Беседы о бионике

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. Сориентируются 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" занялись 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 зверек 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"[5], 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 "пробежать" 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.

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

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 непрерывно изменяющейся частоты зондирующих импульсов и частоты эха (рис. 1). Сложение излучаемых импульсов, промодулированных по частоте, и отраженных сигналов дает сигналы разностной частоты Δf, 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!

Рис. 2. Тропическая летучая мышь-рыболов определяет местоположение рыбы под водой с помощью природной локационной системы

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.

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 грайицы 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 · 10^-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 его 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.

Таблица 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 устройства весят 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[6] эффективности локационной системы Q путем перечисления требований, предъявляемых к ней.

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:

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 d⁴.

Таким образом, учитывая сказанное, можно окончательно принять два вида выражений для показателя эффективности локации Q, а именно:

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

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 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 тридцатисемитомной "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-II". 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, позволяющему 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 трубу 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 б 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 оказывались 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 по сигналу подплывала к микрофону.

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

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, 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 Прескотт 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.

Рис. 4. Ультразвуковая 'линза' и 'рефлектор' в голове дельфина (по В. Бельковичу и А. Яблокову)

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 при этом звук был несколько сходен со звуком, который издают живые дельфины. Но измерения давления, создаваемого этими звуками на одинаковом расстоянии (38 см) от дыхала в разных секторах, не показали ярко выраженной направленности.

Рис. 5. Схема опыта с головой и черепом обычного дельфина (по Е. В. Романенко, А. Г. Томилину и Б. А. Артеменко). 1 — излучатель звука; 2 — приемник звука; 3 — голова дельфина, вращаемая вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости

По-иному к выяснению роли головы дельфина в концентрировании звуковых колебаний подошли советские ученые Е. В. Романенко, А. Г. Томилин и Б. А. Артеменко. В своих экспериментах, поставленных в 1963 г. в небольшой бухте на Черном море, исследователи изучали концентрирование звука очищенным от тканей черепом и целой головой обыкновенного дельфина. Опыты велись в морской воде на глубине 1 м. "В обоих случаях, — пишет профессор А. Г. Томилин, — излучатель звука (шарик из титаната бария) помешали в область расположения воздушных мешков — к переносице головы или черепа дельфина. Излучатель подключали к звуковому генератору и получали колебания разной частоты. Колебания излучателя отражались от передней стенки черепа, проходили сквозь мягкие ткани и воду и воспринимались приемником, расположенным в 1,5 м от излучателя (рис. 5). Направленность звука исследовалась путем вращения черепа или головы дельфина около вертикальной оси в горизонтальной плоскости. Приемник четко показывал направленность звука, так как интенсивность принимаемых им звуков при вращении черепа изменялась. Испытания показали, как изменяется направленность звуков, формируемая черепом и целой головой дельфина, в зависимости от частоты излучаемых звуков. Оказалось, что с уменьшением частоты от 180 до 10 кгц направленность звуков, обусловливаемая вогнутой передней поверхностью мозговой части черепа и мягкими тканями головы, значительно уменьшалась, а звуковое поле расширялось (рис. 6).

Основную роль концентратора звуков выполняет череп, дополнительную — мягкие ткани головы. Таким образом, советские ученые доказали, что дельфины концентрируют и направляют свои акустические сигналы "ультразвуковым прожектором", роль которого выполняют череп и мягкие ткани головы. Чем выше частота импульсов, тем сильнее суживается звуковое поле посылаемого сигнала и тем выше точность локации. Именно в направленности сигналов таится секрет "ультразвукового разглядывания" дельфинами предметов на разных расстояниях" (курсив наш. — И, А.).

Рис. 6. Направленность, обусловленная костями черепа (сплошные линии) и всей головой (пунктирные линии) обычного дельфина (по Е. Б. Романенко, А. Г. Томилину и Б. А. Артеменко)

Ученые установили, что высота тона (частота) локатора дельфина, как и локатора летучей мыши, быстро меняется от начала каждого импульса к его концу. О преимуществах такой частотной модуляции мы уже говорили. В конце второй мировой войны инженеры эффективно использовали частотно-модулированные колебания для создания помехозащищенного ультразвукового гидролокатора — сонара. А спустя некоторое время, когда было начато подробное изучение дельфинов, оказалось, что сонар работает примерно так же, как локатор дельфина. Значит, инженеры открыли и сумели применить тот же принцип, который с незапамятных времен использует природа в своих живых ультразвуковых локаторах.

Принцип этот таков. Быстро меняющемуся тону передатчика соответствует и меняющаяся частота отраженного эха. Высота тона принимаемого сигнала отличается от тона звука, испускаемого в данный момент. Поэтому сонар не создает сам себе помех. Отраженный от цели импульс с характерным частотным спектром легко выделить из шума практически любой интенсивности. А это очень важно.

В начале войны почти все военные суда располагали устройствами для прослушивания подводных шумов; применяемые для этой цели гидрофоны и гидролокаторы представляли собой усовершенствованные варианты обычного эхолота. И те и другие исправно работали только тогда, когда корабль стоял на месте. При его движении в шуме воды, обтекавшей корпус, совершенно терялись сигналы эхолокаторов и становилось невозможным различить какие бы то ни было другие звуки (в том числе и шум винтов подкрадывающейся подводной лодки). Поэтому так губительны были атаки немецких "сумбарин", которые подходили вплотную к союзным конвоям без риска быть обнаруженными.

Теперь подводная лодка не сможет подойти к движущемуся судну незамеченной: на движущемся корабле сонар работает почти так же хорошо, как и на неподвижном. Кроме того, его сигналы, отраженные от предметов разной формы и размеров, несколько отличаются друг от друга, и поэтому опытный гидроакустик может опознать различные предметы, находящиеся в зоне действия локатора.

Сонары непрерывно совершенствуются, но пока по тактико-техническим данным им далеко до дельфиньих. Прежде всего гидролокационный аппарат дельфинов лучше защищен от помех, нежели современные сонары, спектр излучаемых им колебаний более широк, богаче модуляцией по интенсивности и частоте повторения. Так, например, в опытах Келлога в случаях ближней ориентации при решении задачи о местонахождении препятствия и пищи афалин пытались сбивать записанными ранее на пленку громкими сигналами, но животные без труда отличали свои истинные сигналы от этих искусственно воспроизводимых помех. Если наиболее совершенные локаторы, созданные инженерами, уверенно выделяют сигнал лишь при отношении сигнала к шуму, равном 2 или 3, то дельфиний звуколокатор, как показывают эксперименты, способен распознавать полезные сигналы, которые в десятки раз (!) слабее мешающего шума.

Не менее поразительна точность эхолокации дельфинов. Опытами установлено, что дельфины способны определять направление на цель при расстояниях в десятки метров с точностью не менее 30'. В экспериментах, проводившихся советскими учеными на Черном море, афалины безошибочно подплывали, например, к дробинке диаметром 4 мм, брошенной в море на расстоянии 20 — 30 м от животного, предварительно прощупав ее звуковым пучком. В опытах Норриса знакомая уже нам афалина Алиса с глазами, закрытыми резиновыми наглазниками, и плотно заткнутым носом вслепую определяла с большой точностью размеры шариков, которые бросал в воду экспериментатор. Сначала Норрис и его коллега Тернер научили Алису различать два стальных шара — маленький диаметром 3,75 см и большой диаметром 6,25 см. Если животное выбирало большой шар, то оно получало в награду рыбу. "Затем, — рассказывает Норрис, — мы закрыли глаза Алисе и постепенно увеличивали размер маленького шара. С закрытыми глазами, выбирая между шарами диаметром 5 и 6,25 см, Алиса не ошиблась ни разу на протяжении сотни опытов. Даже когда диаметры шаров составляли 5,62 и 6,25 см, она в большинстве случаев не ошибалась, хотя и были случайные ошибки. Эта разница в 0,6 см так мала, что вы с трудом можете ее обнаружить невооруженным глазом". Далее эксперименты показали, что, пользуясь своей сонарной системой, дельфин способен обнаружить металлическую проволоку диаметром 0,2 мм в 77% случаев.

Изучая работу локационного аппарата дельфина, ученые обнаружили еще одну очень важную его особенность: издаваемые животным ультразвуки, отражаясь от окружающих предметов, позволяют ему определять не только местоположение последних, но и их форму, природу, структуру. Так, например, в опытах Норриса с афалиной Алисой животное с плотно закрытыми глазами легко отличало при помощи своего сонара, издававшего скрипы, желатиновую капсулу, наполненную водой, от куска рыбы такой же величины. В экспериментах Келлога и его коллег подопытные дельфины Альберт и Бетти в кромешной тьме безошибочно отличали форель длиной 15 см от кефали длиной 30 см — форель им нравилась явно больше. В другом опыте крупной кефали дельфины предпочли вдвое меньшего пятнистого горбыля. Когда обеих рыб погружали в бассейн, афалины почти всегда устремлялись к горбылю: в первых 16 испытаниях Альберт ошибся только четыре раза, а в 140 последующих — ни одного раза! Когда горбыля подвешивали за стеклянным экраном (рыба была видна глазом, но недоступна для эхолокации), а кефаль — перед ним (она была доступна для ультразвукового распознавания), то дельфин никогда не пытался ловить горбыля и довольствовался кефалью. П. Т. Асташенков указывает, что дельфины могут обнаруживать стаю рыб и различать их породу на расстоянии 3 км!

Итак, все известные нам сегодня достоинства гидролокатора дельфинов убедительно говорят о том, что эта биологическая система является непревзойденным образцом для каждого инженера, занимающегося разработкой гидролокационной техники. Вместе с тем приходится признать, что принципы устройства и функционирования локатора у дельфина исследованы пока значительно хуже, чем у летучих мышей. Многое остается еще неясным и для биоников и для инженеров. Неизвестно, например, каким образом удается китообразным по отраженным звукам предельно точно различать величину и даже структуру предмета. Не ясно, применяют ли дельфины высокочастотные импульсы и "ультразвуковой прожектор" для дальнего эхолоцирования. Не выяснено также, на каком максимальном расстоянии еще достаточна точность их гидролокатора и какие частоты используются для дальней локации. Для ответа на все эти и множество других вопросов ученым придется поставить еще не одну серию опытов, произвести не одно исследование дельфиньего сонара.

Гидролокатор дельфинов совершенствовался тысячелетиями. За это время природа "испытала" несчетное количество возможных технических решений и "выбрала" самые лучшие. Все это лучшее бионика, надо полагать, в недалеком будущем познает и передаст творцам локационных систем для создания новых гидролокаторов, достигающих по своему совершенству живых локаторов дельфина.

Значительный интерес проявляют ныне бионики и к акулам. Научные исследования показали, что акула подобна управляемой торпеде. По всей вероятности, на след жертвы ее "наводит" не сильно развитое обоняние, как думали раньше, а настоящая локационная система, с помощью которой она воспринимает всевозможные звуки и колебания. В одном из университетов США сейчас тщательно изучается способность акул к самонаведению на жертву. Механизм самонаведения акул предполагается приспособить для создания управляемого оружия.

Не обидела природа локационными способностями и многих других обитателей царства Нептуна. Недавно в зоологических садах Сан-Франциско, Сан-Диего и в Нью-Йоркском аквариуме были проведены исследования звуков, издаваемых рядом ластоногих. Оказалось, что тюлени способны издавать сигналы с частотой до 30 кгц и длительностью 0,3 — 1,0 мсек. То обстоятельство, что эти звуки, как правило, регистрировались после попадания в бассейн незнакомых предметов, а также во время хватания пищи, дает основания полагать, что ластоногие пользуются активной звуколокациеи. Таким образом, к зубатым китообразным и летучим мышам прибавился еще один отряд млекопитающих, способных издавать ультразвуки и применять их для эхолокации.

Однако локация с помощью ультразвука — не единственное средство обнаружения в арсенале природы. Существуют и другие виды локаций.

В Ниле живет рыбка, которую из-за вытянутых в длинный хобот челюстей называют "нильский длиннорыл" или "водяной слоник" (рис. 7). Научное ее название — мормирус. Длиннорыл знаменит тем, что его почти невозможно поймать. Донные сети приносят что угодно, но мормирусов в улове, как правило, не бывает. Долгое время оставалось непонятным, как же длиннорыл умудряется уходить из сетей. И лишь недавно ученым удалось установить, что мормирусу вовсе не приходится "уходить" из сетей по той простой причине, что он в них не попадает. Он их легко обнаруживает и ускользает.

Как же удается длиннорылу увидеть или почувствовать рыбачьи сети на расстоянии?

Рис. 7. Нильский длиннорыл

Общеизвестно, что сверхвысокочастотные электромагнитные волны очень быстро затухают в воде. По этому радиолокация и другие радиослужбы под водой невозможны. Однако природа все же наделила нильского длиннорыла чувствительным радиолокатором. Правда, радиус его действия — всего несколько метров. Но длиннорылу этого вполне достаточно. Он любит копаться в речном иле, где и находит себе пищу. Зарывшись головой в ил, длиннорыл, естественно, не имеет возможности следить за окружающим пространством и может легко попасть в сети или стать добычей хищников. Вот тут-то ему и помогает его радиолокатор. Сверху, у основания хвоста длиннорыла, расположен излучатель электрических сигналов. Он посылает в окружающее пространство до 100 импульсов в минуту с амплитудой несколько вольт. Возникающее электрическое поле искажается, как только в нем появляется новый предмет. Нервные окончания особого органа, расположенного у основания спинного плавника со стороны головы, улавливают малейшие изменения этого поля в окружающей среде. Чувствительность локационной системы мормируса чрезвычайно велика. Электрорецепторы способны реагировать на изменения разности потенциалов поля, равные 3 · 10^-9 в на 1 мм длины, т. е. их чувствительность в 10⁵ раз превышает пороговую чувствительность нейрона. Попутно следует отметить, что водяной слоник — одно из немногих животных, чувствительных к магнитному полю. Он реагирует на поднесенный к аквариуму постоянный магнит.

Физическая природа локационной системы мормируса еще не совсем ясна. С одной стороны, установлено, что он посылает электрические импульсы с частотой около 100 посылок в минуту. С другой стороны, он создает в окружающем пространстве электростатическое поле. Из этого вытекают две возможности: улавливание отраженных импульсов и улавливание изменений конфигурации линий поля. Не исключено, что длиннорыл использует оба способа обнаружения.

Некоторые исследователи предполагают, что действие локатора мормируса основано на принципе изменения электропроводности среды. Возможно также, что длиннорыл в результате длительной эволюции сумел "подобрать" для своего радиолокатора какой-то неизвестный пока инженерам диапазон электромагнитных волн, с помощью которых ему удается осуществлять радиолокацию под водой.

Загадку нильской рыбки предстоит решить совместными усилиями ученых, занимающихся радиотехникой и бионикой, — ведь не исключено, что мормирус "изобрел" принцип эффективного обнаружения, который неизвестен пока специалистам по локационной технике.

До сих пор мы говорили об активной локации, суть которой состоит в том, что обнаружение "целей" производится за счет энергии, затрачиваемой передатчиком локатора на "прочесывание" окружающего пространства. С помощью активных локаторов можно обнаружить любой предмет, лишь бы он был достаточно большим и находился достаточно близко.

Но природа не обошла вниманием и другой способ локации — пассивное обнаружение объектов, которые сами излучают энергию. За примерами далеко ходить не нужно. Органы слуха позволяют устанавливать присутствие звучащего (т. е. излучающего энергию звуковых колебаний) предмета и определять направление на этот предмет. Органы зрения дают нам возможность обнаружить тело, испускающее видимый свет. Глаза — весьма совершенные пассивные локаторы, однако с их помощью человек не может увидеть предметов, испускающих, например, инфракрасные (тепловые) лучи. А некоторые животные могут.

Глубоководные кальмары, помимо обычных глаз, наделены еще так называемыми термоскопическими глазами, т. е. органами, способными улавливать инфракрасные лучи. Термоскопические глаза расположены по всей нижней поверхности хвоста. Они устроены так же, как обычный глаз, но снабжены светофильтрами, задерживающими все лучи, кроме инфракрасных.

Рис. 8. Между ноздрей и глазом у ядовитых змей шитомордиков имеются большие ямки. Стрелкой показано углубление, напоминающее дополнительную ноздрю

Своеобразными термолокаторами обладают и змеи. У некоторых ядовитых змей между глазом и ноздрей с каждой стороны находится по довольно большому углублению, и поэтому кажется, что у них четыре ноздри (рис. 8). Такие змеи водятся в Америке (гремучие змеи) и в Азии (щитомордики). Исследования представителей этого семейства дали ученым основания утверждать, что "ямки" на голове змеи представляют собой какой-то орган чувств.

Было установлено, что каждое углубление разделено тонкой перегородкой на две части — наружную и внутреннюю. Разделяющая их перегородка очень тонка и вся пронизана нервными волокнами. Безусловно, это орган чувств. Но каких? На сей счет было сделано очень много предположений, и только недавно выяснилось, что лишняя пара "ноздрей" и служит термолокатором.

Проделали такой эксперимент. Змею ослепили и лишили обоняния. Затем к ее голове поднесли не включенную электрическую лампочку. Змея не обратила на нее никакого внимания. Но когда к голове змеи поднесли горящую лампочку (по соображениям "чистоты" эксперимента она была обернута черной бумагой, не пропускавшей свет), змея сделала молниеносный бросок и укусила теплую "жертву". Змея не могла увидеть лампочку, но тем не менее она не промахнулась. Сразу же было предложено и объяснение устройства термолокаторов. Было решено, что во внутренней камере сохраняется температура окружающего воздуха, а в наружной возникают изменения температуры, вызванные тепловым излучением "целей". Нервные волокна, пронизывающие всю перегородку, улавливают разницу температур и передают ее в мозг — змея узнает, где находятся более теплые, чем окружающий воздух, предметы.

Термолокаторы змей приспособлены для ночной охоты. С их помощью змея обнаруживает мелких теплокровных зверьков и птиц. У змеи слабые зрение и обоняние и неважный слух. На помощь змеям пришел еще один орган — термолоцирующий. Не звуки и не запах, а тепло тела выдают змее ее жертву. Ученые установили, что термолокатор змей реагирует на разность температур в 0,001° Ц. Такая чувствительность сделала бы честь любому прибору для наведения ракет на цель по испускаемому ею тепловому излучению.

Лучшие из современных технических термолокаторов имеют чувствительность порядка 0,0005° Ц, так что здесь инженеры оказались сильнее природы. Чувствительность таких устройств определяется в первую очередь качеством болометра (приемника инфракрасного излучения), зачерненная поверхность которого сильно меняет свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Роль такого болометра у змеи играет, очевидно, мембрана между обеими камерами. Есть все основания считать, что она более чувствительна к инфракрасному излучению, чем пленка болометра. В самом деле, поверхности, которые собирают тепловые лучи и фокусируют их на болометр термолокатора и на чувствительную перегородку змеи, очень сильно различаются по величине. Зеркало чувствительного термолокатора, фокусирующее падающее на него излучение на болометр, может иметь в диаметре больше метра, тогда как диаметры "ноздрей" — теплового локатора змеи — не превышают сантиметра. Таким образом, площади этих поверхностей различаются на четыре порядка. А чувствительность технических термолокаторов больше термолокатора змеи только в два раза, а это значит, что перегородка змеи чувствительнее пленок современных болометров в несколько тысяч раз. Вот где следует искать путей повышения чувствительности технических систем такого рода! Но, увы, принцип работы болометра змеи пока неясен.

В своей дистанционной сигнальной службе обнаружения живая природа использует еще много других высокочувствительных "приборов", основанных на разных принципах и представляющих большой интерес для техники. Особенно богат такими системами мир насекомых. "Приборы" обнаружения у насекомых чрезвычайно просты по устройству, но по широте диапазона воспринимаемых сигналов, по разнообразию "конструкций", микроминиатюрности, надежности работы они занимают первое место не только по сравнению с аналогичными техническими системами, но и по сравнению с такими же устройствами, имеющимися у других представителей живой природы. Возьмем к примеру муравьев. В глубине муравейников они руководствуются не зрением, а особым "чувством", представляющим собой сложный комплекс осязания и обоняния. Обоняние у муравьев не похоже на наше — оно позволяет воспринимать даже форму предметов!

Необходимо признать, что органы обоняния у животных и человека, к большому сожалению, изучены пока меньше, чем все другие органы чувств. Между тем созданные природой системы обоняния обладают изумительной гибкостью, высокой чувствительностью и прекрасно приспособлены для пассивной локации. О механизме восприятия запахов сегодня еще мало что известно. У нас даже нет меры, которой можно было бы измерять силу запаха так, как мы измеряем силу звука, освещенность или температуру. Известный специалист по проблемам запаха и обоняния Р. Райт, автор недавно переведенной на русский язык книги "Наука о запахе", в главе "Сила запаха" пишет: "Однажды мне захотелось узнать, как пахнет вещество, называемое фенилацетиленом. Я взял "Органическую химию" Рихтера и на стр. 446 прочел, что это "...жидкость со слабым запахом". Потом заглянул в "Органическую химию" Бернтсена и на стр. 414 обнаружил, что это "...жидкость с приятным запахом". А на стр. 157 "Руководства по органической химии" Дайсона было указано, что фенилацетилен — это "бесцветная жидкость с неприятным запахом, напоминающим запах лука". Подобного рода оценки запаха в жизни довольно обычны. Люди по-разному воспринимают запах одного и того же вещества.

Не существует пока и общей теории, которая объясняла бы, каким образом нос и мозг обнаруживают, сравнивают и опознают запахи. А ведь в разное время было выдвинуто около 30 предположений на этот счет. Но ни одно из них не выдержало экспериментальной проверки и не смогло опровергнуть уже давно установившееся представление о том, что для обонятельных восприятий необходимо присутствие в воздухе пахучих частиц.

А эта концепция существует уже более 2000 лет, со времен римского поэта Лукреция Кара, который считал, что в носу есть маленькие поры, различные по размерам и по форме, в которые входят "пахучие" частички, испускаемые летучими веществами. Частички каждого вещества имеют только им одним присущую форму, а распознавание каждого запаха зависит от того, к каким порам подходят эти частички.

Теперь ученые считают, что догадка Лукреция Кара была справедлива. За последние несколько лет были собраны данные, подтверждающие, что геометрия молекул пахучих веществ действительно служит главным опознавательным признаком запаха.

В 1941 г. шотландский ученый Р. Монкриф выдвинул гипотезу, которая в настоящее время считается наиболее состоятельной. И она очень напоминает догадку римского поэта. Монкриф предположил, что обонятельная система содержит рецепторные клетки нескольких различных типов, каждый из которых соответствует определенному "первичному" запаху, и что молекулы пахучего вещества вызывают ощущение запаха, плотно входя в рецепторные участки этих клеток. Согласно теории Монкрифа предполагается прежде всего механическое взаимодействие молекул с рецепторными клетками. Молекула соответствующей конфигурации входит в углубление рецептора примерно так же, как штепсельная вилка в розетку. Допускается также, что некоторые молекулы могут входить в две разные розетки — одной стороной в более широкий рецептор, а другой — в более узкий. В таком случае возникает ощущение "сложного" запаха. А каковы "первичные" запахи?

Американский ученый Дж. Эймур нашел ответ на этот вопрос, проведя обширные исследования по органической химии. Он установил, что первичные запахи, смеси которых в определенной пропорции дают любой из известных запахов, суть следующие: камфорный, мускусный, цветочный, мятный, острый и гнилостный. Молекулы веществ с разными первичными запахами отличаются друг от друга по форме. Мускусный запах свойствен молекулам в форме диска, молекулы с камфорным запахом имеют форму шара и т. п. Ученый весьма эффектно подтвердил свою теорию. Он спроектировал молекулу некоего, неизвестного до тех пор вещества и предсказал, как оно будет пахнуть. Химики по его просьбе синтезировали вещество с такими молекулами, а опытные "дегустаторы" установили, что его запах именно таков, каким он должен был быть по прогнозу Эймура.

Таким образом, наши органы обоняния работают, вероятно, по принципу "ключа и замка". И этот в общем простой принцип позволяет производить сложнейшие химические анализы. Так, например, установлено, что обоняние человека способно опознать запах этил-меркаптана при концентрации 4 · 10^-9 кг/м³, ванилина — при 2 · 10^-13 кг/м³. Сигнал о наличии пахучего вещества генерируется практически мгновенно, сразу вслед за соприкосновением этого вещества с периферической частью обонятельного аппарата. Чувствительность же газоанализатора, например ВТИ-2, достигает лишь 10^-6кг/м³, а время, потребное на одно определение запаха вещества, колеблется в пределах от нескольких минут до десятков минут.

Л. Милн и М. Милн, авторы недавно изданной у нас КНИГУ "Чувства животных и человеки", пишут: "Среди веществ, к которым наш нос наиболее чувствителен, нужно назвать мускус, выделяемый анальными пахучими железами самца мускусной кабарги[7].

Химики подсчитали, что с любой небольшой поверхности мускусного раствора, с которого каждую секунду высвобождается 800 000 молекул, за две секунды выделяется столько молекул, что человек ощутит запах мускуса.

Для Северной Америки более знакомый запах — это химическое оружие скунса. Активное начало в нем — этилмеркаптан, который ощущается человеком при вдыхании всего лишь 0,000 000 000 000 002 г. Такое незначительное количество все же содержит 19 400 000 000 молекул; значит, нашему носу требуется почти в 12 000 раз больше пахучего вещества скунса, чем соответствующего вещества мускусной кабарги, чтобы послать мозгу верную информацию".

И все же, имея немало оснований для того, чтобы гордиться данным нам природой органом обоняния, приходится признать, что он далеко еще не блещет тонкостью восприятия. В природе имеются сотни тысяч запахов. Из них человек в состоянии воспринять лишь очень небольшую часть, причем способность эта развита у людей неодинаково. У женщин обоняние тоньше, чем у мужчин. Большинство людей воспринимает запахи левой ноздрей лучше, чем правой. А вот обыкновенная дворняжка, подумать только, может различать до полумиллиона запахов, совершенно недоступных человеку.

Бывалые моряки хорошо помнят то время, когда в списках экипажей подводных лодок числились... белые мыши. Дело в том, что в свое время даже "владычица морей" Англия строила лодки, которые освещались газолином — жидким углеводородом, представлявшим огромную опасность при малейшей небрежности. Выяснилось, что белые мыши чрезвычайно чувствительны к запаху газа и моментально предупреждают о его утечке своим писком. На содержание мышей отпускались даже специальные деньги, включавшиеся в общую расходную ведомость команды.

Недавно ученые установили, что некоторые рыбы (главным образом ночные) способны реагировать даже на отдельные молекулы ароматического вещества[8]. В частности, при изучении обоняния угря было установлено, что он может обнаруживать по запаху спирт в разведении, равном 6 · 10^-20. Иными словами, достаточно в Ладожском озере (объем воды в нем равен 3500 км³) развести 1 г спирта, чтобы угорь мог отличить эту воду от другой!

Узнали об этом американские военные специалисты — и всполошились. Еще бы. Ведь с помощью такого прибора подводная лодка могла бы "взять след", оставленный в открытом океане неприятельским судном. И вот американские инженеры бьются над созданием прибора, который мог бы обнаруживать корабли по запаху, т. е. по наличию в воде пахучих примесей, остающихся в кильватерной струе движущихся кораблей. Попутно отметим, что ученые Иллинойского технологического института по контракту с Федеральным агентством авиации работают сейчас над созданием устройства, способного "вынюхивать" бомбы, спрятанные в самолетах.

Обоняние, разумеется, можно использовать не только в военных целях. Горняки, например, — уже много лет — подобно английским подводникам в прошлом используют "нюх" белых мышей для обнаружения рудничного газа. Наличие этого взрывоопасного яда устанавливают по изменению поведения обычно спокойных мышей: чувствуя запах газа, они начинают метаться в клетке. Буйство, так несвойственное этим животным, — вот сигнал опасности, и, значит, следует немедленно принимать меры.

Очень часто обнаружение запаха газа поручают собакам. Так, дирекция одной из газовых сетей в ГДР пользуется услугами некоей овчарки, которая обнаруживает течи в газовых магистралях. Она ежедневно проходит вдоль семикилометрового газопровода, тщательно принюхиваясь. Газовщики считают, что никакой прибор не может сравниться с "нюхом" этой собаки, когда дело касается запаха газа. Обнаружив утечку, пес ложится и громко лает, вызывая аварийную бригаду, которая должна привести магистраль в порядок.

Немало человеческих жизней спасли собаки в годы второй мировой войны. Миноискатели тех времен нащупывали лишь металлические оболочки. Собаки же остро чувствуют запахи взрывчатки, фугасов и других "сюрпризов" в оболочках и без оболочек. Но для этого они должны пройти специальную тренировку. После такой тренировки четвероногие успешно "соперничают" со специальными приборами. В годы прошедшей войны саперы не раз выходили на выполнение заданий, держа на поводке собак...

Эту изумительную способность наших четвероногих друзей — очень точно улавливать и различать запахи — недавно решили использовать и... геологи. Инициатива обучения собак новой профессии в нашей стране принадлежит доктору биологических наук Г. А. Васильеву. В Петрозаводский научно-исследовательский институт геологии из питомника Министерства путей сообщения привезли несколько четвероногих. Тренировкой их занялся инструктор Орлов совместно с работниками института. Они учили собак отыскивать тщательно спрятанные камешки — серный колчедан. Этот поиск — "начальное образование" четвероногого разведчика. В ходе тренировки задания усложнялись. Ведь главное — это разведка рудных месторождений, помощь человеку в составлении подробнейшей геологической карты; поэтому собак учили запоминать запахи разных руд, ходить по маршруту, отличать одни полезные ископаемые от других.

Пройдя успешно "курс наук" рудоискателей, одна овчарка по кличке Мурат прошлым летом преподала весьма интересный урок работникам одной поисковой партии. Начали бурить скважину. Мурат подошел, покрутился немного, а затем направился в сторону. В пятидесяти метрах он остановился и залаял. На этом месте разведчики обнаружили залежи серного колчедана!

В Финляндии овчарка Лари удостоилась даже государственной премии: она обнаружила большие месторождения руды. Оказывается, хорошо натренированная собака может найти, например, серный колчедан, лежащий на глубине семи и более метров. Этой удивительной способностью собак заинтересовались сейчас инженеры. Они думают над тем, как создать по образцу собачьего носа электронное устройство, которое обнаруживало бы по запаху не только серный колчедан, но и другие ценные руды.

Обоняние собак с незапамятных времен используется для выслеживания дичи и поимки преступников. Специалисты утверждают, что каждый человек оставляет после себя присущий только ему одному запах. Следовательно, разные преступники пахнут по-разному. И даже если грабитель не оставляет на месте преступления своих вещей — носового платка или перчатки, по которым можно было бы установить его личность, — след все же остается. Этот след — запах. Преступников следует находить по их запаху. Такова конструктивная идея, реализацией которой сейчас занята полиция США, где рост преступности достиг катастрофических размеров. Число нераскрытых преступлений, совершаемых гражданами "собственной страны господа бога", с каждым годом увеличивается. Традиционные методы розыска преступников стали неэффективными.

И вот появляется новый подход к проблеме — не преступности, а только розыска преступников: американская полиция создает "обонятельный комплекс для обнаружения преступников". Она уже вооружилась новым прибором — анализатором запахов, который в 1000 раз чувствительнее собачьего нюха. Устройство безошибочно определяет всех лиц, находившихся в данном помещении в течение последних суток. Это, так сказать, активная часть комплекса. Другая его часть пассивная — картотека "преступных запахов", которая должна помочь в опознании граждан, совершивших противозаконные действия. Опознание предполагается производить с помощью упомянутого выше анализатора запахов, принцип действия которого полиция держит на всякий случай в строгом секрете. Картотека стремительно пополняется: теперь запахи фиксируются с такой же тщательностью, как и отпечатки пальцев преступников, а застоя в этой области деятельности полиции еще никогда не было отмечено, такой работы у нее всегда невпроворот.

Интересно, что полицейский анализатор запаха является первой по-настоящему эффективной технической обонятельной системой. Известно также несколько других вариантов моделей искусственного носа, но их возможности, однако, весьма ограничены.

Читатели, на которых по каким-либо причинам обращали свое внимание сотрудники Государственной автомобильной инспекции, вероятно, знают о пробе Раппопорта. Водителю, задержанному, скажем, за превышение скорости, предлагается подуть в стеклянную трубочку, в которой находится вата, смоченная специальным раствором. Если после этого вата синеет, инспектор может с уверенностью сказать, что налицо нарушение правил — шофер находится в состоянии опьянения. Сотрудники ГАИ утверждают, что проба положительна даже после стакана пива, выпитого нарушителем за несколько часов до происшествия. Этот способ борьбы с пьянством на транспорте нерадикален: многие остаются непойманными и в конце концов становятся виновниками дорожных происшествий.

Одна иностранная фирма, сдающая автомобили во временное пользование, приняла меры к тому, чтобы предупредить пьяное лихачество на принадлежащих ей машинах. Она снабдила свои автомобили устройствами, которые не позволяют лицам, находящимся в нетрезвом состоянии, завести двигатель. Чувствительный элемент — "нос" прибора — реагирует на наличие в кабине винных паров. Человек, выдыхающий такие пары, не может включить зажигания, сколько бы он ни вертел ключом. Электронный "нос" указывает исполнительным элементам, что за рулем пьяница, и они надежно отключают систему зажигания от аккумулятора. "Нос" настолько чувствителен, что делает свое дело даже при сквозняке в кабине и при наличии "помех" от парфюмерии. По понятным причинам ни на какие запахи, кроме спиртного, устройство не реагирует.

Этот прибор, как и все существующие модели органов обоняния, опознает запахи в конечном счете посредством химического анализа. Чем шире диапазон воспринимаемых запахов, тем сложнее прибор, тем труднее с ним работать. Поэтому очень интересен подход к проблеме создания простого и эффективного запахолокатора, предложенный американским ученым Робертом Кеем. Кей предложил использовать в таких приборах в качестве чувствительных элементов "готовую продукцию" природы — органы обоняния животных.

Он поставил перед собой задачу создать прибор, который обнаруживал бы ядовитый газ и поднимал тревогу, когда его концентрация достигнет опасного для человека уровня. Опасность отравления постоянно существует, например, в шахтах, где о концентрации рудничного газа судят по поведению мышей. Но за мышами нужно непрерывно наблюдать, чтобы не пропустить тот момент, когда они забеспокоятся. Можно отсылать пробы воздуха в лабораторию, но это требует времени. Концентрацию газа нужно анализировать непрерывно и быстро — такова должна быть рабочая установка.

В качестве чувствительного элемента — датчика запаха рудничного газа — Кей использовал... муху. К нервным узлам, заменяющим мухе мозг, ученый присоединил микроэлектроды, которые передавали ее биотоки на обработку. Сначала их подавали на усилитель, а затем — в анализатор, где "обонятельные" биотоки отделялись от всех других. Почуяв ядовитый газ, муха начинала "генерировать" импульсы характерной формы, и анализатор немедленно включал сигнал тревоги.

Для "детектора запахов" (так ученый назвал созданный им "полуживой" или, точнее, "наполовину живой" прибор) Кей выбрал муху по ряду соображений: такой "датчик запахов" легко найти, биотоки мухи просто расшифровать, и, наконец, у этих насекомых превосходное обоняние. Да и в эксплуатации такой "прибор" очень удобен: если живой "блок" выйдет из строя, в обычной коробке из-под спичек всегда можно хранить несколько десятков запасных.

И все-таки идея американского ученого — не решение проблемы. Во многих областях человеческой деятельности необходим надежный, быстродействующий, простой по устройству и удобный в эксплуатации универсальный прибор для анализа самых различных запахов. Парфюмер, например, имеет дело примерно с 350 запахами. Их нужно безошибочно различать, каждый в отдельности и в сочетании с другими, определять пропорции сочетаний, сортность аромата и т. п. А нельзя ли создать какое-нибудь обонятельное устройство, более объективное, чем орган обоняния человека (и к тому же более чувствительное), пользуясь достижениями современной науки и техники?

Над решением этой проблемы сейчас энергично работают бионики многих стран. Недавно был создан электронно-химический дегустатор, способный анализировать запахи и определять по ним сорта цветов, вин, табака, кофе, бензинов, медикаментов, пищевых продуктов, парфюмерных товаров. Искусственный нос представляет собой серию ионизационных детекторов, связанных с колонками для газовой хроматографии. Электронный "нос" совершеннее человеческого. Его можно применять для изучения запахов пищи, определения доброкачественности продуктов, а также в самых различных промышленных процессах. С его помощью можно даже попытаться выяснить, нет ли запахов в космосе.

Доктор Драникс из Чикаго разрабатывает метод диагностики различных заболеваний по запаху! Исследуемого помещают в стеклянный ящик длиною 2 м и шириною 70 см, в который непрерывно вводят воздух определенного состава. Отработанная смесь паров и газов подвергается анализу, в ходе которого определяют химические вещества, выделенные больным. Пока их обнаружено 24. Сейчас доктор Драникс пытается установить, какие из этих веществ свойственны здоровому человеку, какие являются спутниками различных заболеваний и каковы их концентрации. Исследователь надеется, что такой метод позволит осуществлять раннюю диагностику многих заболеваний.

В том же направлении работает сейчас и группа других ученых. Они разработали оригинальную установку — бутылку, позволяющую собирать и с помощью тончайшей аппаратуры анализировать запахи, выделяемые здоровым и больным человеком, и даже запахи той среды, в которой человек находился некоторое время назад. Последнее может, например, иметь важное значение в криминалистике. Более конкретная задача — исследование запахов, привлекающих и отпугивающих насекомых — комаров, гнуса и другой нечисти.

Недавно ученые установили, что по запаху можно определить не только состояние здоровья человека, но и его возраст, пол, пищевой рацион и даже (приблизительно) район, в котором он постоянно проживает. И хотя работа в этом направлении находится лишь в стадии эксперимента, специалисты, занимающиеся разработкой ольфактроники — науки о запахах, вполне уверены, что благодаря совместным усилиям биоников и специалистов по электронной технике человек в будущем получит возможность различать запахи так же хорошо, как и собака, и, в частности, сможет отличать одного человека от другого по его индивидуальной, вполне четкой ароматической "подписи".

Сейчас мы получаем чуть ли не 7/8 всей информации от окружающего нас мира через органы зрения. Поэтому многие повседневные наши выражения восходят своими этимологическими корнями к зрительным ощущениям. Например, когда мы говорим "мироощущение", то подразумеваем под этим чаще всего "мировоззрение". Но когда бионика в содружестве с ольфа-ктроникой и электронной техникой научится моделировать созданные природой самые высокосовершенные живые системы обоняния и поставит их на службу человеку, перед ним по-новому откроется изумительный мир запахов во всей его красоте. И тогда наряду с привычными понятиями "мироощущение", "мировоззрение" прочное место займет в нашем лексиконе термин "мирообоняние".