Удивительный мир света

Физика одна из древнейших наук. Уже на заре человечества люди научились изготовлять первые оптические приборы – плоские зеркала. Гораздо позже появились зеркала сферические, позволяющие собирать световые лучи в один пучок или равномерно рассеивать их. Сначала зеркала делали из металла. Изобретение стекла открыло перед оптикой огромные возможности, но прошло очень много времени, прежде чем научились шлифовать стеклянные линзы.

Увеличительные стекла захватили воображение образованных людей того времени. Через них рассматривали мелкие предметы, а наиболее изобретательные, прикрепив для удобства к шлему или иному головному убору, использовали как своеобразные очки. Пока это были простые игрушки. Потребовалось еще немало усилий, чтобы они превратились в современные бинокли, телескопы, микроскопы и фотоаппараты. Создавая их, люди и не подозревали, что могут многое позаимствовать у природы. Ведь наш глаз устроен ничуть не хуже любого современного фотоаппарата или съемочной телевизионной камеры. Он имеет специальные устройства, преломляющие световые лучи и фокусирующие их на внутренней поверхности задней стенки глаза, диафрагму, регулирующую количество проникающего внутрь света, и светочувствительные элементы, возбуждение которых по волокнам зрительного нерва транслируется в затылочные области мозга, где, как на экране телевизора, проходит своеобразная развертка, возникают зрительные ощущения, зрительные образы.

Чтобы отчетливо видеть окружающие предметы, необходимо очень точно сфокусировать их изображение на воспринимающих элементах. В современных фотоаппаратах это достигается перемещением объектива. Точно такую же конструкцию использовала природа, создавая глаза первых позвоночных животных. Хрусталик, одна из главных преломляющих сред глаза, у рыб и амфибий снабжен специальной мышцей, с помощью которой он может передвигаться вдоль оптической оси глаза.

У рептилий, птиц и млекопитающих появляется новое, современной техникой еще не освоенное приспособление, позволяющее им осуществлять фокусировку, изменяя кривизну хрусталика, а следовательно, его преломляющую силу. Для этого служит кольцеобразная мышца, окружающая хрусталик.

Чтобы изменить форму хрусталика, у птиц и рептилий мышца сжимается и, сдавливая хрусталик, делает его более шарообразным. Кольцевая мышца млекопитающих, наоборот, растягивает хрусталик, делая его более плоским, когда же мышца расслабляется, хрусталик вновь увеличивает свою кривизну. Интересно, что при этом главным образом изменяется кривизна его передней поверхности, радиус которой колеблется между 6 и 10 миллиметрами, радиус задней поверхности изменяется не более чем на полмиллиметра.

Конструируя преломляющие устройства для глаз млекопитающих, природа допустила серьезный просчет. Она, видимо, не предполагала, что высший представитель этого класса животных – человек придумает крохотные крючочки и закорючки, назовет их буквами и будет с их помощью обмениваться информацией. Для этого людям пришлось стать достаточно близорукими, чтобы иметь возможность разбираться в своих же каракулях. Вот здесь по милости природы и начались наши неприятности. С возрастом хрусталик делается менее эластичным, растягивается он еще хорошо, но зато теряет способность принимать затем прежнюю форму: к старости человек становится дальнозорким, приходится прибегать к очкам.

Преломляющая сила глаза складывается в основном из преломляющей силы роговицы и хрусталика. Показатели преломления роговицы и находящейся за ней жидкости почти такие же, как у обыкновенной воды. Поэтому под водой наше зрение сильно нарушается. Световые лучи, попадающие в глаз, проходят сквозь роговицу ничуть не преломившись, а один хрусталик не в состоянии сфокусировать световой поток на светочувствительных элементах. В воде человек становится настолько дальнозорким, что практически любой предмет, как бы далеко он ни находился, оказывается для нас слишком близко, и мы способны видеть только достаточно крупные предметы, да и то очень расплывчатыми. Это ничуть не мешает водолазам и аквалангистам прекрасно ориентироваться в прозрачной воде. Но у них глаза непосредственно не соприкасаются с водой. От нее их отделяет стекло и тонкий слой воздуха, поэтому в фокусировке принимает участие и хрусталик и роговица. Изображение получается вполне отчетливым, только все предметы кажутся на треть крупнее, чем в действительности. Это обстоятельство нужно всегда иметь в виду, слушая охотничьи рассказы аквалангистов.

Преломляющая сила глаза зависит не только от кривизны роговицы и хрусталика, но и от качества материала, из которого они состоят. Роговица рыб, как и человека, неспособна в воде преломлять световые лучи. Рыбы и не пытаются ее для этого использовать, она у них плоская, зато хрусталик шаровидный. У китов роговица выпуклая, а показатель ее преломления велик, в фокусировке участвуют и роговица и хрусталик.

Каждый вид животных приобрел глаза, наиболее удобные для зрения в той среде, где он обитает. Труднее всего было тем, кому приходилось бывать и под водой и на суше. Им пришлось или выбирать себе зрение лишь для одной среды, или значительно реконструировать глаза. Небольшая рыба илистый прыгун выбрал для себя глаза типичного обитателя суши. Он постоянно вылезает на прибрежные деревья и проводит много часов вдали от воды. А если в воде его глаза ничего не видят, не беда: ведь в грязных лужах, где приходится обитать прыгунам, вода такая мутная, что глаза, пожалуй, совсем не нужны.

Жучки-ветрячки живут в чистой воде. Они не смогли сделать выбора, и природа снабдила их двумя парами глаз: одной для воды, второй для воздушной среды. Точно так же пришлось поступить природе с рыбкой четырехглазкой, обитающей в водоемах Центральной и Южной Америки. Питается четырехглазка насекомыми, ловко подпрыгивая и хватая их на лету.

Фактически у четырехглазки два вполне обычных глаза, только зрачки их сильно вытянуты в вертикальном направлении и разделены на две части специальной перегородкой. Преломляющие субстанции верхней части прозрачных сред глаза приспособлены для зрения в воздушной среде, нижние – в водной.

Особенно трудной задачей оказалось конструирование глаз для животных, способных очень быстро перемещаться. Бакланы, которым, как и всем птицам, для полета необходимо самое дальнее зрение, а в воде при ловле рыбы – самое ближнее, могут очень сильно менять кривизну хрусталика. Если у человека даже в юности преломляющая сила глаза достигает всего лишь 15 диоптрий, то у бакланов она составляет 40–50. Поэтому они одинаково хорошо видят и небольшую рыбешку, стремительно удирающую к зарослям подводной травы, и орла, висящего высоко в небе у них над головой.

Очень хорошо видят и в воде и на суше большинство тюленей и многие морские змеи. А вот пингвины, покидая воду, становятся очень близорукими.

Очень сильно отличаются глаза современных животных по своей чувствительности к свету. Причина этих различий понятна: освещенность на земном шаре изменяется в широких пределах: то светит яркое солнце, то день становится пасмурным, то наступила глухая ночь. Многие животные постоянно живут в темноте, под землей, в пещерах, в глубине океанов.

Многие днем спят и только ночью выходят из своих убежищ. У таких животных обычно или очень большие и очень чувствительные глаза, или эти органы оказываются редуцированными, и их хозяевам приходится обходиться без зрения.

Иногда глаза достигают прямо-таки гигантских размеров: у глубоководных моллюсков до 20 сантиметров в диаметре, а у маленькой амфиподы равны трети длины тела. У глубоководных рыб и моллюсков глаза имеют телескопическую удлиненную форму и очень большой зрачок. Все эти приспособления направлены на то, чтобы собрать внутри глаза как можно больше световых лучей и сфокусировать их затем на световоспринимающих элементах, которые обладают очень большой чувствительностью. Сове, чтобы отчетливо видеть, нужно в 100 раз меньше света, чем человеку.

Еще одной очень интересной особенностью обладают глаза глубоководных рыб и наземных хищников. У них внутренняя поверхность глаза имеет блестящий слой, так называемое зеркальце, которое очень хорошо отражает падающий на него свет. Благодаря этому зеркальцу светятся по ночам кошачьи глаза. Ни у волка, ни у кошки, ни у крокодила света глаза не вырабатывают, а отбрасывают попавшие внутрь и сконцентрированные на их задней поверхности слабые световые лучи звезд, луны, далеких огней. Поэтому в полной темноте глаза светиться, конечно, не могут.

Поистине жуткое впечатление производят на запоздалого путника, оказавшегося ночью в лесу, яркие, как угольки, внимательно следящие за ним из тьмы глаза. Однако не следует думать, что назначение зеркальца – пугать по ночам людей. Задача его иная: вновь отразить световые лучи на световоспринимающие элементы и тем самым усилить их действие. Глаза, снабженные зеркальцем, способны максимально полно использовать все крохи света, пришедшие сюда. Люди, к сожалению, лишены этого ценного приспособления, и поэтому глаза не выдают нас, когда нам случится ночью притаиться в засаде.

Воспринимающими элементами глаза являются колбочки и палочки. Колбочек в человеческом глазе около 7 миллионов, а палочек и того больше – около 130. Распределены светочувствительные элементы неравномерно: колбочки расположены гуще в центральной части зрительного поля. Особенно высока их концентрация в желтом пятне, которым мы обычно пользуемся для очень детального изучения окружающих предметов.

Другое назначение колбочек – цветоощущение. Далеко не все животные различают цвета. Цветоощущение впервые возникло у высших беспозвоночных. Головоногие моллюски, ракообразные и многие насекомые прекрасно разбираются в цветах. Насекомые до некоторой степени даже превзошли всех остальных животных: они способны видеть ультрафиолетовые лучи, совершенно недоступные человеку. Благодаря этому они видят удивительный мир, с которым мы познакомились лишь недавно, научившись делать снимки на фотопленке, чувствительной к ультрафиолетовым лучам.

У позвоночных хорошо различают цвета большинство дневных животных. Мир красок доступен многим рыбам, амфибиям, рептилиям и птицам. Лишь млекопитающих природа обделила этим даром. Может быть, это произошло потому, что их предки были ночными животными. Даже наши верные помощники – собаки, так много перенявшие у человека, различать цвета не научились. Кстати, не воспринимают цвета и копытные животные. Вопреки прочно укоренившемуся мнению, что быки очень не любят красного цвета, приходится констатировать, что они его совершенно не могут отличить от зеленого, синего или даже черного одинаковой с ним насыщенности. Из всех млекопитающих, по-видимому, только обезьяны да мы, люди, способны любоваться игрой красок.

Способность желтого пятна давать мозгу очень детальную информацию о рассматриваемом предмете, по-видимому, связана с очень высокой концентрацией здесь воспринимающих элементов, а также еще и потому, что каждая колбочка связана со своим собственным индивидуальным нейроном. Палочки такого индивидуального нейрона не имеют и вынуждены группироваться целыми компаниями вокруг одной-единственной нервной клетки.

С помощью желтого пятна мы увидим две разные точки, если их изображения попадут на две колбочки. Различать те же самые точки с помощью периферической части зрительного поля мы можем, когда их изображение проецируется на две разные компании палочек. Если две точки сфокусированы в пределах одной компании палочек, глаз увидит всего одну точку. Не удивительно, что у орлов и грифов, которым из поднебесья приходится высматривать на земле добычу, бывает не одно, а два или даже три желтых пятна.

Колбочки, кроме желтого пятна, есть и в остальных участках центральной части зрительного поля, только концентрация их здесь значительно ниже. А на периферии колбочек нет вовсе. Там находятся только палочки – световоспринимающие элементы более высокой чувствительности. Так как несколько палочек посылают свою информацию в одну и ту же нервную клетку, в сумерки очень слабо возбужденные палочки общими усилиями могут возбудить свой нейрон, и глаз все-таки что-то увидит, тогда как колбочки, адресующиеся лишь к своей собственной нервной клетке, в этом случае бессильны.

К помощи палочек мы прибегаем в сумерках, когда колбочки становятся просто помехой. Мы могли бы видеть ночью гораздо лучше, если бы не привычка фокусировать изображение на желтом пятне. Поэтому ночью мы гораздо лучше видим предметы, изображение которых оказывается на боковых участках сетчатки, а это происходит, когда мы не смотрим на предмет, который хотим увидеть.

Таким образом, для ночного зрения полностью или частично бесполезен значительный участок сетчатки, именно тот, которым так привычно и удобно пользоваться днем. Впрочем, и днем мы можем пользоваться не всей сетчаткой. Недалеко от желтого пятна расположено второе пятно – слепое. Здесь сквозь оболочки глаза выходят наружу волокна зрительного нерва. На этом участке совсем нет светочувствительных элементов, и он никакого участия ни в ночном, ни в дневном зрении не принимает.

Удивительно, что мы не замечаем дырки в собственном поле зрения. Отчасти потому, что смотрим на мир двумя глазами и на слепые пятна каждого из глаз ложатся различные участки изображения. При рассматривании какого-либо предмета наш глаз не остается неподвижным, а скользит по контурам и наиболее существенным местам изображения, а кроме того, совершает еще мелкие дрожательные движения. Изображение предмета очень быстро перемещается по сетчатке, а это дает нам возможность видеть все его части.

Различная концентрация световоспринимающих элементов приводит к тому, что мы видим достаточно отчетливо только специально рассматриваемый предмет. Для нас это очень хорошо, помогает сконцентрировать внимание на главном. Хищникам же, которые подстерегают свою добычу, необходимо очень широкое поле зрения. Они должны одинаково хорошо видеть достаточно обширный участок, и им такое зрение не очень подходит. Однако и здесь природа нашла выход.

Кому случалось погружаться в водолазном костюме в прозрачные морские воды вдалеке от суши, вероятно, чувствовал себя там довольно одиноко. Куда ни кинь взор, слева и справа, впереди, вверху и внизу – всюду голубовато-серая, уходящая вдаль дымка. И пустота: полная, бесконечная. Глазу просто не на чем остановиться. Даже космическое пространство не кажется таким пустым. Там ярко сияет солнце, весело поблескивают огоньки мириад звезд.

Рыбы, живущие в открытом океане, видимо, тоже чувствуют себя очень одиноко. Недаром большинство их ищет компании себе подобных, объединяясь в стаи.

Любой предмет в этой беспредельной пустоте приковывает внимание. От него невозможно оторвать взор, невозможно пройти мимо. На этом основан один из способов ловли на нехитрую снасть, называемую у рыболовов самодуром.

Устройство самодура несложно: длинная леска с грузилом на конце, к которой на отдельных поводках прикрепляют пяток рыболовных крючков. Наживки при ловле на самодур не требуется. Снасть опускают на глубину 30–50 метров и время от времени подергивают, а когда по дрожанию лески станет ясно, что рыба попалась, снасть осторожно вытаскивают в лодку.

На новичков обычно сильное впечатление производит то, что рыба глотает пустые крючки, и еще, пожалуй, большее, что она зацепляется за них брюхом, хвостом или спиной. А удивляться тут нечему. Рыбы, настрадавшиеся от пустоты, не могут оторвать взгляда от незнакомого предмета, пробуют его на вкус, вьются вокруг плотным клубком и нанизываются на крючки, когда рыболов подергивает за леску. Да если бы самого новичка опустить в морские глубины, он от голубой тоски не только крючки начал бы глотать, а и на сковородку сам бы выпрыгнул, если бы таковая поблизости оказалась.

Безусловно, для рыб, постоянно путешествующих в просторах голубовато-серого тумана, ни один встречный предмет не остается незамеченным. Ведь здесь ничто не приковывает взора, ничто не отвлекает, не мешает смотреть. Вот природа и решила создать некоторым хищным животным, живущим на расцвеченной веселыми красками земле, перед глазами пустыню, чтобы они легче замечали свою добычу.

Световоспринимающие приборы глаза устроены так, что они способны передавать в мозг информацию не об интенсивности падающего на них света, а лишь о характере изменения освещенности. Как только произойдет хоть малейшее изменение освещенности палочек и колбочек, они немедленно телеграфируют об этом мозгу и ждут следующих изменений, чтобы дать новую телеграмму. И так всю жизнь.

Об этих интересных особенностях световоспринимающих элементов впервые узнали благодаря изучению электрических реакций, возникающих при освещении глаза. Теоретическое осмысливание их приводило к гипотезе, что при пристальном рассматривании неподвижным глазом неподвижного предмета он может быть виден в течение лишь очень короткого времени. Проверить это предположение было не так-то просто, ведь человеческий глаз, кроме значительных поисковых движений, постоянно дрожит, совершая небольшие колебания. Все же ученым удалось найти остроумный способ для экспериментального изучения этого вопроса. Так как остановить движение глаза оказалось очень трудным, изображение прикрепили непосредственно к глазному яблоку. Благодаря этому, как бы глаз ни двигался, изображение фокусируется все на те же элементы сетчатки. Исследование подтвердило, что неподвижного изображения глаз не видит!

У позвоночных животных способность двигать глазами появилась на довольно поздних стадиях эволюции. Глаза большинства рыб неподвижны, но, видимо, им это не мешает. Вода не дает телу прочной опоры, и оно никогда не бывает абсолютно неподвижным, а вместе с ним движутся и глаза.

Когда древние рыбы превратились в земноводных и, выбравшись на сушу, получили для своего тела прочный фундамент, они взамен утратили способность непрерывно видеть окружающий их мир. Потеря эта оказала на амфибий, видимо, очень существенное влияние: утратив постоянный приток зрительной информации, они значительно поглупели по сравнению со своими предшественниками – рыбами. Когда нет информации, мозгу нечего делать и он не развивается.

Удивительный мир видят амфибии. Взгляните летним полднем на лягушку или жабу, нежащуюся где-нибудь на мелководье под лучами ласкового солнца. С каким философским спокойствием рассматривают они мир! Да и о чем волноваться! Когда жаркое марево повисло над болотом, а в воздухе не чувствуется ни ветерка и ни одна травинка, ни один листок не дрогнет, перед глазами у жабы вместо буйства красок висит, как занавеска, голубовато-серая дымка, точно попала она в просторы океана или сидит перед экраном включенного телевизора, у которого испорчено приемное устройство.

Как ни скучен, ни однообразен мир, который видят амфибии, такие глаза создают известные удобства. Ни одно живое существо не ускользнет от их взора. Вот мимо пролетела муха, и на пустом экране телевизора тотчас появилось ее изображение. Вот она села на стебелек осоки, травинка качнулась и тоже появилась на экране, но ненадолго, и вновь перед лягушкой на фоне серовато-голубой дымки лишь ползущая муха, одна-единственная на всем белом свете. Ну как же ее не заметить? Никакая добыча не ускользнет от таких внимательных глаз.

Временная слепота не мешает амфибиям жить и нормально ориентироваться. Они не натыкаются на предметы, ведь стоит только шевельнуться, и на экране молчавшего до того телевизора появляется окружающий мир.

Можно считать, что амфибиям не очень повезло с анализаторами. Условия приема звуковой и обонятельной информации в воздушной среде значительно отличаются от того, что происходило в воде. Эти органы чувств у амфибий оказались не очень хорошо приспособленными к новым условиям. Поэтому пищу амфибии находят только с помощью зрения, да и ту могут замечать, лишь когда она движется.

Кому приходилось держать жаб и лягушек у себя дома, знают, что неподвижную пищу они не берут. Это очень прискорбная особенность лягушек. Как известно, эти безобидные терпеливые существа стали излюбленным объектом ученых для проведения всевозможных медицинских и биологических исследований; к тому же лягушки очень дешевы, а содержать их можно в течение всей зимы где-нибудь в прохладном помещении, и корма они в это время не требуют, ведь и в природе они зимой впадают в спячку и в этот период совсем не едят.

Лягушки – очень удобный объект для исследования, но есть у них один-единственный недостаток, пришло лето – кончай работу. Лягушки выходят из спячки и начинают усиленно питаться. В этот период им нужно много корма и обязательно живого. В лабораториях, где содержится по нескольку сотен или тысяч лягушек, организовать питание очень сложно, да и живой корм стоит намного дороже самих лягушек. Пытаться приучить есть из кормушки кусочки сырого мяса – бесполезно. Ведь они его не видят. Долго не удавалось преодолеть это препятствие, пока не догадались сделать вращающуюся кормушку, вроде карусели, по краям которой раскладывают кусочки мяса. К такой кормушке лягушки скоро привыкают и начинают как ни в чем не бывало питаться мясом.

Трудно представить, что, создавая глаза, природа с самого начала планировала использовать особенности зрения неподвижным глазом для повышения его чувствительности. У высших животных это свойство не сохранилось, глаза получили способность двигаться.

Улучшение зрения шло по пути повышения чувствительности световоспринимающих приборов. Это вносило свои трудности в работу глаза: очень чувствительным приемникам, способным хорошо работать в сумерки, мешает сильный свет. Поэтому, еще на заре создания зрительных рецепторов, они обзавелись диафрагмой, чтобы менять интенсивность светового порога.

У человека, адаптированного к темноте, диаметр зрачка достигает 8 миллиметров, при ярком свете он в несколько раз меньше. Сужение зрачка не просто ограничивает световой поток, оно позволяет увеличить резкость изображения, так как световые лучи в этом случае проходят через центр роговицы и хрусталика, то есть через те части светопреломляющей системы, которые оптически более однородны.

Анализаторы обладают одной интересной особенностью: ощущение, вызванное каким-нибудь раздражителем, исчезает не сразу после прекращения его действия. Благодаря этому мы слышим непрерывные звуки, а не отдельные колебания, и достаточно частые световые вспышки воспринимаем как непрерывный световой раздражитель. Человек перестает замечать отдельные световые вспышки, если они даются с частотой 16–18 в секунду. Эти свойства зрения стали предпосылкой для возникновения особого вида искусства – кино. Благодаря тому что во время демонстрации кинофильмов отдельные диапозитивы проецируются на экран с частотой 24 кадра в секунду, мы видим непрерывное изображение, и у нас возникает иллюзия реальности движения.

Мы, люди, очень медлительные существа, и такая длительность последовательных ощущений нам не мешает жить. А вот птицам и летающим насекомым она не подошла. Если бы и у них ощущение сохранялось так же долго, им трудно было бы видеть окружающий мир при быстром полете. Зато они лишены удовольствия смотреть фильмы в наших кинотеатрах. Чтобы насекомые увидели единое изображение, потребовалось бы менять не меньше 200 кадров в секунду.

Камерный глаз высших животных настолько сложный прибор, что приходится учиться им пользоваться. Эту функцию берет на себя мозг. Раньше, чем пользоваться глазами, мозг должен научиться расшифровывать посылаемую ими информацию. Например, определять, который из двух предметов находится ближе. Может случиться, что их изображения на сетчатке окажутся равными или даже образ далекого предмета будет больше, чем ближнего.

Вообще простое изображение предмета на сетчатке не позволяет судить о его размерах. Решить эти вопросы на основе информации, полученной лишь от светочувствительных элементов, невозможно. Приходится сопоставлять чисто зрительные ощущения с показателями мышечных рецепторов, информирующих мозг о положении каждого из глаз (вернее, о величине угла, под которым пересекаются его оптические оси), а также с величиной аккомодации, то есть степенью изменения кривизны хрусталика. Величина аккомодации позволяет нам ориентироваться в величинах и расстояниях при рассмотрении предмета одним глазом. Этот же механизм используют многие животные, кролики, вальдшнепы, рыбы, устройство лицевой части черепа которых не дает возможность рассматривать интересующие их предметы двумя глазами.

Возможность к дешифровке и объединению оптических и двигательных показателей заложена в конструкции мозга, но этому приходится учиться точно так же, как и управлять своими руками и ногами.

Насекомые своими сложными глазами видят весь мир мозаичным, но им повезло в том отношении, что изображение окружающих предметов получается прямым. Позвоночным животным сложнее пользоваться своими камерными глазами. Поскольку световые лучи, проникающие в наш глаз, проходят сквозь крохотную двояковыпуклую линзу и в ней преломляются, изображение рассматриваемых предметов, сфокусированное на задней стенке глаза, оказывается перевернутым вверх ногами. Почему же мы видим мир нормальным, какой он есть на самом деле? Оказывается, наш мозг, сопоставляя показания, получаемые из глаз, с информацией, идущей от других органов чувств, главным образом от кожных и мышечных рецепторов, еще в раннем детстве привыкает в ней правильно разбираться.

А что будет, если изображение на задней стенке глаза окажется ориентированным правильно? Что увидит наш глаз тогда?

Подобные опыты проводились неоднократно. Вернуть изображению на сетчатке глаза правильное положение можно с помощью специальных очков. В первый момент весь мир кажется опрокинутым. Но если очки носить не снимая, уже через четыре дня мозг перестроится, и мы вновь увидим привычную картину. Зрение становится настолько нормальным, что человек может рисовать, свободно водить машину. Но стоит теперь снять очки, и мир вновь опрокинется навзничь. Опять придется мозгу привыкать к новой манере передачи информации. Какие процессы происходят при этом в мозгу, пока еще окончательно выяснить не удалось, но мы затронули здесь уже другую область – работу головного мозга.

Шепот планеты

Между зрительным и звуковым анализаторами есть весьма существенная разница: лишь очень немногие из животных способны светиться, тогда как подавляющее большинство тех, кто слышит, имеют специальные устройства, дающие им возможность наполнять мир звуками жизни. Сейчас уже нет возможности полностью восстановить, как развивалась у животных способность использовать звуковые сигналы. Можно лишь предполагать, что звуковой анализатор возник в связи с необходимостью слышать звуки, издаваемые жертвами или врагами.

Когда животные обзавелись ушами, то не могли не заметить, что немаловажную информацию можно получить и от своих ближайших сородичей, если прислушаться к производимым ими звукам. Эти сигналы рассказывали не только о том, что делают в настоящее время члены семьи или стаи, но и давали известное представление обо всем, что творится в мире. Отсюда один шаг до активной посылки сигнала своим сородичам.

У животных выработалась способность производить звуки для общения друг с другом. Чтобы достаточно точно воспроизводить эти звуки, нужно их очень хорошо слышать, поэтому звукопроизводящие и звуковоспринимающие органы должны были развиваться совместно.

Действительно, животные особенно хорошо воспринимают собственные звуки и голоса сородичей. Естественно, они не могли не заметить, что производимые ими звуки могут вызвать появление эха и что совершенно одинаковые звуки каждый раз могут породить весьма различное эхо. Когда природа поняла причину таких различий, она начала экспериментировать и ставила опыты до тех пор, пока не создала такие звуковоспроизводящие и воспринимающие системы, которые позволили животным использовать свои звуки непосредственно для собственной надобности.

Наиболее совершенным звуковым прибором обладают птицы и млекопитающие. Их голосовой аппарат, работающий за счет движения воздуха, способен издавать большую гамму звуков. Не все из них в одинаковой степени одарены природой, некоторых она почему-то обошла, создав их безголосыми. Тогда, чтобы внести лепту в общее море звуков или разнообразить репертуар, животным приходится изобретать свои способы выражения чувств и прибегать иногда для этого к подсобным средствам.

Наиболее характерным звуком для гудсонской совы является громкое щелканье клюва. Виртуозы с помощью клюва могут устраивать целые концерты. Звуки, издаваемые аистами, очень напоминают щелканье кастаньет. Широко варьируя ритм и силу звука, аисты исполняют чудесные серенады.

Дятлу одного клюва оказалось недостаточно. Влюбленный дятел выстукивает для своей подруги целые барабанные концерты, используя в качестве инструмента сухие деревья. Самец куропатки выбивает дробь крыльями, делая до 40 ударов в минуту.

У насекомых нет голосового аппарата, для производства звуков они обычно используют трение. Саранча водит лапкой по своим жестким крыльям. Кузнечики извлекают звук трением надкрылий друг о друга. У сверчков на трущейся поверхности крыла около 150 треугольных призм и четыре перепонки, вибрация которых усиливает звук. Не удивительно, что и уши у насекомых не на голове. У сверчка звуковоспринимающий аппарат расположен на коленке, у саранчи – при основании ножки.

Рыбы извлекают звуки при трении жаберных пластин. Карповые скрежещут глоточными зубами. Очень интересно устроен звуковой аппарат окуневых, особенно развитый у поющих рыб и морского петуха – триглы. Звуки издаются с помощью плавательного пузыря, благодаря сокращению особых барабанных мышц, которые вызывают колебания его стенок.

Многие звуки животные издают во время движения. Блеяние бекаса, несущееся с неба, возникает от вибрации рулевых перьев хвоста во время особого токового полета. Надсадный писк комара, от которого невольно замираешь, ожидая укуса, вовсе не является предупреждением – иду на вы, – какие посылал своим врагам киевский князь Ярослав Мудрый, собираясь на них напасть. Комариный писк возникает от движения крыльев, и, видимо, в некоторые моменты комар и рад бы замолчать, да не может.

Язык животных всегда интересовал людей. Желание понять его возникло еще на заре существования человечества. Жрецы, ученые, художники, писатели не раз обращались к этой теме. Языку животных посвящены целые тома. Среди их авторов много очень известных имен. Большинство этих произведений теперь уже забыты, в том числе «Азбука животных», принадлежащая перу известного английского писателя Чарльза Диккенса. Это было последним произведением выдающегося мастера слова.

Бесчисленные исследования не привели к дешифровке сигналов, которыми обмениваются животные. Только появление аппаратуры, позволяющей записывать, многократно воспроизводить и всесторонне анализировать звериные разговоры, позволило вплотную заняться этой захватывающей проблемой.

Назначение сигналов очень различно. Одни служат сигналом сбора, другие – опасности, третьими оповещают о находке пищи, четвертыми призывают подругу. Мелодичные, чарующие песни наших птиц чаще всего оповещают, что гнездовой участок уже занят.

Очень интересно и не совсем еще понятно, почему песни птиц и лягушек, в сущности несущие очень немного информации, столь сложные, а нередко еще и очень красивые музыкальные произведения. Способность к пению – врожденная реакция, но, чтобы правильно петь, птицам приходится учиться. Птенец, который ни разу не слышал голосов своих сородичей, никогда не станет хорошим певцом. Удивительно не то, что птицы способны учиться, а то, что они обладают хорошим вкусом. Никогда не бывает, чтобы хорошие певцы переняли плохую манеру петь, обычно плохие певцы учатся у хороших. Этим объясняется, почему в одних местах попадаются только хорошие певцы, а в других только плохие.

Язык животных оказался не столь бедным, как полагали. Особенно он богат у существ, живущих большими сообществами. На что уж куры глупые птицы, но даже у них ученые обнаружили до 30 слов-сигналов.

Каждому виду присущ только ему свойственный набор сигналов, а виды, широко распространенные по земному шару, распадаются даже на отдельные национальности или, вернее, языковые группы. Оказалось, что вороны, живущие в Соединенных Штатах, совершенно не понимают французских, а черноморские дельфины не знают языка своих средиземноморских собратьев.

С другой стороны, самые неродственные звери, если им приходится жить вместе, частично осваивают сигналы своих соседей, особенно оповещающие об опасности. Сигнал тревоги, который подает своим стрекотанием сорока, хорошо понятен всем обитателям окрестных лесов и полей. Даже косолапый хозяин тайги медведь или гроза уссурийских лесов полосатый красавец тигр не пропустят его мимо ушей. Наконец, среди птиц встречаются полиглоты. Это те, кому приходится кочевать. Так они осваивают различные варианты языка своих оседлых сородичей.

Голоса отдельных видов животных настолько разнятся, что их хозяев нередко легче отличить по этому признаку, чем по каким-нибудь другим. Знатоки птиц без ошибки скажут, к какому виду относится поющая пеночка, и, пожалуй, затруднятся определить, если птица попадет им в руки. Значительное различие голосов имеет глубокий смысл. Очень похожие пеночки никогда не дают гибридов, звуковые сигналы помогают им без ошибки узнавать друг друга. Такое же значение имеют песни многих насекомых. Даже комары узнают своих подруг по характерному для каждого вида писку, зависящему главным образом от частоты движения крыльев.

Сигналы, посылаемые животными, отличаются по длительности, по амплитудной и частотной модуляции, величине интервалов между отдельными звуковыми посылками, ширине спектральных полос, крутизне фронта нарастания и спадения сигнала и по ряду других признаков. Однако, как ни строго различаются между собой голоса животных, детальный анализ производимых ими звуков выявил известное сходство.

Оказалось, например, что сигнал воздушной тревоги у большинства птиц и мелких животных – длительный, медленно нарастающий звук. Такой сигнал с малой крутизной фронта нарастания очень трудно локализовать в пространстве, но в данном случае это значения не имеет. Когда враг грозит сверху, когда над головой ястреб или орел, готовый вас сию же минуту схватить, бесполезно удирать сломя голову. Сигнал «воздушной тревоги» не дает животным никакого указания на то, справа или слева, спереди или сзади угрожает опасность, а следовательно, не подсказывает, в какую сторону бежать. Остается только замереть на месте в надежде, что тебя не заметят, или юркнуть в ближайшее убежище. И только это может спасти при нападении сверху.

Совсем иначе выглядят сигналы наземной тревоги. В этом случае очень важно, с какой стороны грозит опасность, а следовательно, необходимо точно уловить, откуда подан сигнал. Поэтому сигнал наземной тревоги должен быть таким, чтобы его можно было точно локализовать. У кур это пачки коротких импульсов, круто нарастающих вначале, а затем медленно спадающих. На сигнал наземной тревоги птицы взлетают, а животные убегают в направлении, противоположном тому, откуда раздался сигнал.

Несмотря на неожиданное богатство языка животных, который может быть не только звуковым, это все же язык второго сорта. Все «слова» звериного языка передаются по наследству, а не выучиваются, как приходится делать детям. Сигналы, которыми обмениваются животные, возникают у них непроизвольно под влиянием тех или иных эмоциональных состояний. Когда курица испуганно кричит, увидев падающего с неба коршуна, это вовсе не означает, что она хочет оповестить подружек о грозящей опасности. Крик у нее вырвался так же непроизвольно, как вскрикиваем мы, случайно притронувшись к горячему утюгу. То, что язык животных врожденный, а обмен информацией происходит непроизвольно, одна из причин, почему он в отличие от языка людей развивается очень медленно.

Животные, длительное время обитающие вместе, в конце концов научаются извлекать из все тех же непроизвольных звуковых сигналов гораздо больше информации о нюансах окружающей обстановки. Так, по звуковым реакциям и общему поведению одной из двух живущих в доме собак вторая может совершенно точно знать, кого из членов хозяйской семьи увидела в окне ее товарка.

Животные могут и более активно пользоваться звуковой сигнализацией. Собаку не трудно научить подавать голос, когда ей хочется пить, громко и часто лаять, когда она голодна, и визжать, когда настало время для прогулки. Попугаев, голосовой аппарат которых ближе всего к человеческому, можно научить произносить отдельные слова и даже целые фразы на любом языке и употреблять их в соответствии с окружающей обстановкой. Попугай жако, которого привез в Англию отставной боцман одного из торговых судов, научился кричать «пить», когда в баночке высыхала вода, и говорить «дай салата», если ему хотелось пощипать зелени. Попугай никогда не забывал пожелать людям «спокойной ночи», даже если в комнате никого не было, прежде чем засунуть голову себе под крыло.

Подобная реакция уже шаг вперед по сравнению с непроизвольной сигнализацией, о которой говорилось выше, хотя от человеческой речи они все еще достаточно далеки. Это всего лишь условнорефлекторные реакции, ничуть не сложнее обычного условнорефлекторного отделения слюны, которое возникает у собаки в ответ на бренчание миски, когда хозяин наливает похлебку.

Возможны ли между животными более сложные формы сигнализации?

Недавно американские исследователи, изучавшие дельфинов, столкнулись с интересной загадкой. Двух животных, живших в одном бассейне, обучили при показе одной из двух фигур нажимать на левый рычаг, а при показе второй – на правый. Затем бассейн разгородили на две части. Дельфин, оставшийся в правой половине, хорошо видел фигуры, но не имел возможности дотянуться до рычагов. Второй дельфин, помещенный в левую часть бассейна, мог свободно нажимать на рычаги, но фигуры, предъявление которых служило сигналом для нажима, ему не были видны.

Когда обычный опыт впервые повторили в разгороженном бассейне, ученые были поражены тем, что левый дельфин, не видя сигнальных фигур, без ошибки нажимал на нужный рычаг. Это оказалось возможным потому, что правый дельфин сумел информировать своего левого собрата, когда и какие фигуры показывали.

Дельфины пользовались звуковой сигнализацией. Ее удалось даже записать на магнитную ленту. Неясным остается пока только характер этой информации. Возникают ли у правого дельфина звуковые реакции непроизвольно, как у собаки, увидевшей в окно своего хозяина, или дельфины могут в случае надобности активно обмениваться информацией об окружающей обстановке. Если правильным окажется второе предположение, это будет означать, что сигнальные реакции дельфинов ближе к разговору людей, чем сигнализация любых других животных.

Большое разнообразие и вместе с тем строгая специфичность звуковых сигналов не могли не вызвать подражания. Иногда сходство голосов двух животных бывает чисто случайным. Непосвященному горожанину, оказавшемуся ночью в лесу, где празднуют свои свадьбы безобидные, грациозные косули, придется испытать немало страха. Неожиданно сильный голос влюбленного самца очень напоминает рев крупного хищного зверя. Впрочем, ученые не знают, действительно ли это случайное сходство. Не исключено, что природа, планируя призывный клич косули, решила сделать его притягательным для самки и устрашающим для всех остальных. А как же иначе охранить этих беззащитных и в остальное время таких тихих и незаметных созданий, которые и защитить-то себя не в состоянии?

Гораздо чаще мы встречаемся с «сознательным» подражанием. Осы опасные существа, не каждый отважится на них напасть. Подражать им для беззащитных существ было бы весьма выгодно. Такие виртуозы нашлись. Там, где постоянно летают осы, нетрудно встретить крупных мух. Оса в пoлeтe жужжит, делая крыльями 150 взмахов в секунду. Мухи тоже жужжат, и звук их очень похож на осиный: они делают 147 взмахов в секунду. Такого сходства достаточно, чтобы хищники путали их с осами. Сами же мухи обладают достаточно изощренным слухом, чтобы не ошибаться: они никогда не пытаются заводить с осами любовные шашни.

Пчелиный улей – совершенно неприступная крепость. Только медведь решается вступить с пчелами в открытый бой, но и его нередко обращает в бегство дружная семья.

У летка в улей постоянно дежурит охрана, всегда готовая дать отпор любому обидчику. Мимо недремлющей стражи трудно пройти незамеченным. Как ни заманчив мед, как ни много желающих им полакомиться, пробраться в улей никто не может.

Вот почему ученых всегда удивляло, как это удается крупной бабочке бражнику «мертвая голова». Крылья и брюшко этой бабочки окрашены в черный и желтый цвета, а на спинке есть группа желтовато-белых пятнышек, очень напоминающих по форме череп и скрещенные кости, благодаря чему она и получила свое название. Проникнув в улей, «мертвая голова» выпивает огромное количество меда и, отяжелевшая, почти неспособная лететь, безнаказанно убирается восвояси. Бражник умеет издавать довольно резкие звуки. Эти «песни» «мертвой головы» и завораживают стражу. На пчел они оказывают такое же неотразимое влияние, какое песни сладкоголосых сирен на древних мореходов. Недавно удалось понять причину этой власти: оказалось, что бабочка умеет подражать «голосу» молодой пчелиной матки.

Пчелы без матки чувствуют себя сиротами. Когда в начале лета часть их вместе со старой маткой покидает отчий дом, улей погружается в уныние. Но вот из кокона вылупилась молодая матка, и в притихшей на несколько дней пчелиной семье все изменилось. Почти сразу же молодая матка начинает знакомиться с ульем, оживленно бегает по сотам и при этом «тюкает» (поет), объявляя рою о своем появлении на свет.

Тюканью только что вышедшей из кокона молодой матки и подражает «мертвая голова». На пчел это действует как магическое заклинание. Воспользовавшись временным замешательством, «мертвая голова» забирается на соты, торопливо сосет мед и спешит покинуть улей, пока его обескураженное население не успело прийти в себя.

Случаи звукоподражания, своеобразной звуковой мимикрии, встречаются и у других животных, хотя эти явления изучены еще недостаточно хорошо. Они чаще наблюдаются у водных животных, для которых звуки имеют гораздо большее значение, чем для наземных. К звукоподражанию прибегают хищники, чтобы беспрепятственно подобраться к жертвам; со своей стороны, жертвы подражают более сильным существам, чтобы отпугнуть хищников. Нередко используются ультразвуки, не воспринимаемые человеческим ухом, что значительно затрудняет изучение этого интересного явления.

Для животных, ведущих ночной образ жизни, использование эха так же привычно, как и другие виды звуковой сигнализации. Принцип прост: звуковая волна, порожденная животным, отражается от встретившихся ей на пути предметов и возвращается обратно. По тому, сколько времени потребовалось, чтобы звуковая волна вернулась обратно, животное может судить, как далеко находится предмет, а по характеру эха – и о свойствах этого предмета.

Способностью к эхолокации обладает подавляющее большинство высших животных. Лишенная зрения собака за один-два дня способна научиться не натыкаться на стены и крупные предметы. Ее изощренное ухо легко замечает отраженный от сплошных поверхностей звук, порождаемый шумом ее шагов. После более длительной тренировки собака может научиться избегать и более мелкие предметы.

Человек также способен пользоваться эхом. Слепые от рождения, обладающие очень развитым слухом, ориентируясь по звуку собственных шагов или палки, научаются в конце концов не натыкаться даже на не очень толстые деревья. По сравнению с дельфинами или летучими мышами это, конечно, очень грубый способ ориентировки, но характер звуков, используемых человеком, не дает ему возможности осуществлять более точные реакции.

Сходным образом ориентируются рыбы, движение их тел вызывает в подводном царстве местные сжатия, распространяющиеся в разные стороны, как обычные волны. Их отражение от встречных предметов улавливается особым органом, боковой линией, которая есть у всех рыб и хвостатых амфибий. С помощью такой вибролокации (волны, создаваемые рыбами, не относятся к звуковому диапазону) они даже ночью не натыкаются на подводные препятствия.

Чтобы локация стала более совершенной, природе потребовалось реконструировать у животных звуковоспроизводящие органы. Во-первых, при локации нет необходимости посылать звук во все стороны, как это происходит при звуковой сигнализации между животными. Гораздо выгоднее посылать звук узким пучком строго в том направлении, которое необходимо обследовать. Во-вторых, не каждый звук пригоден для локации. Чтобы звук хорошо отразился, препятствие должно быть в 2–3 раза больше звуковой волны. Поэтому для локации используются, как правило, короткие волны.

Из птиц, способных к эхолокации, наибольшей известностью пользуется гуахаро, живущий на островах Карибского моря и в близлежащих странах Латинской Америки. Эти крупные, шоколадно-коричневые в белую крапинку птицы, размах крыльев которых достигает без малого метра, очень похожи на больших ястребов.

У гуахаро ночной образ жизни. Весь день проводят они в глубине пещер, где вьют свои гнезда на недоступных карнизах. Ночью птицы вылетают на кормежку в поисках плодов тропических пальм, а с рассветом возвращаются обратно. Уверенно проносятся они в полной темноте по извилистым подземным коридорам, не натыкаясь на стены и выступы. Птицам хорошо «видна» дорога, они «освещают» ее звуком.

Во время полета гуахаро издают частые, короткие звуки в диапазоне 7000 колебаний в секунду, вполне доступные человеческому уху. Звук, как известно, в воздушной среде распространяется со скоростью 340 метров в секунду, то есть в 12–15 раз быстрее скорости птицы, поэтому звуковая посылка всегда успевает на много раньше, чем сами гуахаро, достичь препятствия и вернуться обратно. Птицы получают своевременную и исчерпывающую информацию о ближайших отрезках пути. Для той же цели пользуются звуковой эхолокацией ласточки-саланганы и некоторые другие ночные птицы.

Летучим мышам и дельфинам эхолокация нужна не только для того, чтобы избегать препятствий. Она необходима и при поисках пищи, поэтому им пришлось взять на вооружение ультравысокие звуки с частотой от 40 до 300 тысяч в секунду и длиной волны 1–3 миллиметра.

Летучие мыши, питающиеся плодами, ягодами и крупными сидящими на ветвях и листьях насекомыми, и вампиры, пьющие кровь крупных животных, лоцируют с помощью звуков слабой интенсивности и частотой до 150 тысяч в секунду. У этих животных задача относительно легкая: отыскать хотя подчас и небольшие, но неподвижные объекты, поэтому они используют звуки постоянной частоты.

Гораздо сложнее задача у дельфинов и летучих мышей, хватающих добычу на лету. Им нужно получить информацию не только о том, где в данный момент добыча, но и куда, с какой скоростью держит путь. Видимо, поэтому большинство летучих мышей используют для локации звуковые посылки, в которых частота колебаний звуковых волн меняется.

Например, некоторые гладконосые мыши, повиснув где-нибудь на ветке вниз головой, как птицы-мухоловки, высматривают добычу, поворачивая мордочки в разные стороны и посылая в пространство 10–20 раз в секунду сигналы, состоящие примерно из 50 звуковых колебаний, которые начинаются на частоте 90 тысяч, а заканчиваются при частоте 45 тысяч, то есть в одной посылке нет даже двух одинаковых частот. Когда добыча обнаружена, частота посылок увеличивается до 200 в секунду, а длительность каждой сокращается до 0,001 секунды.

Ученые считают, что, определяя направление полета жертвы, летучая мышь руководствуется изменением длины звуковых волн эха по сравнению с размером волн локационного импульса. Если добыча движется навстречу мыши, то отраженные звуковые волны будут короче. Они как бы сжимаются летящей жертвой, и чем ее скорость больше, тем больше будут сжиматься отраженные волны, тем звуковой состав эха будет более высоким. Если же добыча улетает от мыши, звуковые волны эха растягиваются тем больше, чем быстрее она летит, и тем более низкий звук доходит до ушей преследователя.

Эхолокатор летучих мышей настолько совершенен, что они могут отличить одинаковые кусочки бархата от наждачной бумаги и фанеры. Каждый предмет по-своему отражает звуковые волны. От гладких поверхностей они отражаются полнее, тогда как шероховатые, мягкие поверхности их гасят. Этим объясняется, почему иногда летучие мыши запутываются в высоких дамских прическах. Они вовсе не собирались причинить вреда их испуганным обладательницам, а просто случайно столкнулись с пышной шевелюрой, не получив от нее эха.

Насекомые, которые служат пищей летучим мышам, давно догадались об особенностях отражения звуковых волн. Они поняли, что могут стать невидимыми. Вот поэтому, а вовсе не из-за ночного холода, тело большинства ночных бабочек, и мотыльков, и даже некоторых жуков покрыто густым и мягким пушком. Они дают очень слабое и чрезвычайно расплывчатое эхо, так что летучая мышь может даже и не заметить добычи. А если у бабочки к тому же есть звукоприемник, настроенный на волну локатора ночной хищницы, шансы остаться в живых сильно повышаются, ведь чтобы спастись, насекомому нужно только сложить крылья и камнем рухнуть в траву.

С помощью своего удивительного локатора летучие мыши могут не только ориентироваться в воздушном океане, но способны даже «просвечивать» более плотные среды. Среди них есть любители рыбного стола. Летая над самой поверхностью воды, они посылают вниз звуковые сигналы и, как только получат нужный ответ, опускают лапы в воду и вытаскивают на поверхность свою добычу.

Ученые не сразу поняли, как им это удается. Мало того что уходящий в воду звуковой сигнал частично отражается от ее поверхности, а возвращающееся назад эхо сильно рассеивается воздухом, акустические свойства воды и рыбьего тела, которое само на 80 процентов состоит из воды, имеют большое сходство, и звуки, издаваемые летучей мышью, практически не должны отражаться от рыбьих тел. Так в действительности и происходит. Сами рыбы для летучих мышей, оказывается, совершенно не «видны». Но у них есть небольшие плавательные пузыри, наполненные газом. Они-то и выдают рыб. Летучие мыши, прощупывая локатором толщу воды, легко их обнаруживают.

Особенно большие специалисты в эхолокации киты и тюлени полярных областей, которым большую часть года приходится доставать рыбу из-подо льда, покрытого к тому же толстым снежным покровом. В долгие полярные ночи ничто, даже северные сияния, не освещает подводное царство. Естественно, приходится прибегать к помощи ушей.

Локацией пользуются лесные мыши, землеройки и многие другие животные, но мы этих звуков не слышим.

Кому приходилось наблюдать летучих мышей в неволе, вероятно, замечал, что в спокойном состоянии мышь никогда сразу не полетит. Прежде чем оторваться от опоры, она, сложив губы в небольшую трубочку, опишет мордочкой в воздухе несколько кругов, с каждым разом все больше увеличивая их радиус.

Многие летучие мыши лоцирующий импульс отправляют не ртом, а через ноздри. Натуралисты даже и не догадывались, что мыши умеют издавать какие-нибудь звуки. Если бы мы обладали хотя бы такими же ушами, какие имеют собаки, мы могли бы кое-что слышать. Ведь вампирам, нападающим на людей, лошадей и других сельскохозяйственных животных, редко удается полакомиться собачьей кровью. Видимо, лоцирующие импульсы вампира будят собак, и они не дают себя в обиду.