Патентный поиск
Пожары — огромное бедствие. Человечество постоянно работает над совершенствованием противопожарной защиты. Существенный вклад в искусство тушения пожаров внес в свое время киевский полицмейстер Н. Ровинский. Он разработал собственную методу борьбы с возгоранием движимого и недвижимого имущества, требуя, чтобы пожарные приезжали к месту происшествия за 15 минут до начала пожара.
Долгие годы ученые нашей планеты выступали в роли подобных Ровинских. Им казалось, что человек, наделенный божественным разумом, способен такое изобрести, до чего природе и за миллионы лет не дойти. Они наивно думали, что всегда были впереди природы не меньше, чем на несколько миллионов лет, и разрыв этот в дальнейшем должен все увеличиваться.
За свою трехмиллиардную историю живая природа нашей планеты несметное количество раз выступала с изобретениями и рационализаторскими предложениями. Из ее патентного фонда человечество пока сумело использовать лишь малую толику.
Природа ревностно оберегает свои профессиональные тайны.
На протяжении многих столетий ученые и инженеры нашей планеты совершенно самостоятельно, независимо от уже выданных природой патентов, повторяли ее изобретения. Только применив для измерения морских глубин эхолокацию, они сумели заметить, что и живые организмы умеют ею пользоваться.
Процесс признания первенства природы был трудным. Ученые не могли поверить, что рожденное в муках изобретение, в которое они вложили весь свой талант, опыт и знания, накопленные столетиями, природа совершила путем простых проб и ошибок. Лишь постепенно мы свыклись с первенством природы. Вот тогда и родилась бионика — наука, призванная вести поиск патентов природы, чтобы уберечь ученых от траты сил, средств и времени на изобретение уже давно придуманных вещей. Биоников не надо убеждать в наличии талантов у природы. Зато они впадают в другую крайность: во всем видят ее первенство. Готовы для каждого изобретения подозревать наличие аналога у любого мало-мальски подходящего существа.
Одним из крупнейших изобретений в области оптики, сделанных в послевоенные годы, является голография. Этот термин имеет греческое происхождение. «Голос» — искаженное греческое слово «алое», означающее «весь, полный», «грамма» — «запись, описание». А все вместе это означает «полная запись, полное описание».
Еще на заре человечества люди мечтали найти способ запечатлеть для потомства окружающий мир. В результате несколько десятков тысяч лет назад появились наскальные рисунки, давшие начало современной живописи, а в начале прошлого века возникла фотография. Но ни один из этих способов не дает полного изображения предмета. И фотография, и картина — это хаос цветных черно-белых пятен. В них содержится так мало сведений о предмете, что наш мозг узнает его лишь с помощью фантазии и всей накопленной памятью информации об окружающем мире.
Мы видим вокруг совсем не то, что зафиксировано на фотопластинке. Окружающий мир трехмерен — фотография дает плоскостное изображение. Это происходит потому, что до нее доходит лишь небольшая часть отраженных от предмета лучей света. И в результате фотография дает лишь обедненную картину. В действительности все пространство вокруг предмета заполнено волнами отраженного им света. Чтобы получить исчерпывающее представление о предмете, необходимо эти световые волны, или, как говорят оптики, волновое поле, зафиксировать без значительных потерь.
Изобрел способ упростить и фотографировать волновое поле английский физик Д. Габор. Обычные источники света, от свечи и лучины и до люминесцентной лампы и солнца, дают хаос, мешанину из волн разной длины. Д. Габор подобрал для освещения фотографируемого предмета точечный источник монохроматического света, излучающего волны одинаковой длины. Затем, смешав отраженные от предмета лучи с лучами, идущими непосредственно от источника, он направил их на фотопленку. Изображения предмета на ней не возникло. Она запечатлела волновое поле, нечеткие расплывчатые линии неправильной формы. При совмещении двух пучков света их волны складывались. Там, где их фазы совпали, амплитуда суммарной волны возрастала (увеличивалась освещенность), на пластинке появлялись темные полосы, а там, где фазы оказались противоположными, амплитуда резко уменьшилась (уменьшилась освещенность), на пластинке оставались белые пятна.
Особого успеха Д. Габор не добился. Он не имел источников, дающих в достаточной степени упорядоченный монохроматический свет. Член-корреспондент Академии наук Ю. И. Денисюк (в 1970 году он получил за изобретение голографии Ленинскую премию) решил применить для создания волнового поля лазерный луч, а для фотографирования использовал фотопластинку с толстым слоем светочувствительной эмульсии. Теперь картина волнового поля фиксировалась не на плоскости, а в трехмерном пространстве. После проявления в толще эмульсии возникают полупрозрачные отражающие слои.
При освещении такой пластинки тем же лучом лазера какая-то часть световых лучей — в зависимости от плотности пластинки — застрянет в ней, а лучи, прошедшие сквозь пластинку, отклонятся в ту же сторону, откуда в свое время падали на нее. Иными словами, такая фотопластинка воссоздаст лучи, отраженные от предмета и за пластинкой возникает его изображение. Голографическая запись так полна, что, слегка поворачивая пластинку, можно повернуть и изображение и увидеть предмет сбоку.
Процесс голографирования напоминает работу эхолокатора. Интересующий исследователя объект освещается световыми лучами, а затем фиксируется изменение этих лучей, отразившихся от предмета. Подобным же образом поступают китообразные, только освещают исследуемый предмет звуковым лучом. Невольно возникает мысль об аналогии. Для полноты картины не хватает лишь одного штриха — наличия у дельфинов звукочувствительной пластинки. Бионики считали, что в случае обнаружения соответствующего рецептора голографический принцип анализа эха будет доказан достаточно убедительно.
Первым о дельфиньей голографии заговорил американский анатом Дж. Дреер. Изучая строение кожи дельфинов, он при сильном увеличении увидел в районе лобного выступа массу микроскопических сосочков, плотно прижатых друг к другу.
Дреер решил, что это непременно те самые рецепторы. Заранее скажу, что никаких оснований для этого не было. Однако, будь сосочки рецепторами, одного квадратного миллиметра рецепторной поверхности было бы достаточно, чтобы «увидеть» 100 линий. Это очень много. Разрешающая способность экранов лучших современных телевизоров значительно ниже. Не утруждая себя проверкой, Дреер объявил кожу лобного выступа голографической решеткой, а дельфину приписал способность голографически воспринимать отраженные от подводных предметов звуки и с их помощью строить в мозгу объемную картину окружающего мира. Должен сказать, что для этого необходимо, чтобы гипотетические кожные сосочки могли не только воспринимать звуковое давление, но и анализировать фазу его колебаний. Между тем даже само их существование многими исследователями ставится под сомнение. Как ни заманчиво найти среди придворных Нептуна дипломированного голографиста, теорию Дреера следует признать чистейшим вымыслом, хотя нашлись ученые, которым она понравилась. В последние годы не написано ни одной обстоятельной книги по эхолокации дельфинов, где бы не было упомянуто имя Дреера.
Причина создания западными биологами подобных легенд вполне понятна. Им хочется привлечь к себе всеобщее внимание, чтобы было легче выколачивать у промышленников и различных фондов средства на продолжение исследований.
Советские ученые уделяют большое внимание структуре кожи дельфинов. Зоологи тщательно изучали ее рецепторы, в том числе на лобном выступе. Кожных сосочков они не обнаружили, да, пожалуй, и не надеялись их найти, зато сумели выявить большое количество разных образовании, похожих на обычные механорецепторы наземных животных. Как известно, кожа человека и наших четвероногих братьев содержит во множестве холодовые, тепловые и тактильные рецепторы. У китообразных они образуют особенно большие скопления вокруг рта, дыхала и по бокам лобножирового выступа. В остальных отделах кожи таких скоплении не обнаружено.
Многие ткани морды дельфина тоже богаче рецепторами, чем остальное туловище. Надкостница костей передней и верхней части черепа имеет их гораздо больше, чем надкостница затылка. Ничего неожиданного в этом нет. Организация дыхательного акта требует участия чувствительных рецепторов.
Выныривая на короткое мгновение, животное должно точно уловить момент, когда его затылок, несущий дыхало, на миг появится над поверхностью воды, чтобы успеть сделать выдох и вдох. Рецепторы, рассеянные по краю челюсти, необходимы во время еды. Рыбу дельфин хватает поперек тела. Так ее проглотить нельзя, она в прямом смысле встанет зверю поперек горла. Пойманную рыбу дельфин подкидывает и вновь хватает, но уже с головы. Столь сложную процедуру можно осуществить лишь будучи достаточно хорошо информированным о ее положении в собственной пасти.
Чтобы эхолокатор китов работал безукоризненно, животные должны делать поправку на изменение температуры и солености воды, влияющих на ее плотность, а следовательно, на скорость и характер распространения звуковых волн. Для этого должны существовать соответствующие рецепторы. Может быть, этим и заняты рецепторы, расположенные по бокам лобножирового выступа?
При желании пофантазировать можно придумать немало и других причин для появления на дельфиньей морде дополнительного количества рецепторов. Их изучение подтвердило, что они способны воспринимать вибрацию и звуковые волны. Возможно, дельфинам необходимо иметь представление о лобовом сопротивлении воды или контролировать характер локационных посылок в момент перехода звуковой волны из жирового выступа в воду. Да мало ли что можно предположить, но в последние десять лет в моде голография. Она чудится исследователям везде. Вполне понятно, почему они решили, что имеют дело со своеобразной акустической «сетчаткой». Бионики выдвинули и другое предположение о существовании у дельфинов «акустического глаза». По их представлениям, дельфины, как легендарные циклопы, с которыми Одиссей имел пренеприятное знакомство, несут во лбу один огромный «глазище». Роль хрусталика выполняет в нем лобная жировая подушка, фокусирующая звуковые лучи на стенки воздушных мешков. Расположенные там рецепторы и образуют «сетчатку» «акустического глаза». С таким приемным устройством животным удобно рассматривать незнакомый объект сообща. Если одновременно лоцируют несколько дельфинов, объект должен восприниматься более отчетливо, ведь пень в ночном лесу виден лучше, если его одновременно освещают несколько фонариков.
Некоторые молодые бионики пошли дальше. Они объявили, что согласны с предположением о наличии у дельфинов «акустического глаза», но считают, что он работает по принципу голографии, а звукочувствительной «сетчаткой» ему служат не стенки воздушных мешков, а непосредственно сам мозг. Вот почему он у дельфинов такого большого размера.
Достаточно ли имелось оснований, чтобы предположить наличие у дельфинов «акустических глаз» и голографического принципа звуковидения? Я думаю, что бионики немного поторопились. Советские биоакустики, тщательно рассмотрев возможность голографического восприятия дельфином окружающего мира, полностью отвергли такую возможность. Для того чтобы «акустический глаз» был не слишком подслеповатым, его сетчатка должна иметь огромное количество рецепторов. Между тем и в коже, и в стенках воздушных мешков их приходится в среднем около 100 на 1 см². Чтобы осуществить достаточно тонкий анализ, сетчатка с подобной плотностью рецепторов должна иметь размер порядка 10 м²! «Акустический глаз» должен иметь гигантские размеры и по другой причине.
Локаторы китообразных в основном используют зондирующие посылки из акустических волн длиною 2—5 см. По сравнению со световыми это волны-гиганты. Чтобы ими пользоваться, нужно иметь глаз соизмеримой величины.
Приемная часть эхолокатора должна регистрировать не только сам факт прихода звуковой волны, но и частоту звуковых колебаний. Кожные рецепторы человека могут воспринимать колебания лишь в пределах 200—300 в секунду. Механорецепторы дельфинов, видимо, способны воспринимать и ультразвуки, но вряд ли могут осуществлять их анализ.
Следующее возражение против существования акустической «сетчатки» состоит в том, что место для нее выбрано весьма неудачно. Лобная часть головы — это район, где генерируются локационные посылки. Их интенсивность в миллион раз больше, чем сила ответного эха. Чтобы его улавливать, звуковые рецепторы должны быть очень чувствительными, настроенными на восприятие самых слабых звуков. Для них собственная локационная посылка должна звучать оглушительно громко, как для нас пушечный выстрел под самым ухом. От такого воздействия человек на некоторое время (пусть всего на несколько секунд), глохнет. Дельфины производят не менее 20—40 «пушечных» выстрелов в секунду. Беспрерывная канонада не позволит пользоваться звукоприемником. Он просто не будет успевать восстанавливать свою работоспособность. Ведь эхо тоже возвращается 20—40 раз в секунду. Звукогенератор и звукоприемник должны быть полностью друг от друга изолированы. Только в этом случае эхолокатор сможет надежно работать. Кроме того, эти рецепторы должны непрерывно «слышать» лишь лобовое сопротивление воды, разное при различной скорости движения животных. Звуковые приемники — те же механорецепторы, только неизмеримо более чувствительные.
Таким образом, ни кожа, ни воздушные мешки не способны быть приемниками эхолокатора. Может быть, как предполагают некоторые физиологи, сам мозг непосредственно вслушивается в беспрерывно доносящееся эхо? Но и эту теорию нельзя считать научно обоснованной. Она свидетельствует лишь о незнании ее авторами механизмов обработки мозгом поступающей в него информации. Мозговой анализ — процесс многоэтапный. В клетках коры больших полушарий, заподозренных в голографии, осуществляется последний этап анализа информации, поступившей в мозг. Сами они, как и остальные нервные клетки организма, на любое воздействие — электрическое, химическое, механическое — способны ответить лишь возбуждением. Дифференцированно воспринимать внешние воздействия они не могут. Все чувствительные клетки, что бы они ни воспринимали — свет, звук, запах, тепло, давление, растяжение — у всех животных нашей планеты, от самых примитивных до человека включительно, построены по одному типу.
Они имеют чувствительную ворсинку, состоящую из двух осевых фибрилл и девяти опорных. Ворсинка эта собственно и является чувствительным элементом. Ничего подобного клетки мозга не имеют и для восприятия эха не годятся. Итак, при всем желании поучиться у природы топографическому звуковидению приходится констатировать, что подобных изобретений она не запатентовала. Мы можем быть спокойны, плагиата с нашей стороны не было: топографический принцип обработки информации, изобретенный человеком, обладает патентной чистотой.
Возможно, читатель сочтет, что патентный поиск проведен недостаточно широко. Действительно, исследования только разворачиваются. Киевские ученые добрались наконец и до китов-гигантов. У кашалота было обнаружено огромное количество мелких пузырьков размерами от горошины до голубиного яйца, устилающих заднюю внутреннюю стенку вертикально расположенного воздушного мешка. Пузырьки чрезвычайно богато иннервированы. Сделав эту интересную находку, ученые первым делом вспомнили дрееровские кожные сосочки и посему нарекли открытую ими пузырьковую ткань «сетчаткой» кашалота.
Вероятно, подобное обилие пузырьков с большим количеством нервных клеток и может обеспечить необходимый минимум чувствительных элементов. Но все остальные сомнения, по-видимому, остаются в силе. Кроме того, нужно еще доказать, что пузырьковая ткань — не следствие воспалительного процесса, не посмертное изменение тканей и что она имеется у всех без исключения животных. До этого еще далеко, хотя бионики уже удовлетворенно потирают руки. В силу профессиональной направленности ума им трудно поверить, что человек что-то мог придумать совершенно самостоятельно, а не воспользовался готовой выдумкой природы.
Долгие годы ученые нашей планеты выступали в роли подобных Ровинских. Им казалось, что человек, наделенный божественным разумом, способен такое изобрести, до чего природе и за миллионы лет не дойти. Они наивно думали, что всегда были впереди природы не меньше, чем на несколько миллионов лет, и разрыв этот в дальнейшем должен все увеличиваться.
За свою трехмиллиардную историю живая природа нашей планеты несметное количество раз выступала с изобретениями и рационализаторскими предложениями. Из ее патентного фонда человечество пока сумело использовать лишь малую толику.
Природа ревностно оберегает свои профессиональные тайны.
На протяжении многих столетий ученые и инженеры нашей планеты совершенно самостоятельно, независимо от уже выданных природой патентов, повторяли ее изобретения. Только применив для измерения морских глубин эхолокацию, они сумели заметить, что и живые организмы умеют ею пользоваться.
Процесс признания первенства природы был трудным. Ученые не могли поверить, что рожденное в муках изобретение, в которое они вложили весь свой талант, опыт и знания, накопленные столетиями, природа совершила путем простых проб и ошибок. Лишь постепенно мы свыклись с первенством природы. Вот тогда и родилась бионика — наука, призванная вести поиск патентов природы, чтобы уберечь ученых от траты сил, средств и времени на изобретение уже давно придуманных вещей. Биоников не надо убеждать в наличии талантов у природы. Зато они впадают в другую крайность: во всем видят ее первенство. Готовы для каждого изобретения подозревать наличие аналога у любого мало-мальски подходящего существа.
Одним из крупнейших изобретений в области оптики, сделанных в послевоенные годы, является голография. Этот термин имеет греческое происхождение. «Голос» — искаженное греческое слово «алое», означающее «весь, полный», «грамма» — «запись, описание». А все вместе это означает «полная запись, полное описание».
Еще на заре человечества люди мечтали найти способ запечатлеть для потомства окружающий мир. В результате несколько десятков тысяч лет назад появились наскальные рисунки, давшие начало современной живописи, а в начале прошлого века возникла фотография. Но ни один из этих способов не дает полного изображения предмета. И фотография, и картина — это хаос цветных черно-белых пятен. В них содержится так мало сведений о предмете, что наш мозг узнает его лишь с помощью фантазии и всей накопленной памятью информации об окружающем мире.
Мы видим вокруг совсем не то, что зафиксировано на фотопластинке. Окружающий мир трехмерен — фотография дает плоскостное изображение. Это происходит потому, что до нее доходит лишь небольшая часть отраженных от предмета лучей света. И в результате фотография дает лишь обедненную картину. В действительности все пространство вокруг предмета заполнено волнами отраженного им света. Чтобы получить исчерпывающее представление о предмете, необходимо эти световые волны, или, как говорят оптики, волновое поле, зафиксировать без значительных потерь.
Изобрел способ упростить и фотографировать волновое поле английский физик Д. Габор. Обычные источники света, от свечи и лучины и до люминесцентной лампы и солнца, дают хаос, мешанину из волн разной длины. Д. Габор подобрал для освещения фотографируемого предмета точечный источник монохроматического света, излучающего волны одинаковой длины. Затем, смешав отраженные от предмета лучи с лучами, идущими непосредственно от источника, он направил их на фотопленку. Изображения предмета на ней не возникло. Она запечатлела волновое поле, нечеткие расплывчатые линии неправильной формы. При совмещении двух пучков света их волны складывались. Там, где их фазы совпали, амплитуда суммарной волны возрастала (увеличивалась освещенность), на пластинке появлялись темные полосы, а там, где фазы оказались противоположными, амплитуда резко уменьшилась (уменьшилась освещенность), на пластинке оставались белые пятна.
Особого успеха Д. Габор не добился. Он не имел источников, дающих в достаточной степени упорядоченный монохроматический свет. Член-корреспондент Академии наук Ю. И. Денисюк (в 1970 году он получил за изобретение голографии Ленинскую премию) решил применить для создания волнового поля лазерный луч, а для фотографирования использовал фотопластинку с толстым слоем светочувствительной эмульсии. Теперь картина волнового поля фиксировалась не на плоскости, а в трехмерном пространстве. После проявления в толще эмульсии возникают полупрозрачные отражающие слои.
При освещении такой пластинки тем же лучом лазера какая-то часть световых лучей — в зависимости от плотности пластинки — застрянет в ней, а лучи, прошедшие сквозь пластинку, отклонятся в ту же сторону, откуда в свое время падали на нее. Иными словами, такая фотопластинка воссоздаст лучи, отраженные от предмета и за пластинкой возникает его изображение. Голографическая запись так полна, что, слегка поворачивая пластинку, можно повернуть и изображение и увидеть предмет сбоку.
Процесс голографирования напоминает работу эхолокатора. Интересующий исследователя объект освещается световыми лучами, а затем фиксируется изменение этих лучей, отразившихся от предмета. Подобным же образом поступают китообразные, только освещают исследуемый предмет звуковым лучом. Невольно возникает мысль об аналогии. Для полноты картины не хватает лишь одного штриха — наличия у дельфинов звукочувствительной пластинки. Бионики считали, что в случае обнаружения соответствующего рецептора голографический принцип анализа эха будет доказан достаточно убедительно.
Первым о дельфиньей голографии заговорил американский анатом Дж. Дреер. Изучая строение кожи дельфинов, он при сильном увеличении увидел в районе лобного выступа массу микроскопических сосочков, плотно прижатых друг к другу.
Дреер решил, что это непременно те самые рецепторы. Заранее скажу, что никаких оснований для этого не было. Однако, будь сосочки рецепторами, одного квадратного миллиметра рецепторной поверхности было бы достаточно, чтобы «увидеть» 100 линий. Это очень много. Разрешающая способность экранов лучших современных телевизоров значительно ниже. Не утруждая себя проверкой, Дреер объявил кожу лобного выступа голографической решеткой, а дельфину приписал способность голографически воспринимать отраженные от подводных предметов звуки и с их помощью строить в мозгу объемную картину окружающего мира. Должен сказать, что для этого необходимо, чтобы гипотетические кожные сосочки могли не только воспринимать звуковое давление, но и анализировать фазу его колебаний. Между тем даже само их существование многими исследователями ставится под сомнение. Как ни заманчиво найти среди придворных Нептуна дипломированного голографиста, теорию Дреера следует признать чистейшим вымыслом, хотя нашлись ученые, которым она понравилась. В последние годы не написано ни одной обстоятельной книги по эхолокации дельфинов, где бы не было упомянуто имя Дреера.
Причина создания западными биологами подобных легенд вполне понятна. Им хочется привлечь к себе всеобщее внимание, чтобы было легче выколачивать у промышленников и различных фондов средства на продолжение исследований.
Советские ученые уделяют большое внимание структуре кожи дельфинов. Зоологи тщательно изучали ее рецепторы, в том числе на лобном выступе. Кожных сосочков они не обнаружили, да, пожалуй, и не надеялись их найти, зато сумели выявить большое количество разных образовании, похожих на обычные механорецепторы наземных животных. Как известно, кожа человека и наших четвероногих братьев содержит во множестве холодовые, тепловые и тактильные рецепторы. У китообразных они образуют особенно большие скопления вокруг рта, дыхала и по бокам лобножирового выступа. В остальных отделах кожи таких скоплении не обнаружено.
Многие ткани морды дельфина тоже богаче рецепторами, чем остальное туловище. Надкостница костей передней и верхней части черепа имеет их гораздо больше, чем надкостница затылка. Ничего неожиданного в этом нет. Организация дыхательного акта требует участия чувствительных рецепторов.
Выныривая на короткое мгновение, животное должно точно уловить момент, когда его затылок, несущий дыхало, на миг появится над поверхностью воды, чтобы успеть сделать выдох и вдох. Рецепторы, рассеянные по краю челюсти, необходимы во время еды. Рыбу дельфин хватает поперек тела. Так ее проглотить нельзя, она в прямом смысле встанет зверю поперек горла. Пойманную рыбу дельфин подкидывает и вновь хватает, но уже с головы. Столь сложную процедуру можно осуществить лишь будучи достаточно хорошо информированным о ее положении в собственной пасти.
Чтобы эхолокатор китов работал безукоризненно, животные должны делать поправку на изменение температуры и солености воды, влияющих на ее плотность, а следовательно, на скорость и характер распространения звуковых волн. Для этого должны существовать соответствующие рецепторы. Может быть, этим и заняты рецепторы, расположенные по бокам лобножирового выступа?
При желании пофантазировать можно придумать немало и других причин для появления на дельфиньей морде дополнительного количества рецепторов. Их изучение подтвердило, что они способны воспринимать вибрацию и звуковые волны. Возможно, дельфинам необходимо иметь представление о лобовом сопротивлении воды или контролировать характер локационных посылок в момент перехода звуковой волны из жирового выступа в воду. Да мало ли что можно предположить, но в последние десять лет в моде голография. Она чудится исследователям везде. Вполне понятно, почему они решили, что имеют дело со своеобразной акустической «сетчаткой». Бионики выдвинули и другое предположение о существовании у дельфинов «акустического глаза». По их представлениям, дельфины, как легендарные циклопы, с которыми Одиссей имел пренеприятное знакомство, несут во лбу один огромный «глазище». Роль хрусталика выполняет в нем лобная жировая подушка, фокусирующая звуковые лучи на стенки воздушных мешков. Расположенные там рецепторы и образуют «сетчатку» «акустического глаза». С таким приемным устройством животным удобно рассматривать незнакомый объект сообща. Если одновременно лоцируют несколько дельфинов, объект должен восприниматься более отчетливо, ведь пень в ночном лесу виден лучше, если его одновременно освещают несколько фонариков.
Некоторые молодые бионики пошли дальше. Они объявили, что согласны с предположением о наличии у дельфинов «акустического глаза», но считают, что он работает по принципу голографии, а звукочувствительной «сетчаткой» ему служат не стенки воздушных мешков, а непосредственно сам мозг. Вот почему он у дельфинов такого большого размера.
Достаточно ли имелось оснований, чтобы предположить наличие у дельфинов «акустических глаз» и голографического принципа звуковидения? Я думаю, что бионики немного поторопились. Советские биоакустики, тщательно рассмотрев возможность голографического восприятия дельфином окружающего мира, полностью отвергли такую возможность. Для того чтобы «акустический глаз» был не слишком подслеповатым, его сетчатка должна иметь огромное количество рецепторов. Между тем и в коже, и в стенках воздушных мешков их приходится в среднем около 100 на 1 см². Чтобы осуществить достаточно тонкий анализ, сетчатка с подобной плотностью рецепторов должна иметь размер порядка 10 м²! «Акустический глаз» должен иметь гигантские размеры и по другой причине.
Локаторы китообразных в основном используют зондирующие посылки из акустических волн длиною 2—5 см. По сравнению со световыми это волны-гиганты. Чтобы ими пользоваться, нужно иметь глаз соизмеримой величины.
Приемная часть эхолокатора должна регистрировать не только сам факт прихода звуковой волны, но и частоту звуковых колебаний. Кожные рецепторы человека могут воспринимать колебания лишь в пределах 200—300 в секунду. Механорецепторы дельфинов, видимо, способны воспринимать и ультразвуки, но вряд ли могут осуществлять их анализ.
Следующее возражение против существования акустической «сетчатки» состоит в том, что место для нее выбрано весьма неудачно. Лобная часть головы — это район, где генерируются локационные посылки. Их интенсивность в миллион раз больше, чем сила ответного эха. Чтобы его улавливать, звуковые рецепторы должны быть очень чувствительными, настроенными на восприятие самых слабых звуков. Для них собственная локационная посылка должна звучать оглушительно громко, как для нас пушечный выстрел под самым ухом. От такого воздействия человек на некоторое время (пусть всего на несколько секунд), глохнет. Дельфины производят не менее 20—40 «пушечных» выстрелов в секунду. Беспрерывная канонада не позволит пользоваться звукоприемником. Он просто не будет успевать восстанавливать свою работоспособность. Ведь эхо тоже возвращается 20—40 раз в секунду. Звукогенератор и звукоприемник должны быть полностью друг от друга изолированы. Только в этом случае эхолокатор сможет надежно работать. Кроме того, эти рецепторы должны непрерывно «слышать» лишь лобовое сопротивление воды, разное при различной скорости движения животных. Звуковые приемники — те же механорецепторы, только неизмеримо более чувствительные.
Таким образом, ни кожа, ни воздушные мешки не способны быть приемниками эхолокатора. Может быть, как предполагают некоторые физиологи, сам мозг непосредственно вслушивается в беспрерывно доносящееся эхо? Но и эту теорию нельзя считать научно обоснованной. Она свидетельствует лишь о незнании ее авторами механизмов обработки мозгом поступающей в него информации. Мозговой анализ — процесс многоэтапный. В клетках коры больших полушарий, заподозренных в голографии, осуществляется последний этап анализа информации, поступившей в мозг. Сами они, как и остальные нервные клетки организма, на любое воздействие — электрическое, химическое, механическое — способны ответить лишь возбуждением. Дифференцированно воспринимать внешние воздействия они не могут. Все чувствительные клетки, что бы они ни воспринимали — свет, звук, запах, тепло, давление, растяжение — у всех животных нашей планеты, от самых примитивных до человека включительно, построены по одному типу.
Они имеют чувствительную ворсинку, состоящую из двух осевых фибрилл и девяти опорных. Ворсинка эта собственно и является чувствительным элементом. Ничего подобного клетки мозга не имеют и для восприятия эха не годятся. Итак, при всем желании поучиться у природы топографическому звуковидению приходится констатировать, что подобных изобретений она не запатентовала. Мы можем быть спокойны, плагиата с нашей стороны не было: топографический принцип обработки информации, изобретенный человеком, обладает патентной чистотой.
Возможно, читатель сочтет, что патентный поиск проведен недостаточно широко. Действительно, исследования только разворачиваются. Киевские ученые добрались наконец и до китов-гигантов. У кашалота было обнаружено огромное количество мелких пузырьков размерами от горошины до голубиного яйца, устилающих заднюю внутреннюю стенку вертикально расположенного воздушного мешка. Пузырьки чрезвычайно богато иннервированы. Сделав эту интересную находку, ученые первым делом вспомнили дрееровские кожные сосочки и посему нарекли открытую ими пузырьковую ткань «сетчаткой» кашалота.
Вероятно, подобное обилие пузырьков с большим количеством нервных клеток и может обеспечить необходимый минимум чувствительных элементов. Но все остальные сомнения, по-видимому, остаются в силе. Кроме того, нужно еще доказать, что пузырьковая ткань — не следствие воспалительного процесса, не посмертное изменение тканей и что она имеется у всех без исключения животных. До этого еще далеко, хотя бионики уже удовлетворенно потирают руки. В силу профессиональной направленности ума им трудно поверить, что человек что-то мог придумать совершенно самостоятельно, а не воспользовался готовой выдумкой природы.
Верхом на волне
Проводя рекогносцировку окружающего пространства, дельфины трудятся в поте лица. Им приходится следить за судьбой каждой локационной посылки, а это задача не из легких. Локационный импульс, отразившись от подводного объекта, так изменяется, что самому творцу импульса немудрено и ошибиться, не признав это эхо своим. Между тем именно изменения локационных посылок и рассказывают дельфину обо всем, что творится в мире.
Ученых, изучающих эхолокацию животных, давно интересует вопрос, какую информацию несут на своих спинах звуковые волны, какую часть этой информации и с какой степенью точности может уловить дельфин. К числу основных параметров звуковых волн относится их частота колебаний, амплитуда и фаза. Чтобы составить представление о частоте колебаний, необходимо уметь оценивать время. Его измерение давно интересовало человечество. Вероятно, жрецы с незапамятных времен умели достаточно точно оценивать время. Первый специальный прибор для отсчета времени — солнечные часы — был изобретен в Египте, видимо, еще в 15 веке до нашей эры.
Для разовых измерений человек придумал песочные и водяные часы. Лишь двадцать с лишним веков спустя появились часы с зубчатыми колесами, приводимые в движение грузом.
Современный тип часов был создан благодаря открытию Галилеем изохронного эффекта маятника. Но сам Галилей вполне удовлетворялся водяными часами, которые так отрегулировал, что ему могли бы позавидовать владельцы современных хронометров. С развитием мореплавания нужда в точных часах сильно возросла. Определить долготу местности можно было только при наличии хронометра. Впервые достаточно надежный инструмент был сконструирован в Англии сравнительно недавно — в 1751 году. С тех пор часы, хронометры, секундомеры продолжали совершенствоваться и в настоящее время достигли удивительной точности.
У высших животных чувство времени развито очень хорошо. Китообразные не являются исключением. Имея где-то в «жилетном кармане» достаточно точный хронометр и обладая способностью проследить судьбу своих локационных посылок, дельфинов не может не «интересовать», сколько времени путешествуют они, прежде чем вернутся эхом обратно. Зная скорость распространения звука в воде нетрудно узнать расстояние до объекта, на который натолкнулась локационная посылка.
Чтобы выяснить, с какой точностью работает секундомер дельфина, ученые придумали десятки специальных приемов.
Чаще всего использовались косвенные методы. Один из них состоял в следующем. В бассейн к дельфину опустили две пластинки, расположив их параллельно друг другу. Из любопытства или по природной осторожности животное начинало их изучать, облучая потоком локационных импульсов. Каждый из них, наткнувшись на переднюю пластинку, частично от нее отражался, частично, пройдя насквозь и напоровшись на вторую, отражался и от нее. Таким образом, каждая локационная посылка возвращалась к дельфину в виде двойного эха. Чем больше было расстояние между пластинками, тем продолжительнее оказывался интервал между отраженными импульсами. Выработав условный рефлекс и понемножку меняя расстояние между пластинками, можно выяснить, с какой точностью животные оценивают величину интервалов. При расстоянии между пластинками, равном 10 см, после частичного отражения звука от первой пластинки вторая его часть, проникшая за пластину, должна покрыть еще 10 см. Только теперь возникает второе эхо. Однако, пока звук преодолевал расстояние между пластинками, первое эхо успеет убежать на те же 10 см.
Таким образом, при расстоянии между пластинками в 10 см расстояние между отраженными посылками будет равняться 20 см. Начнем сближать пластины. Допустим, что дельфин способен «заметить» разницу, если расстояние уменьшить на 1 см (т. е. сделать равным 9 см). В этом случае второе эхо будет отставать от первого на 18 см, т. е. станет на 2 см ближе.
В морской воде 2 см звук преодолевает приблизительно за 13 миллионных долей секунды. Основываясь на результатах подобных опытов, исследователь может сделать заключение, что животные пользуются секундомером, позволяющим измерять время с точностью до 0, 000 013 с. Эксперименты не требовали специальной аппаратуры. Не было нужды в обычном секундомере. Простота методики оказалась столь соблазнительной, что подобные исследования в различных вариантах были осуществлены во многих лабораториях мира. Я специально не останавливаюсь на результатах, так как сами авторы позже отказались от сделанных на их основе выводов. Дело в том, что локационная посылка, наткнувшись на пластины, не только отражается от них, но вызывает их собственные колебания. При изменении расстояния между пластинками характер колебаний существенно меняется. Дельфины, несомненно, замечают изменение расстояния между пластинами, но как они это делают, неясно. С одинаковой долей вероятности можно ожидать, что анализ осуществляется и путем оценки времени между приходом первого и второго эха, и благодаря изменению характера собственных колебаний лоцируемых пластин.
Другой способ определить точность работы секундомера дельфина — заставить его оценить величину интервала между двумя звуковыми сигналами. Осуществить подобный эксперимент достаточно сложно, так как при изменении интервала между звуковыми посылками очень трудно добиться, чтобы их параметры существенно не изменились. В ходе эксперимента было обнаружено удивительное явление. Оказалось, что дельфинам гораздо легче оценивать величину самых маленьких временных отрезков, порядка 0, 000 1 с — например отличить интервал длительностью 0, 000 05 с от интервала продолжительностью 0, 000 055 с. Гораздо хуже дается анализ более длинных интервалов, порядка 0, 000 3 с, а точность анализа отрезков времени длительностью более 0, 000 5 с весьма невелика. Проанализировав экспериментальный материал, ученые пришли к выводу, что часы у дельфина работают с точностью до 1—2 миллионных долей секунды.
Другой эксперимент показал, что дельфины способны реагировать на звуковые посылки только в том случае, если интервалы между ними больше 0, 000 5 с. Сведения об этом получены непосредственно «из первых рук» — из слуховых центров мозга дельфина. Если интервалы между короткими акустическими раздражителями были слишком малы, на второй сигнал электрические биопотенциалы мозга не возникали. Следовательно, дельфины его не замечали. Только когда интервал достиг 0, 000 5 с, второй раздражитель начал вызывать слабые электрические реакции.
Важнейшая характеристика звука — его частота. Очень важно установить, как тонко различают животные близкие звуки. И здесь дельфины удивили ученых. Афалины высокочастотные звуки различают с большей точностью, чем низкочастотные. Они замечали разницу между звуками, если их частота отличалась всего на 0,3—0,4%. Звуки ниже 5 кГц различались хуже. Еще более изощрен слух азовок. Некоторые ученые считают, что они способны заметить изменение частоты звуков всего на 0,02—0,2%.
Различить звуки, имеющие достаточно большую длительность, проще, чем короткие. Последние имеют сложную спектральную структуру, зависящую от частоты следования отдельных звуковых посылок. Дельфины отлично узнают звуки, повторяющиеся часто. Их спектр имеет меньшее число составляющих, и разобраться в нем легче, чем в спектре звуков, возникающих с большими интервалами и имеющих более десяти гармонических составляющих.
Существенной характеристикой звуковых колебаний является их фаза. Теоретические расчеты показали, что анализ фазы акустических сигналов может быть выгоден для животных, так как дает дополнительную информацию и может помочь воспринять сигнал, замаскированный другими звуками. Инженеры-акустики начали использовать фазовый анализ в технических устройствах задолго до того, как биологи задумались над значением фазы звуковой волны. Только недавно стало известно, что человек и многие животные могут различать фазу сигнала. Эта способность связана с тем, что понижение давления, т. е. отрицательная фаза звукового колебания, вызывает состояние невозбудимости волосковых клеток внутреннего уха.
Ученых, изучающих эхолокацию животных, давно интересует вопрос, какую информацию несут на своих спинах звуковые волны, какую часть этой информации и с какой степенью точности может уловить дельфин. К числу основных параметров звуковых волн относится их частота колебаний, амплитуда и фаза. Чтобы составить представление о частоте колебаний, необходимо уметь оценивать время. Его измерение давно интересовало человечество. Вероятно, жрецы с незапамятных времен умели достаточно точно оценивать время. Первый специальный прибор для отсчета времени — солнечные часы — был изобретен в Египте, видимо, еще в 15 веке до нашей эры.
Для разовых измерений человек придумал песочные и водяные часы. Лишь двадцать с лишним веков спустя появились часы с зубчатыми колесами, приводимые в движение грузом.
Современный тип часов был создан благодаря открытию Галилеем изохронного эффекта маятника. Но сам Галилей вполне удовлетворялся водяными часами, которые так отрегулировал, что ему могли бы позавидовать владельцы современных хронометров. С развитием мореплавания нужда в точных часах сильно возросла. Определить долготу местности можно было только при наличии хронометра. Впервые достаточно надежный инструмент был сконструирован в Англии сравнительно недавно — в 1751 году. С тех пор часы, хронометры, секундомеры продолжали совершенствоваться и в настоящее время достигли удивительной точности.
У высших животных чувство времени развито очень хорошо. Китообразные не являются исключением. Имея где-то в «жилетном кармане» достаточно точный хронометр и обладая способностью проследить судьбу своих локационных посылок, дельфинов не может не «интересовать», сколько времени путешествуют они, прежде чем вернутся эхом обратно. Зная скорость распространения звука в воде нетрудно узнать расстояние до объекта, на который натолкнулась локационная посылка.
Чтобы выяснить, с какой точностью работает секундомер дельфина, ученые придумали десятки специальных приемов.
Чаще всего использовались косвенные методы. Один из них состоял в следующем. В бассейн к дельфину опустили две пластинки, расположив их параллельно друг другу. Из любопытства или по природной осторожности животное начинало их изучать, облучая потоком локационных импульсов. Каждый из них, наткнувшись на переднюю пластинку, частично от нее отражался, частично, пройдя насквозь и напоровшись на вторую, отражался и от нее. Таким образом, каждая локационная посылка возвращалась к дельфину в виде двойного эха. Чем больше было расстояние между пластинками, тем продолжительнее оказывался интервал между отраженными импульсами. Выработав условный рефлекс и понемножку меняя расстояние между пластинками, можно выяснить, с какой точностью животные оценивают величину интервалов. При расстоянии между пластинками, равном 10 см, после частичного отражения звука от первой пластинки вторая его часть, проникшая за пластину, должна покрыть еще 10 см. Только теперь возникает второе эхо. Однако, пока звук преодолевал расстояние между пластинками, первое эхо успеет убежать на те же 10 см.
Таким образом, при расстоянии между пластинками в 10 см расстояние между отраженными посылками будет равняться 20 см. Начнем сближать пластины. Допустим, что дельфин способен «заметить» разницу, если расстояние уменьшить на 1 см (т. е. сделать равным 9 см). В этом случае второе эхо будет отставать от первого на 18 см, т. е. станет на 2 см ближе.
В морской воде 2 см звук преодолевает приблизительно за 13 миллионных долей секунды. Основываясь на результатах подобных опытов, исследователь может сделать заключение, что животные пользуются секундомером, позволяющим измерять время с точностью до 0, 000 013 с. Эксперименты не требовали специальной аппаратуры. Не было нужды в обычном секундомере. Простота методики оказалась столь соблазнительной, что подобные исследования в различных вариантах были осуществлены во многих лабораториях мира. Я специально не останавливаюсь на результатах, так как сами авторы позже отказались от сделанных на их основе выводов. Дело в том, что локационная посылка, наткнувшись на пластины, не только отражается от них, но вызывает их собственные колебания. При изменении расстояния между пластинками характер колебаний существенно меняется. Дельфины, несомненно, замечают изменение расстояния между пластинами, но как они это делают, неясно. С одинаковой долей вероятности можно ожидать, что анализ осуществляется и путем оценки времени между приходом первого и второго эха, и благодаря изменению характера собственных колебаний лоцируемых пластин.
Другой способ определить точность работы секундомера дельфина — заставить его оценить величину интервала между двумя звуковыми сигналами. Осуществить подобный эксперимент достаточно сложно, так как при изменении интервала между звуковыми посылками очень трудно добиться, чтобы их параметры существенно не изменились. В ходе эксперимента было обнаружено удивительное явление. Оказалось, что дельфинам гораздо легче оценивать величину самых маленьких временных отрезков, порядка 0, 000 1 с — например отличить интервал длительностью 0, 000 05 с от интервала продолжительностью 0, 000 055 с. Гораздо хуже дается анализ более длинных интервалов, порядка 0, 000 3 с, а точность анализа отрезков времени длительностью более 0, 000 5 с весьма невелика. Проанализировав экспериментальный материал, ученые пришли к выводу, что часы у дельфина работают с точностью до 1—2 миллионных долей секунды.
Другой эксперимент показал, что дельфины способны реагировать на звуковые посылки только в том случае, если интервалы между ними больше 0, 000 5 с. Сведения об этом получены непосредственно «из первых рук» — из слуховых центров мозга дельфина. Если интервалы между короткими акустическими раздражителями были слишком малы, на второй сигнал электрические биопотенциалы мозга не возникали. Следовательно, дельфины его не замечали. Только когда интервал достиг 0, 000 5 с, второй раздражитель начал вызывать слабые электрические реакции.
Важнейшая характеристика звука — его частота. Очень важно установить, как тонко различают животные близкие звуки. И здесь дельфины удивили ученых. Афалины высокочастотные звуки различают с большей точностью, чем низкочастотные. Они замечали разницу между звуками, если их частота отличалась всего на 0,3—0,4%. Звуки ниже 5 кГц различались хуже. Еще более изощрен слух азовок. Некоторые ученые считают, что они способны заметить изменение частоты звуков всего на 0,02—0,2%.
Различить звуки, имеющие достаточно большую длительность, проще, чем короткие. Последние имеют сложную спектральную структуру, зависящую от частоты следования отдельных звуковых посылок. Дельфины отлично узнают звуки, повторяющиеся часто. Их спектр имеет меньшее число составляющих, и разобраться в нем легче, чем в спектре звуков, возникающих с большими интервалами и имеющих более десяти гармонических составляющих.
Существенной характеристикой звуковых колебаний является их фаза. Теоретические расчеты показали, что анализ фазы акустических сигналов может быть выгоден для животных, так как дает дополнительную информацию и может помочь воспринять сигнал, замаскированный другими звуками. Инженеры-акустики начали использовать фазовый анализ в технических устройствах задолго до того, как биологи задумались над значением фазы звуковой волны. Только недавно стало известно, что человек и многие животные могут различать фазу сигнала. Эта способность связана с тем, что понижение давления, т. е. отрицательная фаза звукового колебания, вызывает состояние невозбудимости волосковых клеток внутреннего уха.