Как летучие мыши «видят» ушами: секреты эхолокации

Летучие мыши — одни из самых точных навигаторов в животном мире. Более тысячи видов используют эхолокацию для ориентации в темноте и охоты. Это около 70–85% всех известных видов летучих мышей.

Эхолокация — это способность получать информацию об окружающем пространстве с помощью отражённых звуковых сигналов. Летучая мышь испускает ультразвук, который отражается от предметов и возвращается в виде эха. По этим отражённым сигналам мозг определяет расстояние до объектов, их размеры, форму и направление движения.

При этом летучие мыши вовсе не слепые. У большинства видов хорошо развито зрение, которое помогает ориентироваться на больших расстояниях. Однако в темноте главным помощником становится именно эхолокация.

Чтобы ориентироваться в полной темноте, летучая мышь должна создать ультразвуковой сигнал, уловить эхо и мгновенно обработать полученную информацию. Каждый из этих этапов играет важную роль. Рассмотрим их по порядку.

Как рождается ультразвуковой сигнал

Летучие мыши используют ультразвук — звуковые волны, частота которых превышает возможности человеческого слуха. Человек обычно слышит звуки примерно до 20 кГц, хотя с возрастом верхняя граница постепенно снижается. У летучих мышей рабочие частоты могут находиться примерно в диапазоне от 20 до более чем 200 кГц в зависимости от вида.

Ультразвуковой сигнал образуется в гортани. Затем он выходит либо через рот, либо через нос — это зависит от особенностей конкретного вида.

Во время полёта летучая мышь постоянно меняет сигналы. Пока она ищет добычу, импульсы звучат реже. Когда цель найдена, они становятся всё чаще. Это помогает получать больше информации и точнее следить за добычей.

Какие сигналы используют летучие мыши

Летучие мыши используют разные виды ультразвуковых сигналов. Одни помогают лучше замечать движущуюся добычу, другие — точнее определять, где она находится и какого она размера.

Учёные называют эти сигналы CF и FM:

• CF-сигналы (Constant Frequency) почти не меняют свою частоту. Они помогают замечать движущиеся объекты, потому что хорошо работают с эффектом Доплера — изменением частоты звука при движении цели.
• FM-сигналы (Frequency Modulated), наоборот, быстро меняют частоту. Благодаря этому летучая мышь может точнее определить расстояние до объекта, его форму и размеры.

Большинство видов летучих мышей использует главным образом FM-сигналы. Лишь некоторые группы, например подковоносы, сочетают FM- и CF-сигналы, чтобы получать больше информации об окружающем пространстве.

Что рассказывает отражённый звук

Эхо — это не просто возвращение звука. Каждый объект отражает ультразвук по-своему. На отражение влияют размер предмета, его форма, материал и даже особенности поверхности. Мягкое насекомое отражает волну иначе, чем гладкий камень. Лист дерева создаёт одно эхо, а толстая ветка — совсем другое.

Именно поэтому летучие мыши способны различать добычу среди большого количества препятствий и не сталкиваются с окружающими объектами даже во время быстрого полёта. Одновременно мозг получает несколько видов информации:

• по задержке эха определяется расстояние;
• по изменению частоты вычисляется скорость движения;
• по форме отражённого сигнала оцениваются размеры объекта;
• по особенностям отражения можно судить о характере поверхности.

Все эти параметры анализируются параллельно и практически мгновенно.

Необычная внешность летучих мышей — результат приспособления к эхолокации. Большие уши помогают улавливать эхо, а строение головы влияет на работу ультразвукового «сонара».

Форма черепа и тип звукового излучения

У одних летучих мышей ультразвук выходит через нос. Для этого у них есть носовые листья — хрящевые выросты, которые помогают точнее направлять звуковую волну. Исследования также показали, что у таких видов некоторые слуховые косточки среднего уха увеличены. Это помогает лучше воспринимать эхо.

Другие виды издают ультразвук через рот, поэтому строение их черепа отличается. Форма головы, размеры костей и другие анатомические особенности связаны с тем, на каких частотах работает эхолокация. Всё это показывает, что строение головы напрямую связано с образом жизни и способом охоты летучих мышей.

Особое строение внутреннего уха

Чтобы эхолокация работала так точно, важно не только хорошо слышать, но и быстро обрабатывать звук. Главную роль в этом играет улитка — часть внутреннего уха, которая превращает звуковые колебания в нервные сигналы для мозга.

Долгое время учёные считали, что у всех эхолоцирующих летучих мышей внутреннее ухо устроено одинаково. Но исследование, опубликованное в Nature в 2022 году, показало, что это не так. Оказалось, что у разных эволюционных групп летучих мышей внутреннее ухо устроено по-разному. Это значит, что высокая чувствительность к ультразвуку развивалась несколькими путями, хотя все эти животные используют эхолокацию.

Сигналы летучих мышей могут быть очень громкими. Современные исследования показывают, что у некоторых видов громкость ультразвука достигает 135–140 дБ — это сопоставимо с шумом реактивного двигателя. Однако услышать эти звуки человек не может, потому что они слишком высокие по частоте.

Во время охоты эхолокация работает особенно эффективно. Летучие мыши способны резко менять направление полёта и ловить насекомых даже в полной темноте. Скорость полёта зависит от вида. Многие летучие мыши разгоняются примерно до 50 км/ч, а бразильский складчатогуб — более чем до 160 км/ч, что делает его одним из самых быстрых летающих животных.

Во время поиска добычи летучая мышь посылает редкие ультразвуковые сигналы, сканируя пространство. Когда цель обнаружена, она переходит в режим «охотничьего жужжания»: сигналы становятся намного чаще, и мозг почти непрерывно получает новые данные о положении добычи. Это позволяет постоянно уточнять её траекторию и менять направление полёта, чтобы точно перехватить даже очень быстрое насекомое.

Эхолокационные сигналы нельзя назвать универсальным языком. Каждый вид использует собственный набор звуков, который отличается частотой, длительностью, ритмом и скоростью повторения импульсов. Эти особенности зависят прежде всего от среды обитания.

Летучие мыши, которые живут в густом лесу, чаще используют сигналы, помогающие различать препятствия на небольшом расстоянии. А виды, которые охотятся над открытой местностью, выбирают другие параметры ультразвука. Они позволяют обнаруживать добычу на большем расстоянии.

Получить отражённый сигнал — только половина задачи. Главная работа происходит в мозге, который за доли секунды превращает эхо в картину окружающего пространства.

Учёные выяснили, что разные участки слуховой коры выполняют разные задачи. Одни нейроны определяют расстояние до объекта по времени, за которое возвращается эхо. Другие анализируют изменение частоты сигнала и вычисляют скорость движения добычи с помощью эффекта Доплера.

Все эти процессы идут одновременно. Пока одни участки мозга определяют расстояние, другие оценивают скорость и направление движения объекта. Благодаря этому летучая мышь может быстро менять траекторию полёта и ловить даже очень подвижных насекомых. Именно такая организация делает эхолокацию одной из самых совершенных систем ориентации в животном мире.

Летучие мыши — самые известные, но далеко не единственные животные, которые используют эхолокацию. Похожие системы независимо появились у разных групп животных. Учёные называют это конвергентной эволюцией — когда разные виды приходят к похожему решению одной и той же задачи, хотя происходят от разных предков.

Самые известные «конкуренты» летучих мышей — зубатые киты, прежде всего дельфины. Под водой зрение работает хуже, поэтому они используют биосонар. Дельфин испускает короткие звуковые импульсы, получает отражённое эхо и по нему определяет расстояние, размеры и положение объектов.

Несмотря на сходство, эхолокация у дельфинов и летучих мышей возникла независимо. Более того, исследования показали, что у этих животных даже появились похожие изменения в некоторых слуховых генах, например Prestin. Это один из самых известных примеров конвергентной эволюции.

Эхолокацию используют и некоторые птицы. Например, гуахаро и отдельные виды саланган ориентируются с помощью щелчков в тёмных пещерах. Однако их система гораздо проще, чем у летучих мышей, и не позволяет так же точно обнаруживать мелкую добычу.

Изучая, как летучие мыши и дельфины ориентируются с помощью отражённых звуковых волн, инженеры создали технологии, которые работают по тому же принципу. Например, гидролокаторы на подводных лодках и исследовательских судах посылают звуковые сигналы, принимают эхо и по нему определяют расстояние до объектов.

Похожий подход используется и в медицине. Аппарат УЗИ посылает ультразвуковые импульсы и по их отражению строит изображение внутренних органов. Исследования эхолокации также помогли усовершенствовать системы обработки сигналов, которые применяются в навигации, робототехнике и беспилотном транспорте. Это ещё один пример того, как наблюдения за природой помогают создавать новые технологии.

Некоторые незрячие люди используют эхолокацию, чтобы ориентироваться в пространстве. С помощью щелчков языком и отражённого звука они могут определять расположение стен, деревьев, автомобилей и других препятствий. Однако возможности человека гораздо скромнее, чем у летучих мышей.

Исследования показали, что у опытных людей во время эхолокации активируются участки мозга, которые обычно обрабатывают зрительную информацию. Это значит, что мозг способен приспосабливаться и использовать слух для решения задач, которые обычно выполняет зрение.

Эхолокация помогает летучим мышам ориентироваться в темноте, избегать препятствий и ловить добычу с высокой точностью. При этом она не заменяет зрение, а дополняет его, позволяя животным уверенно действовать там, где глаза уже не помогают.

Изучение эхолокации помогает учёным лучше понять работу мозга и эволюцию органов чувств, а инженерам — создавать новые технологии для медицины, навигации и робототехники. Это ещё один пример того, как природа вдохновляет на научные открытия.