Физика в мире животных: дельфины и эхолокация
Дельфины — морские млекопитающие. Их организм устроен специфически из-за образа жизни этих животных. Большинство органов чувств дельфинов работают не так, как у наземных млекопитающих. Их мозг не менее сложен, чем мозг человека, а развивались дельфины дольше людей (около 25 млн лет). Ученые многие десятки лет изучают дельфинов, но до сих пор существуют вопросы относительно их образа жизни, на которые нет ответа. В числе прочих вопросов — система коммуникаций этих животных. Специалисты считают, что у них есть свой язык, но расшифровать его человек пока не в состоянии.
Для того, чтобы сделать это, ученые стараются изучить слуховую систему дельфинов, а также их «эхолот» — систему передачи звуковых сигналов. Видимость под водой практически всегда сильно ограничена, поэтому дельфины полагаются не на зрение (оно у них развито неплохо, но идеальным его назвать нельзя), а на слух. Для общения между собой дельфины используют звуки высокой частоты. Для ориентации в пространстве эти животные издают щелчки определенной частоты и продолжительности. Эти звуковые сигналы, отражаясь от предметов, дают дельфину информацию об окружающих его объектах.
Многие наземные млекопитающие обладают очень острым обонянием. Дельфины, выбрав водную среду для жизни, почти утратили обоняние. Вместо него они научились в совершенстве использовать чувство вкуса. Вкусовые рецепторы дают дельфинам представление о наличии в воде определенных веществ, которые могут свидетельствовать о близости еды, опасности или сородичей. Ученые считают, что дельфины могут определить даже очень небольшую разницу в солености воды. По этой причине те дельфины, которые обитают в Средиземном море, почти не заходят в воды Черного моря, где соленость воды составляет около 17‰, что в вдвое ниже солености воды Средиземного моря.
Лучше всего у дельфинов развит слух, они имеет первостепенное значение в их жизни, заменяя в большинстве случаев зрение. В поисках пищи эти млекопитающие погружаются на большую глубину, где видимость практически отсутствует. Даже, если бы зрение дельфина было бы хорошо развито, что-то разглядеть здесь все равно сложно. А вот эхолокация позволяет обнаруживать пищу и отлично ориентироваться в окружающем пространстве. При этом еще в начале прошлого века специалисты утверждали, что слух у дельфинов развит очень слабо.
Голосовой аппарат
Как и у всех прочих млекопитающих, у предков дельфинов голосовой аппарат, скорее всего, был связан с дыхательной системой. Но у дельфинов и их родственников голосовая система не связана с легкими. Рот у них служит лишь для захвата предметов, включая пищу. Дыхательная система дельфинов сложная, точка вдоха и выдоха — это дыхало, которое находится в верхней точке головы. С дыхательным проходом дельфинов соединены сразу три пары воздушных мешков. Ученые считают, что эти мешки играют важную роль в генерации звуков дельфинами. Общаются они, закрыв пасть и дыхало, под водой, а не на поверхности.
В сентябре этого года исследователи из Карадагского природного заповедника опубликовали работу, где показана система общения этих животных. Изменяя громкость и частоту щелчков, дельфины-афалины составляют слова, а из них — предложения. По словам специалистов, во многом эти разговоры похожи на речь человека. Принимая участие в беседе, дельфины внимательно слушают друг друга. Когда «говорит» один дельфин, второй ему внимает, и наоборот. «Каждый звук, генерируемый одним из животных, отличается от другого звука, генерируемого собеседником. Отличие — в спектре и частоте пульсаций. При этом ряд сочетаний звуков не повторяется. Мы можем предположить, что каждая пульсация представляет собой отдельную фонему или слово из языка дельфинов», — говорит руководитель исследования Вячеслав Рябов. Скорость звуковой пульсации у дельфинов составляет около 700 импульсов в секунду.
Сами щелчки генерируются в специфической системе, которая расположена под дыхалом в верхней части головы. Звуковые волны посылаются животными направленно, эту возможность обеспечивает жировая прослойка на лбу животного, а также вогнутая передняя поверхность черепа. В итоге дельфин умеет собирать звук в направленный «луч» с углом расхождения в 9°. Это дает животным широкие возможности. Афалины, например, умеют обнаруживать мелкие объекты размером с мандарин на расстоянии свыше 100 метров.
Слуховой аппарат
Орган слуха у дельфинов не менее сложен, чем звуковой аппарат. Понятно, что ушных раковин у них нет, хотя у предков дельфинов они были. Если бы этот орган остался бы у дельфинов, он вызывал бы очаги турбулентности при движении, что стало бы причиной генерации сильного шума, заглушающего для животного все остальные звуки.
Поэтому звуки воспринимаются дельфинами по-другому. Сначала звуковые сигналы проходят через наружное ушное отверстие (оно все же есть). Затем по такому же узкому слуховому проходу акустическая волна добирается до среднего уха. Причем среднее и внутреннее ухо размещаются у этих животных не в черепной кости, а отдельно, соединяясь с черепом при помощи особого сухожильного крепления. Звуковой нерв передает полученные сигналы в мозг. Интересно, что приемники звука для левого и правого уха не зависят друг от друга. Это позволяет животному определять местоположение источника звука. К примеру, та же афалина может в бассейне точно локализовать место падения небольшой рыбки, и сразу приплыть к месту падения. Кроме ушных каналов, дельфины получают звук и при помощи нижней челюсти, где расположена костная пластина толщиной в 0,3 мм. Она играет роль мембраны.
Благодаря строению своей слуховой системы дельфины могут воспринимать широкий диапазон звуков — от 1 герца до 320 килогерц. Это гораздо более широкий звуковой диапазон, чем тот, который способен воспринимать человек.
Генерируя звуки и улавливая их отражение от окружающих объектов, дельфины изучают окружающее пространство. Причем эхолокационный «прибор» дельфина очень надежен. Друг друга дельфины находят на расстоянии свыше 150 метров в полной темноте. В этом случае они генерируют ультразвуковые сигналы с частотой 60-90 килогерц. При помощи своего «локатора» дельфин получает данные не только о расстоянии до препятствий и объектов, но и об их природе (размер, форма и свойства материала).
Источник
Удивительные способности дельфинов
Дельфины – милые и дружелюбные морские обитатели, которых часто путают с рыбами. Однако дельфины – умные и любознательные млекопитающие, умственные способности которых немало удивляют ученых.
Дельфины развили сложные способности, обитая в суровых условиях океанов и морей. Например, знаете ли вы, что дельфины могут долгое время находиться без сна, имеют уникальные способности ориентироваться в пространстве, обладают магнитным чувством и даже могут контролировать кровяные потоки в организме?
Мозг дельфинов
Дельфины умеют не спать
Все животные планеты нуждаются в сне, в том числе и человек. Мировой рекорд по лишению себя сна принадлежит Рэнди Гарднеру, который не спал 11 дней. Впрочем, уже на 4-й день у него начались галлюцинации.
Если человек не будет спать, он в конечном итоге умрет. То же самое произойдет с любым существом с развитыми функциями мозга, за исключением дельфинов, которые, как оказалось, научились лишать себя сна и при этом прекрасно себя чувствовать. Например, детеныши дельфинов не спят в первый месяц своей жизни так же, как их родители.
Все дело в том, что эти удивительные создания могут выключать половину своего мозга на какое-то время. Ученые беспрерывно тестировали реакции дельфинов в течение 5 дней, и, как оказалось, их реакции не замедлялись. Анализ крови на признаки стресса или бессонницы оказывались негативными. Дельфины умеют использовать эту способность бесконечно.
Еще одно исследование показало, что дельфины могут использовать эхолокацию в течение 15 дней подряд с практически идеальной точностью. Это имеет смысл, так как позволяет животным всегда быть на чеку и замечать приближение хищников.
Однако самое удивительное в том, что часть мозга дельфина все же спит. При этом визуальная информация начинает обрабатываться другой, активной частью мозга. Другими словами, если дельфин «выключает» часть своего мозга, вторая его часть может брать на себя все функции первой. Это все равно, что иметь два мозга вместо одного.
Зрение дельфинов
Удивительное зрение дельфинов
Известно, что дельфины используют эхолокацию для того, чтобы ориентироваться в том мире, в котором живут. Так как в морских глубинах видимость оставляет желать лучшего, животным легче использовать звуки, чтобы «видеть» предметы. Можно подумать, что зрение им вообще ни к чему, однако это не так.
Зрение дельфинов намного лучше, чем может казаться. Во-первых, их глаза расположены с обеих сторон головы, что позволяет им охватывать огромное пространство в 300 градусов. Они могут видеть то, что находится сзади. Во-вторых, каждый глаз движется независимо от другого, что позволяет животным смотреть в разных направлениях в одно и то же время.
Также у дельфинов имеются отражающий слой клеток, который находится за сетчаткой глаза и называется tapetem lucidem. Это позволяет им отлично видеть при низкой освещенности. Более того, дельфины так же хорошо видят над поверхностью воды, как и под водой.
Кожа дельфинов
Вам может показаться интересным, почему на дельфинов не цепляются другие морские обитатели, например, усоногие раки. Киты часто увешаны этими существами, однако у дельфинов, похоже, имеется иммунитет. Кожа дельфинов всегда выглядит гладкой, чистой и блестящей. В чем же ее секрет?
Уникальная кожа дельфинов имеет массу преимуществ. Во-первых, верхний слой кожи – эпидермис – у дельфинов не грубее, чем у человека, он в 10-20 раз тоньше, чем эпидермис любого наземного животного. Однако он растет в 9 раз быстрее, чем у нас.
Во-вторых, слой кожи дельфина меняется каждые два часа. Такое быстрое восстановление позволяет дельфинам оставаться гладкими, шелковистыми и быстро передвигаться в водной среде. У дельфинов имеются микроскопические чешуйки на коже, что позволяет им быстро двигаться в воде, а также препятствует распространению паразитов.
В-третьих, секрет уникальной кожи дельфинов также кроется в особом геле, который она вырабатывает. Этот гель не дает ракообразным зацепиться за поверхность кожи животных, а также отпугивает любых паразитов.
Уникальные легкие дельфинов
Известно, что дельфины – отличные пловцы. Например, дельфин-афалина может задерживать дыхание, находясь под водой, до 12 минут, при этом ныряя на глубину до 550 метров! Они способны на такое благодаря своим уникальным легким.
Хотя легкие этих животных по размерам не больше наших, они работают намного эффективнее. С каждым дыханием дельфин меняет около 80 и более процентов воздуха в легких. Мы можем поменять всего 17 процентов.
Кровь и мышцы дельфинов могут накапливать и транспортировать огромное количество кислорода благодаря тому, что в организме животных больше красных кровяных телец. Это означает более высокую концентрацию гемоглобина, чем у человека.
Однако все это не может до конца объяснить, как же дельфинам удается так долго задерживать дыхание и нырять на такие глубины. Оказывается, дельфины умеют направлять поток крови в нужном направлении. Например, во время глубоководных погружений кровь переходит от конечностей к сердцу и мозгу, улучшая их работу в экстремальных условиях.
Заживление ран у дельфинов
При травмах дельфины способны чудесным образом восстанавливать здоровье. C точки зрения науки, их способность восстанавливаться сравнима с чем-то фантастическим.
Например, дельфины могут выжить, получив серьезные увечья, и всего за пару недель могут восстановить большие объемы поврежденной плоти. Более того, их внешность способна возвращаться к первоначальному виду без каких-либо шрамов и уродств.
Кстати, у дельфинов также не бывает кровотечений. Например, человек при серьезной открытой травме может умереть только лишь из-за потери крови. При травмах дельфин направляет кровяной поток в нужную сторону так же, как он это делает при нырянии, что не позволяет ему истечь кровью.
Естественные обезболивающие дельфинов
Дельфинам, похоже, наплевать, на такие неудобства, как физическая боль. После того, как они получают серьезные травмы, которые бы обездвижили любое живое существо на планете, они спокойно могут продолжать играть, плавать и даже нормально питаться.
При открытых ранах у дельфинов не оголяются нервные окончания, что вызывает сильные боли. Это не значит, что боли они вообще не испытывают, они тоже очень чувствительны, как и мы.
Однако при получении серьезной травмы дельфины просто умеют.. не обращать на нее внимания. Считается, что их организм способен вырабатывать особые обезболивающие, вроде морфия, которые, впрочем, не вызывают никакого привыкания.
Такие способности дельфины выработали в ходе эволюции, что позволило им выживать в опасных условиях. Например, если за вами гонится хищник, лучше не показывать ему, что вы получили травму и что вам больно. Тогда у вас есть больше шансов выжить и не привлекать к себе внимание, как к слабому и беспомощному.
Дельфины и инфекции
Имея открытые раны на теле, дельфины способны плавать в воде, кишащей бактериями, и при этом не подцепить никаких инфекций. Похожи, им даже не страшны раны от грязных зубов акул. Человек при таком раскладе тут же умер бы от заражения крови в течение нескольких дней. Однако дельфинам хоть бы что!
Оказывается, к дельфинам не цепляется никаких инфекций. Известно, что иммунная система этих животных схожа с нашей, но как же тогда им удается отвратить от себя всю заразу?
На самом деле, никто точно сказать не может, откуда у дельфинов имеются такие чудо способности. Есть предположение, что дельфины получают своего рода антибиотики из планктона и водорослей.
Химические вещества, которые производят эти микроскопические существа, были обнаружены в подкожном жире дельфинов. Если слой жира повреждается при ранении, антибактериальные вещества освобождаются.
Каким образом дельфинам удается копить эти спасающие жизнь вещества под кожей, а не перерабатывать их при обмене веществ, остается пока загадкой для ученых.
Дельфины – самые лучшие пловцы
В 1936 году британский зоолог сэр Джеймс Грей был поражен тем, как быстро дельфины умеют плавать. Он стал очень подробно изучать их анатомию и выяснил, что кожа дельфинов должна иметь магические свойства, которые предотвращали бы трение, только тогда они были бы способны развивать такую скорость. Эта идея была названа «парадоксом Грея» и вплоть до 2008 года ученые не могли его решить.
Грей был частично прав: у дельфинов действительно имеются особенности, предотвращающие трение. Впрочем, Грей недооценивал силу мышц дельфинов, которая в 5 раз больше, чем сила мышц самого сильного человека на планете. Более того, дельфины также умеют очень эффективно использовать свою энергию.
Человек может использовать всего 4 процента своей энергии для передвижения в воде. Дельфины, в свою очередь, превращают 80 процентов энергии в тягу, что делает их самыми эффективными пловцами.
Магнитное чувство дельфинов
Почему дельфины и киты порой выбрасываются на берег? Эта загадка волновала умы ученых долгие годы. Предлагались разные теории: странные заболевания, загрязнение окружающей среды или тестирование военной техники. Однако исследования не подтверждали ни одну из этих теорий.
Случаи, когда животные выбрасывались на берег, фиксировались многие сотни лет, однако только недавно ученые стали догадываться, в чем же главная причина: оказывается, все дело в Солнце и магнитном поле нашей планеты.
В мозге дельфинов и китов имеются особые магнитные кристаллы, которые позволяют им чувствовать магнитное поле Земли. С помощью такой встроенной системы GPS они могут передвигаться по бескрайним просторам океана, без особого труда ориентируясь в пространстве.
Одна группа исследователей составила карту восточного побережья США, где наблюдались массовые случаи гибели дельфинов. Как оказалось, эти районы совпадали с местами, где магнитные горные породы снижали уровни магнитного поля планеты.
Таким образом, дельфин или кит, который ориентируется по магнитному полю, мог просто «не заметить» берег и оказывался на суше.
Также ученые выяснили, что когда Солнце выделяет слишком много радиации, оно влияет на магнитные чувства морских млекопитающих и также сбивает их с толку. Больше всего животных выбрасывается на берег, когда активность Солнца наиболее сильна. Это также может объяснить тот факт, почему спасенные животные снова возвращаются на берег.
Эхолокаторы в организме дельфинов поистине невероятны. Поражает их способность чувствовать объекты на расстоянии. Животные способны посылать звуковые сигналы и слушать эхо, отраженное от объектов.
Если добавить к этому редкому чувству остальные способности дельфинов, о которых говорилось выше, можно сделать вывод, что дельфины обладают действительно фантастическими чувствами и способностями, что отличает их других живых существ.
Однако мать-природа наделила их еще кое-чем: электрорецепцией — умением чувствовать электрические импульсы, посылаемые другими живыми существами.
Гайанские дельфины обитают у побережья Южной Америки и внешне похожи на дельфинов-афалин. Исследователи обнаружили особые углубления на их клювах, которые способны распознавать электроимпульсы, посылаемые мышцами рыб.
Похожая особенность имеется у таких животных, как утконосы. Они используют ее для поиска рыбы, которая прячется в иле. Эхолокация позволяет дельфинам определять положение объектов в пространстве, однако она не особенно эффективна на близком расстоянии, поэтому в ход вступает электрорецепция.
Источник