Что такое эхолокация? Определение и примеры в мире животных и человека

Эхолокация – это физиологический процесс, который используется некоторыми животными для обнаружения объектов в местах с плохой видимостью. Животные излучают высокие звуковые волны, которые отражаются от объектов, возвращая «эхо» и предоставляя им информацию о размере объекта и расстоянии. Таким образом, они могут понимать, что их окружает и перемещаться по окружающей среде, даже когда не видят.

Навык в основном предназначен для животных, ведущих ночной образ жизни, глубоко роющих норы или живущих в глубинах океанов. Поскольку они живут или охотятся в районах с минимальным освещением или полной темнотой, они стали меньше полагаться на зрение, вместо этого они используют звук для создания мысленного образа своего окружения. Мозг животных, который эволюционировал, чтобы понимать эти эхо, улавливает определенные звуковые характеристики, такие как высота звука, громкость и направление, чтобы ориентироваться в окружающей среде или находить добычу.

Следуя аналогичной концепции, некоторые слепые люди смогли приучить себя использовать эхолокацию, щелкая языком.

Как работает эхолокация?

Чтобы использовать эхолокацию, животное сначала должно создать какой-то звуковой импульс. Обычно звуки состоят из высоких или ультразвуковых писков или щелчков. Затем они прислушиваются к эхо излучаемых звуковых волн, отражающихся от объектов в их среде.

Летучие мыши и другие животные, использующие эхолокацию, специально настроены на свойства этого эха. Если звук возвращается быстро, животное знает, что объект находится ближе; если звук более сильный, оно знает, что объект больше. Даже высота эха помогает животному составлять карту своего окружения. Объект, движущийся по направлению к нему, создает более высокий тон, а объекты, движущиеся в противоположном направлении, приводят к более низкому возвращающемуся эхо.

Исследования сигналов эхолокации обнаружили генетическое сходство между видами, которые используют эхолокацию. В частности, косатки и летучие мыши, имеют общие специфические изменения в наборе из 18 генов, связанных с развитием ганглиев улитки (группа нейронных клеток, ответственных за передачу информации от уха в мозг) (1).

Эхолокация теперь предназначена не только для природы. Современные технологии позаимствовали концепцию таких систем, как гидролокатор, используемый для навигации подводных лодок, и ультразвук, используемый в медицине для отображения изображений тела.

Эхолокация животных

Точно так же, как люди могут видеть посредством отражения света, эхолокационные животные могут «видеть» посредством отражения звука. В горле летучей мыши есть особые мускулы, которые позволяют ей издавать ультразвуки, в то время как ее уши имеют уникальные складки, которые делают их чрезвычайно чувствительными к направлению звуков. Во время ночной охоты летучие мыши издают серию щелчков и писков, которые иногда бывают настолько высокими, что человеческое ухо не обнаруживает их. Когда звук достигает объекта, он отскакивает назад, создавая эхо и сообщая летучей мыши о своем окружении. Это помогает летучей мыши, например, поймать насекомое в полете.

Исследования социальной коммуникации летучих мышей показывают, что летучие мыши используют эхолокацию, чтобы реагировать на определенные социальные ситуации, а также различать пол или индивида. Дикие летучие мыши-самцы иногда различают приближающихся летучих мышей исключительно на основании их эхолокационных сигналов, производя агрессивные вокализации в отношении других самцов и ухаживания после того, как услышали эхолокационные призывы самок (2).

Зубатые киты, такие как дельфины и кашалоты, используют эхолокацию, чтобы перемещаться по темным мутным водам глубоко под поверхностью океана. Эхолоцирующие дельфины и киты испускают ультразвуковые щелчки через носовые ходы, посылая звуки в морскую среду, чтобы определять местонахождение и различать объекты на близком или дальнем расстоянии.

Голова кашалота, одна из крупнейших анатомических структур в животном мире, заполнена спермацетом (воскоподобным веществом), который помогает звуковым волнам отражаться от массивной пластины в его черепе. Фокусируемые звуковые волны в узкий луч помогают обеспечить более точную эхолокацию даже на расстоянии до 60 километров. Белухи используют мягкую круглую часть лба (так называемую «акустическую линзу») для эхолокации, фокусируя сигналы так же, как кашалоты (3).

Эхолокация человека

Эхолокация чаще всего ассоциируется с животными, не являющимися людьми, такими как летучие мыши и дельфины, но некоторые люди также овладели этим навыком. Несмотря на то, что они не способны слышать высокочастотный ультразвук, который летучие мыши используют для эхолокации, некоторые слепые люди научились использовать звуки и прислушиваться к отражающемуся эхо, чтобы лучше понимать свое окружение. Эксперименты с эхолокацией человека показали, что те, кто тренируется с «человеческим сонаром», могут продемонстрировать лучшие характеристики и обнаружение целей, если они будут испускать звуки с более высокими спектральными частотами. Другие обнаружили, что человеческая эхолокация на самом деле активирует зрительный мозг (4, 5).

Возможно, самым известным человеком эхолокатором является Дэниел Киш, президент организации «Доступ в мир для слепых» (World Access for the Blind) и эксперт по эхолокации человека. Киш, который ослеп с 13 месяцев, использует звуки щелканья ртом для навигации, прислушиваясь к эхо, отражающемуся от поверхностей и предметов вокруг него. Он путешествует по миру, обучая других пользоваться эхолотом, и сыграл важную роль в повышении осведомленности об эхолокации человека и привлечении внимания научного сообщества. В интервью журналу Smithsonian Киш описал свой уникальный опыт работы с эхолокацией (6, 7, 8):

Это вспыхивает. Вы действительно получаете непрерывное видение, как если бы вы использовали вспышки, чтобы осветить затемненную сцену. Это приобретает четкость и фокусировку с каждой вспышкой, что-то вроде трехмерной нечеткой геометрии. Это в 3D, это имеет трехмерную перспективу, и это ощущение пространства и пространственных отношений. У вас есть глубина структуры, у вас есть позиция и размер. У вас также есть довольно сильное чувство плотности и текстуры, которые, если хотите, похожи на вспышки гидролокатора.

Источник