Кто видит ушами?

Кто видит ушами?

Бывали ли вы когда-нибудь в пещерах? Это удивительный, ни с чем не сравнимый мир, мир полной и абсолютной тишины, и темноты. Ни малейшего проблеска света не проникает уже за пятьдесят-сто метров от входа в пещеру, можно смело вынимать из кассеты фотопленку, она не засветится. Мне довелось побродить по удивительным карстовым пещерам Абхазии, где «растут» целые леса сталагмитов, а навстречу им сверху свисают занавеси сталактитов. Блуждал я по Аджимушкайским каменоломням в Керчи и каменоломням Одессы, посещал пещерные города Крыма и Индии, опускался в рудники Донбасса и Уэльса, ходил по пещерным некрополям Киево-Печорской Лавры, Псково-Печорского монастыря, Черниговских монастырей. Словом, у меня было достаточно времени, чтобы познакомиться с подземным миром пещер.

Но только дома, в шестидесяти километрах от Петербурга, в Саблинских пещерах, вырытых в песчаниковых берегах реки Тосно, я впервые задумался об обитателях этого подземного мира. Теплый свет свечи однажды высветил на потолке одного из Саблинских подземных тоннелей странные меховые комочки. Присмотревшись к ним поближе, я увидел, что это целая колония летучих мышей, висящих вниз головой, сложив крылья. Так значит, пещеры обитаемы? Еще как обитаемы! Так, в Бракенской пещере на юге США обитает свыше двадцати миллионов летучих мышей. В нашей стране таких крупных колоний летучих мышей не встречается, хотя в некоторых пещерах Кавказа и Средней Азии насчитывается до нескольких десятков тысяч особей. В одни убежища летучие мыши прилетают только на дневку в теплое время года, в других они зимуют.

Как же ориентируются летучие мыши в глубине подземных лабиринтов? Как им удается в кромешной тьме не наталкиваться на стены и выступы скал в своем стремительном полете? Приспособление зрения к ночному видению, свойственное большинству наземных животных, становится совершенно бесполезным в условиях абсолютной темноты подземелий. Обоняние и кожно-мышечное чувство так же бессильны им помочь, так как запахи практически не несут информации о препятствиях, а кожная чувствительность возможна лишь при непосредственном контакте с предметом, что исключено для летающих животных. Остается только слух. Но, как я уже говорил, подземный мир — это мир безмолвия, и ни одна из стен не будет предупредительно причитать, если кто-либо захочет разбить об нее лоб. Но как же все-таки удается ориентироваться в абсолютной темноте летучим мышам? Долгие годы, века, тысячелетия это оставалось загадкой.

На летучих мышей с древнейших времен смотрели как на истинных чудовищ, называли их гарпиями и вампирами. Из уст в уста об этих животных передавали ужасные рассказы. Они считались обязательными спутницами ведьм, из них приготавливались самые зловещие колдовские зелья, в них обращались вурдалаки, упыри и вампиры. И даже в наше время, когда эти действительно очень своеобразные зверьки полностью «реабилитированы», все же встреча с ними у многих оставляет неприятное ощущение, и они продолжают подвергаться бессмысленному гонению и даже уничтожению. Объясняется это прежде всего тем, что летучие мыши ведут сумеречно-ночной образ жизни и имеют необычный для млекопитающих внешний вид. Действительно, если вам удастся поближе всмотреться в черты этих зверьков во время их зимней спячки на потолках пещер, то они вам напомнят морды страшных демонов и химер. Да и обиталище этих животных навевает не самые приятные ассоциации — мрачные гроты и пещеры, пустынные чердаки, кладбищенские склепы, колокольни церквей. Недаром близких родственников летучих мышей, мелких крыланов называют могильными, или фараоновыми крыланами, так как они в большом количестве встречаются в могильных склепах и гробницах фараонов. Кроме того, о наших отечественных летучих мышах, не говоря уже о тропических видах, слишком мало известно не только широким слоям, но и некоторым биологам.

Так что же нам известно? Известно, что летучие мыши и крыланы (летучие собаки) относятся к классу млекопитающих, к отряду рукокрылых, составляя в нем два подотряда. Подотряд летучих мышей объединяет около восьмисот видов, а подотряд крыланов — около двухсот. Для читателей нашей книги важно подчеркнуть, что летучие мыши в темноте используют принцип эхолокации, тогда как почти все крыланы ориентируются при помощи зрения. Передние конечности рукокрылых превратились в крылья за счет удлинения предплечья и фаланг пальцев (кроме первого), которые стали каркасом для эластичной кожистой перепонки, натянутой между ними, боками тела и задними конечностями.

Подавляющее большинство летучих мышей насекомоядны и добывают свою пищу в стремительном полете. Темп, в котором летучие мыши ловят насекомых, очень высок. Наблюдения за процессом охоты в естественных условиях показали, что кожан в течение одного только часа совершает 1283 броска за пролетающими насекомыми, а маленькая ночница — 1159 бросков.

Однако среди летучих мышей встречаются виды, характеризующиеся иными способами питания. Так, в Центральной и Южной Америке обитает довольно многочисленная группа, которая подобно крыланам перешла к растительной пище — фруктам, нектару и пыльце цветов. Там же встречаются и настоящие вампиры, которые по способу питания не имеют конкурентов во всем классе млекопитающих и напоминают этим, скорее, некоторых паразитических насекомых. С помощью длинных острых резцов летучая мышь-вампир молниеносно делает на теле жертвы глубокую рану и слизывает языком вытекающую из нее кровь. Нападению в основном подвергаются рогатый скот, лошади и мулы. В Бразилии, Панаме, на Кубе известны рыбоядные летучие мыши. Они летают низко над озером или рекой и как будто ощупывают их поверхность своим ультразвуком. Только пойдет по воде рябь от стайки рыбок — летучая мышь тут как тут. Хвать — и добыча на когте, как на крючке.

В тропиках Юго-Восточной Азии и Южной Америки обитают и лягушкоядные летучие мыши. Оказалось, что в поисках добычи эти летучие мыши ориентируются на крики, издаваемые лягушками. Как только лягушка замолкает при появлении летящего зверька, она сразу оказывается в безопасности, но единственный, пусть даже слабый звук всегда стоит ей жизни. Проведенные учеными эксперименты выявили много удивительных вещей. Например, удалось установить, что летучие мыши прекрасно отличают по голосу съедобных лягушек от ядовитых жаб, а также лягушек обычного, «съедобного» размера от тех, которые слишком велики.

Но несмотря на разнообразие способов питания у летучих мышей, исходным типом для всей этой группы, несомненно, была ловля насекомых. Все остальные приспособления можно считать вторично приобретенными.

Погоня за быстролетающими насекомыми, да еще в условиях слабой освещенности, потребовала создания особых средств для ориентации на расстоянии, иногда значительном. У летучих мышей в процессе эволюционного развития выработалась способность к ультразвуковому лоцированию впереди лежащего пространства с последующим анализом полученного эха от встречаемых на пути предметов. Системы эхолокации позволили летучим мышам вести активную деятельность в сумеречно-ночное время, а также освоить темные туннели пещер, которые надежно укрывают их в течение дня. Таким образом, рукокрылые, с одной стороны, оказались конкурентоспособными с многочисленными представителями пернатых, питающихся аналогичным способом, и с другой — избавились от разнообразных дневных хищников.

Что же такое эхолокация? Принцип, лежащий в основе этого необычного способа ориентации, предельно прост. Животные издают звуковые или ультразвуковые импульсы и, принимая отражение — эхо — этих импульсов от встречающихся на пути предметов, своевременно обнаруживают препятствия. Таким же образом они могут находить и даже преследовать быстроперемещающуюся добычу Этот способ контактирования с внешней средой был назван эхолокацией по аналогии с работой радио- и гидролокационных систем, созданных умом и руками человека. Однако это теперь нам кажется все простым и ясным, а когда натуралисты впервые пытались объяснить, каким образом летучие мыши ориентируются в темноте, то им еще ничего не было известно о принципах радиолокации. Сначала они встали в тупик перед загадкой природы. И это явление на протяжении длительного времени не поддавалось научному объяснению.

История открытия эхолокации ведет свое начало с 90-х годов XVIII столетия и связана с именем итальянского ученого Лазаро Спалланцани. В 1793 году в возрасте 64 лет Спалланцани заинтересовался способами ориентации ночных животных и установил факт исключительной важности: летучие мыши свободно летают в темной комнате, где даже совы совершенно беспомощны. Это послужило толчком к длительным и остроумным экспериментам.

Первоначально Спалланцани полагал, что избегать препятствия в темноте летучим мышам позволяет необыкновенная острота зрения. Тогда на головы зверьков он надел светонепроницаемые колпаки. Полет летучих мышей стал сразу неуверенным, и животные, натыкаясь на препятствия, падали на пол. Казалось, разгадка была близка. Но когда ученый провел контрольные опыты с прозрачными колпаками, это не улучшило способность летучих мышей своевременно обнаруживать предметы на своем пути. Чтобы окончательно решить вопрос со зрением, естествоиспытатель ослепил летучих мышей. К его удивлению, животные, оправившись после операции, летали так же хорошо, как и неоперированные зверьки, то есть не испытывали никаких затруднений.

Результаты своих исследований Спалланцани немедленно разослал некоторым европейским коллегам. Он просил повторить его эксперименты и сообщить ему о результатах. Большинство полученных ответов подтвердило его опыты, но в одном из них содержались новые, еще более удивительные сведения. Швейцарский энтомолог, орнитолог и ботаник Шарль Жюрин в своих экспериментах с летучими мышами пошел дальше Спалланцани и в феврале 1794 года сделал важное открытие. Он установил, что если уши животных плотно закупорить воском или другим материалом, то они становятся беспомощными и наталкиваются на любые преграды. На основании этого Жюрин пришел к заключению, что, по-видимому, органы слуха летучих мышей принимают на себя функцию зрения, позволяя животным избегать препятствия.

Узнав об опытах Жюрина, Спалланцани вначале отнесся к ним скептически, но как только получил новую партию летучих мышей, сам повторил опыты швейцарского ученого и убедился в его правоте. Спалланцани был дотошным исследователем. Чтобы избежать механического воздействия ушных пробок на ориентацию летучих мышей, он выточил маленькие латунные трубочки и точно подогнал их по диаметру слухового прохода летучей мыши. Стоило заткнуть внешний конец такой трубочки, и летучая мышь оказывалась полностью дезориентированной; если же концы трубочек оставались открытыми, животные, даже ослепленные, летали свободно, легко избегая преграды. Незадолго до смерти, в 1799 году, Спалланцани сделал основной вывод: летучие мыши могут прекрасно обходиться без зрения, но всякое серьезное повреждение слуха для них равносильно гибели. Тем не менее ни Спалланцани, ни Жюрин не смогли дать достоверного объяснения полученным фактам. И не удивительно, так как в их время полет летучих мышей считался совершенно беззвучным. Поэтому выводы этих ученых о преобладающей роли слуха в ориентации летучих мышей их коллегам показались абсурдными, не нашли сторонников, были высмеяны и впоследствии совершенно забыты.

Забвению гипотез Спалланцани и Жюрина немало способствовала теория, выдвинутая в 1800 году блестящим французским зоологом Жоржем Кювье. Он с легкостью отбросил выводы своих предшественников, сославшись на то, что методика их опытов была крайне жестока. Кювье считал, что затыкание ушей само по себе могло оказывать гораздо большее влияние на животных, чем просто ограничение их слухового восприятия. В то время он выдвинул свою так называемую тактильную теорию, из которой следовало, что способность летучих мышей ориентироваться в темноте основана на хорошо развитом у них чувстве осязания. Благодаря авторитету Кювье тактильная теория была принята большинством естествоиспытателей без всяких экспериментальных доказательств и просуществовала в науке более ста лет.

Впервые предположение о наличии звуковой локации у летучих мышей высказал в 1912 году X. Максим — изобретатель скорострельного станкового пулемета. К мысли о звуковой локации Максима привел трагический случай гибели парохода «Титаник», столкнувшегося с айсбергом. Максим предложил для безопасности судоходства локационное предупреждающее устройство, которое сигнализировало бы о приближении к айсбергу. Обосновывая принцип действия своего сигнального аппарата, Максим высказал мысль, что и летучие мыши, возможно, пользуются при полете в темноте звуковой локацией. Это была совершенно новая, прогрессивная постановка вопроса. Однако Максим ошибочно считал, что при полете летучие мыши используют отражения низкочастотных звуков, лежащих ниже слухового порога человека и создаваемых взмахами крыльев.

С другого конца к открытию эхолокации у летучих мышей пришел английский нейрофизиолог X. Хартридж. В 1920 году Хартридж, работая ночью в своем кабинете в Кембридже, заметил, что в открытое окно влетело несколько летучих мышей, которые преследовали насекомых. Закрыв окно, он стал наблюдать за животными, любуясь их быстротой и маневренностью. Его удивило, что они продолжали летать из комнаты в комнату даже тогда, когда свет был выключен, а дверь частично притворена. Будучи экспериментатором, он и тут остался верен себе. Делая щель в двери то шире, то уже, Хартридж установил, что летучие мыши точно определяли свои возможности и ни разу не пытались пролететь в слишком узкую для них щель. Животные совершенно явно располагали средствами, позволяющими им определить, достаточно ли широка щель, совсем не видя при этом двери и не прикасаясь к ней.

Хартридж в то время работал над проблемой зрения, и в его лаборатории была светонепроницаемая камера, в которой он проводил эксперименты. Поэтому ему нетрудно было продолжить исследования и на летучих мышах в темноте. Он снова подтвердил, что зрение летучих мышей не играет роли в преодолении препятствий. Следуя по пути исключения, он в конце концов предположил, что парадокс летучих мышей «видеть ушами» может быть объяснен механизмом эхолокации с использованием звуков высокой частоты, лежащих выше порога слышимости человека и поэтому не воспринимаемых им. Хартридж выдвинул эту гипотезу как возможное объяснение данного явления, но, будучи занят другими исследованиями, не уделил времени ее обоснованию.

Полностью раскрыть тайну летучих мышей помогло появление новой электронной аппаратуры. В одной из лабораторий физического факультета Гарвардского университета в США Г. Пирс начал проводить исследования по изучению свойств ультразвуков. Под его руководством был создан прибор — звуковой детектор, позволяющий улавливать звуки широкого диапазона частот. Именно этот прибор зарегистрировал неслышимые человеком звуки летучих мышей, когда в 1936 году студент-биолог упомянутого выше университета Дональд Гриффин принес в лабораторию Пирса полную клетку летучих мышей. Позднее, в 1961 году, вспоминая об этом, Гриффин писал, что когда он поднес летучих мышей к аппарату Пирса, сразу же обнаружилось, что они издают множество звуков, но почти все эти звуки попадают в диапазон частот, лежащих выше порога слышимости человека.

Пирс и Гриффин провели частотный анализ звуков, издаваемых летучими мышами в полете, и установили, что диапазон их составляет 30–70 килогерц, а область наибольшей интенсивности — 45–50 килогерц. Далее они обнаружили, что от животных исходит звук не непрерывно, а виде дискретных импульсов, длительность каждого из которых всего 1–5 миллисекунд.

Уже эти первые сведения блестяще подтвердили гипотезу Хартриджа о существовании неслышимых звуков, исходящих от летучих мышей при полете в темноте, и позволили по-новому взглянуть на результаты «абсурдных» опытов Спалланцани и Жюрина. Однако теперь требовалось в условиях точного эксперимента доказать, что летучие мыши действительно используют ультразвук в целях ориентировки в пространстве, и что они способны воспринимать эхо этих звуков, возникшее в результате отражения их от встречаемых на пути предметов.

Применяя барьеры вертикально натянутых проволок, Д. Гриффин и Р. Галамбос получили количественную оценку способностей летучих мышей преодолевать препятствия при частичном или полном выключении зрения или слуха и при закрывании животным рта.

Эксперименты Гриффина и Галамбоса вновь подтвердили, что летучие мыши могут отлично ориентироваться и без участия зрения. Однако или частичное (одностороннее), или полное (двустороннее) выключение слухового аппарата влечет за собой либо резкое ухудшение этой способности, либо полную ее ликвидацию. Но эти исследователи пошли дальше своих предшественников. Они показали, что закрывание рта летучей мыши, лишающее ее возможности издавать высокочастотные звуки, столь же эффективно нарушает ее ориентационные способности, как и плотное закрывание ушей.

Далее выяснилось, что частота следования подаваемых летучей мышью звуковых импульсов в разных ситуациях не остается постоянной, а увеличивается по мере приближения животного к препятствию. При подготовке к взлету мышь излучает от 5 до 10 импульсов в секунду, а в полете число импульсов в секунду достигает 30. Установление факта регулярного изменения последовательности ультразвуковых импульсов от расстояния до препятствия имело принципиальное значение, так как объективно показало, что летучая мышь определяет расстояние по отраженному ультразвуку.

И хотя в общих чертах уже было ясно, что принцип использования ультразвука у летучих мышей близок к тем техническим принципам, которые лежат в основе радиолокационных устройств, тем не менее Галамбос и Гриффин не были удовлетворены своими результатами. Они считали, что их опыты достоверно демонстрируют лишь то, что летучие мыши издают ультразвук в виде импульсов, но еще не вполне доказывают, что мышь слышит отраженное эхо ультразвука. Необходимо было убедиться, что летучие мыши могут слышать ультразвук в том диапазоне, в котором они его излучают. Электрофизиологическими методами было подтверждено, что они действительно способны воспринимать звуки в широком диапазоне частот — от 30 герц до 98 килогерц, но лучше всего в области ультразвуковых частот — от 30 до 50 килогерц. После этих опытов отпали последние сомнения в правильности взглядов на роль ультразвука в ориентировке летучих мышей при полете.

Так была раскрыта тайна летучих мышей.

Но и это, оказывается, еще не все. В 1980-х годах А. И. Константиновым и В. Н. Мовчаном, авторами только что процитированной книги «Звуки в жизни зверей», была организована специальная экспедиция в Нагорно-Карабахскую автономную область Азербайджанской ССР, где был досконально изучен процесс ловли насекомых представителями нескольких видов летучих мышей. С помощью оригинальных экспериментов было доказано, что сначала летучие мыши обнаруживают насекомых по издаваемым последними звукам — жужжанию, писку и т. д. Лишь услышав насекомое, летучая мышь начинает более активно лоцировать пространство, пока не получит отраженный сигнал от интересующего ее объекта. Сбитая жертва падает в предварительно подставленную зверьком межбедерную перепонку, откуда затем и захватывается его ртом.

Данные эксперименты изменили прочно установившееся с конца 1960-х годов мнение, что летучие мыши обнаруживают, преследуют и ловят насекомых исключительно эхолокационным способом. В действительности летучая мышь первоначально прослушивает звуки, производимые насекомыми во время полета, по ним определяет сам факт присутствия жертвы и лишь затем использует эхолокационную систему с целью более точного наведения на добычу и ее захват.

Но есть, оказывается, еще животные, которые также могут «видеть ушами». Это зубатые киты и дельфины. И те и другие, как и летучие мыши, используют эхолокацию при охоте и для ориентации в пространстве.

Но это тема особого разговора, я же, чтобы не утомлять читателя, расскажу лучше, как ориентируется человек с помощью слуха. Это свойство человека называется ототопикой, и вы узнаете о нем из следующей главы.