Живые локаторы океана

Работа голосового аппарата млекопитающих тесно связана с дыхательной системой. Между тем устройство дыхательных путей дельфинов совершенно необычно и не имеет аналогии среди наземных существ. Дышать ртом зубатые киты не могут. Ни ротовая полость, ни глотка с легкими не сообщаются. Рот используется только по прямому назначению – для поглощения пищи. Это новшество имеет вполне разумное объяснение. Соединяйся ротовая полость с трахеей, дельфинам под водой в буквальном смысле слова было бы рта не открыть. А так как, кроме челюстей, у них нет иных приспособлений, чтобы хватать добычу, то при иной конструкции пищеварительной системы они погибли бы голодной смертью.

Зубатые китообразные дышат «носом». Слово «нос» взято в кавычки потому, что носовой проход открывается у них на темени, а не на конце рыла (у дельфинов оно называется рострумом); кроме того, у них всего одна, зато весьма солидная ноздря. Дыхательное отверстие расположено в самой верхней точке головы. Многие дельфины только его и выставляют из воды. С таким дыхалом очень удобно, неподвижно зависнув, дремать, чуть-чуть подгребая ластами, чтобы темя все время выступало наружу. Отверстие дыхала снабжено мощным полулунным клапаном – своеобразной мясистой затычкой. Он предохраняет легкие от попадания воды. Широкая ноздря позволяет до предела сократить время, затрачиваемое на вдох и выдох.

Конструкторские новшества дыхательной системы дополняют три пары асимметричных воздушных мешков, соединенных с наружным носовым проходом. У большинства зубатых китов они узкие и дугообразно искривлены. Располагаются мешки ярусами, один над другим. Если дыхательную систему мертвого дельфина залить гипсом и получить слепок, то воздушные мешки больше всего напоминали бы три неправильной формы баранки, нанизанные на стержень наружного носового прохода. Мешки окружены мышечными слоями, часть из них снабжена собственной мускулатурой и сфинктерами в местах соединения с носовым проходом. У отверстия средней пары мешков находятся внутренние пробки. Это дает основание предполагать, что животные, напрягая мускулатуру мешков, могут произвольно изолировать отдельные полости от остальной дыхательной системы, создавать в них необходимое давление и, регулируя величину соединительного отверстия, перекачивать находящийся там воздух из одного мешка в другой. Для чего нужны воздушные мешки дельфинам, пока никто не знает, но большинство ученых думает, что они имеют непосредственное отношение к производству звуков.

Проще всего предположить, что звук возникает при продувании воздуха через наружное отверстие дыхала. Наблюдая за животными, можно заметить, как во время свиста из отверстия дыхала вылетают струйки мелких пузырьков воздуха.

Однако во время щелчков и других звуков воздух не выделяется.

Местом возникновения звуков вполне могут быть голосовые связки. Воздух, продуваемый через них, не обязательно должен выделяться наружу. Он может закачиваться в воздушные мешки, которые к тому же способны выполнять роль резонаторов. Большинство исследователей давно свыклись с мыслью, что эхолокационные щелчки возникают в наружном носовом проходе при перекачивании воздуха из одного мешка в другой через резко суженные отверстия. Действительно, продувая под давлением воздух через носовой проход мертвых дельфинов афалины и стенеллы удалось получить слабые щелчки, напоминающие локационные.

Предложенная выше теория показалась ученым весьма привлекательной. И действительно, дыхательная система дельфинов имеет шесть воздушных мешков и еще больше суженных мест в воздухоносных каналах. Мускулатура каждого мешка и внутренние пробки в состоянии работать независимо друг от друга. Это значит, что животные имеют возможность одновременно издавать несколько звуков. Наблюдения подтверждают, что афалины, гринды к белобочки могут одновременно издавать свисты и щелчки, свисты и скрип, визг, лай и другие звуки. Существует предположение, что каждый локационный щелчок формируется за счет суммарного действия двух (или более) источников звука. Если эти предположения подтвердятся, станут понятны многие загадки звуков, издаваемых дельфинами, загадки, ответы на которые пока не найдены.

Синтез нескольких звуковых сигналов может обеспечить возникновение совершенно необычных звуков. Джонни Вайс-мюллер, исполнитель роли Тарзана в некогда популярном многосерийном приключенческом фильме, рассказал, что знаменитый крик его героя состоял из голоса самого актера, лая собаки, сопрано оперной певицы, звука скрипичной струны и воя гиены.

Дыхательная система усатых китов устроена проще. Пищевой путепровод анатомически не отделен от дыхательного пути. Лишь во время заглатывания пищи вход в трахею временно закрывается с помощью надглоточного хряща. У усатых китов нет надчерепных воздушных мешков, зато имеется гортанный. Вероятно, звуки возникают в гортани, а воздушный мешок служит резонатором.

А во лбу звезда горит

Любому животному выгодно видеть как можно дальше и иметь как можно более широкий обзор, чтобы не упустить добычу, не просмотреть опасность. Дельфинам приходится «освещать» себе дорогу акустическим лучом. Чтобы выяснить, что он собой представляет, пришлось провести много серий все усложнявшихся опытов. Главным препятствием для подобных исследований является большая подвижность дельфинов. Ученые мечтали заставить животное стоять неподвижно в определенном месте бассейна и по команде лоцировать опущенный в воду предмет. Тогда, расставив вокруг лоцируемого предмета гидрофоны, экспериментаторы могли бы изучить параметры звука в разных точках пространства, и вопрос был бы решен.

К сожалению, этого еще никому не удалось осуществить.

Не так-то просто договориться с дельфином, чтобы он и в воде застыл неподвижно, и локационные посылки излучал по команде. Кроме того, в те годы, когда начиналось изучение эхолокации у китообразных, в физиологических лабораториях не было приборов, позволяющих записать одновременно на одной пленке звуки, уловленные несколькими гидрофонами.

Американские исследователи первыми взялись за изучение формы звукового луча дельфинов. В их распоряжении был небольшой мелководный круглый бассейн, вроде чаши городского фонтана, и один гребнезубый дельфин. После длительной тренировки животное удалось научить пересекать бассейн по диаметру, плывя между двумя туго натянутыми тросами.

Дельфины не любят касаться каких-либо предметов. Этим, видимо, объясняется, что животное оказалось послушным и за пределы предназначенного ему коридора не заплывало. Во время экспериментов глаза дельфина закрывали специальными присосками, и гребнезубу поневоле пришлось пользоваться эхолокацией, чтобы ни на что не натыкаться. Да и экспериментаторам животное вряд ли полностью доверяло. Гораздо благоразумнее было постоянно находиться начеку.

Исследование проводилось с поистине ювелирной точностью. У исследователей был один гидрофон. Перед каждым заплывом они устанавливали его на новом месте. Из всей массы записей локационных посылок приходилось отбирать и сравнивать только те, что были произведены животным в одном и том же месте бассейна при абсолютно одном и том же положении головы. Приходилось заставлять дельфина десятки раз проделывать один и тот же путь, каждый раз переставляя гидрофон на новое место, чтобы выяснить, какие районы лежащего впереди пространства «освещаются» звуковым лучом, а какие остаются «в тени». Преодолев все трудности, исследователи убедились, что чем выше частотные характеристики локационной посылки, тем более узким лучом она распространяется.

Полученные результаты не были для ученых большой неожиданностью. Уже было известно, что летучие мыши пользуются при эхолокации таким же узким звуковым, лучом. Зато возникла новая задача – объяснить, как удается дельфинам так узконаправленно посылать свои локационные посылки.

Ответ на этот вопрос можно получить, познакомившись с анатомией дельфинов. Если считать, что используемые для локации звуковые посылки возникают где-то в наружных воздухоносных проходах, то выходит, что звукогенератор сзади отгорожен длинными костями верхней челюсти и перпендикулярно к ним расположенными, поднимающимися круто вверх и несколько вогнутыми внутрь лобными костями черепа, а спереди – особым образованием, названным дыней, но больше известным как жировая подушка. Изобразив эти образования в виде схемы и обозначив на рисунке место возникновения звука и хода звукового луча, получим чертеж прожектора. Действительно, голова дельфина является прожектором, но только акустическим. Кости черепа служат для звукового луча рефлектором, позволяющим посылать его в определенном направлении, а жировая подушка – фокусирующей линзой, собирающей луч в узкий пучок.