Ультразвуковая коммуникация

Размещено на http://www.allbest.ru/

МГППУ

Реферат

на тему: Ультразвуковая коммуникация

Преподаватель:

М.Н. Сотская

Выполнила:

В.Н. Семёнова ПО 1-1

С течением эволюции у целого ряда животных выработался своеобразный механизм ориентировки с помощью ультразвуковой локации. Сущность ее заключается в улавливании при помощи очень тонкого слуха отраженных предметами звуков высокой частоты, издаваемых голосовым аппаратом животного. Учащая ультразвуковые импульсы и улавливая их отражения, летучая мышь способна определять не только наличие предмета, но и расстояния до него. Происхождение эхолокации у животных остаётся неясным. вероятно, она возникла как замена зрению у тех, кто обитает в темноте пещер или глубин океана (Такая локация почти полностью заменяет слабо развитое зрение. Сходного типа устройство имеется и у китообразных, способных передвигаться в совершенно непрозрачной воде, не наталкиваясь на препятствия). ультразвук локация коммуникация биоакустика

Наиболее развита ультразвуковая коммуникация у летучих мышей и дельфинов, также её используют землеройки, ряд видов ластоногих (тюлени), птиц (гуахаро, саланганы ), среди членистоногих эхолокация обнаружена только у ночных бабочек совок.

Рассмотрим летучих мышей, как животных, благодаря которым, собственно, эхолокация и была открыта и впервые изучена.

Летучие мыши обнаруживают предметы, преграждающие им путь, испуская неслышимые для человека звуки и улавливая их эхо, отраженное от предметов.

До открытия ультразвуковой эхолокации предполагалось, что летучие мыши обладают экстрасенсорным восприятием. Открытие же эхолокации связано с именем итальянского естествоиспытателя Ладзаро Спалланцани. Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате (где оказываются беспомощными даже совы), не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими. Коллега Спалланцани Ж. Жюрин провёл другой опыт, в котором залепил воском уши летучих мышей, -- и зверьки натыкались на все предметы. Отсюда учёные сделали вывод, что летучие мыши ориентируются по слуху. Однако эта идея была высмеяна современниками, поскольку ничего большего сказать было нельзя -- короткие ультразвуковые сигналы в то время ещё было невозможно зафиксировать.

Впервые идея об активной звуковой локации у летучих мышей была высказана в 1912 году Х. Максимом. Он предполагал, что летучие мыши создают низкочастотные эхолокационные сигналы взмахами крыльев с частотой 15 Гц.

Об ультразвуке догадался в 1920 году англичанин Х. Хартридж, воспроизводивший опыты Спалланцани. Подтверждение этому нашлось в 1938 году благодаря биоакустику Д. Гриффину и физику Г. Пирсу. Гриффин предложил название эхолокация (по аналогии с радиолокацией) для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука.

Исследования доктора О. Хенсона, анатома Иельского университета, показали, что в момент испускания разведывательных ультразвуков мышцы в ушах летучих мышей закрывают ушные раковины для предотвращения повреждения слухового аппарата.

Примечательно, что во время полёта летучие мыши поют песни на высоких частотах, используя сложные сочетания слогов. Они создают ультразвуковые волны от 40 до 100 кГц. Зов бразильского складчатогуба включает от 15 до 20 слогов. Ухаживая за самкой, каждый самец поёт свою собственную песню, хотя в целом мелодии всех песен похожи. Разница заключается в индивидуальном сочетании различных слогов. Сложные голосовые сообщения используются не только для ухаживаний, но также для опознавания друг друга, обозначения социального статуса, определения территориальных границ, при воспитании потомства и при противодействии особям, вторгшимся на чужую территорию. По мнению биолога Майкла Смотермана, ни одно другое млекопитающее, кроме человека, не обладает способностью общаться с помощью столь сложных голосовых последовательностей. Голосовой центр, ответственный за организацию сложных последовательностей слогов, у летучих мышей расположен несколько выше, чем у человека, и учёные пока не могут определить, где именно он находится.

Летучие мыши, которые питаются рыбой (например, мексиканская рыбоядная мышь), патрулируют водную поверхность по ночам, излучая весьма сильные эхолокационные сигналы. Однако эти сигналы не проникают в толщу воды. Мышь не обнаружит рыбу, находящуюся под водой, но сразу же найдёт, если рыба высунет из воды хотя бы небольшую часть тела.

Эхолокация летучих мышей различается в разных семействах. Подковоносы излучают сигналы через нос, и эти сигналы представляют собой короткие (50--100 мс) ультразвуковые посылки с постоянной частотой 81--82 кГц, но в конце сигнала частота резко падает на 10--14 кГц. А гладконосые летучие мыши излучают через рот существенно более короткие (2--5 мс) сигналы с частотой, которая за это время падает с 130 до 30--40 кГц.

Летучие мыши способны обнаружить препятствие из проволок на расстоянии от 17 метров. Дальность обнаружения зависит от диаметра проволоки. Проволока диаметром 0,4 мм будет найдена с расстояния 4 метра, а диаметром 0,08 мм -- с 50 см. Длина типичных локационных сигналов летучей мыши -- около 4 мм. Однако мышь реагирует не только на толщину, но и на длину проволоки, в результате чего при достаточной длине отрезка проволока будет обнаружена.

Но даже от такого неуловимого хищника, как летучая мышь, можно придумать защиту - опять же с помощью эхолокации. Так, у ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых.

Вторыми, кого ученые «заподозрили» в способности к эхолокации, были землеройки, состоящие в относительно близком родстве с летучими мышами. Землеройки относятся к самым крохотным млекопитающим. Длина тела у наиболее мелких из них всего 3,5 сантиметра, а вес достигает полутора граммов.

Отправляясь на охоту, зверьки время от времени издают тонкие частые свисты. Их высота может достигать 100 килогерц. Ученые знают, что животные нередко не слышат собственных звуков. Проверить слух крохотных землероек нелегко. И все же удалось получить доказательство, что зверьки эти не только воспринимают ультразвуки, но и умеют пользоваться эхолокацией. Проделали следующий опыт. На небольшом манеже в беспорядке расставили 400 крохотных бутылочек, которые от малейшего прикосновения падали. В полной темноте на манеж выпустили зверька, а затем подсчитали, сколько он повалил бутылочек. Нормальные землеройки и зверьки со сбритыми усами-вибриссами натыкались на препятствия гораздо реже, чем те, которым затыкали уши. Значит, животные пользовались эхолокацией и, передвигаясь по манежу, ориентировались с помощью эха - отраженных от бутылочек звуков.

Еще более интересные результаты были получены в другом эксперименте. Землеройка по толстой пластмассовой трубке попадала на круглый столик, откуда перепрыгивала на соседнюю платформу. Когда животное осваивалось с обстановкой, платформу постепенно опускали. Опыты проводили в полной темноте. Платформа ничем не пахла. Причем положение ее все время менялось, и поэтому обнаружить платформу можно было только с помощью эхолокации. Если животное правильно решало задачу, то, спрыгнув на платформу, оно могло по специальной лесенке попасть в камеру, где для него были приготовлены корм и вода. Если ошибалось, то падало с изрядной высоты на пол, и угощения, естественно, не получало. Землеройке ничего другого не оставалось, как, отыскав вход в пластмассовую трубку, вернуться на круглый столик и возобновить поиски дороги к корму.

После небольшой тренировки водяные, короткохвостые и другие бурозубки безошибочно находили платформу, опущенную на 11 сантиметров. Они обнаруживали ее даже на расстоянии 25 сантиметров, но прыгать не решались. С помощью прибора ночного видения ученые подсмотрели, как бурозубка суетилась на краю круглого столика со стороны платформы, свешивалась вниз, но в конце концов отходила в центр. Животные с затычками в ушах редко решали задачу правильно. Очевидно, слух им был совершенно необходим, чтобы отыскивать платформу. Микрофон, установленный над площадкой, засвидетельствовал, что в темноте землеройки 4 - 6 раз в минуту издавали короткие и длинные высокочастотные звуки и при этом подергивали мордочкой.

Большинство мышей способны слышать и издавать ультразвуки. В визге крыс зарегистрированы высокочастотные компоненты. Агрессивно настроенные животные генерируют звуки до 50 килогерц. Это коммуникационный сигнал. В ответ подчиненные крысы, чтобы засвидетельствовать диктатору свое почтение, расшаркиваются особым, более низким звуком. Детеныши желтогорлой мыши, рыжей полевки, щетинистой крысы, слепушонки и других мышей, требуя внимания, защиты и материнской ласки, очень тонко пищат. Мышь-мать, уловив сигнал о помощи, недоступный человеческому уху, мгновенно бросается к мышатам.

Ученые пока лишь гадают, пользуются ли грызуны эхолокацией в природных условиях. Общественные и узкочерепные полевки в лабораторной обстановке без особых усилий овладевают искусством эхолокации. Опыты проводились все на том же круглом столике. Животные на расстоянии 8 - 10 сантиметров обнаруживали платформу, на которую должны были прыгать. Когда полевкам заклевали уши или разрушали барабанную перепонку, они начинали ошибаться.

Так же, эхолокацию используют для навигации и птицы -- жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки -- от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, воспринимаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц). Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чутким слухом птицы.

Ультразвуковой эхолокацией в воде пользуются китообразные(Использование звуков как основного канала общения вызвано тем, что в условиях водной среды видимость может быть ограничена, а запахи распространяются существенно медленнее, чем в воздухе) Достаточно хорошо изучен своеобразный ультразвуковой язык дельфинов. Однако единого мнения ученых о нем пока не существует, возможно, это связано с некоторой неадекватностью подхода к анализу этого явления. Изучаются, главным образом, свисты дельфинов, тогда как для передачи информации гораздо перспективнее использовать локационные сигналы. Эхолокация создала предпосылки для возникновения уникальной системы коммуникации, недоступной другим животным.

Как говорилось выше, звук для водных организмов -- важнейший источник информации, так как в воде звуковые колебания распространяются в 5 раз быстрее, чем в воздухе. Именно поэтому у водных организмов так усложнены и видоизменены органы слуха.. Ушная раковина отсутствует. Слуховой проход сужен и открывается позади глаза маленьким отверстием; видимо, служит отдельным чувствующим органом, воспринимающим изменение давления. Барабанная перепонка выгнута наружу (усатые киты) или внутрь (зубатые киты). Звук китообразные воспринимают через кости черепа и нижнюю челюсть, чей задний конец близко подходит к области внутреннего уха и иннервирован ветвью тройничного нерва. Строение внутреннего уха у китообразных очень сложное, с увеличенной улиткой. Китообразные способны улавливать звуковые волны в диапазоне от 150 Гц до ультразвуковых колебаний в 120--140 кГц. Наиболее острый слух у зубатых китов; у усатых китов он хуже по сравнению с наземными млекопитающими.

Китообразные издают звуковые сигналы в тех же частотах, которые воспринимают сами. Поскольку голосовые связки у них отсутствуют, звуки производятся в результате вибрации «звуковых губ» (зубатые киты) или с помощью гортани и глотки (усатые киты). У беззубых китов нет звуковых губ, и образование звуков происходит в глотке, но поскольку у них нет голосовых связок, точный механизм остаётся неясным. Этот процесс не является полностью аналогичным человеческому, поскольку китам для создания звуков нет необходимости выдыхать воздух.

Коммуникационные звуковые сигналы, издаваемые китообразными, многочисленны и разнообразны; имеются особые сигналы питания, беспокойства, страха, спаривания, боли и т. п. Некоторые китообразные из подотряда Odontoceti, подобно летучим мышам, способны к направленной эхолокации. У них образовался особый эхолокационный аппарат, состоящий из жировой подушки и вогнутой передней поверхности черепа, которые действуют как звуковая линза и рефлектор, концентрируя излучённые ультразвуковые сигналы и в виде звукового пучка, направляя их на объект. Владея в совершенстве своим звукогенератором и имея склонность к звукоподражанию, китообразные, видимо, используют для передачи информации имитацию эхосигналов, отраженных от окружающих предметов, чтобы сообщить о них членам своего стада. Целый ряд наблюдений подтверждает это предположение. Дельфины азовки особенно широко применяют для общения сигналы, напоминающие локационные посылки.

Использование для передачи информации копий эха от локационных посылок должно сделать общение очень полным, очень конкретным и обеспечить передачу друг другу огромного объема информации. Локационная посылка, вернувшись к дельфину слабым эхом, содержит об отразившем ее предмете достаточно полную информацию. Почему бы теперь дельфину не повторить этот эхосигнал, но уже громко, чтобы слышало все стадо. Зачем им особый язык, когда эхолокатор одинаково пригоден и для зондирования окружающего пространства с целью получения о нем информации, и для широкого распространения полученной информации путем копирования эха?

Применение эхолокации для общения может сочетаться со специальными коммуникационными сигналами. У дельфинов обнаружены свистовые сигналы, названные опознавательными. Зоологи считают, что это собственное имя животного. Отсаженный в отдельное помещение дельфин непрерывно генерирует свои позывные, явно стремясь установить звуковой контакт со стадом. Опознавательные сигналы разных дельфинов отчетливо различаются. Иногда животные генерируют "чужие" позывные. Что это значит? Может быть, "интеллигенты" моря, как попугаи, передразнивают друг друга. А возможно, что члены стаи с помощью чужих позывных окликают своих товарищей, приглашая на "беседу" вполне определенных животных.

Удивительное открытие ожидало учёных в 2006 году - эхолокацию обнаружили у амфибий. Некоторые лягушки, живущие вблизи бурных ручьев, научились квакать в ультразвуковом диапазоне, чтобы «перекричать» шум воды.

«Лягушки Amolops tormotus живут в очень шумном районе (Хуаншань Хот-Спрингс, Китай), где нескончаемое журчание и плеск множества бурных ручьев сильно затрудняют звуковую коммуникацию. Тем не менее самцы этих лягушек активно квакают, причем их песни отличаются сложностью, разнообразием и мелодичностью, почти как у певчих птиц. Значительная часть песни, как выяснилось, лежит в ультразвуковом диапазоне.

Поскольку ранее способность издавать и воспринимать звуки с частотой более 20 кГц была известна только у млекопитающих, китайские ученые решили выяснить, что представляют собой ультразвуковые лягушачьи трели: случайный побочный продукт обычного низкочастотного кваканья или осмысленную часть песни, которую другие лягушки слышат и по-своему «понимают».

Первая серия экспериментов проводилась в природе: ничего не подозревающим лягушкам давали послушать записи отдельных компонентов песни (ультразвукового и низкочастотного) и следили за реакцией. Выяснилось, что лягушки активно «отвечают» кваканьем на любой из двух компонентов, причем во многих случаях ответ на ультразвуковое кваканье дается почти мгновенно (в течение 30 миллисекунд после начала воспроизведения). Вероятность того, что зарегистрированные ответы были не ответами, а просто спонтанным кваканьем, случайно начавшимся именно в это время, составляет 7,4 x 10-7. Стало быть, лягушки не только издают ультразвук, но и слышат его. Кроме того, они отвечают -- следовательно, имеет место настоящая ультразвуковая коммуникация.

Затем ученые исследовали электрическую активность нейронов в центре обработки звуковой информации, который у лягушек находится в среднем мозге. Нейроны активно реагировали на звук с частотой вплоть до 34 кГц. У другого вида лягушек, живущего в том же районе, -- Odorrana livida -- нейроны тоже возбуждались от ультразвуковых сигналов (до 22 кГц). У взятой для сравнения лягушки Pelophylax nigromaculata, живущей в более тихих местах (в прудах и на рисовых полях), соответствующие нейроны реагировали лишь на звуки с частотой не более 5 кГц.

Чтобы еще глубже проникнуть в тайны ультразвукового общения лягушек, ученые залепили им ушные отверстия пластилином. Результатом стала потеря слуха, в том числе и в ультразвуковом диапазоне, однако после того, как пластилин был вынут из ушей, лягушки вновь обрели способность слышать. Этот хитрый эксперимент позволил ученым убедиться, что лягушки слышат ультразвук именно ушами (а не воспринимают, к примеру, колебания черепных костей непосредственно мозгом).

Ученые полагают, что способность издавать и воспринимать ультразвук выработалась у лягушек в связи с необходимостью «переквакивать» несмолкающий шум воды (в котором, кстати, ультразвуковые компоненты практически отсутствуют). Нечто подобное наблюдается у больших синиц, которые, переходя к жизни в шумных городах, начинают чирикать более тонкими голосами.»

Группа исследователей из Китая и США, сообщившая об открытии ультразвукового кваканья в 2006 году, за минувшие годы обнаружила ряд новых неожиданных фактов. Выяснилось, что ультразвуковые сигналы издаются не только самцами, как полагалось ранее, но и готовыми к размножению самками. Женская песня довольно сложна, сильно отличается от мужской и исполняется в более высоком частотном диапазоне, несмотря на то, что самки у этого вида больше самцов и имеют более крупные и «грубые» с виду голосовые связки. Обычно у бесхвостых амфибий поют только самцы, а самки либо молча идут на зов, либо (у немногих видов) тихонько отвечают, причем смысл этого ответного сигнала не всегда очевиден. Самка может таким образом информировать самца о своем приближении или о готовности к размножению. Обычно голосовой аппарат у самок лягушек развит гораздо слабее, чем у самцов. Однако у самок Odorrana tormota он развит очень сильно. Какую же функцию выполняет женская песня «ультразвуковых лягушек»?

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи воспроизводили запись ультразвуковой песни самки в местах естественного обитания лягушек данного вида. Находящиеся поблизости самцы немедленно отвечали на зов дружным кваканьем. Кроме того, они начинали уверенно и быстро двигаться к источнику звука. Со всех сторон самцы собирались к громкоговорителю. Исследователей удивила точность, с какой лягушки определяли направление. Амфибии вообще не очень сильны в этом: обычно они могут определить направление на источник звука лишь с точностью до 15-20 градусов. Ультразвуковые лягушки, судя по результатам полевых наблюдений, ориентировались значительно точнее. Эксперименты были продолжены в лабораторных условиях в тихом помещении. Оказалось, что самцы издают в ответ на зов самки четыре типа сложных звуковых сигналов. Песня первого типа исполнялась как немедленная реакция на женское кваканье (через 30-90 миллисекунд после начала воспроизведения). В природе, где нужно перекрикивать шум воды, самцы исполняли эту песню на более высоких тонах, чем в тихой лаборатории. Песня второго типа исполнялась обычно после того, как женский зов временно умолкал (в эксперименте женская песня длительностью 150 мс воспроизводилась с интервалами в 15 с). Затем самец начинал быстро идти или прыгать к громкоговорителю, и в пути он пел песню третьего типа. Приблизившись к источнику звука, он исполнял четвертую песню. Движение к громкоговорителю обычно начиналось с того, что самец поворачивался к источнику звука и совершал прыжок длиной от 30 до 75 см. Точность этого прыжка оказалась на удивление высокой. Ошибка в определении направления на источник звука составляла в среднем лишь 0,7°. До сих пор способность к столь точной локализации источника звука была зарегистрирована лишь у некоторых млекопитающих (дельфинов, слонов и людей), а также у сов, охотящихся на мелких зверьков. Данная особенность ультразвуковой лягушки тем более удивительна, что лягушка эта маленькая и расстояние от одного уха до другого у нее не превышает 1 см.

Таким образом, система звуковой коммуникации «ультразвуковой лягушки» оказалась уникальной во многих отношениях. Необычными для бесхвостых амфибий являются и сигналы в ультразвуковом диапазоне, и активное и громкое кваканье самок, и «универсальный» характер женского звукового сигнала, побуждающего самцов одновременно к ответному кваканью и к быстрому движению в сторону источника звука, и, наконец, удивительная точность и быстрота, с какой самцы находят самку, ориентируясь на ее голос. По-видимому, первопричиной развития всех этих уникальных особенностей была жизнь в условиях постоянного очень громкого шума, резко затруднявшего звуковую коммуникацию. Генетические, физиологические и нейробиологические механизмы, стоящие за необычными способностями ультразвуковой лягушки, еще только предстоит расшифровать.

Подводя итоги, можно сказать, что ультразвуковая локация демонстрирует примеры удивительной адаптации организмов к тяжёлым условиям окружающей среды (темноте, фоновому шуму и т.д.). Подобное приспособление даёт животным значительные преимущества в борьбе за выживание. Кроме того, эхолокация создала предпосылки для возникновения уникальной системы коммуникации, недоступной другим животным, лишенным ультразвуковой чувствительности.

Источники

1)газета.ru http://www.gazeta.ru/science/2007/10/22_a_2257226.shtml.

2)Морозов В. П. Занимательная биоакустика: рассказы о языке эмоций в мире животных и человека.

3) http://elementy.ru/news/430164

4) Б.Сергеев, журнал "Юный натуралист" 1979 - 10

Размещено на Allbest.ru