастингс провели серии опытов, выясняющих, влияют ли изменения температуры на ход биологических часов у водоросли Gonyaulax. Дли­тельность свечения этого микроскопического растения измерялась при непрерывном освещении и различных температурах. Оказалось, что изменения температуры вызывают небольшие, но определенные изменения дли­тельности никла свечения у этой водоросли.
Однако, несмотря на обилие фактов, так или иначе связанных с физиологическими ритмами, сам механизм биологических часов для ученых продолжает все же оставаться загадкой. Тем не менее ученые при этом высказывают предположение, что биологические часы, по-видимому, связаны с каким-то внутриклеточным об­меном веществ. Правда, как оказалось, с повышением температуры скорость внутриклеточных реакций воз­растает, но ведь темп хода биологических часов меня­ется при этом незначительно.
А можно ли повлиять на «ход» биологических про­цессов химическими веществами? Оказывается, можно. Так, яды, угнетающие обмен веществ, снижают и ам­плитуду циклических колебаний. Например, иод влия­нием спирта удлинение периода достигает иногда 5 час. Папаверин и наркотин несколько удлиняют периоды биоритмов. Однако биологические часы при этом совсем не останавливаются. Так, было доказано, что они продолжают идти даже у наркотизированных пчел.
Долгое время ученых интересовало, чувствуют ли организмы вращение Земли? Не связан ли ииркадный ритм с суточными изменениями давления воздуха, кос­мического излучения и ионизации воздуха? Это можно было бы выяснить, найдя место, где эти факторы не меняются. И поэтому доктор Хампер решил проводить свои эксперименты на Южном полюсе. Кабину с жи­вотными и растениями поместили на платформу, вра­щение которой в одних экспериментах компенсировало вращение Земли, в других — усиливало его, а в треть­их — замедляло. И вот, несмотря на то, что испытуемые животные и растения находились в полной темноте, циркадный ритм сохранился и биологические часы про­должали идти нормально. По-видимому, это означает только то, что циркадный ритм является эндогенным и, в частности, не зависит от вращения Земли.
Однако американский профессор Ф. Браун и воз­главляемая им небольшая группа биологов сомневаются в том, что так называемые постоянные условия, созда­ваемые искусственно в лаборатории, могут полностью изолировать живой организм от любых изменений внеш­ней среды, к которым он чувствителен. В отличие от большинства ученых, считающих, что ход «внутренних часов» не зависит от окружающей среды, Браун и его коллеги полагают, что биологические часы регулиру­ются какой-то пока еще неизвестной человеку ритмиче­ски изменяющейся силой, действующей в природе. Эта сила проявляется, в частности, в изменениях таких фак­торов, как атмосферное давление и сила тяжести. Ины­ми словами, по мнению этих ученых, для нормальной работы биологическим часам необходим непрерывный приток информации извне, подобно тому как электри­ческим часам необходимо непрерывное питание от электрической сети.
На чем же зиждется утверждение Ф. Брауна, что ход биологических часов тесно связан с такими явлениями, как магнитное поле Земли, земное притяжение, баро­метрическое давление?
Ф. Браун давно экспериментирует с картофелем. «Клубни картофеля, по-видимому, — пишет В. Мартека в своей книге «Бионика», — реагируют на изменения в состоянии атмосферы, даже находясь в постоянных условиях освещения, температуры и давления. Измене­ния, о которых идет речь, известны под названием ат­мосферных приливов. Они вызываются теми же силами тяготения, что и морские приливы. Однако на атмосфер­ные приливы большее влияние оказывает не Луна, а Солнце. Газы, как известно, при нагревании расширя­ются. Излучение Солнца нагревает земную атмосферу. Поскольку Земля нагревается Солнцем только с одной стороны, наблюдаются суточные циклы атмосферных приливов».
Эти термические атмосферные приливы регистриру­ются на Земле барометрами — приборами, измеряю­щими атмосферное давление. Барометр регистрирует начало атмосферного прилива, поскольку при этом повышается атмосферное давление. Атмосферный при­лив начинается утром, достигая наивысшей точки примерно к 10 час. Затем он начинает убывать до неко­торого нижнего предела, приходящегося на вторую половину дня. Именно эти атмосферные приливы вы­явились в экспериментах профессора Брауна с клуб­нями картофеля.
Из картофелин вырезали кусочки цилиндрической формы так, чтобы на каждый цилиндрик приходилось по одному глазку. Эти кусочки помещали в специаль­ный контейнер, свободно «подвешенный» в воде при постоянной температуре; опыт проводили в полной темноте. Контейнер был совершенно герметичен и на­дежно изолировал глазки картофеля от влияния воз­можных изменений атмосферного давления. Специаль­ные электронные приборы измеряли интенсивность дыхания этих кусочков, т. е. количество кислорода, потребляемого ими в единицу времени.
Было установлено, что кусочки картофеля ведут себя, как живой барометр, реагируя на изменения ат­мосферного давления в течение дня, несмотря на то что они, казалось бы, совершенно ограждены от влияния изменений, происходящих в земной атмосфере. Ско­рость потребления кислорода этими кусочками в пери­од между 5 и 7 час утра соответствовала изменениям барометрического давления в период между 2 и 6 час утра. В то время, когда большинство людей возвраща­ется с работы или уже обедает (т. е. от 17 до 19 час), интенсивность потребления кислорода изолированными от внешних влияний кусочками отражала изменения атмосферного давления в период между 14 и 18 час того же дня.
Еще более примечательно, что кусочки картофеля реагировали на случайные изменения атмосферного давления, приводящие к изменению погоды. Все эти изменения давления (которые могли повлечь за собой грозу, град или снегопад) отражались на скорости потребления кислорода глазками. В одном случае по изменению интенсивности дыхания кусочков картофе­ля можно было даже предсказать изменения атмосфер­ного давления на целых два дня! Для того чтобы иметь возможность реагировать таким образом на случайные изменения в атмосфере, подопытные глазки должны были постоянно получать какую-то информацию извне.
Начиная с 1954 г. из лаборатории Брауна непре­рывно поступали все новые данные, подтверждавшие теорию универсальных геофизических часов. В кон­тейнерах Брауна перебывали по очереди манящие кра­бы, морские водоросли, морковь, дождевые черви, мыши. Все яти организмы в той или иной степени реагировали на изменения внешней (по отношению к контейнеру) температуры, атмосферного давления и даже космиче­ского излучения и магнитного поля Земли. Последние два фактора особенно важны, поскольку их изменения взаимосвязаны. Главным определителем времени для всех биологических часов служит, по-видимому, бес­шумное движение в космическом пространстве Солнца, Земли и Луны. И именно этот главный хронометр опре­деляет, вероятно, ритмы и живых организмов и всех факторов внешней среды.
В целях проверки гипотезы Фрэнка Брауна амери­канские специалисты, по сообщениям печати, предпо­лагают осуществить оригинальный эксперимент: на орбиту вокруг Солнца будет выведен миниатюрный искусственный спутник с клубнем картофеля! Этот интересный эксперимент должен показать, выйдут ли биологические часы из строя, погибнет ли космическая «плантация» вследствие нарушения биологических рит­мов вне сферы влияния земного тяготения или нет.
Что же, нам остается только ждать результатов кос­мического эксперимента. «Если бы удалось доказать,— пишет В. Мартека, — что подопытные организмы, поме­щенные в постоянные условия, в самом деле испыты­вают влияние неких ритмических сил, то современные представления о биологических часах пришлось бы коренным образом пересмотреть».
Итак, ознакомившись с удивительными фактами про­явления и изменения хода биологических часов, зада­димся вопросом: где же все-таки расположен в орга­низме этот механизм, этот верховный метроном?
Опыты с одноклеточными водорослями Gonyaulax, показали, что механизм биологических часов может по­мещаться и в одной клетке. А в многоклеточных орга­низмах, как предположили ученые, существует даже своеобразная иерархия ритмов и часы отдельных клеток как-то согласуются с суточными ритмами «ведущих клеток». Найти такие задающие ритмы клетки чрезвы­чайно важно и вместе с тем трудно. Возможно, они управляют ходом часов подчиненных клеток нейро-гу-моральным (от латинского «humor» — влага) путем.
Американский физиолог Жаннет Харкер сумела по­ставить ряд тонких экспериментов над тараканами.
Она предположила, что у тараканов (Ж. Харкер много лет ставит эксперименты над этими насекомыми) определенные ритмы активности можно объяснить вли­янием какого-то гормона. А если это так, то присутствие данного гормона в крови одного таракана могло бы влиять на ритмы биологических процессов другого (снабжаемого кровью первого). Для проверки выдви­нутого предположения Харкер сращивала спинками двух тараканов так, что кровеносная система у них станови­лась общей. В каждой такой паре неритмичный нижний таракан (его жизненный ритм был временно приоста­новлен долговременным непрерывным освещением) имел ритмичного верхнего партнера, жившего до экспе­римента в нормальных условиях. Нижний таракан мог двигаться, а верхнему отрезали все ноги, чтобы огра­ничить его подвижность. Когда этих «сиамских близне­цов» поместили в условия непрерывного светового дня, нижний таракан стал проявлять активность с тем же ритмом, к которому в свое время был приучен верхний безногий таракан! Следовательно, какой-то гормон верх­него таракана служил пусковым механизмом ритма ак­тивности нижнего.
Далее, последовательно прижигая группы нервных клеток, составляющих часть мозга насекомого, Ж. Хар­кер удалось найти местоположение биологических ча­сов. При пересадке этого кусочка нервной ткани дру­гому таракану часы «продолжали идти», вызывая регулярное образование в организме гормона. Та­ким образом было доказано, что группа нервных кле­ток может играть роль механизма отсчета времени. «Ес­ли часы останавливали на некоторое время путем мест­ного охлаждения соответствующего участка нервной ткани, то нормальный ритм не нарушался; когда часы вновь «запускали» (т. е. прекращали охлаждение), вы­деление гормона продолжалось по-прежнему. По-види­мому, в то время, когда эти биологические часы тара­кана были временно остановлены, какие-то другие, более важные часы, находящиеся в какой-то другой части организма, не подвергавшейся охлаждению, продолжали действовать, отсчитывая время. Иначе говоря, эти глав­ные часы просто восстанавливали нормальный ритм останавливавшихся часов».
Анализируя результаты экспериментов Ж. Харкер, В. Мартека пишет: «Мысль о возможности существова­ния двух необыкновенно точных часов, контролирую­щих один и тот же ритм, покажется менее нелепой, если попытаться представить себе, как они работают. По всей вероятности, биологические часы, находящиеся в определенном участке нервной ткани, регулируют повседневную активность таракана; главные же часы вмешиваются только в тех случаях, когда показания этих повседневных часов слегка отклоняются от их собственных. Это происходит, например, когда посте­пенные изменения освещенности, сопровождающие смену времен года, несколько сдвигают стрелки главных часов. А уж тогда главные часы в свою очередь пере­водят повседневные часы, как бы говоря им: «Измени­те немного свой ход. Дни-то ведь становятся длиннее».
И еще. «По мере того как Харкер и другие исследо­ватели углублялись в изучение сложных взаимодействий между разными биологическими часами, выявился один интересный факт. Оказалось, что граница между тка­нями, действующими в качестве часов, и тканями, не обладающими такой способностью, слишком расплыв­чата. Стало понятно, что от всех прежних попыток обнаружить и выделить некие определенные универ­сальные часы или некий отдельный ритм следует от­казаться. До сих пор еще не установлено, служит ли основная единица жизни, т. е. клетка, маятником для всех биологических часов или же она содержит в себе такой маятник».
Поговорим теперь о самом сложном и важном — о природе, физиологической и химической сущности механизма биологических часов. При попытках выяс­нить, что же все-таки приводит в действие живые часы, ученым удалось лишь «остановить» или «переставить» их. Вспомним опыт с жаворонками, который показал, что способность ориентироваться в пространстве по Солнцу или звездам определяется работой внутренних часов. В этом и других случаях животным и растениям приходится определять время с точностью до минут. По мнению советского ученого С. Э. Шполя, такая «точность хода» биологических часов позволяет думать, что в основе цйркадных ритмов лежат процессы с отно­сительно коротким периодом. И анализ этих систем возможен лишь на основе современных представле­ний об общих свойствах колебательных систем, т. е. па основе рассмотрения физических и математических осо­бенностей данного периодического процесса.
Некоторые зарубежные специалисты-бионики стре­мятся создать электрический аналог биологических часов. В состав одного из таких аналогов введен генера­тор, характер колебаний которого зависит от воздейст­вия окружающей среды — чередования света и темноты, фаз Луны и т. п. Такой прибор, по замыслу его созда­теля, «должен пролить дополнительный свет на процес­сы функционирования биологических систем».
Интересно, что суточные ритмы свойственны лишь клеткам, в которых ядро четко отграничено от цито­плазмы специальной мембраной, т. е. клеткам, имеющим внутреннюю и внешнюю оболочки (двухоболочечным). У бактерий же и других однооболочечных организмов биологические часы пока не обнаружены.
В настоящее время трудно сказать, насколько диф­фузия и процессы биосинтеза могут обусловить перио­дические процессы с периодом, не превышающим не­скольких минут.
Таким образом, пока можно считать вполне вероят­ным, что суточная периодичность основана на химиче­ских или физико-химических процессах. Длительность периодов этих процессов мала, и здесь можно провести аналогию между биологическими и обычными часами. Как известно, точность хода механических часов обу­словлена стабильностью частоты быстрых колебаний маятника. Пока часовая стрелка завершает суточный цикл, маятник осуществляет множество колебаний.
Идею о сходстве между организмом животного и часовым механизмом выдвинул еще Декарт. Но пока человек не стал обладателем ключей, открывающих заветные двери к познанию, все его попытки проник­нуть в тайны биологической хронометрии были обре­чены на неудачу подобно тому, как если бы, скажем, марсианин или житель другой далекой планеты попы­тался бы вдруг узнать устройство механизма башенных часов на Земле, разглядывая в телескоп их циферблат со стрелками. Лишь в наше время ученые подошли вплотную к построению моделей биологических часов. И они послужат нам лучше, чем старая сказка о часах, звонящих прямо в животе крокодила. Вы, вероятно, помните эту сказку о Питере Пэне английского писа­теля Д. М. Барри. Крокодил случайно проглотил часы —-будильник — одни из тех патентованных часов, которые заводились сразу на 99 лет, причем гарантировалось, что они будут идти, где бы то ни было и в каком угод­но положении. В сказке часы продолжали идти и в же­лудке крокодила, и их тиканье было слышно на далеком расстоянии...
Однако вернемся к механизму биологических часов, которые всю жизнь неслышно идут в организме живот­ных, включая и вышеупомянутого крокодила. Автор известной книги «Ритмы физиологических процессов» Э. Бюннинг, например, считает, что для измерения вре­мени в организмах могут быть использованы периоди­ческие процессы, протекающие в белках актомиозино-вого комплекса. Возможно также, что колебания «маят­ника» биологических часов обусловлены регуляцией внутриклеточных систем.
Советский ученый, биолог А. М. Эмме в своей по­следней книге, над которой он работал, уже будучи прикованным к постели, писал:
«Жизнь — непрерывно самосовершающийся ритми­ческий химический процесс, свойственный протоплазме. Жизнь основана на повторяемости химических циклов. Они обеспечивают постоянство химического состава протоплазмы. Возникновение жизни связано с образо­ванием химических систем, в которых были условия для самоповторения химических циклов. Основными и пер­вичными ритмами живой природы явились ритмы само­удвоения и синтетической деятельности молекул ДНК».
Таким образом, ритмическая природа свойственна самой жизни.
Выяснение механизма биологических часов, конечно, зависит от прогресса биохимии, биофизики и физиоло­гии. Вероятно, широкое распространение колебатель­ных процессов в клетке и организме требует изменения мышления биологов самых разных специальностей. Член-корреспондент АН СССР А. А. Ляпунов в преди­словии к книге А. М. Эмме отмечает, что если сравни­тельно недавно господствовало мнение об определяю­щей роли периодических химических реакций в явле­нии биологических часов, то сейчас создается впечат­ление, что основную роль в этих явлениях могут играть только некоторые периодические физические процессы. Эта точка зрения была высказана совсем недавно Р. Л. Берг на основе сопоставления данных, приводи­мых Э. Бюннингом, К. Эретом и Н. Барлоу, А. М. Эмме, и результатов последних экспериментальных работ Н. Б. Христолюбовой. Несомненно одно: на пути изу­чения механизмов функционирования биологических часов и выявления процессов, играющих при этом управляющую роль, стоит масса интересных вопросов и предстоит еще много увлекательных открытий. При­чем внешние явления, выполняющие функцию пусковых механизмов для тех или иных биологических процессов, а также наличие специфических механизмов управле­ния ритмическими процессами представляют большой интерес с биолого-кибернетической точки зрения.
Для того чтобы уметь пользоваться биологическими часами, не обязательно знать, как они работают. Так, врач должен привыкнуть к мысли, что одни и те же терапевтические мероприятия дают различный эффект в зависимости от того, в какое время суток они прово­дятся, и знать, что результаты клинических анализов тоже зависят от времени.
Биологические ритмы, бесспорно, должны учиты­ваться и в физиологии труда в связи с изучением явле­ний утомления и переутомления, что позволит повы­шать работоспособность человека. Исследованиями установлено, что частые и короткие паузы в 'работе дают больший эффект, чем редкие и длинные. Интерес­но знать также, как влияет на здоровье скользящий график бодрствования при работе в две и особенно в три смены. Ведь организм в течение суток по-разному реагирует на физические нагрузки. Наиболее «слабым» человек оказывается в 2 — 5 час и между 12—14 час, наиболее «сильным» — утром с 8 до 12 час и днем с 14 до 17 час.
Любому человеку необходимо знать основы рацио­нального питания. Но работа органов пищеварения также определяется суточным ритмом: в первой поло­вине дня печень выделяет наибольшее количество жел­чи, утром желудочный сок менее кислый, чем вечером. Поэтому в первой половине дня должна преобладать белковая и жирная пища, а во второй — углеводная и молочная. Недавно получены данные о том, что и про­цессы старения связаны с биологическими часами и не­которые люди быстро стареют из-за нарушения их нормальной работы.
Растениеводы, животноводы, пчеловоды, физиологи и биохимики должны изменить свое отношение к «по­стоянным» условиям — непрерывное освещение и по­стоянная температура отнюдь не являются нормальными условиями!
И там, где человеку удалось расшифровать «кален­дарь» биологических часов, он добивается поразитель­ных успехов. Расскажем о двух случаях применения таких знаний в практике сельского хозяйства.
Знаете ли вы, что в нашей стране до недавнего вре­мени не было промышленных сортов миндаля? Весь миндаль, который использует кондитерская и парфю­мерная, хлебобулочная и фармацевтическая отрасли промышленности, мы покупаем в Иране, Италии, Ал­жире и других странах.
Выше мы рассказывали о том, как в 1948 г. те не­многие миндальные деревья, что росли в Крыму, обма­нувшись чрезвычайно теплой погодой января, зацвели и впоследствии погибли от морозов. Для условий Крыма нужен был миндаль с особенно поздним цветением. И вот советский ученый, селекционер Александр Андре­евич Рихтер решил разгадать механизм биологических часов миндаля, определяющий время его цветения. Таб­лицы температур — максимальных, минимальных, сред­несуточных — по бесчисленным пунктам Крыма лежали на его столе. Процесс расшифровки календаря миндаль­ного дерева был не менее сложным делом, чем рас­шифровка письменности древних.
И что же оказалось? Растение ведет счет теплых дней еще осенью, с того самого момента, когда средне­суточная температура опустится ниже -f-18° Ц- Еще и еще накапливаются положительные температуры.
И когда их сумма переваливает за 1170 «градусо-дней», миндаль зацветает. Расшифровка этих закономерностей объяснила, как подходить к селекции новых сортов миндаля для посадки в тех или иных районах Юга. Теперь будет у нас свой советский миндаль, уже зало­жены новые 1800 гектаров миндальных садов новых пород, выведенных А. А. Рихтером благодаря знанию механизма биологических часов миндаля.
И второй рассказ о том, как ученые научились регу­лировать биологические часы развития трихограммы.
Трихограмма, воин-универсал, поражает много раз­ных вредителей, в их числе капустницу, плодожорку, совку-гамму и других опасных для сельскохозяйствен­ных культур насекомых, плодящихся быстро и в боль­ших количествах.
Ученые заметили, что трихограмма выводит потом­ство, откладывая свои яички в яйца капустницы, совки-гаммы, плодожорки и других вредителей полей.
Из таких яиц вылетают новые трихограммы, и повто­ряется та же история. Но это случается лишь, когда три­хограмма синхронно развивается со своей жертвой.
Так нельзя ли, создавая искусственно синхронность, выращивать трихограмму к тому дню, когда капустница, совка-гамма или другой вредитель сельского хозяйства кладет яйца?
Оказывается, можно. Ученые заметили, что длитель­ность цикла развития трихограммы зависит от темпера­туры воздуха. При 30° Ц трихограмма вылетает из яйца через 8 дней, при 12°Ц — почти через два месяца. Сле­довательно, регулируя температуру в термостате, можно вырастить трихограмму к нужному сроку.
В лаборатории сперва размножают вредителя — зер­новую моль, а на ее яйцах — трихограмму. Она и дает массовое потомство, которое выращивают при опреде­ленной температуре, чтобы оно вышло к заданному дню.
Недалеко от Казани находится Татарская биологиче­ская лаборатория Министерства сельского хозяйства РСФСР, ежегодно выпускающая на поля 450 миллионов трихограмм, которым суждено потрудиться в сельском хозяйстве.
Проблема биологических часов имеет еще ряд дру­гих «прикладных» аспектов. Ориентация по звездам и Солнцу, синхронизация внутренней периодичности с приливным режимом, изменение периодичности под влиянием искусственных световых циклов и т. п. — все это ставит ряд вопросов о природе восприятия этих внешних указателей, о природе рецепторов, механизме памяти и т. д., составляющих предмет бионики. Изуче­ние биологических часов необходимо и для космической медицины. Многие специалисты в области изучения мозга обеспокоены тем, что длительное пребывание в состоянии невесомости может нарушить циркадный ритм, отчего серьезно пострадают мозг и нервная си­стема. Инженерам придется подумать о том, как создать для космонавтов искусственные день и ночь.
И, наконец, проблема биологических часов оберну­лась еще одной неожиданной стороной — речь идет о раке, той самой болезни, которая по своей распростра­ненности вышла на одно из первых (после сердечно­сосудистых заболеваний) мест среди других тяжелых болезней, поражающих человечество. Этой проблемой занимается Всемирная организация здравоохранения, проводятся онкологические конгрессы, ей посвящены многочисленные специальные руководства, монографии, периодические издания. Конечно, все это не могло не привести к определенным успехам в понимании процес­сов возникновения злокачественных опухолей и методов борьбы с ними. И все же у людей возникает вопрос: реальна ли борьба со злокачественными новообразова­ниями, о причинах возникновения и особенностях раз­вития которых медицина знает еще так мало?
А может быть, именно опыты Жаннет Харкер и про­ливают свет на механизм возникновения рака?
Эксперименты были проведены так. Подопытным тараканам пересадили подглоточный ганглий, взятый у других тараканов, биологические часы которых отлича­лись на 12 час от собственных биологических часов подопытных. Теперь ритм жизнедеятельности тараканов регулировался двумя различными механизмами — своими часами и чужими. Практически во всех таких случаях у тараканов развились опухоли в области средней кишки (желудка). Образующиеся опухоли могут быть пере­сажены и дают метастазы! Их рост до некоторой сте­пени контролируется регулированием времени выделе­ния гормона подглоточным ганглием, этими биологиче­скими часами таракана. Любопытно, что у контрольных

насекомых, которым пересадили часы, идущие синхрон­но с их собственными, никаких опухолей не было. Ви­димо, дело не в количестве гормонов, а в том, сколько их выделяется в кровь в тот или иной момент времени.
Таким образом, описанный опыт показал, что несо­гласованный ход биологических часов в организме может привести к гибельным последствиям. Это, несо­мненно, большое и важное открытие, если учесть, что механизм биологических часов у таракана работает примерно по тому же принципу, что у всех животных и человека.
Пока ученые ведут всестороннее исследование био­логических часов, мы все же можем заглянуть вперед и помечтать о том времени, когда тайна их будет до конца раскрыта. Мечты, фантазия, особенно если они зарождаются на реальной основе, полезны. Знание механизма биологических ритмов и возможность управ­ления ими открывают человеку неограниченные возмож­ности. Ведь, учащая биологические ритмы, можно уско­рить вызревание сельскохозяйственных культур.
Познав механизм биологических часов, человек сможет, вероятно, регулировать их ход, а следовательно, победить многие болезни, и кто знает, может быть, в числе этих побежденных болезней окажется и ныне зло­вещий рак.
Возьмем, к примеру, гипотезу американского уче­ного Рихтера. Он высказал предположение, что боль­шое количество биологических часов, имеющихся в ор­ганизме человека, идут не в фазе друг с другом, но синхронно. Вирусы или микробы, переутомление, пси­хические травмы эту синхронность в определенных условиях нарушают, и различные часы начинают идти в одной фазе. В связи с этим изменяется привычный гормональный ритм, что вызывает в организме различ­ного рода расстройства.
В настоящее время трудно доказать, прав Рихтер или нет. Но вполне возможно, что придет время, когда врачи смогут, искусственно регулируя ход биологиче­ских часов человека, лечить и даже предупреждать болезни в нашем организме, отодвигать старость и про­длевать молодость.
Беседа шестая

Живые локаторы




В Южной Америке обитает птица, которую местные жители называют гвачаро. Живет она, с точки зрения человека, предельно скучно. Всей роскоши тропической природы, всему разнообразию ее ярких красок, свету Солнца она предпочитает сырую тьму пещер. Здесь она отлично приспособилась к жизни, летает в кромешной тьме, находит себе пищу. Во всем ей помогает эхо. Летая в темноте, гвачаро периодиче­ски издает резкие и отрывистые крики высокого тона с частотой около 7000 гц. После каждого крика птица улавливает его отражение от препятствий. По направ­лению, в котором приходит эхо, птица узнает о том, где именно находится препятствие, а время, прошед­шее между посылкой сигнала и возвращением эха, указывает ей расстояние до препятствия.
Таким образом, руководствуясь только эхом, гвача­ро прекрасно ориентируется в темноте. Вполне естест­венно, что и все органы птицы приспособлены к такой ориентировке в пространстве. Она молниеносно «пе­реводит» время между посылкой сигнала и его возвра­щением в расстояние и безошибочно, с большой точно­стью определяет направление, откуда донесся отражен­ный сигнал.
В последние годы было установлено, что эхолока­торами природа наделила не только гвачаро. Это «ше­стое» чувство очень широко распространено в мире животных. Так, например, кулики, козодои и некото­рые певчие птицы, застигнутые в полете туманом или темнотой, «ощупывают» своим криком землю. Прислу­шиваясь к эху, они узнают о высоте полета, о препят­ствиях на пути. Ориентируются путем эхолокации и на­секомые, морские свинки, крысы, сумчатые летяги и даже обезьяны.
Давайте же, читатель, вместе пройдемся по лабора­ториям старейшего в мире «локационного института» природы, заглянем в его «мастерские», патентную биб­лиотеку, конструкторские бюро и выясним, что можно здесь позаимствовать для дальнейшего развития лока­ционной техники, созданной за последние 25 — 30 лет учеными и инженерами.
Длительное время казалась весьма загадочной спо­собность летучих мышей летать в абсолютной темно­те, их виртуозное умение ловить на ходу между де­ревьями, между их мелкими ветвями крохотных кома­ров, бабочек, жуков, поденок и других насекомых, не натыкаясь на встречные препятствия. В 1793 г. выдаю­щийся итальянский натуралист Ладзаро Спалланцани проделал такой опыт: ослепил небольшого нетопыря и выпустил его в темную лабораторию. Результат эксперимента оказался поразительным — ослепленная летучая мышь летала по комнате так же свободно, как и зрячая, не задевая ни одного из хитро расставлен­ных в лаборатории предметов. Через некоторое время ученый лишил зрения нескольких летучих мышей и вы­пустил их на волю. Желая выяснить, сохранили ли они способность продолжать свою обычную жизнь, Спал­ланцани на пятый день взобрался на верхушку коло­кольни собора в Павии (где жили ранее подопытные животные), поймал четырех ослепленных им нетопы­рей и произвел их вскрытие. При этом было установ­лено, что слепота ничуть не мешала им на лету насти­гать добычу — желудки ослепленных летучих мышей были набиты остатками насекомых так же туго, как и у зрячих экземпляров.
Значит, шестое чувство помогает нетопырям хо­рошо ориентироваться и маневрировать в темноте, об­наруживать и ловить без промаха в воздухе насеко­мых! — заключил Спалланцани.
Опыты Спалланцани повторил один швейцарский биолог. Эксперименты убедили его, что слепые живот­ные летают не хуже зрячих. Но когда он тампоном из ваты заткнул им уши, то летучие мыши стали наты­каться на все встречавшиеся в полете преграды.
Узнав об экспериментах своего швейцарского кол­леги, Ладзаро Спалланцани решил проверить их. Мно­гочисленными опытами, отличавшимися ювелирной тонкостью, большой изобретательностью и разнообра­зием, Спалланцани незадолго до своей смерти твердо установил, что нарушение деятельности таких органов чувств, как зрение, осязание, обоняние и вкус, никакого влияния на полет летучих мышей не оказыва­ет. Лишь при закрытии рта или ушей они теряют спо­собность к ориентации. Однако эти важнейшие от­крытия, сделанные на рубеже XVIII и XIX веков, не были поняты современниками ученого; более того, они были высмеяны, отвергнуты, а затем почти совсем за­быты. Досужие критики выдвинули получившую широ­кое распространение гипотезу, согласно которой летучие мыши обладают неким тонким чувством осяза­ния, органы которого, вероятно, расположены в пере­понках крыльев, благодаря чему они и обнаруживают препятствия на расстоянии и избегают столкновений с ними.
Полтора века спустя решением так называемой «спалланцаниевой проблемы летучих мышей» заня лись три американца — Г. Пирс, Д. Гриффин и Р. Га-ламбос. Экспериментируя с летучими мышами, они плотно закупоривали им воском рот или нос. И в том и в другом случае выпущенные в темноту комнаты летучие мыши совершенно теряли способность об­наруживать как большие, так и малые предметы, на­тыкались на стены и на любые другие препятствия, расставленные на пути их полета.
Теперь главный секрет ориентации летучих мышей можно считать раскрытым — они обладают поразитель­ными по своему совершенству органами ультразвуко­вой локации! — заявили ученые. И действительно, точная электронная аппаратура позволила исследо­вателям установить, что летучие мыши испускают неслышимые для человека ультразвуки и воспринима­ют их эхо, которое в полной темноте предупреждает о препятствиях или близкой добыче. С помощью ультразвуковых волн летучая мышь как бы ощупы­вает окружающее пространство. Своеобразный локатор помогает ей не только определять направление и рас­стояние до предметов, но и различать их между собой.
Изумительное мастерство в использовании ультра­звуковых волн для получения сложных сведений об окружающем пространстве летучие мыши, разумеется, приобрели не сразу. Они обрели его в процессе дли­тельной эволюции и прежде всего потому, что звук является удобным, если не единственным, способом ориентировки в тех условиях, в которых им прихо­дится жить и перемещаться.
Каковы же конструкция и режим работы природ­ного локатора летучей мыши?
Оказывается, ее гортань устроена наподобие обыч­ного свистка. Через этот «свисток» мохнатый зверёк выдыхает из легких воздух с такой силой, что наружу он вырывается, словно выброшенный взрывом. Вихрем проносясь через гортань, воздух рождает звук очень высокой частоты — от 50 до 100 кгц. Летучая мышь ле­тает с открытой пастью, которая служит рупором для испускаемых ею ультразвуковых сигналов, а рупор, как известно, заставляет звуковое излучение распро­страняться преимущественно в одном направлении, в данном случае — в направлении полета.
Вполне естественно, что для целей локации лету­чие мыши используют ультразвук, а не низкочастотные колебания, воспринимаемые человеческим ухом. Дело здесь в том, что размеры предметов, которые еще уда­ется обнаружить с помощью эхолокации, зависят от длины звуковой волны. От предмета, линейные раз­меры которого значительно больше длины волны, звук, собранный рупором в пучок, отражается примерно так же, как световой луч, падающий на зеркальную по­верхность. В этом случае эхо, улавливаемое ушами ле­тучей мыши, получается сильным: зверек хорошо «слы­шит» предмет.
Если размеры отражающего объекта равны или меньше длины волны, наблюдаются вторичные, дифра­гированные волны, распространяющиеся во всех на­правлениях от малого объекта. Энергия отраженной таким образом волны, улавливаемая ушной раковиной летучей мыши, становится значительно меньше, и, сле­довательно, различить малый предмет оказывается го­раздо сложнее.
Аналогичным условиям должен удовлетворять ру­пор для собирания излучения в узкий пучок: когда длина звуковой волны больше диаметра устья рупора, то звук фокусируется очень слабо или совсем не фо­кусируется. Локатор летучей мыши, работающий на ча­стоте 100 кгц, излучает ультразвуковые волны длиной в 3,3 мм, которые ей очень легко сфокусировать от­крытой пастью. Эксперименты Д. Гриффина показы­вают, что чувствительность «приемника» локатора лету­чей мыши — ее ушей — настолько высока, что позволяет животному обнаруживать ячейки в металлической сетке из натянутых параллельно друг другу проволок диамет­ром 0,12 мм. Расстояние между проволоками в опытах составляло 30 см, т. е. немного превышало размах крыль­ев летучей мыши; тем не менее зверьки пролетали сквозь сетку, не задевая ее, до тех пор, пока диаметр проволок не становился меньше 0,12 мм.
В 1946 г. советский ученый Е. Я. Пумпер высказал очень интересное предположение, хорошо объясняв­шее физиологическую природу эхолокации летучих мышей. По его гипотезе, летучая мышь издает каждый последующий ультразвуковой импульс сразу же после того, как воспринимает эхо предыдущего. Принятый после отражения сигнал является раздражителем, вы­зывающим посылку следующего зондирующего им­пульса. Таким образом, быстрые изменения обстанов­ки, близость препятствия, необходимость схватить порхающую под носом бабочку вызывают быстрое на­растание частоты следования импульсов.
И действительно, в дальнейшем эксперименты по­казали, что летучая мышь перед стартом издает в се­кунду лишь 5—10 сигналов. В полете по прямой не слишком близко от непосредственно интересующих его объектов зверек учащает подачу ультразвуковых импульсов до 20 — 30 в секунду. Однако, как только он приближается к препятствию, число сигналов резко возрастает. В течение короткого времени во время охоты на ночных насекомых летучая мышь, настигая добычу, издает до 250 сигналов в секунду.
Интересно, что чувствительный «приемник» лету­чей мыши — ее уши — «выключается» на то время, в те­чение которого она «выдыхает» ультразвуковой им­пульс. При крике внутреннее ухо летучей мыши за­крывается и вновь открывается, чтобы зафиксировать отраженный сигнал. Вероятно, чуткие уши животного могут повреждаться «ультразвуковым грохотом»*), ко­торый производит его передатчик — гортань. Человек, знакомый с техникой радиолокации, обратит внимание на это обстоятельство — ведь закрывающееся сред­нее ухо представляет собой не что иное, как биологи­ческий эквивалент антенного переключателя. Это уст­ройство отключает приемник радиолокатора на время излучения антенной мощного зондирующего импуль­са, который может мгновенно вывести приемник из строя. Природа, конструировавшая локатор летучей мыши, решила проблему защиты приемника просто и эффективно — ей не понадобились ни четвертьволновые линии, ни разрядники. Безопасность ушей гарантиру­ется совершенством избранной ею механической кон­струкции: при максимальной частоте следования зон­дирующих импульсов, равной 250 гц, заслонка в ухе летучей мыши успевает открываться и закрываться 500 раз в секунду. При этом открывание заслонки должно длиться менее 1 мсек. Менее потому, что, как показали исследования, длительность самих импульсов при такой частоте их повторения составляет около 1 мсек.
Эта характеристика излучения — длительность им­пульсов — определяет точность эхолокации и, стало быть, способность летучей мыши ориентироваться в по­лете. Чем короче импульсы, тем шире возможности «мышиного локатора».
В самом деле, для того чтобы при помощи эха мож­но было определять расстояние до предмета, интерва­лы между импульсами должны превышать то время, в течение которого звук должен долететь до предмета и вернуться обратно. Если они оказываются короче этого времени, то обнаружение предмета становится весьма затруднительным. Вот пример. За 1 мсек (считая от начала импульса) звук успевает «про-

*) Как летучие мыши ухитряются расслышать сравнительно негромкое эхо в том оглушительном ультразвуковом гаме, кото­рый они сами порождают? Как они не глохнут? Поиском от­пета на эти вопросы длительное время занимался доктор О. Хсн-сон — анатом Иельского университета. Ему удалось доказать пра­воту своего предположения, высказанного лет двадцать назад. Оказывается, у летучих мышей есть мышцы, закрывающие уши в момент испускания разведывательных ультразвуковых сигналов.
бежать» 33 см. Это значит, что уже через 1 мсек в приемник начнет поступать сигнал, отразившийся от предмета, который находится на расстоянии 16,5 см от пасти зверька. Если звуковая посылка длит­ся более 1 мсек, то эхо от предметов, расположенных ближе 16 см, будет заглушаться основным, зондирую­щим импульсом; если же принять во внимание, что на время посылки импульса уши животного «выключа­ются», то станет ясно, что летучая мышь попросту не сможет «поймать» начало отраженного импульса. А ведь промежуток времени между началом посылки импульса и началом приема отраженного импульса позволяет достоверно определять расстояние до бли­жайшей «цели». Поэтому для успешного определения положения близких целей импульсы должны иметь минимально возможную длительность (1 мсек), а пе­реключение локатора «на прием» должно осущест­вляться за время, меньшее длительности импульса (менее 1 мсек).
Таковы условия оптимальной работы и «тактико-технические данные» эхолокатора. Отсюда следует, что летучие мыши не могут определять положение на­секомых или препятствий, которые находятся ближе 16 см, и, стало быть, должны или умереть голодной смертью, или разбиться в первом же полете. С ними действительно иногда происходят несчастные случаи, имеющие разные по степени тяжести последствия. Натуралисты знают, например, что если у входа в убе­жище нетопырей положить камень побольше, то они будут регулярно разбивать об него свои носы. Описа­ны также столкновения (со смертельными исходами) двух летучих мышей, занятых охотой. Эти наблюдения было трудно объяснить. Ведь всем известно, как лету­чие мыши охотятся за насекомыми. Гоняясь за своей ускользающей добычей, они маневрируют, проделывая мгновенные повороты и другие акробатические трюки, и в конце концов ловят на лету порхающих в непра­вильном полете мелких ночных бабочек, летающих жуков, поденок и комаров. Летучие мыши с исправ­ными локаторами всегда сыты и доживают до глубо­кой старости. А несчастные случаи? Бывают. Но толь­ко тогда, когда локатор не работает. Недавно было установлено, что при приземлении летучие мыши почти не пользуются локатором, так как они уверены, что опускаются в нужное место. Потому они натыка­ются при возвращении в гнездо на камень у входа, ко­торого не было при их вылете. По той же причине происходят их столкновения в воздухе во время охоты: когда летучая мышь хватает свою жертву, она лиша­ется возможности пользоваться локатором. Если пере­жевыванием заняты одновременно две летучие мыши, локаторы которых в это время не работают, а скорость полета составляет 4 м/сек, то вполне понятно, что воз­никает некоторая опасность столкновения.
Ну, а как обстоит дело с определением положения и преследованием целей, расстояние до которых не превышает 16 см?. Ведь летучая мышь гонится за насе­комым до тех пор, пока ей не удастся его поймать, причем от момента обнаружения и до момента «пора­жения цели» преследование имеет активный характер: в каждый момент времени летучая мышь знает, где на­ходится жертва и в соответствии с этим изменяет на­правление своего полета. Значит, локатор летучей мыши оказывается эффективным вплоть до того мо­мента, когда она настигает и хватает добычу.
Работа локатора летучей мыши в режиме обнару­жения и сопровождения близких целей до сих пор не вполне ясна. Предполагают, что способность летучей мыши «видеть» то, что делается у нее под носом, свя­зана с частотной модуляцией зондирующих импульсов ее локатора. Каждый импульс начинается с очень вы­сокой частоты, а заканчивается на вдвое меньшей (падает на целую октаву). Нетопыри, например, начи­нают импульс с частоты около 100 кгц и заканчивают его на частоте 45 кгц. При длительности сигнала в 1 мсек изменение частоты оказывается очень быстрым. За этот короткий промежуток времени звук пробегает диапазон, вдвое превышающий область слышимых че­ловеком частот.
Когда летучая мышь настигает добычу или прибли­жается к препятствию, энергия испускаемых ею зонди­рующих сигналов уменьшается и при расстояниях, меньших 16 см, вероятно, становится безопасной для приемника. Если предположить, что после достижения безопасного уровня и вплоть до момента поимки до­бычи уши летучей мыши перестают «отключаться» на время работы передатчика, то становится понятной эффективность работы локатора на близких расстоя­ниях. В самом деле, пусть частота испускаемого лету­чей мышью крика убывает пропорционально времени (от момента начала крика). Тогда, если за 1 мсек ча­стота линейно падает от 100 до 45 кгц, то скорость ее убывания составляет 5 кгц/мсек. Отсюда следует, что, например, через 0,1 мсек после начала импульса его частота составляет уже не 100, а 94,5 кгц. К этому же времени приемник летучей мыши ловит отразившийся от цели импульс с начальной частотой 100 кгц. Таким образом, в этот момент на звуковой анализатор живот­ного одновременно действует сильный сигнал с часто­той 94,5 кгц (зондирующий импульс) и сравнительно слабый сигнал с частотой 100 кгц (импульс, отразив­шийся от цели). По-видимому, летучая мышь способна выделить из шума, создаваемого работающим передат­чиком, слабый полезный сигнал с частотой 100 кгц; по задержке этого сигнала относительно начала зондирую­щего импульса и определяется расстояние до «цели». В данном случае при задержке 0,1 мсек цель, как легко сообразить, находится на расстоянии 1,6 см от уха жи­вотного. Этот локатор успешно справляется не только с помехами от собственного передатчика. Гоняясь за насекомыми, летучие мыши воспринимают более слож­ную «смесь» звуков, чем исходный сигнал и одиночное эхо от данного насекомого. В эту «смесь» входит эхо от всех объектов, расположенных на расстоянии в не­сколько метров: от поверхности земли, от стен пещеры, от каждого куста, ветки, листа, травинки. Многие объ­екты дают лишь слабое эхо, но ведь и эхо от насекомого тоже имеет малую интенсивность, и если летучая мышь его слышит, то она должна также воспринимать и все остальные эхо. Кроме того, как известно, летучие мыши почти никогда не охотятся в одиночку. Так, например, в Бракенской пещере, расположенной на юге США, обитает свыше 20 000 000 летучих мышей. Каждый вечер это огромное количество рукокрылых покидает свое убежище, чтобы снова вернуться в него утром. Во вре­мя охоты за ночными насекомыми у всех летучих мышей работают локаторы. При этом зверьки не сталкиваются и не мешают друг другу. Понятно, что в таких условиях задача выделения полезного сигнала из ералаша звуков оказывается чрезвычайно сложной. И тем не-менее не­топырям она вполне по силам. При такой сложной уль­тразвуковой «какофонии» каждая особь безошибочно выделяет и принимает эхо посылаемого ею ультразву­кового сигнала.
Способность ушей летучей мыши «отстраиваться» от сигналов, которые не представляют для нее инте­реса,— свойство величайшей ценности.
Хорошо известно, что выделение полезного сигнала на фоне естественных и искусственных помех — одна из старейших и важнейших проблем техники, с которой мы сталкиваемся в очень многих ее областях. Над ре­шением этой задачи ученые и инженеры бьются с тех пор, как начало развиваться радиовещание. Были при­думаны резонансные контуры с высокой добротностью, узкополосные усилители, схемы автоматической под­стройки частоты и фазы, специальные виды модуляции, обеспечивающие защиту передаваемого сигнала от по­мех, и т. д. Но по мере усложнения задач радиосвязи проблема каждый раз встает с прежней остротой. Не­сколько лет назад американские ученые начали интерес­ный эксперимент. Была сделана попытка установления односторонней связи с братьями по разуму, которые, как предполагалось, могут пытаться сделать это на ча­стоте, излучаемой атомами ионизированного космиче­ского водорода. Сигналы, улавливаемые приемником совершенного радиотелескопа, подавались в электрон­ную счетную машину на предмет обнаружения в них каких-либо закономерностей, признаков передаваемой информации. Если бы они существовали, машина долж­на была бы их обнаружить. Но эксперимент не был доведен до конца: произведенные с некоторым опозда­нием расчеты показали, что приемник просто не смог бы выделить радиосигналы других миров из радиошума, создаваемого космическим водородом.
Приемник летучей мыши хорошо выделяет из шума звуковые, а не радиосигналы. Расстояния, на которых эффективно работает такой локатор, очень малы. Но быть может, неизвестный пока принцип, обеспечиваю­щий высочайшую избирательность приемника нето­пыря, удастся использовать в устройствах сверхдальней космической связи. И уж наверное он сможет оказаться полезным при конструировании защиты от помех во многих приемных устройствах. Во всяком случае, сей­час, когда в эфире работает столько станций, порой мешающих друг другу, отличные «мышиные» принципы отбора собственных сигналов привлекают самое при­стальное внимание биоников, инженеров и физиков.
Предполагают, что летучим мышам удается разли­чать эхо от нескольких предметов по величине частот­ного сдвига, возникающего в результате сложения

Рис. 1. Определение летучей мышью расстояния до объекта (насекомого) (по П. Т. Асташенкову).

непрерывно изменяющейся частоты зондирующих им­пульсов и частоты эха (рис. 1). Сложение излучаемых импульсов, промодулированных по частоте, и отражен­ных сигналов дает сигналы разностной частоты Д/, которая пропорциональна расстоянию до объекта. Дли­тельность сигналов разностной частоты также является функцией расстояния. Эта гипотеза никак не объяс­няет удивительную помехозащищенность локатора ле­тучей мыши. А между тем известно, что ее приемник обнаруживает полезный сигнал даже в том случае, если помехи на 30 децибел (более чем в тридцать раз) превышают уровень сигнала!
Поразительными по своему совершенству органами ультразвуковой эхолокации обладают, как установили ученые, тропические летучие мыши-рыболовы (рис. 2). Они летают у самой поверхности воды и, окуная в нее время от времени острые когти своих лапок, ухитря­ются ловить мелкую рыбешку. Ловя таким образом рыбу в темные ночи, эти зверьки издают ряд быстро

повторяющихся сигналов, которые очень похожи на сигналы их насекомояд­ных родичей. Поскольку тело рыбы содержит боль­ше 90% воды, оно почти не отражает подводные звуки, но наполненный воздухом плавательный пузырь представляет со­бой «непрозрачный» для звука экран. Ультразвук, пробив толщу воды, от­ражается от плавательно­го пузыря рыбешки, и его эхо возвращается к рыболову.

ной системы.
Может показаться, что рыбная ловля с помощью звуколокатора нисколько не сложнее или даже

проще, чем охота на быстрых, беспорядочно летающих в воздухе насекомых. На самом деле это не так. Требо­вания к локаторам у летучих мышей-рыболов и летучих мышей-охотниц несколько отличаются друг от друга.
Известно, что при падении звука под прямым углом из воздуха на поверхность воды только 0,12% его энер­гии распространяется в воде в виде звуковых колебаний. Остальная энергия отражается от границы раздела сред. Такая же малая доля энергии звуковых волн, рас­пространяющихся в воде, проходит из воды в воздух. Это значит, что от зондирующих импульсов летучей мыши после падения на поверхность воды из воздуха, распространения в воде, отражения от рыбы и возвра­щения к приемнику «рыболова» остается доля, равная
(0,0012)2 = 1,44 • Ю-6, т. е. эти импульсы ослабевают почти в миллион раз!
Кроме того, неизбежны и другие потери: лишь ма­лая доля энергии звука отражается от тела рыбы, и очень незначительная ее часть после выхода из воды попадает в уши летучей мыши. Интересно отметить, что примерная оценка затухания звука при локации насекомого на расстоянии в 2 м показывает, что слу­ховой аппарат летучих мышей-охотниц способен вос­принимать эхо столь же слабое, как и эхо при отраже­нии от мелких рыбок, добываемых их собратьями-ры­боловами.
Значит, летучая мышь судит об окружающей обста­новке по отраженным сигналам своего локатора, кото­рые иногда возвращаются к ней ослабленными во много миллионов раз. Интересно, что существует вид лету­чих мышей — подковоносы, — использующих для ори­ентировки именно этот признак отраженного сигнала (величину его ослабления), и по затуханию, а не по задержке отраженного импульса они определяют рас­стояния.
Таким образом, слуховой аппарат летучих мышей — это не просто анализатор, обладающий высокой чув­ствительностью. Органы их эхолокации настолько со­вершенны, что говорить просто о слухе здесь не при­ходится. Мы вправе говорить о качественном отличии слухового аппарата летучих мышей от соответствую­щих органов чувств других животных, об ультразвуко­вом «видении». Ведь органы звуколокации достигают наибольшего совершенства именно у тех рукокрылых, которые обладают очень плохим зрением, почти сле­пы, и поэтому у них совсем иное соотношение слухо­вых и зрительных центров. Так, например, летучую мышь не затрудняет полет в лабиринте из тонких про­волочек, хотя при этом она должна иметь представле­ние об их взаимном расположении. По существу, это и есть видение. Приспосабливая рукокрылых к ноч­ному образу жизни, природа так «устроила» этих жи­вотных, что сто раз услышать для них несравненно лучше, чем для нас, например, сто раз увидеть.
Благодаря выполненным за последнее время рабо­там мы можем сегодня уже говорить языком цифр о ряде важнейших технических показателей локационного аппарата летучих мышей и сравнивать их с основ­ными параметрами аналогичных систем, созданных че­ловеком. Путем сопоставления мы можем также уста­новить, в чем биологическая система превосходит тех­нические, какова ее эффективность. Правда, здесь могут возникнуть серьезные возражения против осмыслен­ности и правомерности подобного сравнения столь разнородных систем эхолокации, различающихся по мощности (на несколько порядков), по абсолютной дальности действия и т. п. Однако в общем-то звуко-локационный аппарат летучей мыши выполняет те же функции, что и обычные технические радиолокационные устройства, и поэтому в данном случае биологическую систему можно сравнивать с инженерной почти с тем же основанием, с каким обычно специалисты сравни­вают между собой технические характеристики двух радиолокаторов. И в этом отношении большой интерес, несомненно, представляет опубликованная в 1963 г. ра­бота Л. Катрона, в которой даются вполне определен­ные и убедительные количественные характеристики (принятые в радиолокационной технике) для ультра­звукового локационного аппарата летучей мыши. Не­смотря на многие упрощения, допущенные автором этой работы при расчетах, последние показывают, что по таким важным параметрам локационной системы, как чувствительность при определении дальности и угловых координат цели, устойчивость к взаимным помехам (т. е. способность не реагировать на сигналы, испускае­мые другими локационными системами, работающими в это же самое время поблизости), отношение сигнала к шуму, локационный аппарат летучей мыши более чем в 100 раз превосходит самые совершенные современные радиолокационные системы. Конкретные значения ос­новных параметров эхолокатора летучей мыши, полу­ченные Л. Катроном расчетным путем, приведены в табл. 1.
К приведенным показателям остается еще добавить следующее. Звуколокационный аппарат летучей мыши ультраминиатюрен, он весит доли грамма и имеет габа­риты, равные долям кубического сантиметра, а энергии расходует так мало, что ни одна из созданных челове­ком технических систем не может с ним сравниться. Наши же современные радиолокационные устройствавесят десятки, сотни и даже тысячи килограммов, а их объем достигает сотен кубических дециметров. Локаци­онный аппарат летучих мышей — это самовосстанав­ливающаяся система, которая всегда находится в рабо­чем, «боеспособном» состоянии; технические же лока­ционные системы должны ремонтироваться человеком, их эксплуатационная надежность значительно ниже, чем у эхолокатора летучей мыши.
Известно, что при расчете и конструировании слож­ных радиотехнических устройств чрезвычайно важно правильно выбрать характеризующие работу системы показатели качества, надежности и эффективности. Это требует, разумеется, специальных исследований, и в со­временной технике с разработкой таких оптимальных показателей пока дело обстоит, скажем прямо, далеко не идеально. Что же касается выбора параметров для правильной оценки эффективности сложных живых си­стем, то нет нужды доказывать, что такая задача еще сложней, а ведь ее решение весьма важно для успеш­ного моделирования и разработки практического вари­анта технического устройства.
В свете сказанного заслуживает внимания попытка Д. Гриффина найти интегральный показатель *) эффек-

*) Интересно отметить, что аналогичный прием определения интегральных показателей, характеризующих те или иные сто­роны физических явлений, путем простого перечисления их свойств довольно часто применяется в науке. Например, в тео­рии информации (см. С. Г о л д м а н, Теория информации, ИЛ, 1957) подобным образом вводится такое сложное теоретико-ве­роятностное понятие, как энтропия — степень неопределенности состояния.
тивности локационной системы Q путем перечисления требований, предъявляемых к ней.
«От наиболее эффективной системы эхолокации,— пишет ученый,—требуется, чтобы она при наименьшем весе W и минимальной используемой мощности Р об­наруживала объекты наименьшей величины (диаметра d) на максимальных расстояниях R».
Соответствующий показатель эффективности Q дол­жен иметь максимальное значение, а в случае «ухуд­шения» перечисленных факторов, характеризующих систему, — пропорционально убывать.
При таком подходе из чисто качественных сообра­жений сразу же напрашивается формула для вычисле­ния этого показателя:
Q = —
w PWd '
Однако небольшое размышление показывает, что выбранное выражение необоснованно предопределило связь величин R, Р, W, d; например, из этой формулы следует, что при фиксированном показателе эффек­тивности Q дальность прямо пропорциональна мощ­ности.
Но у всех локаторов плотность излучаемой энергии, как известно, убывает при распространении обратно пропорционально квадрату расстояния. Что же касается летучих мышей, то исследования показали: в ряде слу­чаев можно считать, что энергия эха обратно пропорци­ональна четвертой степени расстояния. Последнее со­ображение уже, видимо, можно учесть и в выражении для Q, характеризующем локационные способности как летучих мышей, так и локаторов (от усиления зависи­мости по R оценка эффективности последних только повысится).
Аналогично (т. е. путем приведения к мощности Р) можно проанализировать и влияние на показатель Q диаметра объекта обнаружения d. В самом деле, если размеры объекта достаточно велики по сравнению с длиною волны отраженного от него звука, то мощность эха приблизительно пропорциональна поверхности це­ли, т. е. d2. Так обстоит дело с большинством радарных целей и, в частности, при локации самолетов с исполь­зованием сантиметровых волн. В случае же локации,

осуществляемой летучими мышами, которые, как пра­вило, обнаруживают объекты с размерами, меньшими длины излучаемых волн, мощность эха должна уже быть пропорциональной d 4.
Таким образом, учитывая сказанное, можно оконча­тельно принять два вида выражений для показателя эф­фективности локации Q, а именно:

V pWd2 ,
?*


первое приблизительно соответствует условиям работы радаров, второе — условиям, характерным для летучих мышей.
В заключение, воспользовавшись полученными вы­ражениями для Q, сравним эффективности одного из наиболее совершенных локаторов самолетного типа и эхолокационного аппарата летучих мышей (табл. 2).

Таблица 2


Радиолокатор системы AN/APS-10
Большая рыжаи лету­чая мышь
Малая рыжам летучая мышь
Обнаруженная цель . . . Диаметр цели d, см ... Дальность обнаружения R,
Вес аппаратуры W, г . . . Излучаемая мощность Р, вт
Л4//- Wd*
R*lPWd*
Самолет 300
8-106 9-10* 10* 5,1 -10" 5,6-10s
Насекомое 1
200
1,0 10˜5 1,6-10" 1,6-10"
Проволока
1,8-Ю-2
90 0,5
ю-в
4,1-10" 1,3-10»

Простейший анализ данных, приведенных в табли­це, уже говорит о том, что летучие мыши обладают ло­кационной системой в десятки миллионов раз более эф­фективной, чем локатор. И это справедливо даже в том случае, если не учитывается, что при расчете вес ло­кационной системы летучей мыши был принят равным

И. П. Литнпепкип
193

10% ее веса, тогда как вес радиолокатора составляет совершенно ничтожную долю веса самолета, на кото­ром он установлен. А «... если подходить к данному вопросу с самой общей точки зрения, то превосходство летучих мышей и других животных становится очевид­ным, хотя такое сравнение и трудно выразить в коли­чественной форме. В самом деле, летучие мыши сами поддерживают в рабочем состоянии и ремонтируют свои живые механизмы, а радиолокаторы и самолеты должен ремонтировать человек. Летучие мыши питают свои механизмы энергией за счет добычи, которую они сами ловят и переваривают. А от самолетов мы не ждем, чтобы они сами заправлялись топливом за счет ловли птиц; топливо же, накачиваемое в их баки, уже не тре­бует никакой предварительной химической переработ­ки. И, конечно, изготовленные человеком механизмы не размножаются».
Поистине результаты сравнения биологической и технической локационных систем не могут не вызвать у каждого инженера, работающего в области локацион­ной техники, заслуженного уважения к «механизму из плоти и крови, который выработался под давлением естественного отбора в процессе эволюции», и горя­чего желания воспроизвести его в металле для пользы человечества.
И вот первый шаг, сделанный в этом направлении. Известный французский спелеолог и исследователь ру­кокрылых Норберт Кастере в 1956 г. писал, что «...бла­годаря глубокому изучению летучих мышей удается сконструировать портативный точный прибор, построен­ный по принципу радара, но с применением ультра­звуков, который будет компенсировать слепоту и позво­лит невидящим легко и без всякого риска избегать са­мые разнообразные препятствия». Прошло десять лет, и профессор Кентерберийского университета Новой Зе­ландии Л. Кэй разработал конструкцию радара-пово­дыря, который откроет слепым окно в окружающий их мир.
Этот прибор, названный «зонаром» (от слова зон­дировать), посылает в окружающую среду ультразвуко­вые импульсы, подобные тем, которые испускает лету­чая мышь. Возвращающееся эхо накладывается на по­сылаемые импульсы и создает «биения» звука, воспри­нимаемые человеком через наушники. Высота звука ука­зывает на расстояние до предметов.
Трудно быстро передвигаться в темной комнате, освещаемой лишь узким пучком света карманного фона­рика. Так же трудно ориентироваться и с «ультразвуко­вым фонарем». Тот, кто будет пользоваться этим при­бором, должен научиться различать качество эха от различных предметов (от изгороди, стены и т. п.), а также «аккорды», звучащие, когда пучок одновременно отражается от двух различных предметов.
Этот прибор довольно сложен, и для его эффектив­ного использования необходима длительная практика. Поэтому вызывает большой интерес следующая ступень развития приборов «звукового видения» — ультразвуко­вые очки, призванные, по замыслу их создателя про­фессора Кэя, заменить узкий пучок звука широким «ос­вещением» окружающих предметов. На предметы по­сылается широкий поток ультразвука от передатчика, вмонтированного в переднюю часть очков. Приемники-микрофоны, находящиеся по обеим сторонам головы, улавливают эхо. По разнице в степени громкости, вы­соте звука и времени поступления сигналов, восприни­маемых каждым ухом, можно установить местонахож­дение источника эха в пространстве.
У человека, потерявшего зрение, всегда сильнее обычного развиваются другие органы чувств. Обостря­ется, в частности, слух. Учитывая это, автор нового при­бора полагает, что с помощью последнего у слепого че­ловека быстро разовьется представление об окружаю­щих его предметах как источниках характерного звука и он сможет «видеть» звуковую картину окружающей обстановки.
Облегчение людям, полностью утратившим зрение, принесет недавно разработанный в нашей стране пор­тативный ультразвуковой эхолокатор «Ориентир». В ос­нове прибора лежит принцип ориентации, заимство­ванный у летучей мыши. Прибор «выбрасывает» тонкий ультразвуковой луч, который отражается от встречаю­щихся на пути предметов, и человек узнает о препят­ствиях по частоте и тональности звука, поступающего через микроминиатюрный приемник.
Ультразвуковая локация для человека — дело сравни­тельно новое. А если говорить о живых ультразвуковых локаторах, созданных природой, то их изучением мы, в сущности, по-настоящему, глубоко, во всеоружии со­временной науки и экспериментальной техники начали заниматься совсем недавно. Однако первые успехи, достигнутые в моделировании радара летучих мышей, уже сегодня открывают интересные перспективы ис­пользования таких локаторов в качестве чувствительных элементов различных технических систем во многих областях производства, в частности в автоматах по сор­тировке и отбраковке миниатюрных деталей на конвей­ере, для регистрации и счета элементов, особенно в тех случаях, когда работу требуется производить в абсолют­ной темноте, и т. п. Американские же специалисты по авиации полагают, что тщательное изучение принципов устройства и функций локатора летучей мыши-рыболо­ва позволит создать эффективную систему розыска и уничтожения подводных лодок.
Большим вниманием ученых-биоников, специалистов по радиолокации, ныне окружены не только летучие мыши, но и дельфины.
Науке известны 50 видов дельфинов. Они населяют все океаны и некоторые реки. Эти млекопитающие, по виду очень похожие на рыб, считались в Древней Гре­ции священными животными. О них сложили немало легенд. Однако еще лет десять назад мы о них мало знали, равнодушно относились к промыслу дельфинов и не задумывались над тем, сколько их осталось в морях и океанах. Только биологи проявляли определенный интерес к дельфинам, да и то с целью определить ме­сто этих млекопитающих в животном царстве. Сейчас положение резко изменилось. Дельфины, как говорят, «вошли в моду». О них рассказывают самые невероят­ные истории, и порой трудно бывает отличить легенды от фактов. Они, оказывается, умеют ходить на хвосте, отлично прыгают, могут играть в баскетбол, проска­кивать в горящий обруч, тянуть за собой лодку, спасают потерпевших кораблекрушение, носят детей на спине, отзываются, когда их кличут длительное время одним именем, выпущенные на несколько суток в открытое море, они снова возвращаются в океанариумы, повину­ясь акустическому сигналу. Дельфины очень любят му­зыку. Еще греческий поэт Пиндар (522 — 422 гг. до н. э.) писал, что дельфинов привлекают звуки флейты или лиры, а римский ученый и писатель Плиний Стар­ший (23 — 79 гг. н. э.) в своей тридцатисемитомпой «Естественной истории» отметил, что дельфины любят пение и особенно звуки водного органа. Заслышав при­ятные мелодии, они довольно часто подплывают к су­дам, но стоит им услышать атональные сумбурные зву­ки, и они немедленно исчезают. 23 мая 1963 г. ТАСС передал для газеты «Известия» следующее любопытное сообщение под заголовком «Дельфины и джаз». Тепло­ход «Ковель» находился в Красном море. Радист вклю­чил судовую трансляцию, и из репродукторов поли­лись звуки вальса. Около двадцати минут, пока над волнами звучала приятная мелодия, дельфины, нерав­нодушные к музыке, плыли совсем рядом. Но вот из репродуктора раздались резкие звуки; среди магнито­фонных записей на пленке оказалась музыка западного джаза. И дельфины, словно по команде, умчались в сторону...
Рыбаки не раз рассказывали, что пойманный дель­фин проявляет по отношению к человеку исключи­тельный, необъяснимый интерес и никогда на него не нападает. Даже если его ранят, если ему причиняют боль (иногда это приходится делать в интересах науки), он никогда не кусает человека, тогда как даже акулы остерегаются его страшных челюстей. Создается впе­чатление, что человек для дельфинов неприкосновенен. В их круглых и умных глазах всегда светится беско­нечное желание быть полезным человеку, стремление сотрудничать с ним. О том, как дельфины идут навстре­чу желаниям человека и стремятся сотрудничать с ним, имеется множество интересных фактов. Из них мы при­ведем лишь два, непосредственно относящихся к проб­леме, о которой речь будет идти ниже. Начнем с Джека из Пелореса — дельфина, о котором в прошлые годы пи­сала наша и зарубежная печать.
Он был самым выдающимся спасателем за всю исто­рию мореплавания. На его счету десятки тысяч спасен­ных людей, сотни кораблей и на многие миллионы дол­ларов сбереженного имущества. Он был непревзойден­ным пловцом и выдающимся лоцманом. Однако, несмот­ря на свою мировую известность, он не умел читать и писать. И никогда не слышал о существовании денег.
Вероятно, поэтому он работал бесплатно. Его так и звали: бесплатный лоцман.
Он выходил на работу, на которую сам себя назна­чил, ежедневно, в любую погоду, и много лет проводил суда через опасные воды, не потеряв за это время ни одного корабля!
Его все звали Джеком из Пелореса, хотя он был всего лишь дельфином...
Недалеко от Новой Зеландии есть пролив Френч Пасс с быстрым течением. Он начинается у островов Д'Юрвиль и Пелорес Саунд и доходит до Тасманского залива. Это короткий, но очень опасный пролив, изо­билующий предательскими течениями и острыми под­водными скалами. У пролива была плохая слава, пока не появился Джек. Благодаря ему пролив на 23 года стал безопасным.
Первой познакомилась с этим замечательным дель­фином шхуна «Бриднель» из Бостона. Произошло это в один из штормовых дней 1888 г. Шхуна шла с грузом машин и обуви в Сидней. И тут команда заметила пе­ред носом корабля большого серо-синего дельфина, рез­вящегося, словно щенок.
Сначала матросы по ошибке приняли его за молодо­го кита и хотели было загарпунить его, но жена капи­тана отговорила их. Пробираясь сквозь туман и дождь вслед за играющим дельфином, корабль благополучно прошел через опасный пролив.
Так началась удивительная карьера Джека. С тех пор он всегда околачивался в этом районе, ожидая прохо­дящие корабли, чтобы провести их через пролив. Скоро он получил свое имя и быстро стал известен среди мо­ряков во всем мире.
Джек встречал корабли, первым приветствуя их прыжками. Моряки и пассажиры выискивали его в воде и встречали его появление аплодисментами и радост­ными криками. С тех пор, как Джек заступил на свою вахту, в водах пролива Френч Пасс не было корабле­крушений.
Джек обычно плыл недалеко от корабля, время от времени ныряя под него, чтобы вынырнуть у противо­положного борта, словно сторожевая собака, загоняю­щая овцу в стадо. А когда корабль подходил к пеня­щимся водам пролива Френч Пасс, Джек вырывался вперед и оставался перед форштевнем корабля на виду у рулевого, пока судно не преодолевало опасную зону.
В 1903 г. пьяный пассажир с корабля «Пингвин» выстрелил в Джека из пистолета. Команда корабля ре­шила линчевать этого пассажира, и капитану пришлось приложить немало усилий, чтобы уговорить матросов отказаться от своего решения. В течение двух недель Джек не являлся на «службу», и все решили, что он убит, но однажды ясным утром бесплатный лоцман из пролива Френч Пасс появился снова.
Муниципалитет Веллингтона принял постановление, защищавшее Джека от покушений на его жизнь и здо­ровье. Этот закон моряки выполняли с особым удоволь­ствием.
После случая с «Пингвином» Джек никогда больше не выходил встречать этот корабль — единственное судно, которому он отказывал в помощи. Моряки пе­рестали наниматься на это судно, утверждая, что «Пин­гвин» проклят. И в конце концов корабль, доверенный человеку-лоцману, наскочил на скалы и затонул.
Джек был верен добровольно взятой на себя миссии, но он становился стар. После своей первой встречи с кораблем «Бриднель» Джек неизменно оставался на своем посту до апреля 1911 г., после чего пропал так же неожиданно, как и появился...
Другой дельфин по имени Туффи, участвовавший в специальных опытах «Человек и море», которые про­водили военно-морские силы США в 1965 г. в Тихом океане у берегов Калифорнии (об этом эксперименте мы подробно расскажем в беседе «Покорение голубого континента»), заставил писать о себе почти все жур­налы и газеты мира. В этих опытах Туффи (дельфин весом 120 кг и длиной 2 м) исполнял обязанности связ­ного между людьми, находившимися на поверхности океана, на судне «Беркон», и гидронавтами, которые 15 дней жили под водой в батискафе на глубине 62,5 м. На его обязанности лежала также охрана подводной ла­боратории от нападения акул (дельфин — единственное морское животное, которого боятся акулы); кроме того, если бы кому-нибудь из гидронавтов грозила опасность, дельфин должен был его как можно быстрее доставить на спасательное судно. Каждый день Туффи доставля­ли на вертолете к месту эксперимента. Здесь на него надевали специальную упряжку, заканчивающуюся шну­ром (за который могли ухватиться попавшие в опасное положение гидронавты), и спускали в воду. Ежеднев­но дельфин совершал около двадцати прогулок между судном «Беркон» и подводной лабораторией «Силэб-П». Каждое погружение на глубину 62,5 м занимало у него 45 сек. Туффи неоднократно доставлял с судна на ба­тискаф и с батискафа на судно корреспонденцию в водонепроницаемой упаковке, подносил исследовате­лям необходимые инструменты, а когда один из них сделал вид, будто сбился с пути в непрозрачной воде, Туффи подплыл к нему и проводил его к подводной базе. Добросовестным выполнением всех возложенных на него обязанностей Туффи снискал себе глубокое уважение гидронавтов. По сообщениям американской печати, в дальнейших глубоководных экспериментах будут участвовать новые Туффи...
Однако нынешний повышенный интерес ученых к дельфинам продиктован не столько запоздалым желани­ем отдать дань уважения их уму, понятливости, добро­душию и любви к человеческому роду (чему, кстати, уже воздано должное воздвигнутыми памятниками дель­фину Джеку на одной из набережных Веллингтона и дельфину Бобо в австралийском городе Брисбене), сколько стремлением как можно быстрее познать уст­ройство и принцип действия гидролокатора, которым так щедро одарила природа этих животных и которым столь успешно пользовались Джек из Пелореса и Туф­фи, выполняя лоцманские и другие обязанности. Гид­ролокатор дельфина настолько совершенен, что не может не вызвать самой большой зависти у любого инженера, работающего в области гидролокационной техники.
В отличие от рукокрылых, локационные способности дельфинов были обнаружены сравнительно недавно, лет двадцать назад. Все началось с того, что было замече­но — ночью в мутной воде дельфины обходят сети. Было также обнаружено, что дельфины свободно находят куски рыбы, помещенные в водоем, в самые темные ночи бесшумно и на большой скорости обходят уста­новленные в бассейне препятствия. Невольно возник вопрос: не обладают ли они способностью посылать звук и нет ли у них приемного аппарата, подобного ап­парату летучих мышей, позволяющем)' этим зверькам безопасно летать в темноте?
Первые опыты по изучению методов и способов ориентации дельфинов под водой были поставлены в Америке в местечке Вудс-Холл биологами Шевиллом и Лоренсом. Работы велись с самцом афалиной, помещен­ным в небольшой мутный водоем размером '90 X 20 м. Посторонние звуки не мешали проведению эксперимен­та, а для надежного исключения участия зрительного анализатора опыты проводились ночью. В водоеме не было другой пищи, кроме той, которую давали афалине исследователи. Бросаемая экспериментаторами в воду рыба моментально обнаруживалась и поедалась голод­ным животным. На всплеск воды дельфин бросался очень точно — при расстоянии до всплеска в 20 м он ошибался лишь на несколько сантиметров.
Но ученые хотели знать, как дельфин находит пред­меты, появление которых не сопровождается звуками. Для выяснения этого вопроса подопытное животное обучили распознавать сигнал кормления: дельфин по­лучал рыбу после удара о железную труб)' или посыл­ки ультразвукового сигнала прибором, находящимся возле кормовой площадки. После закрепления такого условного рефлекса опыты начали усложнять: экспери­ментаторы подавали сигнал, но рыбу в воду не клали или подкладывали ее, когда дельфин не ожидал этого. В первом случае дельфин подплывал к лодке (она слу­жила кормовой площадкой) и, не обнаружив рыбы, про­плывал мимо. Во втором случае, когда рыбу опускали в воду очень тихо, без предварительного сигнала, дель­фин обнаруживал ее сам, но не при помощи зрения. При своих поисках в темноте он издавал слабые поск­рипывающие звуки, которые хорошо прослушивались в гидрофон как ряд щелчков, повторяющихся с различной частотой, или как скрип двери, поворачивающейся на ржавых петлях. Когда дельфин «скрипел», он почти все­гда направлялся к рыбе, словно видел ее; двигаясь же молча, он к лодке не подплывал, даже если рыба была опущена в воду.
Уже из этих опытов стало ясно, что дельфины об­наруживают пищу и различают самые разнообразные предметы под водой с помощью высокочастотных «скри­пов» и эха. Однако окончательно эта рабочая гипотеза была подтверждена серией экспериментов, проведенных профессором Флоридского университета Уинтропом Келлогом. Изучению звукового и слухового аппаратов дельфинов Келлог посвятил около 10 лет и впоследст­вии написал очень интересную книгу под названием «Морские свиньи и сонар».
У Келлога во флоридском аквариуме «Мэриленд» было два обученных дельфина Альберт и Бетти. Экспе­риментируя с ними, ученый и его коллеги поставили перед собой задачу выяснить следующие вопросы: из­дают ли дельфины звуки, аналогичные, звукам, исполь­зуемым в сонарах? обладают ли они приспособлениями, позволяющими улавливать эхо собственных звуков? реа­гируют ли они на отраженные звуки? используют ли они звуковые сигналы для ориентации и нахождения пищи? С помощью современной довольно сложной электронной аппаратуры исследователям удалось на каждый из этих вопросов получить положительный от­вет.
Опыты проводились в бассейне площадью 350 м2 и глубиной около 2 м. Мягкое илистое дно и стенки бас­сейна хорошо поглощали звуки и не давали эха. Пла­вая, афалины взмучивали воду так, что видимость при экспериментах не превышала 35 — 85 см. Все опыты про­водились ночью и были поставлены так, что подопыт­ные животные не могли видеть действий человека ни в воде, ни в воздухе. В воду были опущены гидрофоны; звуки, издаваемые дельфинами, записывались специаль­ной аппаратурой. Результаты опытов оказались пора­зительными. Если в бассейне было спокойно, афалины лишь изредка издавали скрипы или щелчки — поиско­вые серии звуковых импульсов. Они длились 1 — 5 сек с интервалом между сериями 10 — 20 сек, а длитель­ность отдельного импульса в серии составляла 1 мсек. При холостом всплеске о поверхность воды дельфины тотчас же издавали одну короткую серию скрипов и замолкали. Если же на поверхность экспериментаторы бросали погружающийся несъедобный предмет, то вслед за первой серией щелчков дельфины издавали еще несколько серий с промежутками в 1—2 сек. Но когда этим брошенным предметом оказывалась рыба, следовал целый залп звуковых серий с частотой импуль­сов до нескольких сотен в секунду, и дельфин направ­лялся к рыбе. Приближаясь к добыче, он не переставал лоцировать, покачивал головой из стороны в сторону, описывая дугу в 10 — 20°, как бы нацеливаясь на рыбу своим звуковым лучом.
Далее поставили такой эксперимент. В бассейне раз­мером 21,35X16,75 м, наполненном мутной водой, в которой видимость не превышала 50 см, устроили ла­биринт: в воду опустили 36 полых металлических стер­жней (их разместили в 6 рядов, по 6 штук в каждом, на расстоянии 2,5 м друг от друга), при прикосновении к которым включался электрический звонок. Затем в мутную воду пустили двух дельфинов. В течение пер­вых 20 мин звонок раздался всего лишь 4 раза. По-ви­димому, дельфины касались стержней горизонтальными плавниками хвоста, когда их тело уже прошло вперед. Следующие 20 мин звонок звонил еще реже, а затем афалины плавали в бассейне, уже не задевая стержней даже в полнейшей темноте. И вот что еще установили исследователи: между стержнями дельфины плыли зна­чительно быстрее, чем обычно в свободном бассей­не; при этом они непрерывно посылали звуковые им­пульсы.
Интересные опыты с дельфином были проведены Кеннетом Норрисом в Калифорнийском университете в Лос-Анжелосе. Исследуя по заданию ВМФ США гид­ролокационный аппарат дельфинов, ученый научил одну очень послушную афалину по кличке Алиса плавать с резиновыми наглазниками (рис. 3) и принимать пищу по сигналу. Как только экспериментатор подавал сиг­нал кормления, в гидрофон начинали поступать щел­кающие звуки афалины (16 импульсов в секунду). Эхо-лоцирующий дельфин с закрытыми глазами без труда ловил добычу. Частота щелчков увеличивалась по мере приближения Алисы к рыбе. Однако рыбу животное захватывало лишь в том случае, если она оказывалась не ниже уровня его верхней челюсти, т. е. попадала в зону локации. Приближаясь к добыче, дельфин так же по­качивал головой, как и в экспериментах Келлога. Не­смотря на наглазники, Алиса точно, не касаясь телом, проплывала между множеством металлических стерж­ней, подвешенных через промежутки в 1 — 2 м, и rio си­гналу подплывала к микрофону.
На каком же расстоянии «видит» дельфин, как да­леко простирается луч его локатора? Ответ на этот вопрос был получен в следующем опыте. От лодки пер­пендикулярно ее борту протягивали тонкую рыбачью сеть длиной в несколько метров. Затем в полной темно­те и абсолютно бесшумно то с носа, то с кормы опус­кали в воду рыбу длиной 10 — 15 см. Подопытный го­лодный дельфин должен был заблаговременно решить,

Рис. 3. К глазам дельфина прикрепляют резиновые
наглазники, чтобы изучить способности животного плавать вслепую.

по какую сторону сети ему плыть, чтобы найти ожида­емое лакомство. Эту задачу он легко решал с расстоя­ния в 4,5 — 5 м.
Таким образом, на основании множества самых раз­нообразных опытов ученые пришли к общему выводу — эхолокация у дельфинов является основным способом распознавания объектов, погруженных в воду. Локатор дельфина работает почти в том же «режиме», что и ло­катор летучей мыши. В спокойном состоянии животное постоянно испускает звуковые импульсы через каждые 15 — 20 сек, которые служат для общей ориентировки. Для определения глубины воды, близости берега и льдов, предотвращения столкновения с кораблями жи­вотные обычно используют продолжительные (длитель­ностью 1 — 5 сек) импульсы с меняющейся частотой (от 7 до 20 кгц). Когда же внимание дельфина привлекает брошенный в воду предмет, число импульсов резко возрастает (от 5 до 100 и более в секунду) — дельфин подробно изучает изменившуюся обстановку с помо­щью своего звуколокатора. В 1958—1959 гг. Келлог установил, что чем дальше дельфин находится от рыбы, тем ниже частота повторения излучаемых им локацион­ных сигналов и, наоборот, чем ближе рыба, тем эта частота выше. По-видимому, при сближении с добычей требуется возрастающая прицельность посылки импуль­сов. Животное, нащупав добычу, старается не выпус­тить ее из зоны ультразвукового пучка и, сближаясь с ней, вероятно, суживает звуковое поле. Движение к цели (к преследуемой рыбе) становится более точным, если улучшается направленность зондирующего сигна­ла и эхо-сигнала. Следить за перемещением рыбы в области звукового луча приближающийся к ней дель­фин может путем повышения частоты повторения им­пульсов локации.
Предполагают, что орган «речи» дельфина является многоцелевым (универсальным) устройством — дельфин «разговаривает» и лоцирует с помощью одного и того же звукового генератора. Интересно, что издаваемые дельфином звуки, слышимые человеком, весьма различ­ны и зависят от ситуации. Дельфин «скрипит», «щел­кает» при «ощупывании» окружающих (особенно нез­накомых) объектов, препятствий и пищи. Для общения с своими сородичами он издает звуки, похожие на уда­ры палкой по мячу, свистит, лает или воет. Например, если мать разлучена с детенышем, оба будут жалобно свистеть до тех пор, пока не соединятся. Способности дельфинов к испусканию и восприятию звуков настоль­ко широки, что просто диву даешься. Уже при поста­новке первых экспериментов по изучению эхолокации дельфинов ученые были поражены «вокальными спо­собностями» животного: дельфин «излучал» в диапа­зоне от 150 гц до 196 кгц\
К сожалению, строение органа «речи» дельфина (он же — ультразвуковой генератор его локатора) до сих пор изучено еще очень неполно. Предполагают, что в звукообразовании принимают участие разные органы, связанные с дыхательными функциями, причем основ­ную роль в генерации звуковых сигналов играет слож­ная система надчерепных воздушных полостей, при­мыкающих к носовому проходу. Эти своеобразные

«мешки» разделены тонкими стенками. Под действием различных мышц воздух пережимается из одного мешка в другой, а вибрирующие при этом стенки порождают ультразвуковой импульс.
Но если принцип генерации ультразвуковых коле­баний стал в последние годы более или менее ясным, то до сравнительно недавнего времени для ученых остава­лось загадкой, каким образом дельфины ухитряются фокусировать ультразвуки, посылать импульсы в нуж­ном направлении, что является непременным условием эффективной работы любого локатора. В 1962 г. аме­риканские исследователи Вильям Эванс и Джон Прес-котт высказали предположение, что выпуклая жировая подушка, расположенная на челюстных 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. «На голове дельфинов и зубатых китов, — писали они, — есть лобный выступ из жировой ткани. Нам кажется, что эта ткань служит акустической линзой». В пользу такой гипотезы имелись следующие доводы. Показатель преломления жировой ткани, образующей так называемый лобный выступ дельфина, очень близок к показателям преломления веществ, которые используются в технике для изготов­ления акустических линз. И далее. Вся система жиро­вой подушки снабжена собственной своеобразной мус­кулатурой и сложной системой связок. Очевидно, наз­начение их в том, чтобы изменять фокусировку линзы. Роль рефлектора генерируемых дельфином ультразвуков ученые в своей гипотезе отвели его черепу, исходя из особенности конструкции последнего, а также из того, что костные ткани очень плохо проводят ультразвуко­вые колебания. Таким образом, согласно гипотезе Эванса — Прескотта и Бельковича — Яблокова, «линза» и «рефлектор» — это те органы в природном гидроло­каторе дельфина, которые концентрируют сигналы, из­лучаемые воздушными мешками, связанными с носовым каналом (рис. 4), и в виде звукового пучка направляют их на лоцируемый объект; дельфин может «ощупы­вать» пространство впереди себя через «линзу» и широким рассеянным пучком ультразвука и очень тонким.
И все же, хотя гипотеза звуковой линзы красиво и логично объясняла точность, прицельность и даже даль­ность эхолокации дельфинов, без экспериментальной проверки она практически оставалась бездоказательной. Правда, Эванс и Прескотт в подтверждение своей ги­потезы провели один опыт. Они отрезали головы у двух дельфинов и через гортань и носовой канал пропуска­ли 10 л воздуха под давлением в 1,5 атм. Полученный
Систем бозЗушнт иешнов (генератор ультразвуков)

<< Предыдущая

стр. 4
(из 12 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>