Як виглядає людина в ехолокаційних сигналах дельфінів
Дельфін володіє недосяжною для створених людиною приладів ефективністю гідроакустичної локацією. Він лоціруется дробинку, що впала в воду на відстані 15м- розрізняє розміри предметів однакової форми, що відрізняються на одиниці відсотків, їх матеріал-розрізняє подібно томографа деталі внутрішньої будови об`єктів, що знаходяться у воді або в шарі мулу, їх форму та інші параметри, виявляє їстівну рибу на відстані три кілометри і відрізняє від тієї, яка не йде в їжу.
Це досягається досконалістю системи гідролокатор-мозок. На малюнку приведена суто схематична структура функціонування гідролокатора дельфіна.
Відео: шоу косаток у Флориді
За ехолокаційному сигналам дельфінів вчені змогли з`ясувати, як ці морські ссавці «бачать» знаходиться в воді людини. Сонарним сигнали, записані підводним мікрофоном, були перетворені в картинки. Про це повідомляє Daily Mail.
І ось як це виглядає …
Дослідження проведено в дельфінарії міста Пуерто-Авентурас (штат Кінтана-Роо, Мексика). Дайвер Джим Макдоноу (Jim McDonough) надів вантажний пояс і активно видихав повітря. Було прийнято рішення не використовувати акваланг, так як бульбашки від нього вплинули б на результат експерименту. Сигнали (записане на мікрофон відлуння від сигналів дельфіна, спрямованих в бік Макдоноу) були передані британському вченому Джону Стюарту Риду (John Stuart Reid) - фахівця з акустичною фізики, творцеві апарату візуалізації звуку CymaScope.
Основний принцип роботи апарату - перетворення звукових вібрацій в коливання води. Спочатку вчені завантажили послідовність ультразвукових ехолокаційних сигналів дельфіна в CymaScope, поставивши камеру в режим відтворення відео. На поверхні води вони побачили якусь дивну форму. Потім вони програли відео назад, кадр за кадром, і через деякий час побачили неясний силует людини. Комп`ютерна обробка зображення принесла нові деталі (зокрема, дослідники змогли розгледіти вантажний пояс Макдоноу).
Раніше (в 2012 році) за допомогою тієї ж методики біологи з`ясували, як тварини сприймають неживі об`єкти.
Таким чином, ехолокація дозволяє дельфінам «побачити» не тільки тіні об`єктів, а й обриси їх поверхні. «Ми думаємо, що дельфіни можуть користуватися звуко-візуальною мовою - мовою картинок, якими вони діляться один з одним (кодуючи картинки ехолокаційному сигналами - прим.« Лента.Ру »)», - заявив автор дослідження Джек Кассевіц (Jack Kassewitz).
А тепер давайте все ж докладніше вивчимо як це працює.
Відео: Роснефть досліджує шельф Чорного моря
Носовий канал (1), що йде від дихала до легким з`єднує три пари повітряних мішків (2), що представляють собою порожнини, оточені системою радіальних м`язів.
Мембрани, що знаходяться в місці з`єднання мішків з носовою каналом, при продуванні повітря з лівого мішка в правий або навпаки генерують ультразвукові коливання, які фокусуються за допомогою рефлектора (3), що представляє собою параболічне поглиблення в передній частині черепа і акустичної лінзи (4), що представляє собою жирове освіту, оточене системою м`язів, що змінюють при необхідності його форму і, отже, фокусна відстань.
В результаті утворюється ультразвуковий промінь (5), частота і діаграма спрямованості якого можуть змінюватися. Лоцируємий об`єкт 6 розсіює падаюче на нього випромінювання і сприймається антенною системою у вигляді трьох областей (7), розташованих на шкірі раструма і нижньої щелепи дельфіна.Еті області утворюються акустичними рецепторами шкіри з щільністю розподілу близько 600 одиниць на 1 кв.см. і являють собою, по суті, просторову голографічну приймальню систему.
Наведена схема суто умовна. Дійсна форма її елементів значно складніше. Однак відображення цих анатомічних деталей тільки ускладнило б розуміння принципу дії системи.
Зробимо невеличкий відступ. Швидкість руху дельфіна в воді може досягати велічіни50-60 км / год, що набагато перевищує його м`язові енергетичні можливості. Вперше на цей факт звернув увагу Джон Грей.
Він показав, що удобообтекаемое тверде тіло однакових з дельфіном розмірів і формою мало б витрачати для подолання опору води потужність, приблизно в сім разів більшу, ніж та, яку він має.
Цей факт, який отримав згодом назву «парадокс Грея», пояснюється тим, що коефіцієнт опору при ламінарному обтіканні значно нижче, ніж при турбулентному.
Пояснюють парадокс Грея особливості структури і функціонування шкірного покриву з гідрофобними і демпфірувальними властивостями, а також руховий механізм, як шкірного покриву, так і всього тіла дельфіна.
Перш за все, поверхня шкіри абсолютно гладка і має гідрофобних-ним властивістю (коли дельфін виринає, на його шкірі немає крапель води). Гладкість же поверхні забезпечується її постійним оновленням, злущування відмерлих частин, що захищає від біологічного обростання, настільки характерного для морських плавзасобів і багатьох мешканців морів. Це перший ступінь захисту, що забезпечує мінімальний коефіцієнт тертя.
Другий ступінь захисту забезпечує гасіння дрібномасштабних пульсацій тиску водного середовища чарують освіту турбулентності.
Для цієї мети епідерміс містить два шари: тонкий зовнішній і лежить під ним паростковий або шіповідний. У паростковий шар входять шиповидні пружні сосочки дерми, які забезпечують надійне зчеплення з амортизатором - шаром жиру, пронизаним густими сплетеннями колагенових і еластинових волокон.
Перший і другий ступені - пасивні.
Під жировим шаром знаходиться шар розвиненої системи підшкірної мускулатури і кровоносних судин. Це третій ступінь захисту.
Працює третій ступінь захисту наступним чином. Однією з умов збереження ламінарності (безвихрового обтікання) є наявність поздовжнього, негативного градієнта тиску, який перешкоджає утворенню вихорів. Як тільки в будь-якому міс-ті шкіри виникає тенденція до утворення позитивного градієнта, мускулатурний, насичений кров`ю шар тут же змінює форму поверхні тіла дельфіна в відповідному місці таким чином, що ліквідує цю тенденцію. Це вже активна м`язово-гідравлічна захист.
Інформацію про поле тиску видають відповідні рецептори, що покривають все тіло дельфіна. Одним з рецепторів дотику у тварин і людини є волосся. Дельфін, втративши волосся при своїй еволюції, перетворив те, що від них залишилося в ці рецептори. Поле давши лений оточуючої води аналізується відповідним розділом мозку і видає потрібні команди вегетативної нервової системи, що управляє системою мускулатури і крові.
Ту ж роль в збереженні ламінарності обтікання тіла дельфіна грає його хвостова частина, руху якої створюють негативний градієнт тиску. Це четверта ступінь захисту.
Коли дельфіна потрібно досягти максимально можливої швидкості, наприклад, перед високим стрибком, він включає «форсаж», перетворюючи шкіру в додатковий двигун. На швидкісній кінозйомці добре видно, як по тілу дельфіна в напрямку хвоста біжить поперечний «гофр» з виступів шкіри, який є додатковим гребним механізмом.
Таким чином, дельфін весь є двигуном найвищого ступеня досконалості, здатним рухатися з великою швидкістю, перебуваючи при цьому в повністю ламинарном обтіканні.
А це означає, крім усього іншого, що у нього немає і шумів обтікання, якими так багаті технічні морські засоби.
А тепер, закінчимо зроблене відступ і повернемося до гидроакустике, знаючи, що дельфін рухається, не створюючи гідродинамічних шумів.
Все тіло людини покрите густою мережею рецепторів дотику. Рецепторів дотику і тиску (механорецепторов) в шкірі людини понад 600 тисяч. Це тільця Пачіно і Мейснера, а також диски Меркеля.
Механорецептори сприймають, в тому числі вібрації і звук. Останнє не є основним їх призначенням - для цього існують вуха. Однак відомі випадки, коли з дитинства глухі люди, поклавши долоні на стіл або поставивши ступні на підлогу, можуть слухати музику.
У дельфіна механорецепторов, мабуть, значно більше, ніж у людини. В процесі еволюції вони перетворилися в багато тисяч гідрофонів, що покривають все тіло дельфіна. В результаті поверхня тіла дельфіна є надзвичайно розвинене багатофункціональне антенний пристрій, що працює в діапазоні частот від декількох герц до 200 кГц при дуже низькому рівні власних шумів і має на виході унікальне аналізує пристрій - мозок.
Іншими словами все тіло дельфіна - це досконалий акустичний очей, який може працювати як в активному, так і в пасивному режимі з круговим оглядом і можливістю концентрувати максимальну роздільну здатність в потрібному напрямку.
Різниця між оптичним оком і акустичним полягає тільки в тому, що в першому випадку аналіз інформації здійснюється на основі законів геометричної оптики, а в другому - на основі законів акустичної голографії.
У линзовой системі єдина інформація, яку можна отримати від одного рецептора, це амплітуда акустичного тиску. У голографічного же системі побудови зображення використовується як амплітуда, так і фаза. Оскільки голографічна антена несе велику інформацію від кожного рецептора, то одержувані зображення мають більшу інформативністю. До того ж, оскільки рецептори покривають все тіло дельфіна, тобто антена має максимальні розміри, то і дозвіл її має максимально досяжну величину.
На основі вищесказаного розглянемо загальну схему гідроакустичної системи дельфіна.
Дельфін як приймально-випромінююча гідроакустіческаясістема.
Перша підсистема - вуха (1), що доповнюються третім на приймальний пристрій - нижньою щелепою. Вона забезпечує, в основному, прийом комунікаційних сигналів, а також забезпечує частину функцій освітлення підводної обстановки.
Друга підсистема - вивчає всі типи звуків в діапазоні 10 Гц - 196 кГц. Зона її випромінювання (2).
Третя підсистема - система ближньої гидролокациі працює в зоні (3) і використовує найбільш високочастотні сігнали.Те ж гідроакустичні рецептори, що з великою щільністю розподілені на лицьовій стороні, з меншою щільністю розташовані по поверхні всього тіла дельфіна і утворюють багатоелементні широкополосную гідроакустичну приймальню антену з круговою діаграмою спрямованості (4).
Ця підсистема голографічного прийому забезпечує висвітлення підводної обстановки, працюючи як в активному, так і в пасивному режимах, а також доповнює роботу першої підсистеми.
Дельфін може сприймати звуки такої частоти, які сам не в змозі відтворити, на відміну від наземних ссавців і людини, які чують звуки, тільки такий частоти, які видають самі.
Дельфін володіє декількома гидроакустическими інформаційними системами, частково перекривають один одного і працюють параллельно.Разделеніе інформації, що надходить, і спільна її обробка здійснюється з по-міццю мозку, в реальному масштабі часу.
Відео: Сміття зайшли в блатну хату
Таким чином, забезпечується істотне поліпшення відношення сигнал / шум і з`єднання спрямованого прийому, що забезпечує високу просторову роздільну здатність, з круговим оглядом, який ведеться як в активному, так і в пасивному режимі, що недоступно для технічних засобів.
Отримана інформація кодується мозком, мабуть, у вигляді чотиривимірних образів (три просторових і один частотний).
Для дельфіна гідроакустичний канал отримання інформації означає набагато більше, ніж зір для людини. Інші органи почуттів відіграють допоміжну роль.
Що бачить дельфін за допомогою своєї гідроакустичної системи?
Він бачить поверхню, бачить дно з усіма деталями його будови, в тому числі з деталями шарів подстилающих порід-бачить предмети, що лежать на дні, в тому числі і що лежать глибоко в іле- бачить особливості кожного предмета, його розміри, форму, особливості матеріалу, внутрішнього устрою.
Він нічого не може «сказати», про яке-небудь конкретний предмет, якщо раніше його не бачив. Але якщо поруч знаходяться два подібних один одному предмета, він при деякій тренуванні, може відрізнити один від іншого по будь-якому параметру: за розміром, формою, за матеріалом, з на-лічію пустот всередині, розмірами і формою цих пустот і т.д.
Він бачить все плаваючі навколо нього об`єкти (в загальних рисах, так би мовити «бічним зором») і якщо щось його зацікавило, концентрує на ньому гостроту свого акустичного зору. До речі, коли дельфін пливе або хоче розглянути що-небудь, він робить рухи головою, дуже схожі на рухи зіниць людини в подібних ситуаціях.
Кілька простих прикладів. Дельфін розрізняє: два абсолютно однакових за формою і розмірами предмета, але зроблених, один - зі сталі, іншої - з латуні- два однаково оброблених суцільних сталевих кулі, що розрізняються по діаметру на 2-3% - два однакових герметичних товстостінних порожнистих циліндра, порожнину яких частково заповнена водою, якщо різниця рівнів води в них з-ставлять 3-4 мм і т д.
Більш складний приклад. Якщо у воді пливе кілька людей, серед яких один знайомий дельфіна, дельфін підпливе саме до нього, якщо знайомство має позитивний відтінок. Якщо пливе одночасно, нехай на великій відстані, кілька добре знайомих людей, тренований дельфін підпливе в разі отримання команди саме до того, на кого йому буде вказано.
Як це відбувається? Кожен підводний об`єкт є трансформатором гідроакустичних полів в навколишньому його просторі. На якихось частотах переважає відображення падаючих на об`єкт хвиль, на якихось - поглинання. Відбувається зсув фаз і змінюється інтерференційна структура поля, поглинена об`єктом акустична енергія переизлучается їм на власних резонансних частотах і т.д.
Кожен випромінювань дельфіном гідроакустичний локаційних імпульс, відбиваючись від об`єкта, несе інформацію про його стан, розміри і форму (по куту і часу приходу луна-хвиль). Енергія ж імпульсу, що має форму дельта-функції, збуджує весь спектр власних резонансних частот об`єкта, що створює його неповторний акустичний образ.
Основну інформацію дельфіна дають активні гідролокатори: передній (з високою роздільною здатністю) і кругової (грубого дозволу), а також пасивна слухова стереосистема прийому оточуючих акустичних полів.
Але можливо, певний внесок вносить і голографічна система, що працює в пасивному режимі (без власної підсвічування), заснована на спотворенні об`єктами інтерференційних полів на різних частотах, утворених зовнішніми джерелами як когерентного, так і широкосмугового фонового випромінювання.
