А во лбу звезда горит
Любому животному выгодно видеть как можно дальше и иметь как можно более широкий обзор, чтобы не упустить добычу, не просмотреть опасность. Дельфинам приходится «освещать» себе дорогу акустическим лучом. Чтобы выяснить, что он собой представляет, пришлось провести много серий все усложнявшихся опытов. Главным препятствием для подобных исследований является большая подвижность дельфинов. Ученые мечтали заставить животное стоять неподвижно в определенном месте бассейна и по команде лоцировать опущенный в воду предмет. Тогда, расставив вокруг лоцируемого предмета гидрофоны, экспериментаторы могли бы изучить параметры звука в разных точках пространства, и вопрос был бы решен.
К сожалению, этого еще никому не удалось осуществить.
Не так-то просто договориться с дельфином, чтобы он и в воде застыл неподвижно, и локационные посылки излучал по команде. Кроме того, в те годы, когда начиналось изучение эхолокации у китообразных, в физиологических лабораториях не было приборов, позволяющих записать одновременно на одной пленке звуки, уловленные несколькими гидрофонами.
Американские исследователи первыми взялись за изучение формы звукового луча дельфинов. В их распоряжении был небольшой мелководный круглый бассейн, вроде чаши городского фонтана, и один гребнезубый дельфин. После длительной тренировки животное удалось научить пересекать бассейн по диаметру, плывя между двумя туго натянутыми тросами.
Дельфины не любят касаться каких-либо предметов. Этим, видимо, объясняется, что животное оказалось послушным и за пределы предназначенного ему коридора не заплывало. Во время экспериментов глаза дельфина закрывали специальными присосками, и гребнезубу поневоле пришлось пользоваться эхолокацией, чтобы ни на что не натыкаться. Да и экспериментаторам животное вряд ли полностью доверяло. Гораздо благоразумнее было постоянно находиться начеку.
Исследование проводилось с поистине ювелирной точностью. У исследователей был один гидрофон. Перед каждым заплывом они устанавливали его на новом месте. Из всей массы записей локационных посылок приходилось отбирать и сравнивать только те, что были произведены животным в одном и том же месте бассейна при абсолютно одном и том же положении головы. Приходилось заставлять дельфина десятки раз проделывать один и тот же путь, каждый раз переставляя гидрофон на новое место, чтобы выяснить, какие районы лежащего впереди пространства «освещаются» звуковым лучом, а какие остаются «в тени». Преодолев все трудности, исследователи убедились, что чем выше частотные характеристики локационной посылки, тем более узким лучом она распространяется.
Полученные результаты не были для ученых большой неожиданностью. Уже было известно, что летучие мыши пользуются при эхолокации таким же узким звуковым, лучом. Зато возникла новая задача – объяснить, как удается дельфинам так узконаправленно посылать свои локационные посылки.
Ответ на этот вопрос можно получить, познакомившись с анатомией дельфинов. Если считать, что используемые для локации звуковые посылки возникают где-то в наружных воздухоносных проходах, то выходит, что звукогенератор сзади отгорожен длинными костями верхней челюсти и перпендикулярно к ним расположенными, поднимающимися круто вверх и несколько вогнутыми внутрь лобными костями черепа, а спереди – особым образованием, названным дыней, но больше известным как жировая подушка. Изобразив эти образования в виде схемы и обозначив на рисунке место возникновения звука и хода звукового луча, получим чертеж прожектора. Действительно, голова дельфина является прожектором, но только акустическим. Кости черепа служат для звукового луча рефлектором, позволяющим посылать его в определенном направлении, а жировая подушка – фокусирующей линзой, собирающей луч в узкий пучок.
В работе акустического прожектора много неясного. Кость – плохой материал для отражения звуковых волн. Самая твердая – слоновая кость – едва ли способна отразить более 35% энергии падающей на нее звуковой волны. Остальная часть или поглощается костями черепа, или проходит сквозь костное вещество. Сравнение акустических свойств костей черепа различных видов китообразных показало, что костный рефлектор речных дельфинов, клюворылых китов и кашалотов выполнен из более качественного материала, чем у их сородичей. Предполагается, что именно у этих животных эхолокация развита лучше, чем у остальных. Речные дельфины обитают в мутной воде или вообще лишены зрения, а клюворылые и кашалоты в поисках пищи ныряют на такие глубины, где царит постоянный мрак. Но даже у этих китообразных коэффициент полезного действия костного отражателя невелик. Почему дельфины мирятся со столь значительными потерями? Не вредно ли для их мозга постоянное облучение ультразвуком? Впрочем, истинную отражательную способность живой кости дельфина никто еще не измерил. Возможно, она значительно выше. Может быть, поэтому звуковые посылки, используемые для локации, назад практически не распространяются.
Дыня, или жировая подушка, с акустической точки зрения кажется достаточно совершенным устройством. Она только частично состоит из жира. Им наполнены главным образом клетки, расположенные в нейтральной части подушки. В распределении различных видов жиров и их компонентов, обладающих различными преломляющими способностями, прослеживается определенная закономерность. В периферических частях подушки больше включений нежировых клеток и других тканей, так что в конечном итоге трудно обозначить ее границы. Нет никаких оболочек, резких границ между различными средами, от которых могли бы отражаться звуковые волны. Они без потерь проходят через линзу и одновременно преломляются в соответствии со свойствами данного участка.
Преломляющие свойства жировой подушки объясняются изменением скорости прохождения звуковых волн через жировое вещество различных ее участков; благодаря этому чечевицеобразная линза, видимо, способна преобразовать сферический фронт звуковой волны в плоский или даже в вогнутый.
В результате вместо того, чтобы распространяться во все стороны, звук идет узким лучом и вследствие фокусировки усиливается. Ученые предполагают, что дельфины способны изменять форму линзы и фокусировать звуковой луч, подстраиваясь к разной температуре, солености и глубине. Возможно, линза может смещаться в пространстве. Это позволило бы дельфинам менять направление звукового луча.
Бесспорные доказательства существования звукового прожектора накапливались понемногу. Удивительные результаты дали опыты на свежем трупе. Так как мертвое животное по вполне понятным причинам никаких звуков издавать не может, пришлось поместить позади жировой подушки миниатюрный звукоизлучатель, чтобы изучить характер распространения проходящих сквозь нее звуков. Результаты этих странных экспериментов не совпадали между собой. Одни исследователи обнаружили отчетливую фокусировку звуков, особенно высокочастотных: звуковая волна с частотой колебаний 186 кГц распространялась узким лучом шириной всего в 17°.
