Как работает эхолокация летучих мышей

Обновлено: 18.09.2024

Темная история рукокрылых

«Всеобщая неправильность и чудовищность, замеченная в организме летучей мыши, безобразные аномалии в устройстве чувств, допускающие гадкому животному слышать носом и видеть ушами, — все это, как будто нарочно, приноровлено к тому, чтобы летучая мышь была символом душевного расстройства и безумия», — писал об этих загадочных животных натуралист Альфонс Туссенель. Неудивительно, что эти, как он называл их, «химеры, чудовищные, невозможные существа» с экстрасенсорными или даже колдовскими, по мнению наших предков, способностями всегда привлекали внимание естествоиспытателей.

С тех пор как Ладзаро Спалланцани и его коллеги в 1798 году показали, что летучие мыши используют звук для ориентации в полной темноте и не нуждаются для этого ни в зрении, ни в осязании воздушных потоков, механизмы эхолокации были подробно изучены. В 1912 году Хайрем Максим впервые выдвинул предположение, что летучие мыши создают сигналы, неразличимые человеческим ухом, с помощью крыльев. Правда, по его мнению, это был инфразвук с частотой 15 Гц. Первым догадался об ультразвуке англичанин Хартридж, решивший воспроизвести опыты Спалланцани в 1920 году, а подтвердили его правоту биоакустик Дональд Гриффин (он-то и придумал термин), нейробиолог Роберт Галамбос и физик Джордж Пирс. Кстати, интересно, что, с древности шарахаясь от летучих мышей, кита-то наши предки и не приметили: первое серьезное исследование эхолокации китообразных провели только через два десятилетия после работ Гриффина, Галамбоса и Пирса.

Много писка из ничего

Систематически же картина тоже оставалась довольно логичной и стройной. Всего рукокрылых насчитывается более 1260 видов, которые объединяются в 21 семейство. Всех их подразделяли на более крупных и в большинстве своем «молчаливых» в ультразвуковом диапазоне крыланов (подотряд Megachiroptera и его единственное семейство Pteropodidae) и более мелких, но почти поголовно пользующихся эхолокацией летучих мышей (Microchiroptera, куда входили все остальные семейства). Между двумя подотрядами находили и другие различия, в целом же внутри каждого из них не было особенных противоречий. Хотя у некоторых крыланов и есть способность к эхолокации, все же она совсем другого типа, щелчкового, так что в целом получалось ровненькое и гладенькое родословное древо, буквально без сучка, без задоринки.

Фото: Anton 17/Wikimedia Commons

Казалось бы, в такой изученной области больше нечего делать. А потом «пришли генетики и все испортили»: исследование митохондриальной ДНК и сцеплений ядерных генов, а затем и полногеномные анализы выявили надсемейство сепаратистов, Rhinolophidae, которое ну никак не могло усидеть на одной ветви филогенетического древа с остальными Microchiroptera и неуклонно стремилось висеть поближе к крыланам (Pteropodidae). Молекулярные биологи уступили им и решили объединить их в подотряд Yinpterohiroptera, а всех остальных отправили в новый подотряд Yangohiroptera. И все бы ничего, сиди эти непокорные ринолофиды там молча: так нет же, они, предатели, пищат ультразвуком, который издает их гортань, чего крыланы делать не умеют. Эта картина вносит смуту в стройные ряды хироптерологов: одни защищают сумасбродных сепаратистов и пытаются понять, не могла ли эхолокация возникнуть у рукокрылых дважды, другие убеждают, что раньше пищать в ультразвуковом диапазоне могли предки всех ныне живущих видов, а после некоторые утратили эту способность, третьи вспоминают Onychonycteris finneyi — древнейшую из ископаемых форм, обитавшую в раннеэоценовых лесах на территории современного Вайоминга 52,5 млн лет назад и не умевшую ориентироваться с помощью ультразвука.

Nobu Tamura/Wikimedia Commons

Почему у тебя такие большие внутренние уши?

Чтобы положить конец этим спорам, ученые из Китая и Ирландии прибегли к помощи одного из самых красивых законов живого мира, биогенетическому закону Мюллера — Геккеля, согласно которому каждое живое существо в ходе индивидуального развития (онтогенеза) проходит основные стадии и ступени, которые преодолели его предки в процессе эволюции (филогенеза). Конечно, эмбриональное развитие гораздо более сложный и многоплановый процесс, чем «краткий пересказ предыдущих серий», и разные органы зародыша могут даже одновременно развиваться в разные стороны, движимые генами-дирижерами. Но, чтобы посмотреть на то, были ли у предков организма некие черты, которых он сам лишен, вполне логично обратить внимание на то, как изменяется его эмбрион. Раздел науки, который наиболее полно может наблюдать все эти стадии превращений у млекопитающих, называется сравнительной эмбриологией (ее основы закладывал еще немец, впрочем обрусевший, Карл Бэр).

Какие органы летучих мышей можно назвать «ответственными» за эхолокацию? Те, которые помогают производить ультразвук (гортань), и те, которые его улавливают (органы слуха). Видам, которые пользуются эхолокацией, свойственны более крупные размеры улитки — заполненной жидкостью части перепончатого лабиринта, той самой части внутреннего уха, которая помогает нам воспринимать звуки, преобразовывать их в нервный импульс и передавать в головной мозг. Отношение ширины улитки к ширине основания черепа очень сильно коррелирует с умением «видеть ушами».

Как мыши улитками мерялись

В описанном в Nature Ecology & Evolution исследовании ученые сравнили эти показатели у эмбрионов двух видов рукокрылых, не использующих эхолокацию с помощью органов гортани, пяти видов, использующих ее, и пяти видов других млекопитающих, не обладающих внутренним сонаром (кот, мышь, кролик, крыса и еж). Если удастся увидеть сходства в эмбриональном развитии улиток птероподид и летучих мышей с эхолокацией, которые будут отличать их всех от остальных млекопитающих, значит, крыланы просто утратили свое «шестое чувство», которое, видимо, забирало у них больше энергии, чем приносило пользы, а если похожи будут крыланы и другие «молчаливые» на высоких частотах млекопитающие, то, возможно, пользоваться сонаром они никогда и не могли. В таком случае следовало признать, что, скорее всего, непокорные ринолофиды развили эту способность независимо от всех остальных летучих мышей.

Сравнение с помощью рентгена показало, что разница между рукокрылыми с сонаром и двумя не слышащими и не издающими ультразвук видами была минимальна на первых стадиях развития плода. На последующих этапах сходство уменьшилось, и улитки крыланов приблизились по своим характеристиками к улиткам млекопитающих, которые не обладают эхолокацией с использованием гортани. А это еще один заметный довод в пользу того, что этот тип эхолокации у летучих мышей не возникал дважды, а был утрачен некоторыми видами. Причиной лишения этой способности могла стать ее невыгодность: возможно, крыланы справлялись и без нее, не тратя уйму лишней энергии на такой сложный механизм ориентирования в пространстве. Некоторые виды даже активны в дневное время суток, а когда вокруг светло, «шестое чувство», помогающее не врезаться в дерево, и вовсе ни к чему.

Летучая мышь использует свою гортань, чтобы произвести ультразвуковые волны, которые испускаются через ее рот или нос. Некоторые летучие мыши также производят щелчки, используя свои языки.

Летучая мышь слышит эхо-сигналы, которые возвращаются, и сравнивает время между отправкой и возвратом сигнала и сдвигом частоты звука, чтобы сформировать карту своего окружения. Хотя ни одна летучая мышь не является полностью слепой, животное может использовать звук, чтобы «видеть» в абсолютной темноте.

Чувствительная природа ушей летучей мыши позволяет ей находить добычу и при пассивном прослушивании. Гребни ушей летучей мыши действуют как акустическая линза Френеля, позволяя летучей мыши слышать движение наземных насекомых и трепетание крыльев насекомых.

Типы эхолокации

Существует два основных типа эхолокации:

Эхолокация с низким рабочим циклом позволяет летучим мышам оценить свое расстояние от объекта на основе разницы между временем, когда излучается звук, и возвращением эха. Призыв летучей мыши к этой форме эхолокации является одним из самых громких звуков в воздухе, производимых любым животным.

Интенсивность сигнала колеблется от 60 до 140 децибел, что эквивалентно звуку, излучаемому детектором дыма на расстоянии 10 сантиметров. Эти звонки являются ультразвуковыми и, как правило, выходят за пределы человеческого слуха. Люди слышат в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц, в то время как микробаты летают с 14 000 до 100 000 Гц.

Высокопроизводительный цикл эхолокации дает летучим мышам информацию о движении и трехмерном местонахождении добычи. Для этого типа эхолокации летучая мышь издает непрерывный вызов, прислушиваясь к изменению частоты возвращенного эха.

Летучие мыши избегают оглушать себя, испуская вызов за пределами своего частотного диапазона. Эхо ниже по частоте, попадая в оптимальный диапазон для их ушей. Крошечные изменения в частоте могут быть обнаружены. Например, подковообразная летучая мышь может обнаруживать различия в частоте до 0,1 Гц.

В то время как большинство звонков летучих мышей являются ультразвуковыми, некоторые виды испускают слышимые щелчки эхолокации. Пятнистая летучая мышь (Euderma maculatum) издает звук, похожий на два камня, ударяющих друг друга. Летучая мышь слушает задержку эха.

Вызовы летучих мышей являются сложными и обычно состоят из смеси вызовов с постоянной частотой (CF) и частотно-модулированной (FM). Высокочастотные вызовы используются чаще, потому что они предоставляют подробную информацию о скорости, направлении, размере и расстоянии добычи. Низкочастотные вызовы распространяются дальше и в основном используются для картирования неподвижных объектов.

Какой шум издают летучие мыши?

Производя звуки и прислушиваясь к полученному эхо, летучие мыши могут рисовать богатую картину своего окружения в полной темноте. Этот процесс, называемый эхолокацией, позволяет летучим мышам перемещаться без визуального ввода. Но как на самом деле звучат летучие мыши?

Летучих мышей можно различить по их звукам, которые имеют ультразвуковые частоты или слишком высокие, чтобы люди могли их слышать.

Результаты наблюдений

Ученые сделали запись свободных и фиксированных полетов испытуемых: 15 свободных и 2 фиксированных полета Y. evonymella; 9 фиксированных полетов Y. cagnagella. Во время полетов мотыльки производили одинаковые ультразвуковые щелчки во время каждого взмаха крыльев (графики ниже).

Спектрограмма ультразвуковых щелчков во время одного взмаха крыльями мотылька.

На спектрограмме выше видны разноцветные участки. Первые (красные) это частотный диапазон звуков, продуцируемых мотыльками подсемейства Arctiinae против летучих мышей. А вторые (синие) это слуховой диапазон летучих мышей вида Eptesicus fuscus.

Всего ультразвуковых импульсов во время взмаха было зафиксировано два: один в начале взмаха и второй в конце взмаха. Именно во время первого импульса частота щелчков была больше. Число щелчков на один импульс, если судить по наблюдениям, совпадает с числом полос на полупрозрачном участке. У Y. evonymella среднее значение щелчков на 1 ультразвуковой импульс равно 12.6 ± 1.7, а полос на полупрозрачном участке у них 11 (обратите внимание на нумерацию на РЭМ снимке крыла).

Далее ученые удалили тимбалы (область 260 х 800 мкм) у 12 особей Y. evonymella и записали звуки во время их полета до и после удаления. Также было подсчитано число щелчков за период в 100 мс, что является эквивалентом примерно 3 взмахов крыла.

Семь особей после удаления не производили щелчков, восемь — лишь 1 щелчок, а четверо производили щелчки, но в меньшем количестве и с более низкой амплитудой. Как выяснилось у этой четверки области тимбалов (полупрозрачные участки) были удалены не полностью, посему их исключили из дальнейшего анализа.

Опытным путем ученые подтвердили, что мотыльки обоих испытуемых видов производят звуки. Теперь их решили проверить на слух (20 особей вида Y. evonymella и 4 особи Y. cagnagella).

Ученые воспроизводили ультразвук, пока испытуемые свободно летали в тестовом помещении. Ни одна особь не отреагировала на это. Эксперимент повторили, но разделив особей по видам в отдельные контейнеры, где они находились в состоянии покоя. И опять же никто даже не шелохнулся.

При этом, поместив 10 особей Y. evonymella в одну камеру для полетов, ученые увидели реакцию испытуемых друг на друга. И она была такой же, как и в предыдущих тестах, то есть никакой.

А что же со стридуляцией? Ученые проверили есть ли признаки трения каких-либо частей тела для производства звуков у испытуемых мотыльков. И как оказалось, таковых нет. Обратите внимание на движения крыльев мотылька во время контролируемого полета на видео ниже.

На данном видео мы можем видеть какие происходят изменения в положении крыльев и их частей во время взмаха.

С исследуемым полупрозрачным участком не было замечено трения других участков тела мотылька в любой из моментов взмаха. Но щелчки же как-то появляются. И происходит это посредством вращения заднего крыла вдоль своей оси от основания до кончика во время верхней и нижней фаз взмаха крыльями.

Детальное рассмотрение этого процесса показало, что во время супинации (вращательное движение конечностью) в начале взмаха анальный и югальный отделы крыла складываются вниз относительно его передней части вдоль клавальной борозды.

Полет мотылька, вид сбоку.

Этот процесс протекает от вершины до основания крыла, таким образом полупрозрачная область также задействуется. Во время этого и возникают ультразвуковые щелчки.

В таблице выше показаны результаты анализа десяти щелчков, зафиксированных в поперечном направлении (90°) у всех испытуемых (14 Y. evonymella и 9 Y. cagnagella). Были установлены спектральные параметры, продолжительность и амплитуда щелчков.

Помимо этого был проведен анализ и щелчков (по 5 на каждого из 8 особей) горизонтальной направленности (0 °, 45 °, 90 ° и 180 °).

Среднее значение уровня звуков восьми испытуемых Y. evonymella, зафиксированных с четырех направлений: 0 ° — микрофон спереди от мотылька, 45 ° — спереди сбоку, 90 ° — сбоку, 180 ° — сзади.

Особых отличий не было выявлено: 0° и 45°, Z = 0,3, p = 1,0; 0° и 180°, Z = -2,3, p = 0,13; 45° и 180°, Z = -2,4, р = 0,11.

Также ученые рассчитали на каком расстоянии летучие мыши будут слышать щелчки мотыльков в зависимости от положения. Результаты следующие: 6.0 ± 0.4 м при 0°, 6.5 ± 0.4 м при 45°, 7.9 ± 0.7 м при 90° и 5.6 ± 0.4 м при 180°. Эти показатели отображены в виде диаграммы выше (В).

А вот на графике А мы видим амплитуду отраженного звука, которая варьируется в диапазоне −35 … −43 дБ при частотах в диапазоне 20…160 кГц.

Для более детального ознакомления с исследованием настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Эволюция может быть беспринципной, беспощадной, странной и даже ироничной, как показывает пример исследуемых мотыльков. Будучи абсолютно лишенными слуха, эти создания не лишены «голоса». Используя полупрозрачные участки на крыльях во время взмахов, мотыльки выдают ультразвуковые щелчки, которые сбивают с толку жаждущих ими полакомиться летучих мышей.

Такое необычное приспособление это факт, но он породит еще немало дебатов на тему того, как оно образовалось, какие эволюционные изменения прошли мотыльки для развития подобного механизма, и с чего все начиналось.

Мы лишний раз получили подтверждение, что мир полон удивительных созданий, которые не перестают удивлять своими талантами, о которых мы и не догадывались.

И, конечно же, пятницы оффтоп:

Тут у всех, кто страдает моттефобией (боится мотыльков), наверное сердце остановилось от ужаса.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до весны бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Ученые давно исследуют, как именно летучие мыши используют эхолокацию. Например, не так давно исследователи смогли выяснить, почему эти животные не глохнут от большого количества ультразвуковых шумов, которые они сами и испускают. Разгадка крылась в существовании специальных мышц, предохраняющих ушные раковины от звуков. Еще один вопрос, связанный с полетом летучих мышей, многие годы интересовал невролога из Университета Брауна (США) Джеймса Симмонса. Он все пытался понять, как летучие мыши в воздухе не сталкиваются ни с какими-то предметами, ни друг с другом.

Ответ на этот вопрос был получен в результате масштабного и довольно сложного в техническом плане исследования.

По задумке ученых, испытуемые животные летали в помещении, в котором находились препятствия в виде висящих цепей. На головы летучих мышей были помещены миниатюрные микрофоны, сделанные соавторами Симмонса из Японии. Через эти микрофоны производилась запись звуков, которые издавали мыши. Другие микрофоны располагались в помещении и фиксировали отраженные сигналы. Кроме того, полет мышей снимался на видеокамеру с высоким разрешением.

Сначала ученые убедились, что летучие мыши перемещаются по одному конкретному маршруту между цепями.

После того как мыши справились с этой задачей, экспериментаторы поменяли расположение препятствий, чтобы посмотреть, как они справятся с новой задачей. В результате анализа наблюдательных данных ученые заметили, что летучие мыши поначалу теряли ориентацию в пространстве, не будучи из-за перекрытия ультразвуковых сигналов в силах определить, где перед ними располагается реальное препятствие, а где его нет. Это заставило животных сразу издавать много звуков.

Кроме того, незначительное изменение частоты ультразвукового сигнала позволяет летучим мышам четко определить, откуда и от какого препятствия он был отражен. Информация об отраженных звуках обрабатывается в мозгу летучей мыши, которая, таким образом, оказывается способна миновать препятствия на своем пути.

«Эта способность является результатом эволюции летучих мышей, который позволяет им летать в пространстве с большим количеством препятствий, создающих эхолокационные помехи, - говорит Джеймс Симмонс. - В противном случае летучие мыши сталкивались бы с деревьями и ветвями».

Данная работа может иметь практическое применение. Ее результаты могут помочь в разработке и создании новых методов гидролокации и эхолокационных систем.

Профессиональная защита интеллектуальной собственности

Как летучие мыши звучат

Во время эхолокации большинство летучих мышей используют свои голосовые связки и гортань, чтобы производить звонки, почти так же, как люди используют свои голосовые связки и гортань, чтобы говорить. Разные виды летучих мышей имеют разные звуки, но в целом звуки летучих мышей описываются как «щелчки». Однако когда эти звуки замедляются, они больше похожи на птичий щебет и имеют тенденцию иметь заметно разные тоны.

Некоторые летучие мыши вообще не используют свои голосовые связки для совершения звонков, а вместо этого щелкают языком или издают звук из ноздрей. Другие летучие мыши производят щелчки, используя свои крылья. Интересно, что точный процесс, с помощью которого летучие мыши щелкают своими крыльями, все еще обсуждается. Неясно, является ли звук результатом хлопания крыльев, щелчков костей в крыльях или ударов крыльев по телу летучей мыши.

Зрение и эхолокация: как летучие мыши стали повелительницами ночи

Декабрь 16th, 2013

Эхолокация (способнсть находить предметы по отраженным звуковым волнам) помогает летучим мышам господствовать в ночных небесах. Известно более 1000 видов этих существ - по сравнению с какими-то 80 видами ночных птиц, неспособных к эхолокации. И главное - летучие мыши успешно пользуются обоими инструментами: эхолокацией и обычным зрением.

Вот что выяснили Арджан Бунман (Arjan Boonman) и Йосси Йовель (Yossi Yovel), сотрудники зоологического факультета Тель-Авивского университета: с помощью зрения летучие мыши ориентируются в пространстве, а эхолокация позволяет им находить крошечных насекомых, которых большинство ночных хищников не видит.

"Представьте, что вы едете по шоссе. На расстоянии все видно четко, но, когда вы проезжаете мимо зданий, деревьев и т.п., они расплываются. Так вот, эхолокация позволяет летучим мышам "нацеливаться" на небольшие объекты, летая на большой скорости", - рассказывает доктор Бунман.

Больше всего пищи летучие мыши добывают на закате - тогда насекомые активнее всего, и еще очень светло. Казалось бы, при таких условиях зрение лучше эхолокации - оно дает больше информации, быстрее, с большим разрешением. Если в ходе эволюции зрение появилось раньше эхолокации, зачем последняя вообще возникла?

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые экспериментально сравнили расстояния, на которых оба органа чувств воспринимают небольшие объекты. Для оценки дальности действия эхолокации, они проиграли в звукоизолированном помещении записи "писков" двух видов летучих мышей, и записали, как звук отражается от четырех мертвых насекомых - мотылька, муравья, златоглазки и комара. Зрение смоделировать сложнее: поэтому ученые экстраполировали данные прошлых исследований и рассчитали расстояние, на котором звери могут увидеть тех же насекомых в слабом освещении.

Даже с учетом неточностей в "визуальной" части расчетов, исследователи выяснили, что эхолокация вдвое эффективнее зрения при обнаружении насекомых: дальность "видения" вырастает с 6 до 12 метров. Кроме того, на эхолокацию не влияют фоновые объекты (вроде листвы), которые заслоняют поле зрения. Наконец, предыдущие исследования показали, что эхолокация позволяет более точно оценить расстояние до объектов и скорость их движения - а иногда даже расстояние до скрытых за ними других объектов.

В общем, эхолокация дает летучим мышам огромные эволюционные преимущества, позволяя отслеживать насекомых издалека во время их максимального изобилия (на закате). Конечно, и по ночам, когда тьма "ослепила" их конкурентов, летучие мыши продолжают охотиться с помощью эхолокации.

У эхолокации есть ощутимые минусы - она плохо показывает крупные объекты на расстоянии. Поэтому, предполагают израильские ученые, летучие мыши используют оба способа восприятия. Зрение служит для ориентации в пространстве, прокладывания маршрута, избегания столкновений, а эхолокация - для обнаружения добычи. Различные виды летучих мышей, кажется, по-разному комбинируют зрение с эхолокацией.

"Мы думаем, что летучие мыши постоянно сводят вместе два потока информации, создавая единую картину мира", - заявил доктор Йовель.

Такое сочетание зрения и эхолокации дало летучим мышам стать лидерами ночного мира. И поэтому они достигли такого видового разнообразия - 20% всех известных видов млекопитающих составляют летучие мыши. А ночным птицам развить свою ультразвуковую эхолокацию не позволила анатомия, подозревают ученые.

Профессиональная защита интеллектуальной собственности

Зрение и эхолокация: как летучие мыши стали повелительницами ночи

Декабрь 16th, 2013

Нэхум Улановский (Nachum Ulanovsky) из Института Вейцмара (Израиль) обнаружили сложную систему ориентации в пространстве в мозгу египетских летучих мышей. А их дальние сестры, плотоядные летучие мыши, обитающие в Европе, все-таки могут ориентироваться в пространстве по звуковым сигналам — до сих пор считалось, что эхолокация, которая была обнаружена у других летучих мышей, у них отсутствует. Исследование Арьяна Бунмана (Arjan Boonman), зоолога из Университета Тель-Авива (Израиль), показывает, что в действительности эти существа могут ориентироваться по звукам, только вместо ультразвуковых сигналов, издаваемых гортанью, они используют шум своих крыльев. Проведя серию экспериментов, Бунман и его коллеги выяснили, что каждый взмах их крыльев производит также слабые звуки, подобные щелчкам. Именно их использует этот вид рукокрылых, чтобы ориентироваться в темноте. Результаты исследования опубликованы в Current Biology.

Тем временем Нэхум Улановский (Nachum Ulanovsky) из Института Вейцмара (Израиль) обнаружили сложную систему ориентации в пространстве в мозгу египетских летучих мышей. Помимо клеток, которые работают в зависимости от горизонтального направления, летучие мыши имеют особые нервные клетки, которые включаются, когда животное поворачивает головой вверх, вниз или вбок. Чтобы найти эти клетки, Улановский и его коллеги имплантировали электроды к пресибукулярной зоне мозга. Они также установили разноцветные диоды, связанные с теми или иными нервными клетками. Наблюдая за движения летучей мыши и активностью светодиодов, ученые смогли определить, какие клетки мозга ассоциированы с разными направлениями. Статья опубликована в журнале Nature.

Ученые обнаружили, что большинство нейронов отвечает за ориентацию в горизонтальном направлении. Однако одна пятая их часть регулирует положение тела животного по высоте. Таким образом, установлено, что навигационная система летучих мышей является трехмерной. Но лишь некоторые нейроны связаны с поворотами головы. Это, вероятно, происходит потому, что летучие мыши, как правило, не вращают сильно своим телом во время полета.

Исследователей, изучавших двигательные способности летучих мышей, ожидал еще один сюрприз. Они наблюдали за тем, как эти животные «приземляются» вниз головой в своем укрытии, выполняя кувырок назад. Как и ожидалось, в этот момент срабатывают все двигательные нейроны, но, что удивительно, клетки, отвечающие за перемещение по горизонтальной оси, не регистрируют сальто. Именно поэтому летучие мыши, находясь вниз головой, не путают восток и запад местами. Их система ориентирования отличается от нашей (сферической) и напоминает по форме бублик, установили исследователи.

К слову, летучие мыши могут быть переносчиками опасных заболеваний. Ранее портал Научная Россия сообщал, что эпидемия лихорадки Эбола, вероятно, началась с летучей мыши.

Когда летучие мыши снижаются над водой, чтобы попить, они издают специфическую серию ультразвуков. С их помощью они в полете могут точно локализовать поверхность воды — чтобы коснуться воды только ртом, не намочив шкурку. Группа ученых впервые подробно описала такие «питьевые трели» у 12 видов летучих мышей, а также сравнила их с эхолокационными звуками, издаваемыми при охоте за насекомыми.

Летучие мыши (а также дельфины, некоторые птицы и ластоногие и другие животные) пользуются для ориентации и поиска пищи эхолокацией: животное сначала издает ультразвуки, затем воспринимает их отражение (эхо) и на основе полученной информации строит «карту» своего окружения. Получается, что животное как бы сканирует окружающее пространство посредством звукового «стробоскопа», получая звуковые «снимки» пространства вокруг себя.

В зависимости от ситуации и особенностей объекта, положение которого необходимо определить, издаваемые звуки могут различаться. Про использование эхолокации при охоте у летучих мышей имеется уже довольно много данных. Например, преследуя добычу, летучая мышь издает так называемую кормовую трель (feeding buzz). Она содержит более частые (чем во время поиска добычи или ориентации) звуковые импульсы и позволяет четче локализовать быстро и непредсказуемо двигающуюся цель. Ведь чем больше звуков в единицу времени мышь издаст, тем больше информации она получит в ответ. В терминальной трели (terminal phase buzz) — непосредственно перед решающим броском на добычу — частота у разных видов мышей может составлять 100-200 импульсов в секунду. Но на практике каждая конкретная трель продолжается доли секунды и содержит не более нескольких десятков импульсов. У многих видов летучих мышей кормовая трель состоит из двух частей — I и II (рис. 2). Часть II характеризуется падением частоты звука по сравнению с частью I. Биологический смысл низкочастотной части II до сих пор не ясен.

Рис. 2. Спектрограммы кормовой (а) и питьевой (b) трелей нетопыря-карлика (Pipistrellus pipistrellus). В обоих случаях мышь сначала ищет объект (поиск), затем сближается с ним. ЧI и ЧII — первая и вторая части кормовой трели соответственно, ПТ — питьевая трель, К — контакт с водой (звук всплеска воды). Рисунок из обсуждаемой статьи в Ethology

Помимо охоты, в жизни летучих мышей имеются и другие ситуации, где необходима точная ориентация. Одна из них — это питье. Многие виды летучих мышей пьют прямо в полете — снижаясь над водоемом, они касаются воды только ртом, избегая попадания воды на другие части тела (рис. 1). В этом случае мышам, как и при охоте, необходимо очень точно маневрировать на довольно высокой скорости. Только в 2013 году выяснилось, что летучие мыши, снижаясь к поверхности воды для питья, издают трели, которые напоминают по структуре кормовые трели (S. R. Griffiths, 2013. Echolocating bats emit terminal phase buzz calls while drinking on the wing). Но подробностей известно не было.

Недавно группа ученых из нескольких европейских институтов обратила более пристальное внимание на питьевую трель, структуру которой они сравнили с кормовой трелью того же вида. Это позволило не только разобраться в особенностях питьевой трели, но и сделать выводы о том, зачем нужна часть II кормовой трели. Объектами исследования стали 12 видов летучих мышей, обитающих в Италии и Израиле. Для каждого из них были записаны и сравнены кормовые и питьевые трели.

Как и при охоте, частота издавания звуков была тем выше, чем ближе к воде подлетала мышь. Частота минимальна при «поиске», когда мышь находится еще относительно далеко от воды, увеличивается при приближении к воде и достигает максимума непосредственно перед контактом с ней, когда и издается питьевая трель (рис. 2). Все это, естественно, происходит в полете, поэтому речь идет об очень коротких промежутках времени. Так, средняя длительность питьевой трели у изученных видов варьировала от 8 до 180 мс.

Несмотря на то, что кормовые и питьевые трели похожи по смыслу и структуре, между ними удалось выявить ряд различий. Хотя их длительности примерно одинаковы, питьевая трель никогда не содержит звуков, аналогичных части II кормовой трели. То есть питьевая трель по сути представляет собой удлиненный вариант первой части кормовой трели.

Отсутствие аналога части II в питьевой трели говорит в пользу гипотезы, согласно которой летучие мыши, понижая частоту звуков перед атакой, увеличивают «ширину» звукового луча (частота обратно пропорциональна длине волны звука). Это имеет смысл делать на короткой дистанции при локации быстродвижущегося объекта вроде летящего насекомого. При питье такой проблемы не возникает — можно немного промазать и ничего страшного не случится.

Полученные результаты имеют и еще одно, более «практическое», значение. Дело в том, что некоторые авторы ранее полагали, что летучие мыши часто охотятся над водоемами. А думали они так потому, что именно над водоемами можно было записать множество трелей, похожих на кормовые. Но теперь понятно, что эти звуки могут издаваться вовсе не для охоты, а при питье. То есть предположения о предпочтительной охоте некоторых видов летучих мышей над водоемами могут быть поспешными.

Источник: Danilo Russo, Leonardo Ancillotto, Luca Cistrone, Carmi Korine. The Buzz of Drinking on the Wing in Echolocating Bats // Ethology. 2016. V. 122. P. 226-235.

Ультразвуки

Летучие мыши производят ультразвуковые звуки, что означает, что звуки существуют на частотах выше, чем люди могут слышать. Люди могут слышать звуки от 20 до 20000 Гц. Звуки летучих мышей обычно в два-три раза выше, чем верхний предел этого диапазона.
У ультразвуковых звуков есть несколько преимуществ:

Ультразвуковые звуки с меньшей длиной волны делают их более вероятными отскакивать от летучей мыши, а не дифрагировать или огибать объекты.

Ультразвуковые звуки требуют меньше энергии для производства.

Ультразвуковые звуки быстро рассеиваются, поэтому летучая мышь может отличить «более новые» от «более старых» звуков, которые все еще могут звучать в этой области.

Вызовы летучих мышей содержат компоненты с постоянной частотой (имеющие одну заданную частоту во времени) и компоненты с частотной модуляцией (имеющие частоты, которые меняются со временем). Частотно-модулированные компоненты сами по себе могут быть узкополосными (состоящими из небольшого диапазона частот) или широкополосными (состоящими из широкого диапазона частот).

Летучие мыши используют комбинацию этих компонентов, чтобы понять их окружение. Например, компонент с постоянной частотой может позволить звуку двигаться дальше и длиться дольше, чем компоненты с частотной модуляцией, что может помочь в определении местоположения и текстуры цели.

В большинстве вызовов летучих мышей преобладают компоненты с частотной модуляцией, хотя у некоторых есть вызовы, в которых преобладают компоненты с постоянной частотой.

Как морфология летучей мыши помогает эхолокации

Некоторые из физических адаптаций летучей мыши видны. Морщинистый мясистый нос действует как мегафон для проецирования звука. Сложная форма, складки и складки наружного уха летучей мыши помогают ей воспринимать и направлять входящие звуки. Некоторые ключевые адаптации являются внутренними. Уши содержат многочисленные рецепторы, которые позволяют летучим мышам обнаруживать крошечные изменения частоты.

Мозг летучей мыши отображает сигналы и даже учитывает эффект Допплера, который летит оказывает на эхолокацию. Непосредственно перед тем, как летучая мышь издает звук, крошечные кости внутреннего уха отделяются, чтобы уменьшить слуховую чувствительность животного, поэтому она не оглушает себя. Как только мышцы гортани сокращаются, среднее ухо расслабляется, и уши могут получать эхо.

Другие невероятные чувства летучей мыши

В дополнение к эхолокации, летучие мыши используют другие чувства, недоступные для людей. Микробаты могут видеть при слабом освещении. В отличие от людей, некоторые видят ультрафиолетовый свет. Поговорка «слеп как летучая мышь» вообще не относится к мегабатам, поскольку эти виды видят так же, как и люди, лучше, чем люди.

Как птицы, летучие мыши могут чувствовать магнитные поля. В то время как птицы используют эту способность, чтобы чувствовать свою широту, летучие мыши используют ее, чтобы отличить север от юга.

Как записать звуки летучих мышей

Хотя люди не могут слышать звуки, издаваемые летучими мышами, детекторы летучих мышей могут. Эти детекторы оснащены специализированными микрофонами, способными записывать ультразвуковые звуки, и электроникой, способной транслировать звук так, чтобы он был слышен человеческим ухом.

Вот некоторые методы, которые эти детекторы летучих мышей используют для записи звуков:
Гетеродининг: Гетеродининг смешивает поступающий звук летучей мыши с аналогичной частотой, что приводит к «удару», который могут слышать люди.

Частотное разделение. Как указывалось выше, звуки летучих мышей имеют частоты, которые в два-три раза выше верхнего предела, который могут слышать люди. Детекторы с частотным разделением делят звук летучей мыши на 10, чтобы звук находился в пределах слышимости человека.

Расширение времени: более высокие частоты происходят с более высокими скоростями. Детекторы расширения времени замедляют поступающий звук летучей мыши до частоты, которую люди могут слышать, обычно также в 10 раз.

Феномен эхолокации

Эхолокация — это способность по движению звуковых волн определять положение объектов в пространстве. В отличие от животных (например, летучих мышей и дельфинов), для человека она не некое врожденное свойство, а умение, которое можно развить, натренировав слух, отмечают ученые. Овладевшие эхолокацией люди, как правило, цокают языком, создавая резкий звук, а затем слушают отражение и по его тональности, громкости и тембру определяют, есть ли вокруг предметы, а если есть, то где они находятся и какие они.

Эхолокация у человека пока изучена недостаточно хорошо, однако результаты тех исследований, которые уже проведены, очень интересны и говорят о большом потенциале способности. Так, в 2018 году специалисты из Британии, Нидерландов и США выяснили, что возможности эхолокации куда более широки, чем можно было предположить: незрячие эксперты-эхолокаторы в рамках исследований смогли услышать такой отраженный звук, который, как считалось прежде, уловить человеческим ухом невозможно.

Что еще интереснее, в конце 2019-го ученые из университета Дарема в Англии, ссылаясь на данные экспериментов, привели новые доказательства того, что мозг владеющих эхолокацией людей с нарушением зрения воспринимает перемещения звука в пространстве как визуальную информацию, обрабатывая их в соответствующем отделе. То есть, когда мозгу не хватает зрительных сигналов для решения той или иной задачи, он может восполнять пробелы данными, полученными, в частности, от органов слуха. В итоге данные о звуке, поступая в мозг незрячего эхолокатора, воспринимаются им примерно так же, как информация о свете мозгом зрячего.

То, что хорошо владеющий эхолокацией незрячий человек может видеть мир благодаря звукам, доказывает и пример американца Дэниэла Киша. В младенчестве он лишился глаз из-за рака, а затем самостоятельно, исследуя мир без особых запретов и контроля со стороны взрослых, освоил умение ориентироваться по звуку, отраженному после щелчка языком. Свою способность Киш буквально довел до совершенства: сегодня он не только путешествует и, например, катается на велосипеде при помощи эхолокации, но и учит других людей с нарушением зрения эффективно использовать отраженный звук. Дэниэл также лектор известного проекта TED.

Кстати, по словам Киша, он действительно видит мир по помощи слуха — записи работы его мозга и мозга других экспертов-эхолокаторов подтверждают эти слова.

На выдающуюся степень развития эхолокации, которой достиг Киш, как полагают исследователи, огромное влияние оказало именно то, что в детстве его как незрячего ребенка никто не ограничивал в самостоятельном познании мира — и он научился ориентироваться в нем с помощью звуков.

Обучение эхолокации

Многие ученики специалиста добиваются огромного успеха в эхолокации. Например, Брайан Бушвэй, потерявший зрение в 14 лет и вдохновившийся примером Дэниэла, стал не только одним из его коллег-преподавателей в World Access for the Blind, но и лучшим горным велосипедистом среди незрячих людей.

Легче всех эхолокацией овладевают дети, однако научиться видеть при помощи слуха могут и взрослые, хотя на освоение мастерства потребуется много времени, сил и терпения. Зато тренированные эксперты могут узнавать по звуку не только положение предметов, но также их рельеф, размеры, форму.

Хотя довести способность к эхолокации до такого уровня непросто, а эхолокация пока не слишком хорошо изучена, практика показывает: ориентирование по звуку способно улучшить качество жизни незрячих людей. Пока эхолокация находится на стадии активного изучения, исследователи стремятся разрабатывать устройства-помощники. Например, уже существует специальный браслет Sunu, который формирует звуковые волны, а затем считывает их эхо и передает пользователю информацию об окружающих предметах с помощью вибраций.

Эксперты-эхолокаторы в России

Как показывают эксперименты, научиться эхолокации — хотя бы на базовом уровне — и правда возможно, хотя пока эксперты-эхолокаторы во всем мире вызывают в первую очередь удивление: встречаясь с ними, окружающие не могут поверить, что видеть звук реально.

Большие клыки, сильные челюсти, скорость, невероятное зрение и еще многое другое это особенности, которыми пользуются хищники всех пород и мастей в процессе охоты. Добыча в свою очередь также не желает сидеть сложа лапки (крылья, копыта, ласты и т.д.) и придумывает все новые и новые способы избежать нежелательного близкого контакта с пищеварительной системой хищника. Кто-то становится мастером камуфляжа, кто-то обмазывается ядом, а кто-то швыряет в лицо обидчику свои внутренности (привет морским огурцам). Но есть и те, чей защитный механизм не виден и даже не слышен для нас. Мотыльки — излюбленное блюдо летучих мышей. Много миллионов лет и те и другие шлифовали свои навыки владения ультразвуком. Мыши используют его для поиска жертв, а мотыльки — для обнаружения хищника. Но «предупрежден значит вооружен» не достаточно для мотыльков, потому они выработали способность создавать «радиопомехи», нарушающие ультразвуковое «зрение» летучих мышей. Как они это делают, учитывая их 100% глухоту, и насколько это эффективно помогает им избежать гибели? Будем искать ответы в докладе исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Когда охотишься ночью, нужно иметь либо очень хорошее зрение, либо острый нюх, либо отличный слух. Летучие мыши выбрали последнее, в каком-то смысле. Использование эхолокации очень выгодно для летучих мышей. Во-первых, охота в ночное время суток ограничивает число потенциальных опасностей и конкуренции в поисках пищи. Во-вторых, ночью очень много насекомых, то есть шансы покушать после 18:00 значительно выше.

Летучие мыши производят ультразвук разного частотного диапазона в зависимости от вида. При этом даже у одного вида частота меняется с течением времени: в начале 130-150 кГц, а потом 30-40 кГц.

Во время охоты летучие мыши «испускают» ультразвуковые волны, которые «врезаются» в окружающие ее объекты, в том числе и возможную добычу. Отраженные же волны улавливаются летучей мышью и она может маневрировать среди препятствий или же точно сфокусировать атаку на добыче.

Когда эволюция раздавала таланты, мотыльки тоже не стояли в стороне. Они способны вырабатывать ультразвуковые помехи или же ложные сигналы, убеждающие летучую мышь в их несъедобности. Некоторые виды мотыльков используют стридуляцию. Этот необычный термин пояснить очень просто: помните как сверчки летом «поют»? Вот это и есть стридуляция. Другим же ярким, точнее звонким мастером этого таланта, являются цикады.

Альтернативным источником звуков у мотыльков могут быть ударные «кастаньеты» — модифицированные генитальные структуры (да, ученые назвали гениталии, вырабатывающие звук, кастаньетами; а вы думали люди науки лишены креативности?).

Однако большинство видов мотыльков используют тимбалы (не путать с цимбалами) — специальные кутикульные образования на поверхности тела с воздушной «подушкой» под низом.

В рассматриваемом сегодня исследовании ученые уделили внимание роду мотыльков Yponomeuta, в котором большинство видов (а их около сотни) имеют в своем арсенале необычное образование — полупрозрачный участок на крыльях без чешуек между венами Cu_1b
и Cu₂. Ученые обнаружили, что к этому участку прилегает ряд гребней, что может говорить о причастности данной области к звукообразованию посредством стридуляции (возможно).

На изображении слева (А) белым обведена область полупрозрачного образования, а на изображении справа (В) РЭМ снимки этой же области.

Ученые поставили перед собой задачу ответить на ряд вопросов: данный полупрозрачный участок производит звук или нет, каковы его акустические свойства (если производит все таки) и как эти звуки применяются мотыльком в его жизни.

Главными же испытуемыми, которые должны были помочь найти ответы на вышепоставленные вопросы, стали особи двух видов мотыльков — Y. evonymella и Y. cagnagella.

Найдите 10 отличий: Y. evonymella (слева) и Y. cagnagella (справа).

Испытуемые были взяты из дикой природы еще на стадии личинок. Образовавшиеся куколки содержались в специальных контейнерах 297 х 159 х 102 мм при температуре 21 °C.

Как мотыльки бьют летучих мышей

Бабочки являются популярной добычей для летучих мышей, поэтому некоторые виды разработали методы, чтобы победить эхолокацию. Тигровая моль (Bertholdia trigona) подавляет ультразвуковые звуки. Другой вид рекламирует свое присутствие, генерируя собственные ультразвуковые сигналы. Это позволяет летучим мышам идентифицировать и избегать ядовитых или неприятных жертв.

У других видов моли есть орган, называемый барабанной перепонкой, который реагирует на ультразвук, вызывая подергивание летящих мышц моли. Мотылек летит беспорядочно, поэтому летучей мыши сложнее поймать.

Читайте также: