Страница:
Четкость изображения у насекомых зависит от общего числа простых глазков. Крупные фасетки хороши тем, что в них проникает много света, поэтому их чувствительность высока. Зато разрешающая способность построенного из них составного глаза оставляет желать лучшего. Чтобы рассматривать окружающий мир с достаточными подробностями, необходимо много простых глазков, но при этом, естественно, приходится мириться с их скромными размерами. Однако значительное уменьшение глазков невыгодно. Из-за дифракции световых лучей при их прохождении сквозь маленькие отверстия миниатюрные фасетки не могут обеспечить хорошей фокусировки. Немаловажное значение имеет взаимное расположение простых глазков. Хорошо, если их оптические оси расходятся всего на градус, но если расхождение больше восьми, не может быть и речи о том, чтобы рассмотреть мелкие подробности.
Лесным насекомым, особенно ведущим ночной образ жизни, необходимы глаза, обладающие высокой светочувствительностью. Она достигается за счет максимальной утилизации энергии световых лучей. У ночных насекомых отдельные глазки или вообще не изолированы друг от друга, или в сумерках перестают пользоваться светоизоляцией, убирая черный пигмент из клеток оболочки. Поэтому световые лучи, проникшие в один глазок, способны одновременно осветить и возбудить его соседей.
Такому рассеиванию света способствует то, что падающие на роговицу лучи фокусируются в точке, находящейся примерно на расстоянии 2/3 пути до рецепторных клеток. Дальше лучи расходятся, и часть их покидает конус через его боковые стенки. Поэтому свет, попавший в отдельный глазок, не только освещает находящиеся там воспринимающие элементы, но заодно усиливает освещенность соседних глазков. У мух высокая светочувствительность достигается благодаря тому, что несколько рецепторных клеток, получающих свет из одной и той же точки пространства, посылают сигналы к одной общей нервной клетке и общими усилиями вдалбливают в нее имеющуюся в их распоряжении информацию.
У позвоночных глаз устроен, как фотокамера с переменной фокусировкой, легко подстраивающаяся для изучения объектов, которые находятся на разном удалении от наблюдателя. Это достигается двумя способами: как в обычных фотоаппаратах, путем перемещения линзы – хрусталика вдоль оптической оси глаза за счет изменения его конфигурации, приводящей к изменению преломляющей способности. Это позволяет мгновенно перестраивать оптическую систему, нацеливая ее на изучение то достаточно далеко удаленных объектов, то находящихся под носом.
Глаза позвоночных весьма совершенны, однако ряд специфических достоинств есть и у фасеточных. Например, они воспринимают ультрафиолетовые лучи. Зрительные рецепторы многих высших животных реагируют на световые лучи с длиной волны от 380 до 760 нанометров. Использовать волны более широкого диапазона невозможно. Проходя через оптические среды глаза, световые лучи преломляются. Величина их отклонения от первоначального направления зависит от длины волны. Чем меньше разница в величине отклонения световых лучей, попавших в глаз, тем легче их сфокусировать. Видимо, поэтому позвоночные отказались от использования ультрафиолетовых лучей и даже защищают свои глаза от их проникновения к нежным светочувствительным элементам специальными фильтрами. Насекомые пользуются более узким диапазоном электромагнитных волн, имеющих длину от 313 до 616 нанометров и сдвинутым в ультрафиолетовую часть спектра. Использование для зрения лучей, обладающих высокими энергиями, упрощает процесс их восприятия, так как в этом случае не требуются высокочувствительные рецепторы.
Еще одним удивительным приспособлением, помогающим ориентироваться в окружающем пространстве, обладают насекомые: они способны определять плоскость поляризации света. Световые волны всегда перпендикулярны световому лучу. Разница между неполяризованным и поляризованным светом заключается в том, что в первом случае световые волны направлены в разные стороны от оси луча, а во втором – все без исключения лежат в одной плоскости. Уменье обнаружить плоскость поляризации солнечный лучей позволяет определять, откуда они идут, и понять, где в данный момент находится солнце. Насекомым достаточно клочка голубого неба, чтобы разобраться в направлении световых лучей и установить положение нашего дневного светила. Само солнце может быть при этом скрыто облаками, заслонено листвой. Жителям первого этажа густых лесов, куда прямые солнечные лучи заглядывают нечасто, поляризованный свет позволяет ориентироваться, находить дорогу в самых непроходимых дебрях.
В число главных функций зрительного анализатора входит задача снабжать мозг достаточной информацией, которая помогала бы установить, что за объект рассматривает глаз и где он находится. Способность правильно ответить на первый вопрос зависит главным образом от степени развития мозга. Ответить на второй вопрос помогает конструкция глаза. Благодаря строгой прямолинейности распространения световых лучей установить точное направление на рассматриваемый объект не представляет особых трудностей. Значительно сложнее определить, на каком он находится расстоянии.
Млекопитающие, когда приглядываются к какому-нибудь предмету, сближают зрачки, сводя на нем зрительные оси своих глаз. Оценка конвергенции, то есть степени сведения глаз, позволяет определить расстояние до рассматриваемого объекта. Сложные глаза насекомых неподвижны, но и здесь используется сходный механизм, так как изображение рассматриваемого объекта, если он находится точно спереди, попадает на определенные, симметрично расположенные глазки. Таким образом, показателем расстояния является не степень сведения глаз, а местоположение «увидевших» объект глазков на топографическом плане сложного глаза.
Здесь нет возможности подробно остановиться на самом процессе восприятия. Напомню лишь, что свет должен поглотиться светочувствительным пигментом. Только в этом случае зрительный рецептор возбудится. Камерный глаз позвоночных содержит два типа светочувствительных клеток: палочки, одинаково реагирующие на свет с разной длиной волны, и колбочки, снабженные тремя типами пигментов, каждый из которых поглощает световые лучи лишь определенной длины волны. Палочки создают черно-белое изображение окружающего мира, а информация, поставляемая колбочками, обеспечивает цветное зрение.
В зависимости от образа жизни животных глаза позвоночных имеют индивидуальный набор рецепторных клеток. Чувствительность палочек очень высока, к тому же их в глазу обычно гораздо больше, чем ганглиозных (нервных) клеток, которым они адресуют полученную информацию. Поэтому каждый нейрон соединен со множеством палочек, что в еще большей степени усиливает чувствительность глаза. Если в условиях слабого освещения одна-единственная светочувствительная клетка не в состоянии возбудить ганглиозную клетку, дружные усилия группы палочек с этим легко справляются. Однако при такой системе соединения рецепторных элементов с нервными разрешающая способность глаза, или, попросту говоря, острота зрения, не может быть велика и не позволяет рассмотреть слишком мелкие детали изучаемого объекта. Палочки предназначены для сумеречного зрения, когда необходимо увидеть хотя бы самое главное.
Чувствительность колбочек значительно ниже. Однако благодаря тому, что каждая ганглиозная клетка получает информацию от одной или небольшого числа рецепторных клеток, то есть собирает информацию с меньшей площади сетчатки глаза, они обеспечивают высокую остроту зрения. Колбочки предназначены для дневного зрения и в сумерках работать не в состоянии, для этого их чувствительность недостаточна. Глаза человека примерно в равной степени приспособлены к полумраку и для работы на ярком свету, а поэтому снабжены светочувствительными элементами обоих типов, правда, колбочек у нас в 20 раз меньше, чем палочек. У настоящих ночных животных колбочек нет вообще, зато в глазу дневных обитателей леса, особенно у жителей верхних этажей, мало палочек, а многие птицы, ящерицы и змеи вообще обходятся одними колбочками.
Темная ночь создает для зрительных рецепторов самые тяжелые условия. Недаром глаза у ночных животных имеют целый ряд усовершенствований, значительно усиливающих светочувствительность. Самое главное приспособление, облегчающее сумеречное зрение, – светоотражающий экран, подостланный под рецепторные клетки. Он предназначен для того, чтобы свет, попавший в глаз, использовать полностью.
Обычно не все лучи поглощаются светочувствительным пигментом. Часть света просачивается в пространстве между рецепторными клетками. Отразившись от экрана, она возвращается назад к рецепторам. Благодаря этому «зеркалу» глаза ночных животных в темноте светятся красным, как у крокодилов, или зеленым, как у кошек, светом. Возникает полная иллюзия, что внутри горят огоньки. Безусловно, глаза не генерируют световые волны. Мы видим свет луны, звезд, карманного фонарика, отраженный весьма совершенным экраном.
Глаз должен быть большим, тогда на его внутренних стенках сможет разместиться необходимое количество световоспринимающих рецепторов. Кому приходилось разделывать дичь или рыбу, вероятно, обращал внимание на то, какие крупные глаза у курицы или карпа. У птицы они скрыты внутри черепа, а в разрез век видна лишь малая часть глазного яблока. Если курицу ощипать, станет ясно, что голова состоит главным образом из глаз и клюва. По остроте зрения птичьи глаза не знают себе равных. У одних они выполняют роль бинокля, а синичкам, славкам, пищухам служат в качестве микроскопа, позволяя разыскивать крохотные яички насекомых, надежно спрятанные где-нибудь в трещинках коры.
Зрительное восприятие зависит от количества проникающего в глаз света. Дверью для световых лучей служит зрачок. У ночных животных он большой и круглый. Дневным существам такой большой не нужен: излишки света нарушат тонкость анализа. Однако иметь крохотный зрачок невыгодно. Он помешает видеть, чуть только начнет смеркаться. В сумерки двери для света должны распахиваться во всю ширь, а на свету лишь чуть-чуть приоткрываться. Однако большое круглое отверстие трудно стянуть до маленькой дырочки.
У типично дневных животных зрачок имеет щелевидную форму. Жителям верхних ярусов леса, постепенно перемещающимся с этажа на этаж, важно не то, что у них по сторонам, а то, что расположено выше и ниже. Поэтому зрачки у верхолазов, как и у кошек, вертикальные или, как у древесных лягушек, – треугольные, с вершиной, направленной вверх. Интересно, что у некоторых дневных животных вертикальная щель зрачка на ярком свету может в центре затягиваться полностью, оставляя вверху и внизу по крохотной дырочке.
Совсем не безразлично, где находятся у животного глаза. У лягушек располагаются в верхней части головы и выступают над черепом. Благодаря этому глаза имеют широкий обзор. Сидящая квакша хорошо просматривает пространство, находящееся спереди, с боков, сверху и сзади, причем значительная его часть видна ей одновременно двумя глазами. Лишь полоска земли вокруг самой лягушки выпадает из поля зрения.
У птиц глаза расположены по бокам головы. Поэтому они замечают все, что делается вокруг, но любой предмет видят только одним глазом. Лишь узкую часть пространства впереди головы видят одновременно двумя глазами, но плохо, так как его изображение попадает на боковую часть глазной сетчатки, где светочувствительные рецепторы расположены не особенно густо. Кто наблюдал за поведением птиц в неволе, вероятно, заметил, что, если попугаю хочется рассмотреть что-то получше, он делает это одним глазом, смешно поворачивая голову набок.
Глаза птиц, которые много времени проводят на земле и ищут корм на ощупь, вроде киви или вальдшнепа, сдвинуты на затылок и могут разглядеть кое-что находящееся сзади. У сов, наоборот, глаза переместились на «лицо», и взрослые птицы смотрят на все сразу двумя глазами. У них отличное зрение, ведь они охотятся в сумерках. Правда, поле зрения совы, то, что она может видеть, не поворачивая головы, – очень узко, а глаза намертво закреплены в орбитах. Это обстоятельство послужило поводом считать, что совы днем при солнце ничего не видят. Отлично видят, но только то, что прямо перед ними. Все, что сзади, сверху, с боков, внизу, в поле зрения не попадает. Потерю подвижности глаз компенсирует шея, позволяющая поворачивать голову на 180 градусов.
Глаз не воспринимает инфракрасные лучи. Они несут слишком мало энергии и не способны вызвать в зрительных пигментах фотохимическую реакцию. Это, конечно, не означает, что электромагнитные колебания инфракрасного диапазона совершенно недоступны нашему восприятию. В коже человека и большинства позвоночных много тепловых рецепторов. Непосредственно на инфракрасные лучи они не реагируют, но когда они согреют кожу, терморецепторы зарегистрируют это и проинформируют мозг. У большинства животных терморецепторы служат лишь для того, чтобы следить за температурой окружающей среды и собственного тела, и только у очень немногих есть настоящие тепловые «глаза». Они предназначены для ночной охоты, когда зрение помочь уже не может. Их применение основано на том, что теплокровные существа обычно бывают теплее окружающих предметов, особенно ночью, и излучают тепловые лучи.
Термолокаторы не получили широкого распространения. Среди позвоночных животных ими наделены лишь рептилии: питоны, африканские гадюки и ямкоголовые змеи. К последним относятся пользующиеся дурной славой гремучники и щитомордники, обитающие и на территории нашей страны. У ямкоголовых змей термолокаторы помещаются в ямках, расположенных по бокам головы между ноздрей и глазом, у африканских гадюк – позади ноздрей, а у питонов – на верхнегубных щитках. Устройство тепловых «глаз» несложно. В глубине шарообразного углубления находится тонюсенькая мембрана толщиной в 15 микрон, нашпигованная нервными окончаниями. Это и есть терморецепторы. А чтобы перепонка быстро нагревалась и не разбазаривала свое тепло в нижележащих тканях, она отделена от них воздушной полостью. Размещение воспринимающих элементов в глубине ямки помогает прослеживать направление тепловых лучей. Чтобы они достигли чувствительной мембраны, теплый объект должен находиться спереди. Расположенные в углублении терморецепторы экранированы от дуновений ветерка, который мог бы серьезно помешать повышению температуры перепонки, и защищены от механических повреждений.
Биологи еще далеки от понимания всех особенностей работы термолокатора, но, видимо, уже сейчас можно утверждать, что никаких новых изобретений при его конструировании сделано не было. Вероятно, чувствительные элементы термолокатора воспринимают не сами инфракрасные лучи, а реагируют лишь на изменение температуры мембраны. Нервные окончания улавливают повышение ее температуры всего на 0,002—0,003 градуса, которое возникает, если проникающие в ямки тепловые лучи приносят сюда 0,0005 калории в секунду. Теоретически это должно позволить змеям обнаруживать объекты, температура которых всего на 0,1 градуса отличается от окружающих предметов. При такой высокой чувствительности охотник не может не заметить «горячего» мышонка и другую дичь.
Тепловой «глаз» мог возникнуть только у холоднокровных существ. Температура тела млекопитающих и птиц столь велика, что она полностью нарушила бы работу чувствительных терморецепторов. Не мог тепловой «глаз» появиться у рыб и амфибий: вода не пропускает тепловых лучей. Пользоваться тепловым «глазом» можно лишь ночью, когда все объекты остывают до температуры окружающего воздуха и «видимость» становится удовлетворительной, а также в пасмурную погоду или в густой тени лесных дебрей, куда солнечные лучи не проникают.
Благодаря тому, что рецепторные ямки расположены по бокам головы, термолокатор позволяет точно определять направление на цель. Ямкоголовые змеи умеют оценить и расстояние до добычи. Предполагают, что в этом случае работа локатора осуществляется по тому же принципу, с помощью которого насекомые определяют расстояние «на глаз». Чувствительная перепонка, видимо, выполняет функцию сетчатки. О расстоянии до объекта позволяет судить угол, под которым на термочувствительную мембрану падают инфракрасные лучи, и район сетчатки, который они освещают, когда морда змеи точно направлена на теплый объект.
Терморецепторами активно пользуются многие насекомые: пчелы, комары, клопы, сверчки. Воспринимающие устройства для температурных сигналов, идущих издалека, чаще располагаются в антеннах, а для определения температуры почвы – в лапках. Благодаря тому, что антенн две, насекомые могут очень точно определять источник тепла. Почувствовав тепло приближающейся жертвы, комар будет до тех пор изменять положение тела, пока обе крохотные трехмиллиметровые антенны не станут получать одинаковое количество тепла. Кровососущие клопы легко обнаруживают источник тепла даже с помощью одной антенны. Повертев ею в разные стороны, клоп без труда замечает, в каком положении она нагревается быстрее, так как оказывается ближе к источнику тепла, и уверенно ползет в ту сторону. Зрение позволяет кое-что узнать и о своих соплеменниках, членах семьи или стада и обменяться с ними информацией. Для этого используется мимика, позы, специальные движения. Обмен информацией с помощью подобных сигналов возможен, лишь когда животные находятся рядом, то есть при интимных «беседах» между супругами, при брачных церемониях между женихом и невестой, для общения с детьми. Это в первую очередь относится к обитателям леса, где подобные диалоги могут проводиться только накоротке.
Сигналом может служить любое движение. У многих бабочек принято знакомиться на лету. Крылатый самец погонится за каждым летящим существом подходящего размера, но скоро повернет назад. Самку он узнает не по рисунку на крыльях, а главным образом по особенностям полета. Это ее удостоверение личности, ее сигнал самцу.
Не менее часто животные пользуются мимикой. Она не беднее, чем у нас, и всем понятна. Кто же не догадается, что слегка оскаленные зубы означают: «Не подходи, кусну!» И мы благоразумно не подходим, даже если это всего лишь маленькая собачонка, а не леопард, охраняющий остатки недавно добытой газели.
На язык жестов и мимики в лесу накладывает серьезные ограничения царящий там полумрак. Их удалось преодолеть, обзаведясь фонариками. На суше широкое развитие биолюминесценции присуще главным образом обитателям леса, в первую очередь влажных тропических джунглей. Правда, способность к свечению распространена преимущественно среди насекомых, но иногда способны светиться даже растения. В Бразилии растут грибы, дающие такой сильный свет, что местное население использует их как фонарики.
Светящиеся органы насекомых испускают лучи разной длины волны, но подавляющее большинство светится зеленым или красным светом. Одни насекомые включают свое освещение с наступлением темноты и их фонари горят до рассвета. Люминесцентные органы других генерируют прерывистый свет, используя разную длительность вспышек и интервалов между ними.
Скудная северная природа подарила русскому лесу только один живой фонарик – знаменитых Ивановых червячков, или попросту светлячков. Это они с наступлением темноты загораются зелеными огоньками на обочинах лесных дорог, на полянах и прогалинах. Таинственная прелесть зеленых искорок, разбросанных в траве или по невысоким кустарничкам, придает лесу особое очарование. У Ивановых червячков светится только самочка. Ростом она невелика, всего 2—3 сантиметра, с маленькой головкой и грудью, где расположены три пары ног, и большим мясистым брюшком. Вся она буро-коричневого цвета, за исключением нижней стороны трех последних члеников. Эти членики белые, а их хитиновая оболочка прозрачна. Здесь и находится фонарик.
В сумерках самка залезает на высокий стебелек и принимает такую позу, чтобы нижняя сторона брюшка была повернута вверх, а затем зажигает свет. Это сигнал самцам, чтобы было легче отыскать себе подругу. К маленьким лесным маячкам спешат женихи. Они значительно меньше самок, имеют крылья и хорошо летают. Сверху им отлично слышен призыв, простите, виден фонарик, и они спешат на зов. Кавалеры практически не светятся. Им это ни к чему.
У тропических светлячков бывает, что светятся лишь одни самки или только самцы, но нередко и те и другие. Большая часть светящихся насекомых имеет крылья. Это гарантирует встречу жениха и невесты. Если световыми сигналами пользуется лишь кто-то один, он обычно не утруждает себя полетами, терпеливо поджидая представителя противоположного пола. Нередко такие светлячки собираются большими компаниями и общими усилиями неплохо освещают какой-нибудь куст на лесной поляне. Чтобы сделать работу своих фонариков экономичнее (биолюминесценция требует немало энергии) и усилить яркость фонариков, некоторые светлячки пользуются мигающим светом, причем синхронизируют работу своих светильников, зажигают их все разом. Такие вспышки в ночном лесу хорошо видны и издалека привлекают половых партнеров.
Некоторые светлячки пользуются световыми сигналами как светотелеграфом, чтобы обменяться информацией. В джунглях слишком много светящихся насекомых, и фонарики помогают им не только найти друг друга, но и выяснить, кто есть кто. Система взаимного опознания выглядит следующим образом. Одна часть светлячков, обычно представители слабого пола, не зажигая сигнальных огней, чтобы не привлекать внимания хищников, спокойно ждет появления самцов, с комфортом устроившись в траве или в ветвях деревьев. С наступлением темноты женихи отправляются на поиски, вспышками своих фонариков методично посылая световые призывы. Заметив сигнал, самка немедленно отвечает. Чтобы крылатый кавалер не ошибся, самка на каждую вспышку его фонарика отвечает своей, загораясь через строго определенный интервал после призыва самца. Свет ее фонарика служит для жениха маяком, помогая разыскать невесту, а интервал – удостоверением личности, позволяющим установить видовую принадлежность откликнувшейся дамы. У этих насекомых точные хронометры, и во время смотрин ошибок практически не бывает.
Электромагнитные волны позволяют получать массу полезной информации об окружающем мире. Обитатели леса имеют для их анализа соответствующие рецепторы. Животные пользуются более широким диапазоном волн, чем человек, воспринимая, кроме световых, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, а некоторые и сами способны генерировать электромагнитные волны светового диапазона.
ГОЛОСА ЛЕСА
Лесным насекомым, особенно ведущим ночной образ жизни, необходимы глаза, обладающие высокой светочувствительностью. Она достигается за счет максимальной утилизации энергии световых лучей. У ночных насекомых отдельные глазки или вообще не изолированы друг от друга, или в сумерках перестают пользоваться светоизоляцией, убирая черный пигмент из клеток оболочки. Поэтому световые лучи, проникшие в один глазок, способны одновременно осветить и возбудить его соседей.
Такому рассеиванию света способствует то, что падающие на роговицу лучи фокусируются в точке, находящейся примерно на расстоянии 2/3 пути до рецепторных клеток. Дальше лучи расходятся, и часть их покидает конус через его боковые стенки. Поэтому свет, попавший в отдельный глазок, не только освещает находящиеся там воспринимающие элементы, но заодно усиливает освещенность соседних глазков. У мух высокая светочувствительность достигается благодаря тому, что несколько рецепторных клеток, получающих свет из одной и той же точки пространства, посылают сигналы к одной общей нервной клетке и общими усилиями вдалбливают в нее имеющуюся в их распоряжении информацию.
У позвоночных глаз устроен, как фотокамера с переменной фокусировкой, легко подстраивающаяся для изучения объектов, которые находятся на разном удалении от наблюдателя. Это достигается двумя способами: как в обычных фотоаппаратах, путем перемещения линзы – хрусталика вдоль оптической оси глаза за счет изменения его конфигурации, приводящей к изменению преломляющей способности. Это позволяет мгновенно перестраивать оптическую систему, нацеливая ее на изучение то достаточно далеко удаленных объектов, то находящихся под носом.
Глаза позвоночных весьма совершенны, однако ряд специфических достоинств есть и у фасеточных. Например, они воспринимают ультрафиолетовые лучи. Зрительные рецепторы многих высших животных реагируют на световые лучи с длиной волны от 380 до 760 нанометров. Использовать волны более широкого диапазона невозможно. Проходя через оптические среды глаза, световые лучи преломляются. Величина их отклонения от первоначального направления зависит от длины волны. Чем меньше разница в величине отклонения световых лучей, попавших в глаз, тем легче их сфокусировать. Видимо, поэтому позвоночные отказались от использования ультрафиолетовых лучей и даже защищают свои глаза от их проникновения к нежным светочувствительным элементам специальными фильтрами. Насекомые пользуются более узким диапазоном электромагнитных волн, имеющих длину от 313 до 616 нанометров и сдвинутым в ультрафиолетовую часть спектра. Использование для зрения лучей, обладающих высокими энергиями, упрощает процесс их восприятия, так как в этом случае не требуются высокочувствительные рецепторы.
Еще одним удивительным приспособлением, помогающим ориентироваться в окружающем пространстве, обладают насекомые: они способны определять плоскость поляризации света. Световые волны всегда перпендикулярны световому лучу. Разница между неполяризованным и поляризованным светом заключается в том, что в первом случае световые волны направлены в разные стороны от оси луча, а во втором – все без исключения лежат в одной плоскости. Уменье обнаружить плоскость поляризации солнечный лучей позволяет определять, откуда они идут, и понять, где в данный момент находится солнце. Насекомым достаточно клочка голубого неба, чтобы разобраться в направлении световых лучей и установить положение нашего дневного светила. Само солнце может быть при этом скрыто облаками, заслонено листвой. Жителям первого этажа густых лесов, куда прямые солнечные лучи заглядывают нечасто, поляризованный свет позволяет ориентироваться, находить дорогу в самых непроходимых дебрях.
В число главных функций зрительного анализатора входит задача снабжать мозг достаточной информацией, которая помогала бы установить, что за объект рассматривает глаз и где он находится. Способность правильно ответить на первый вопрос зависит главным образом от степени развития мозга. Ответить на второй вопрос помогает конструкция глаза. Благодаря строгой прямолинейности распространения световых лучей установить точное направление на рассматриваемый объект не представляет особых трудностей. Значительно сложнее определить, на каком он находится расстоянии.
Млекопитающие, когда приглядываются к какому-нибудь предмету, сближают зрачки, сводя на нем зрительные оси своих глаз. Оценка конвергенции, то есть степени сведения глаз, позволяет определить расстояние до рассматриваемого объекта. Сложные глаза насекомых неподвижны, но и здесь используется сходный механизм, так как изображение рассматриваемого объекта, если он находится точно спереди, попадает на определенные, симметрично расположенные глазки. Таким образом, показателем расстояния является не степень сведения глаз, а местоположение «увидевших» объект глазков на топографическом плане сложного глаза.
Здесь нет возможности подробно остановиться на самом процессе восприятия. Напомню лишь, что свет должен поглотиться светочувствительным пигментом. Только в этом случае зрительный рецептор возбудится. Камерный глаз позвоночных содержит два типа светочувствительных клеток: палочки, одинаково реагирующие на свет с разной длиной волны, и колбочки, снабженные тремя типами пигментов, каждый из которых поглощает световые лучи лишь определенной длины волны. Палочки создают черно-белое изображение окружающего мира, а информация, поставляемая колбочками, обеспечивает цветное зрение.
В зависимости от образа жизни животных глаза позвоночных имеют индивидуальный набор рецепторных клеток. Чувствительность палочек очень высока, к тому же их в глазу обычно гораздо больше, чем ганглиозных (нервных) клеток, которым они адресуют полученную информацию. Поэтому каждый нейрон соединен со множеством палочек, что в еще большей степени усиливает чувствительность глаза. Если в условиях слабого освещения одна-единственная светочувствительная клетка не в состоянии возбудить ганглиозную клетку, дружные усилия группы палочек с этим легко справляются. Однако при такой системе соединения рецепторных элементов с нервными разрешающая способность глаза, или, попросту говоря, острота зрения, не может быть велика и не позволяет рассмотреть слишком мелкие детали изучаемого объекта. Палочки предназначены для сумеречного зрения, когда необходимо увидеть хотя бы самое главное.
Чувствительность колбочек значительно ниже. Однако благодаря тому, что каждая ганглиозная клетка получает информацию от одной или небольшого числа рецепторных клеток, то есть собирает информацию с меньшей площади сетчатки глаза, они обеспечивают высокую остроту зрения. Колбочки предназначены для дневного зрения и в сумерках работать не в состоянии, для этого их чувствительность недостаточна. Глаза человека примерно в равной степени приспособлены к полумраку и для работы на ярком свету, а поэтому снабжены светочувствительными элементами обоих типов, правда, колбочек у нас в 20 раз меньше, чем палочек. У настоящих ночных животных колбочек нет вообще, зато в глазу дневных обитателей леса, особенно у жителей верхних этажей, мало палочек, а многие птицы, ящерицы и змеи вообще обходятся одними колбочками.
Темная ночь создает для зрительных рецепторов самые тяжелые условия. Недаром глаза у ночных животных имеют целый ряд усовершенствований, значительно усиливающих светочувствительность. Самое главное приспособление, облегчающее сумеречное зрение, – светоотражающий экран, подостланный под рецепторные клетки. Он предназначен для того, чтобы свет, попавший в глаз, использовать полностью.
Обычно не все лучи поглощаются светочувствительным пигментом. Часть света просачивается в пространстве между рецепторными клетками. Отразившись от экрана, она возвращается назад к рецепторам. Благодаря этому «зеркалу» глаза ночных животных в темноте светятся красным, как у крокодилов, или зеленым, как у кошек, светом. Возникает полная иллюзия, что внутри горят огоньки. Безусловно, глаза не генерируют световые волны. Мы видим свет луны, звезд, карманного фонарика, отраженный весьма совершенным экраном.
Глаз должен быть большим, тогда на его внутренних стенках сможет разместиться необходимое количество световоспринимающих рецепторов. Кому приходилось разделывать дичь или рыбу, вероятно, обращал внимание на то, какие крупные глаза у курицы или карпа. У птицы они скрыты внутри черепа, а в разрез век видна лишь малая часть глазного яблока. Если курицу ощипать, станет ясно, что голова состоит главным образом из глаз и клюва. По остроте зрения птичьи глаза не знают себе равных. У одних они выполняют роль бинокля, а синичкам, славкам, пищухам служат в качестве микроскопа, позволяя разыскивать крохотные яички насекомых, надежно спрятанные где-нибудь в трещинках коры.
Зрительное восприятие зависит от количества проникающего в глаз света. Дверью для световых лучей служит зрачок. У ночных животных он большой и круглый. Дневным существам такой большой не нужен: излишки света нарушат тонкость анализа. Однако иметь крохотный зрачок невыгодно. Он помешает видеть, чуть только начнет смеркаться. В сумерки двери для света должны распахиваться во всю ширь, а на свету лишь чуть-чуть приоткрываться. Однако большое круглое отверстие трудно стянуть до маленькой дырочки.
У типично дневных животных зрачок имеет щелевидную форму. Жителям верхних ярусов леса, постепенно перемещающимся с этажа на этаж, важно не то, что у них по сторонам, а то, что расположено выше и ниже. Поэтому зрачки у верхолазов, как и у кошек, вертикальные или, как у древесных лягушек, – треугольные, с вершиной, направленной вверх. Интересно, что у некоторых дневных животных вертикальная щель зрачка на ярком свету может в центре затягиваться полностью, оставляя вверху и внизу по крохотной дырочке.
Совсем не безразлично, где находятся у животного глаза. У лягушек располагаются в верхней части головы и выступают над черепом. Благодаря этому глаза имеют широкий обзор. Сидящая квакша хорошо просматривает пространство, находящееся спереди, с боков, сверху и сзади, причем значительная его часть видна ей одновременно двумя глазами. Лишь полоска земли вокруг самой лягушки выпадает из поля зрения.
У птиц глаза расположены по бокам головы. Поэтому они замечают все, что делается вокруг, но любой предмет видят только одним глазом. Лишь узкую часть пространства впереди головы видят одновременно двумя глазами, но плохо, так как его изображение попадает на боковую часть глазной сетчатки, где светочувствительные рецепторы расположены не особенно густо. Кто наблюдал за поведением птиц в неволе, вероятно, заметил, что, если попугаю хочется рассмотреть что-то получше, он делает это одним глазом, смешно поворачивая голову набок.
Глаза птиц, которые много времени проводят на земле и ищут корм на ощупь, вроде киви или вальдшнепа, сдвинуты на затылок и могут разглядеть кое-что находящееся сзади. У сов, наоборот, глаза переместились на «лицо», и взрослые птицы смотрят на все сразу двумя глазами. У них отличное зрение, ведь они охотятся в сумерках. Правда, поле зрения совы, то, что она может видеть, не поворачивая головы, – очень узко, а глаза намертво закреплены в орбитах. Это обстоятельство послужило поводом считать, что совы днем при солнце ничего не видят. Отлично видят, но только то, что прямо перед ними. Все, что сзади, сверху, с боков, внизу, в поле зрения не попадает. Потерю подвижности глаз компенсирует шея, позволяющая поворачивать голову на 180 градусов.
Глаз не воспринимает инфракрасные лучи. Они несут слишком мало энергии и не способны вызвать в зрительных пигментах фотохимическую реакцию. Это, конечно, не означает, что электромагнитные колебания инфракрасного диапазона совершенно недоступны нашему восприятию. В коже человека и большинства позвоночных много тепловых рецепторов. Непосредственно на инфракрасные лучи они не реагируют, но когда они согреют кожу, терморецепторы зарегистрируют это и проинформируют мозг. У большинства животных терморецепторы служат лишь для того, чтобы следить за температурой окружающей среды и собственного тела, и только у очень немногих есть настоящие тепловые «глаза». Они предназначены для ночной охоты, когда зрение помочь уже не может. Их применение основано на том, что теплокровные существа обычно бывают теплее окружающих предметов, особенно ночью, и излучают тепловые лучи.
Термолокаторы не получили широкого распространения. Среди позвоночных животных ими наделены лишь рептилии: питоны, африканские гадюки и ямкоголовые змеи. К последним относятся пользующиеся дурной славой гремучники и щитомордники, обитающие и на территории нашей страны. У ямкоголовых змей термолокаторы помещаются в ямках, расположенных по бокам головы между ноздрей и глазом, у африканских гадюк – позади ноздрей, а у питонов – на верхнегубных щитках. Устройство тепловых «глаз» несложно. В глубине шарообразного углубления находится тонюсенькая мембрана толщиной в 15 микрон, нашпигованная нервными окончаниями. Это и есть терморецепторы. А чтобы перепонка быстро нагревалась и не разбазаривала свое тепло в нижележащих тканях, она отделена от них воздушной полостью. Размещение воспринимающих элементов в глубине ямки помогает прослеживать направление тепловых лучей. Чтобы они достигли чувствительной мембраны, теплый объект должен находиться спереди. Расположенные в углублении терморецепторы экранированы от дуновений ветерка, который мог бы серьезно помешать повышению температуры перепонки, и защищены от механических повреждений.
Биологи еще далеки от понимания всех особенностей работы термолокатора, но, видимо, уже сейчас можно утверждать, что никаких новых изобретений при его конструировании сделано не было. Вероятно, чувствительные элементы термолокатора воспринимают не сами инфракрасные лучи, а реагируют лишь на изменение температуры мембраны. Нервные окончания улавливают повышение ее температуры всего на 0,002—0,003 градуса, которое возникает, если проникающие в ямки тепловые лучи приносят сюда 0,0005 калории в секунду. Теоретически это должно позволить змеям обнаруживать объекты, температура которых всего на 0,1 градуса отличается от окружающих предметов. При такой высокой чувствительности охотник не может не заметить «горячего» мышонка и другую дичь.
Тепловой «глаз» мог возникнуть только у холоднокровных существ. Температура тела млекопитающих и птиц столь велика, что она полностью нарушила бы работу чувствительных терморецепторов. Не мог тепловой «глаз» появиться у рыб и амфибий: вода не пропускает тепловых лучей. Пользоваться тепловым «глазом» можно лишь ночью, когда все объекты остывают до температуры окружающего воздуха и «видимость» становится удовлетворительной, а также в пасмурную погоду или в густой тени лесных дебрей, куда солнечные лучи не проникают.
Благодаря тому, что рецепторные ямки расположены по бокам головы, термолокатор позволяет точно определять направление на цель. Ямкоголовые змеи умеют оценить и расстояние до добычи. Предполагают, что в этом случае работа локатора осуществляется по тому же принципу, с помощью которого насекомые определяют расстояние «на глаз». Чувствительная перепонка, видимо, выполняет функцию сетчатки. О расстоянии до объекта позволяет судить угол, под которым на термочувствительную мембрану падают инфракрасные лучи, и район сетчатки, который они освещают, когда морда змеи точно направлена на теплый объект.
Терморецепторами активно пользуются многие насекомые: пчелы, комары, клопы, сверчки. Воспринимающие устройства для температурных сигналов, идущих издалека, чаще располагаются в антеннах, а для определения температуры почвы – в лапках. Благодаря тому, что антенн две, насекомые могут очень точно определять источник тепла. Почувствовав тепло приближающейся жертвы, комар будет до тех пор изменять положение тела, пока обе крохотные трехмиллиметровые антенны не станут получать одинаковое количество тепла. Кровососущие клопы легко обнаруживают источник тепла даже с помощью одной антенны. Повертев ею в разные стороны, клоп без труда замечает, в каком положении она нагревается быстрее, так как оказывается ближе к источнику тепла, и уверенно ползет в ту сторону. Зрение позволяет кое-что узнать и о своих соплеменниках, членах семьи или стада и обменяться с ними информацией. Для этого используется мимика, позы, специальные движения. Обмен информацией с помощью подобных сигналов возможен, лишь когда животные находятся рядом, то есть при интимных «беседах» между супругами, при брачных церемониях между женихом и невестой, для общения с детьми. Это в первую очередь относится к обитателям леса, где подобные диалоги могут проводиться только накоротке.
Сигналом может служить любое движение. У многих бабочек принято знакомиться на лету. Крылатый самец погонится за каждым летящим существом подходящего размера, но скоро повернет назад. Самку он узнает не по рисунку на крыльях, а главным образом по особенностям полета. Это ее удостоверение личности, ее сигнал самцу.
Не менее часто животные пользуются мимикой. Она не беднее, чем у нас, и всем понятна. Кто же не догадается, что слегка оскаленные зубы означают: «Не подходи, кусну!» И мы благоразумно не подходим, даже если это всего лишь маленькая собачонка, а не леопард, охраняющий остатки недавно добытой газели.
На язык жестов и мимики в лесу накладывает серьезные ограничения царящий там полумрак. Их удалось преодолеть, обзаведясь фонариками. На суше широкое развитие биолюминесценции присуще главным образом обитателям леса, в первую очередь влажных тропических джунглей. Правда, способность к свечению распространена преимущественно среди насекомых, но иногда способны светиться даже растения. В Бразилии растут грибы, дающие такой сильный свет, что местное население использует их как фонарики.
Светящиеся органы насекомых испускают лучи разной длины волны, но подавляющее большинство светится зеленым или красным светом. Одни насекомые включают свое освещение с наступлением темноты и их фонари горят до рассвета. Люминесцентные органы других генерируют прерывистый свет, используя разную длительность вспышек и интервалов между ними.
Скудная северная природа подарила русскому лесу только один живой фонарик – знаменитых Ивановых червячков, или попросту светлячков. Это они с наступлением темноты загораются зелеными огоньками на обочинах лесных дорог, на полянах и прогалинах. Таинственная прелесть зеленых искорок, разбросанных в траве или по невысоким кустарничкам, придает лесу особое очарование. У Ивановых червячков светится только самочка. Ростом она невелика, всего 2—3 сантиметра, с маленькой головкой и грудью, где расположены три пары ног, и большим мясистым брюшком. Вся она буро-коричневого цвета, за исключением нижней стороны трех последних члеников. Эти членики белые, а их хитиновая оболочка прозрачна. Здесь и находится фонарик.
В сумерках самка залезает на высокий стебелек и принимает такую позу, чтобы нижняя сторона брюшка была повернута вверх, а затем зажигает свет. Это сигнал самцам, чтобы было легче отыскать себе подругу. К маленьким лесным маячкам спешат женихи. Они значительно меньше самок, имеют крылья и хорошо летают. Сверху им отлично слышен призыв, простите, виден фонарик, и они спешат на зов. Кавалеры практически не светятся. Им это ни к чему.
У тропических светлячков бывает, что светятся лишь одни самки или только самцы, но нередко и те и другие. Большая часть светящихся насекомых имеет крылья. Это гарантирует встречу жениха и невесты. Если световыми сигналами пользуется лишь кто-то один, он обычно не утруждает себя полетами, терпеливо поджидая представителя противоположного пола. Нередко такие светлячки собираются большими компаниями и общими усилиями неплохо освещают какой-нибудь куст на лесной поляне. Чтобы сделать работу своих фонариков экономичнее (биолюминесценция требует немало энергии) и усилить яркость фонариков, некоторые светлячки пользуются мигающим светом, причем синхронизируют работу своих светильников, зажигают их все разом. Такие вспышки в ночном лесу хорошо видны и издалека привлекают половых партнеров.
Некоторые светлячки пользуются световыми сигналами как светотелеграфом, чтобы обменяться информацией. В джунглях слишком много светящихся насекомых, и фонарики помогают им не только найти друг друга, но и выяснить, кто есть кто. Система взаимного опознания выглядит следующим образом. Одна часть светлячков, обычно представители слабого пола, не зажигая сигнальных огней, чтобы не привлекать внимания хищников, спокойно ждет появления самцов, с комфортом устроившись в траве или в ветвях деревьев. С наступлением темноты женихи отправляются на поиски, вспышками своих фонариков методично посылая световые призывы. Заметив сигнал, самка немедленно отвечает. Чтобы крылатый кавалер не ошибся, самка на каждую вспышку его фонарика отвечает своей, загораясь через строго определенный интервал после призыва самца. Свет ее фонарика служит для жениха маяком, помогая разыскать невесту, а интервал – удостоверением личности, позволяющим установить видовую принадлежность откликнувшейся дамы. У этих насекомых точные хронометры, и во время смотрин ошибок практически не бывает.
Электромагнитные волны позволяют получать массу полезной информации об окружающем мире. Обитатели леса имеют для их анализа соответствующие рецепторы. Животные пользуются более широким диапазоном волн, чем человек, воспринимая, кроме световых, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, а некоторые и сами способны генерировать электромагнитные волны светового диапазона.
ГОЛОСА ЛЕСА
В густых зарослях леса трудно заметить затаившегося врага, нелегко обнаружить дичь, проще простого разминуться с собственным супругом или растерять детей. Плохая видимость должна быть чем-то компенсирована. В чащобе львиную долю важнейшей информации поставляют уши. Звуки чаще всего сообщают о присутствии живых организмов. Нет таких существ, во всяком случае, среди достаточно крупных животных, которые бы совсем не издавали звуков, не производили шорохов, скрипов, не ломали бы с треском сучьев... Чтобы не запутаться в потоке звуков, лесным обитателям необходим острый слух. Ведь большинству жителей леса постоянно приходится поддерживать контакт со своими родственниками и соплеменниками, а в густых зарослях проще всего обмениваться звуковыми сигналами.
Слух– дистанционный анализатор. Он позволяет улавливать и анализировать звуки, возникающие на известном расстоянии от воспринимающего их существа. В этом отношении слух сходен со зрением. Сходство усиливается тем, что звуки тоже волны, только не электромагнитные, а совершенно иной природы. Их называют волнами сжатия, и распространяться они могут в любом веществе: в воде, металле, камне, ну и, конечно, в воздухе. Именно волны сжатия, следующие с частотой от 30 до 20 000 герц в секунду, мы и называем звуком.
Это не означает, что волн с иной частотой не бывает. Просто более редкие сжатия мы воспринимаем как вибрацию, а более частые не замечаем совсем. Эти более быстрые сжатия мы называем ультразвуком. Слух многих животных значительно совершеннее нашего. Они способны воспринимать быстрые колебания и активно пользоваться информацией, приносимой ультразвуками. Собаки воспринимают звуки с частотой до 45 000 герц, то есть способны анализировать информацию, приносимую волнами сжатия воздуха, возникающими 45 000 раз в секунду.
Ухо, или, точнее, звуковоспринимающий аппарат высших позвоночных, имеет достаточно сложное устройство. На дне ушных воронок находятся слуховые проходы, заканчивающиеся барабанной перепонкой. Предназначены ушные раковины для улавливания звуковых волн. Они создают приоритетные условия для проникновения в ушные проходы волн сжатия, приходящих из определенных точек пространства. У многих животных, обладающих изощренным слухом, уши большие и подвижные. Даже чемпионы по остроте слуха среди птиц – совы и филины, чьи предки появились на земле задолго до того, как природа изобрела звукоулавливающие рефлекторы из хряща и кожи, вынуждены были обзавестись аналогичным сооружением из перьев и пуха.
Слух– дистанционный анализатор. Он позволяет улавливать и анализировать звуки, возникающие на известном расстоянии от воспринимающего их существа. В этом отношении слух сходен со зрением. Сходство усиливается тем, что звуки тоже волны, только не электромагнитные, а совершенно иной природы. Их называют волнами сжатия, и распространяться они могут в любом веществе: в воде, металле, камне, ну и, конечно, в воздухе. Именно волны сжатия, следующие с частотой от 30 до 20 000 герц в секунду, мы и называем звуком.
Это не означает, что волн с иной частотой не бывает. Просто более редкие сжатия мы воспринимаем как вибрацию, а более частые не замечаем совсем. Эти более быстрые сжатия мы называем ультразвуком. Слух многих животных значительно совершеннее нашего. Они способны воспринимать быстрые колебания и активно пользоваться информацией, приносимой ультразвуками. Собаки воспринимают звуки с частотой до 45 000 герц, то есть способны анализировать информацию, приносимую волнами сжатия воздуха, возникающими 45 000 раз в секунду.
Ухо, или, точнее, звуковоспринимающий аппарат высших позвоночных, имеет достаточно сложное устройство. На дне ушных воронок находятся слуховые проходы, заканчивающиеся барабанной перепонкой. Предназначены ушные раковины для улавливания звуковых волн. Они создают приоритетные условия для проникновения в ушные проходы волн сжатия, приходящих из определенных точек пространства. У многих животных, обладающих изощренным слухом, уши большие и подвижные. Даже чемпионы по остроте слуха среди птиц – совы и филины, чьи предки появились на земле задолго до того, как природа изобрела звукоулавливающие рефлекторы из хряща и кожи, вынуждены были обзавестись аналогичным сооружением из перьев и пуха.