А. Г. Томилин "В мире китов и дельфинов". Глава 18 Дельфины и наука
Глава
Дельфины
и наука
За последние два десятилетия дельфины вышли на передний край науки. Они
оказались превосходными лабораторными животными, которые спокойно относятся
к экспериментам и позволяют делать над собой различные, порой очень сложные
опыты. На дельфинах сделано много открытий в разных областях знаний.
Изучение дельфинов тесно связано с будущим науки и предстоящей практикой
человека.
Как новое лабораторное животное, дельфин очень перспективен: на нем можно
изучать важные вопросы физиологии, имеющие прямое отношение к медицине, технике,
гидродинамике, бионике и т. д. По своему миролюбивому характеру, высокому
уровню организации, исключительной терпеливости к разного рода опытам (в
том числе к электростимуляции мозга с пробиванием отверстий в черепной коробке),
по замечательным акустическим, эхолокационным, гидродинамическим свойствам
и многим другим ценным качествам дельфин выдвигается на одно из первых мест
в списке экспериментальных животных. Есть уверенность, что дельфин сыграет
не меньшую роль в будущих исследованиях, чем в свое время сыграли «мученицы
науки» - лягушка и собака.
В настоящее время на дельфинах очень активно разрабатываются проблемы гидробионики,
где выделяются два главных направления: 1) гидродинамическое, включая изучение
кожи с целью создания обшивок для скоростных судов, и 2) эхолокационное.
Первое, гидродинамическое, направление, в частности строение и антитурбулентные
свойства кожного покрова, уже частично рассматривалось в главе
7 .
В ходе эволюции у китообразных, передвигающихся в плотной водной среде, образовались
легко обтекаемая форма тела, упругий кожный покров, способный задерживать
появление турбулентных пульсаций в пограничном слое воды, сформировался своеобразный
локомоторный орган - хвостовой плавник - эффективный машущий движитель, приводимый
в движение сильной мускулатурой.
Однако проблема передвижения китообразных с высокой скоростью была «решена»
природой только тогда, когда появились два важнейших приспособления - «саморегуляция
гидроупругости плавников» и самонастройка кожи к быстрому плаванию путем
демпфирования. Саморегуляция плавников - не известное ранее явление - была
открыта советскими учеными
С. В. Першиным, А. С. Соколовым и А. Г. Томилиным в 1968 году 1 на
основе разносторонних исследований, проведенных на пяти видах дельфинов и
трех видах
китов. Эти исследователи установили, что у китообразных происходит автоматическое
(рефлекторное) регулирование упругости плавников, особенно хвостового, в
зависимости от скорости плавания при помощи специфических комплексных артерио-венозных
сосудов, общего распределительного узла кровеносной системы и особой структуры
покровных тканей хвостового плавника, включающих покрытие из сухожильных
тяжей.
Хотя комплексные артерио-венозные сосуды в плавниках дельфинов были обнаружены одним из соавторов открытия еще около 20 лет назад, физиологическое назначение этих сосудов было установлено авторами совместно лишь в последние годы. Саморегулирование гидроупругости плавников позволяет китообразным двигаться с огромной скоростью и догонять юрких, скоростных рыб и головоногих моллюсков, обеспечивает высокую маневренность, возможность совершать высокие прыжки, внезапные рывки, мгновенные остановки при стремительном ходе и т. п. Экстремальный режим плавания китообразных создал необходимость изменения и регулирования упругих свойств плавников, и прежде всего хвостового плавника. Во время самого быстрого движения плавники дельфинов имеют наибольшую упругость, при отдыхе они расслаблены. Открытие явления саморегуляции гидроупругости плавников китообразных создает возможность технического моделирования разных устройств и конструкций с регулируемой упругостью и жесткостью их некоторых частей.
Другой секрет дельфина - переменное демпфирование его кожи на различных
скоростях плавания, что является главной адаптацией кожных покровов китообразных
к быстроходности. Советские исследователи (В. В. Бабенко, Л. Ф. Козлов, С.
В. Першин, 1972) показали, что демпфирование кожи у дельфина осуществляется
в основном сосочковым слоем, обильно снабженным кровеносными сосудами и нервами.
Каждый сосочек кожи благодаря увеличению или уменьшению просвета кровеносных
сосудов на различных скоростях плавания обладает переменной упругостью. В
целом по всей коже это создает оптимальные условия демпфирования в соответствии
с той или иной скоростью плавания. Такое регулирование переменного демпфирования
совершается животными рефлекторно.
Дельфин при движении тонко использует в различных сочетаниях средства уменьшения
гидродинамического сопротивления воды и управления пограничным слоем на поверхности
своего тела. Он может улавливать гидродинамическое давление поля движущихся
судов.
Второе главное направление гидробионических исследований китообразных - эхолокационное.
Дельфины отлично ориентируются в водной среде с помощью превосходно развитого
у них гидролокатора. В звуковой ориентации немаловажное значение имеет направленность
посылаемых ими звуков.
В 1957 году зоологи из США. К. Норрис и В. Мак-Фарлан, описывая новый вид
морской свиньи из Калифорнии, заметили, что лобная поверхность ее черепа
подобна форме параболического зеркала, а мягкие части над челюстными костями
напоминают линзу. Возникла мысль, что голова морской свиньи может концентрировать
звуки, излученные воздушными мешками, как рефлектор и фокусирующий аппарат.
Так зародилась гипотеза звукового прожектора и акустической линзы дельфинов,
красиво объясняющая точность, прицельность и дальность эхолокации. В дальнейшей
разработке этой гипотезы принимали участие как американские (Эванс и Прескотт),
так и советские исследователи (А. В. Яблоков, В. М. Белькович, Е. В. Романенко,
с соавторами и другие).
Рис. 62.
Изменение формы лобно-носовой (жировой) подушки белухи: до (А) и в момент (Б) фокусировки. Фото К. Рэя.
Тот факт, что эхолоцирующий дельфин, приближаясь к добыче, покачивает головой,
как бы нацеливаясь на рыбу своим звуковым лучом, указывает, что звуковые
волны дельфины посылают направленно.
Е. В. Романенко, А. Г. Томилин и Б. А. Артеменко летом 1963 года в небольшой
бухте Черного моря провели эксперименты и с помощью их показали, что череп
и мягкие ткани головы дельфинов действительно концентрируют звуковые колебания
и играют роль акустического прожектора и звуковой линзы. Исследователи изучали,
как концентрируют звуки очищенный череп и цельная голова обыкновенного дельфина
в морской воде на глубине 1 м
. Для этого излучатель звука (шарик из титаната
бария) помещали в область расположения воздушных мешков - к переносице черепа
дельфина. Излучатель подключали к звуковому генератору, работавшему то на
одной, то на другой частоте. Колебания излучателя отражались от передней
стенки черепа, проходили сквозь мягкие ткани головы в воду и воспринимались
приемником в 1,5 м
от излучателя (рис. 60). Направленность звука
исследовалась путем вращения черепа или головы дельфина около вертикальной
оси в горизонтальной
плоскости. Приемник четко показывал направленность звука, так как интенсивность
принимаемых им звуков при вращении черепа изменялась. Испытания показали,
как изменяется направленность звуков, формируемая черепом и целой головой
дельфина в зависимости от частоты акустического излучения. Оказалось, что
с увеличением частоты от 10 до 180 кгц
направленность звуков, обусловливаемая
вогнутой передней поверхностью мозговой части черепа и мягкими тканями головы,
четко возрастает, и звуковое поле суживается (рис. 61). Одновременно ту же
закономерность на продельфине и афалине продемонстрировали американские исследователи
Эванс, Сутерланд и Бейл.
Основную роль концентратора звуков выполняет череп, а дополнительную - мягкие
ткани головы. Но и носовые мешки помогают в этом, поскольку они действуют
как отражательные поверхности (см. ход лучей на рис. 38). В направленности
сигналов, видимо, и таится секрет «ультразвукового разглядывания» дельфинами
предметов на разных расстояниях. В связи со сменой звукового поля дельфины
могут даже менять форму жировой подушки. Ученому США Карлтону Рэю в Нью-Йоркском
аквариуме удалось сфотографировать белуху в момент фокусировки звука: в одном
случае жировая подушка на ее голове была нормально-округлой, а в другом -
заостренной формы (рис. 62).
Образование эхолокационного аппарата и новая роль черепа как акустического
рефлектора у зубатых китов отразились на неравномерном развитии костей на
левой и правой стороне головы: асимметрия, по мнению биологов К. Норриса
и Ф. Вууда, резче всего затронула область ноздрей и тот квадрант черепа,
где генерируются звуки. Носовые проходы, как это хорошо видно на черепе карликового
кашалота, специализируются: один - как воздухоносный путь, а другой - для
выполнения звукосигнальной функции. Так была объяснена асимметрия черепа
зубатых китов, долго остававшаяся тайной для биологов мира.
Зубатые киты - это адаптивно измененные локаторщики, чей череп с мягкими
частями, звукосигнальный аппарат и орган слуха приспособились для генерации
звуков, их посылки, восприятия эха и анализа. Все это наложило очень глубокий
отпечаток на особенности биологии, анатомии и физиологии группы.
В последние годы в США изучение эхолокации и сигнализации дельфинов начали
проводить прямо в море на предварительно выдрессированных животных, послушно
возвращающихся по команде экспериментатора. Это имеет большие преимущества,
так как в океанариумах и небольших водоемчиках стенки отражают звуки и мешают
точности замеров. Только работа в естественной обстановке позволит окончательно
выяснить дальность и точность локации дельфинов, а также влияние глубины
погружения на работу их сонара. В этих целях животных обучают следовать за
небольшими подводными лодками. Для продолжительных наблюдений за дельфинами
в море теперь применяют новую акустико-телевизионную технику: серию гидрофонов,
подводные телевизионные камеры, кинокамеры, и т. д. При прослушивании и звукозаписи
создают особый режим «молчащего судна»: работа ведется лишь с выключенными
двигателями, насосами, холодильниками и др. Гидрофоны выносятся подальше
от кораблей на кабеле длиной до 300 м
и, чтобы избежать шума волн, размещаются
на глубине более 10 м
. Ценные результаты в изучении звуковой сигнализации
надеются получить, применив звуковидение. Это новое научно-техническое направление,
созданное советским акустиком Л. Д. Розенбергом, позволяет преобразовывать
звуки в видимое изображение.