Умейте задавать вопросы

Каждый, кому приходится постоянно общаться с животными, может много интересного рассказать о своих четвероногих друзьях. Жаль только, что животные не говорят. Владей они даром речи, мы узнали бы о них гораздо больше. А так о самых обычных вещах — о том, что видят, слышат или какие запахи ощущают звери, — нам приходится только гадать.

Ученые, естественно, не берут в расчет догадки. Им нужны точные сведения, и они умеют их получать. Ученые давно научились задавать животным вопросы и получать на них ответы.

Современная наука располагает целым арсеналом средств, с помощью которых можно изучить функцию органов чувств, или, как называют их физиологи, анализаторов животных.

Самый непосредственный и самый наглядный способ — наблюдение за ориентировочным рефлексом. Внешние анализаторы — глаза, уши, нос — непрерывно сообщают мозгу обо всем, что происходит вокруг. Мозг всю полученную информацию анализирует, взвешивает и некоторое время хранит в памяти.

Пока вблизи ничего существенного не происходит, животное спокойно занимается своими делами, разыскивает корм, греется на солнце или просто спит. Но вот впереди что-то мелькнуло, донесся незнакомый звук или запах. Мозг не терпит неопределенной информации. Он тотчас посылает указание внешним анализаторам провести ориентировку, т. е. собрать дополнительные сведения,чтобы выяснить, что это такое было. Недаром ориентировочный рефлекс называют рефлексом «Что такое?» Получив от мозга распоряжение, глаза, уши, нос немедленно поворачиваются в ту сторону, откуда пришел незнакомый сигнал. Подобную реакцию у животных наблюдал каждый.

Ориентировочный рефлекс не исчерпывается перечисленными выше реакциями. Незнакомый раздражитель может быть предвестником опасности или, что не менее важно, явиться сигналом о приближении добычи. В том и другом случае следует быть начеку, привести свой организм в боевую готовность. Вот почему ориентировочный рефлекс сопровождается увеличением секреции некоторых гормонов, изменением работы сердца, органов дыхания, тонуса кровеносных сосудов. Организм подготавливается к срочным действиям.

Все менее срочные дела, например работа органов пищеварения, притормаживаются. В руках ученых много показателей, позволяющих следить за ориентировочным рефлексом, но не все их удобно использовать.

Ученые не очень полагаются на движения ушей животного: ведь можно прислушиваться, не шевеля ушами.

У ориентировочного рефлекса есть крупный недостаток: он быстро угасает. Раздастся какой-то новый звук, насторожит уши лисица. Станет принюхиваться, присматриваться, прислушиваться. Нет, кажется, ничего неожиданного звук не предвещает — ни опасности, ни пищи. Если тот же звук раздастся во второй, третий, четвертый раз и по-прежнему ничего особенного вслед за ним не произойдет, лисица перестает волноваться. С каждым разом ее уши настораживаются более лениво, менее активно работают нос, глаза. Смотришь — на пятый, восьмой, десятый звук лисица перестала реагировать совсем. К чему зря тратить энергию, если раздражитель никакой полезной информации не сообщает. Вот почему в лаборатории редко пользуются показаниями ориентировочного рефлекса. Слишком уж неустойчивы получаемые с его помощью результаты.

Итак, ориентировочный рефлекс не годится для серьезной обстоятельной беседы с животным. Наиболее удобный вид диалога — образование у животного условного рефлекса. Чтобы выяснить, какие звуки собака слышит и как тонко их различает, у нее вырабатывают условный рефлекс на звуковой раздражитель. Скажем, поставлена задача узнать, способна ли собака услышать звук с частотой 500 Гц. Поместив подопытное животное в звуконепроницаемую камеру, чтобы его не отвлекали посторонние раздражители, экспериментатор время от времени включает на 20—30 с нужный звук, а затем позволяет животному съесть небольшую порцию мясосухарного порошка. Пока собака вылизывает чашку из-под быстро исчезнувшего лакомства, специальный приборчик скрупулезно регистрирует на бумажной ленте каждую каплю слюны, выделившейся из околоушной железы. Уже через несколько повторений данной процедуры одно только действие звукового сигнала, задолго до появления пищи станет вызывать у собаки интенсивное слюноотделение. Это убедительно доказывает, что она слышит звуковой сигнал. Теперь можно постепенно уменьшить силу звука (не забывая подкармливать пса), и мы узнаем, сколь слабые звуки способно улавливать ухо собаки.

Если поставлена задача выяснить, как тонко различаются звуковые раздражители, приступают к выработке дифференцировки. Продолжая подкармливать собаку, всякий раз, когда звучит уже знакомый ей тон с частотой 500 Гц, время от времени включают и другой звук, довольно далекий от первого, например тон с частотой 800 Гц, — но никогда не сопровождают его пищей.

Очень скоро собака заметит, что более высокий звук не сопровождается пищей, и выделение слюны при его звучании прекратится. Сомнений быть не может — собака способна различать звуки с частотой 500 и 800 Гц. Теперь можно испытать действие более близкого раздражителя — тона с частотой 700 Гц, также не сопровождая его дачей мяса. Не беда, если при первых предъявлениях он будет вызывать выделение слюны. Немножко терпения, собака разберется и просто так, за здорово живешь слюну выделять не будет. Таким же образом можно испробовать звук с частотой 600 Гц, затем, 550, 520 Гц.

Не у каждого зверя удобно и легко собирать слюну. Тогда применяют другую методику. Крыса, добежав до разветвления узкого коридора, свернет в ту сторону, откуда будет доноситься звук 500 Гц, если он сулит ей завтрак, и даже не заглянет в коридор, откуда будет доноситься звук с частотой 600 Гц.

Чтобы получить от животного ответ на вопрос, его надо уметь поставить. Бессмысленно спрашивать, какие звуки слышит животное. Нужно спросить, слышит ли оно данный звук, способно ли отличить его от другого, вполне определенного звука. Вопросы следует задавать так, чтобы на них можно было ответить «да» или «нет». Вырабатывая условные рефлексы, иногда целые системы условных рефлексов, ученые и добиваются от животных ответа на интересующие их вопросы.

Если у животного вырабатывается условный рефлекс на какой-нибудь определенный звук, а близкие звуки рефлекса не вызывают, можно быть уверенным, что животное слышит этот звук и отличает его от всех остальных раздражителей. Итак, выработка условных рефлексов — наиболее распространенный вид диалога с животными, в том числе с обитателями океанариумов и испытательных полигонов.

Все, что творится в мире...

Многое из происходящего вокруг нас недоступно нашему взору, слуху, обонянию. Человеческий глаз не видит рентгеновские лучи, а какая-то бесчувственная фотопластинка их «замечает». Мы не ощущаем радиоактивных излучений, не имеем рецепторов, позволяющих оценить величину атмосферного давления, поляризацию световых лучей. Давным-давно люди заметили, что, собаки и слышат несравненно лучше человека, и ощущают запахи, нам совершенно недоступные, а острота зрения большинства хищных птиц намного превосходит человеческую. Подумать только, человек, венец творения природы, весьма далек от совершенства!

Имея весьма чувствительные рецепторы, животные не извлекают всеобъемлющей информации об окружающей среде.

Они видят, слышат и обоняют лишь то, что для них имеет смысл ощущать. Акустический рецептор в крыльях ночных бабочек воспринимает лишь ультразвуковые сигналы охотящихся за ними летучих мышей, а более низкочастотные колебания им совершенно недоступны. Кролик способен ощущать 24 первичных запаха, собака, видимо, — 35, а человек — всего 7—14. Однако это дает возможность человеку с наиболее изощренным обонянием запомнить и узнать около 10 000 сложных запахов. Сколько сложных запахов помнят кролик и собака, пока ученым неизвестно. Может быть, животные используют свои возможности лишь частично.

Изучение анализаторных систем животных — сложное и трудоемкое дело. Особенно если речь идет о таких явлениях, которые недоступны непосредственному восприятию наших органов чувств. Отсюда и проистекают многочисленные неудачи. Нередко выводы отдельных исследователей не удается согласовать между собой. Каждый надеется, что именно ему удастся окончательно решить затронутые в исследовании вопросы. Однако заранее почти невозможно предсказать, кто из ученых сможет добиться успеха, сколько это будет стоить и сколько потребуется времени, чтобы получить исчерпывающий ответ. Чаще всего не представляется возможным и предсказать результаты исследования, даже приблизительно.

Оказалось, что нелегко разобраться даже в таком простом вопросе, как слух дельфина. Еще не забылось время, когда ученые спорили, слышат ли вообще дельфины, и если слышат, то где — под водой или когда высовывают голову наружу.

Теперь широко известно, что животные воспринимают акустические колебания и в воде, и в воздухе. Появление эхолотов подтвердило, что животные слышат и ультразвуки: они уходят от судна, как только начинает работать эхолот.

Первые специальные исследования слуха дельфинов были осуществлены в США вскоре после окончания войны. В бассейн, где жили десять афалин и два длиннорылых дельфина, опустили гидрофон. Ученые время от времени включали на 2—3 с звук, внимательно наблюдая за проявлением ориентировочного рефлекса. Если хоть кто-нибудь из животных в момент излучения звука вздрагивал, останавливался, поворачивался в сторону гидрофона или стремился поскорее отплыть от него подальше, значит, дельфины слышали звук. В результате систематических наблюдений исследователи пришли к выводу, что дельфины хорошо слышат звуки в диапазоне от 100 Гц до 80 кГц.

Через несколько лет две группы американских ученых решили проверить полученный результат. Экспериментируя на афалинах, они применили метод условных рефлексов.

Дельфинов приучили на любой звук подплывать к экспериментатору и каждый раз награждали за усердие рыбкой.

Одна группа обнаружила, что звуки от 150 Гц до 120 кГц их животное не пропускало никогда. Звуки немногим выше 120 кГц оно слышало значительно хуже, а сигналы с частотой 150 кГц замечало лишь иногда. Другая группа пришла к выводу, что животные реагируют на звуки с частотой 20—100 кГц, а сигналы с частотой 150 кГц замечают только, если увеличить их интенсивность.

Четвертая группа американских исследователей, тоже занимавшихся изучением слуха дельфинов, введя в мозг афалин и полосатых стенелл электроды, наблюдала за электрическими реакциями в их мозгу, возникающими под воздействием акустических раздражителей. Оказалось, что звуки в интервале между 10 и 20 кГц животные слышат плохо. Звуки с частотой от 20 до 70 кГц воспринимались хорошо. Затем чувствительность слуха значительно ухудшалась. Самыми высокими звуками, которые дельфины могли еще ощущать, были сигналы с частотой 120—140 кГц.

Знакомство с полученными результатами показывает, что границы наилучшей чувствительности слуха дельфинов лежат где-то посредине воспринимаемого диапазона частот. А каковы верхние границы, пока сказать трудно.

Отдельные ученые называли цифру 300 и даже 500 кГц, но скорее всего это погрешности исследования.

У белобочек и азовок слух изучали советские исследователи. Белобочка оказалась в числе рекордсменов. Предполагается, что этот дельфин слышит звуки в диапазоне от 10 Гц до 320 кГц! Азовки же слышат звуки лишь от 3 до 190 кГц, а лучше всего воспринимают ультразвуковые колебания с частотой в 128 кГц.

Кое-что известно и о слухе других дельфинов. Амазонские инии воспринимают звуки от 1 до 105 кГц. Лучше всего они слышат сигналы с частотой 75—90 кГц. У косатки более узкий диапазон звукового восприятия — между 15 и 32 кГц. По-видимому, это связано с их охотничьими повадками. Более низкие звуки меньше затухают, позволяя вечно голодной косатке обнаруживать добычу издалека. О слухе кашалотов и крупных усатых китов практически ничего достоверного не известно. Имеются лишь свидетельства китобоев об изменении их поведения под воздействием каких-либо звуков, пугающих исполинов. Полагаться на эти сведения не приходится, хотя бы потому, что точная оценка характеристик подобных звуков никем не проводилась. Как ни кажется этот вопрос простым, однако приходится констатировать, что ученые пока еще не придумали способ, как заставить гигантов океана — блювала, финвала и других китов открыть свои секреты.

Зачем зайцу длинные уши?

Кому хватило терпенья понаблюдать, как настораживает уши собака, услышав незнакомый звук, или тревожно поводит ушами лошадь, вопрос о заячьих ушах покажется наивным.

Многие животные, обладающие изощренным слухом, имеют большие подвижные ушные раковины. Даже чемпионы по слуху среди птиц — совы и филины вынуждены были обзавестись специальным сооружением из перьев и пуха, имитирующим ушную раковину.

Природа — экономный конструктор. Создав рупор для улавливания звуковых волн, она постаралась извлечь из него как можно больше пользы. Для живущих в тропиках животных остро стоит вопрос о перегревании организма — и ушные раковины заодно приняли на себя функцию охладительных устройств.

В центральных районах Сахары и в Аравийских пустынях обитают маленькие симпатичные лисички — феннеки. Ранней весной в их норах появляются четыре-пять щенят. Жители оазисов, если им посчастливится выследить феннеков, раскапывают нору и приносят домой очаровательных малышей с крохотным хвостиком и маленькими круглыми ушами. Зверята быстро прибывают в весе, но еще быстрее растут их уши.

Когда животные подрастут настолько, что уже годятся в суп (выращивают феннеков отнюдь не для забавы), они, как остроумно заметил американский физиолог К. Шмидт-Нильсен, состоят главным образом из ушей.

Многие относительно небольшие животные пустынь имеют большие уши. Это сразу бросается в глаза, особенно при сравнении с их родичами из умеренных или северных районов планеты. Ушастый еж, обитающий на юге нашей родины (от Ставропольского края до пустынь Средней Азии), обладает необычайно крупными ушными раковинами с точки зрения его северных собратьев. У рыжебокого зайца, широко распространенного в Африке от мыса Доброй Надежды до Алжира, уши несравненно более длинные, чем у нашего беляка или русака. Еще крупнее уши у другого африканца — капского зайца. Весьма длинноухи зайцы из Северной Америки — чернобурый мексиканский. Уши калифорнийского зайца, распространенного не ахти в каких жарких районах планеты, не очень длинны, зато чрезвычайно широки. Но особенно длинноух американский заяц, или, как его называют по-английски, кожаный кролик. Уши кролика больше самого хозяина.

Среди исполинов наиболее большеухи слоны. Африканские слоны любят бродить в сухих жарких саваннах и не меньше мелюзги заинтересованы в подручных средствах для охлаждения.

Ученые долго не понимали причин большеухости пустынных животных. Логично предположить, что большие уши, значительно увеличивая площадь кожной поверхности, должны способствовать перегреву животных. На деле же оказалось, что это не так. Все перечисленные выше существа, за исключением слонов, могут обходиться совершенно без воды.

Необходимую влагу они получают с кормом, с зелеными растениями, их корневищами и плодами, с поедаемыми насекомыми, ящерицами, мелкими птицами и млекопитающими. Поэтому им приходится быть с водой особенно экономными. Они не могут позволить себе потеть, охлаждая тело с помощью испарения воды, как это делает подавляющее большинство млекопитающих нашей планеты. Как же спасаются они от жары? Днем животные держатся в тени высохших пучков травы, кустов, камней и скал. Если нет ветра, температура воздуха и почвы в тени несколько меньше, чем на солнце.

Уши, богато снабженные сосудами и благодаря достаточно редкому волосяному покрову, особенно с внутренней стороны, не имеющие надежной теплоизоляции, отдают путем радиации в первую очередь нёбу, а также окружающим предметам накапливающееся в организме тепло. Как-никак температура северного сектора неба над пустыней даже в полдень не бывает больше +13°. Радиационный[5] обмен позволяет легко освободиться от излишков тепла, а ушные раковины выполняют функцию излучателей. Вот, оказывается, почему уши бывают такими длинными.

Терморегуляция — только вспомогательная функция ушей.

Главная же, безусловно, слуховая. Ушные раковины — первый аппарат в длинной цепи приспособлений для улавливания звуковой волны и анализа принесенной ею информации.

У млекопитающих они имеют форму воронки. Такая воронка ловушка обеспечивает лучшее восприятие звуковых волн, идущих с определенного направления. У кошек, собак, лошадей, антилоп уши обладают большой подвижностью — они способны повернуться навстречу звуковой волне, навстречу источнику звука. Благодаря этому животным удается избавиться от помех и даже слабые далекие звуки расслышать лучше, чем близкие и громкие.

При тепловом излучении, способном возникать даже при низких температурах, излучаются невидимые лучи большой длины. Измерение радиации часто производят с помощью приборов, превращающих лучистую энергию в тепловую. Лучистая энергия, излучаемая северным сектором неба над пустыней, переведенная в тепловую, не превышает 13°С.

Ухо человека потеряло способность активно двигаться в поисках источника звука. Даже у человекообразных обезьян уши относительно неподвижны. Однако было бы неправильно думать, что они совершенно бесполезны и являются лишь весьма сомнительным украшением человеческой головы. Хотя пока не совсем ясно, насколько ушная раковина эффективна как воронка, собирающая энергию звуковой волны, ее участие в определении направления звука не вызывает сомнений.

В этом можно убедиться самому. Попробуйте резко изменить форму ушной раковины — смять ее рукой, и вы сразу почувствуете, что определять направление звуков, особенно слабых, становится труднее. Хрящевые бугорки внутри ушных раковин задерживают звук. Величина этой задержки меняется в зависимости от того, с какой стороны он приходит. Мозг использует эту задержку, чтобы повысить точность локализации источника звука.

Наружное ухо выполняет и еще одну задачу — усиливает звук. Оно представляет собой резонатор. Если частота звука близка к собственной частоте колебаний резонатора, давление воздуха в слуховом проходе, воздействующее на барабанную перепонку, становится больше давления пришедшей звуковой волны. Для развитой эхолокации необходим изощренный слух.

Казалось бы, все звенья слуховой системы китообразных должны быть развиты лучше, чем у прочих обитателей планеты. В общем, это так и есть, но самое первое звено — улавливающий рупор — полностью отсутствует. Бесполезно искать на гладкой лоснящейся коже дельфинов каких-нибудь, пусть самых скромных, остатков ушей. Их нет. Внимательно рассмотрев голову афалины, можно заметить с каждой стороны по крохотной дырочке диаметром в 1—2 мм. Как и все на голове дельфина, эти отверстия расположены несимметрично.

Одно отверстие находится ближе к носу, чем другое. Они являются началом слуховых проходов.

У хорошо слышащих наземных животных слуховой проход никогда не бывает столь узким. Почти сразу же за наружным отверстием он резко сужается и приобретает вид тонюсенькой щелки с просветом 360x36 мкм, а у дельфина белобочки — 330x32 мкм. Чуть дальше слуховой канал полностью зарастает, превращаясь в тонкий шнурочек. Когда шнурок минует толстый жировой слой и добирается до мышц, в нем снова появляется просвет, заполненный воздухом и даже более широкий, чем был вначале: у афалин — 2250x1305 мкм, а у белобочки — 1620x810 мкм. И все-таки трудно поверить, что это устройство имеет какое-то отношение к восприятию звуков.

Отсутствие слухового прохода связано с жизнью в океане.

Если бы он соединил барабанную перепонку с наружной средой, как это обычно бывает у наземных животных, дельфины подвергались бы постоянной опасности. При погружении на каждые 10 м давление возрастает примерно на 1 ат. Все млекопитающие имеют приспособление для выравнивания давления за барабанной перепонкой, но аквалангисты отлично знают, как ненадежно оно работает, выходя из строя при малейшей простуде или легком насморке. В этом случае при первой же попытке нырнуть барабанная перепонка была бы прорвана водой. Огромное наружное давление, не встречая изнутри равного сопротивления, без особого труда сокрушило бы тонкую преграду. Итак, среднее ухо дельфина укрыто кожей, толстым слоем жира и мышц и никак не соединяется с внешней средой.

Проведено немало исследований для обнаружения звуковода, позволяющего акустическим волнам добираться до звуковоспринимающих рецепторов. Но по сей день вопрос о его местоположении окончательно не решен и продолжает вызывать жгучие дискуссии.

Вход лабиринта

Одним из семи чудес света был критский дворец-лабиринт царя Миноса. Все известные дворцы-лабиринты знамениты тем, что попасть в них значительно легче, чем выбраться наружу. Голова дельфина — это двойной лабиринт: одинаково трудно отыскать и вход, и выход. Многие маститые физиологи не допускали и мысли, что звуковые волны способны, преодолев кожу и жир, добраться до среднего уха, спрятанного в специальную кость буллю, отгороженную слоями акустической изоляции — мышцами, сосудами и синусами с белково-воздушной эмульсией.

Поиски акустической двери начались лишь после обнаружения у дельфинов эхолокации. Нож анатома не нашел ничего, похожего на тропинку для звуковых волн. Пришлось вернуться к идее слуховых проходов и проверить экспериментально, могут ли звуки пользоваться этой тропинкой. Дельфину закрыли присосками ушные отверстия и выпустили в бассейн с мутной водой. Экспериментаторам казалось, что присоска должна явиться серьезным препятствием для звуковых волн, но поведение бедолаги-дельфина практически не изменилось. Исследователи не знали, что звуковые волны способны добираться до слухового прохода со стороны, проходя через кожу за пределами звукозадерживающих присосок.

Кожа и жир для них не преграда, и звуковым волнам не обязательно пользоваться начальными отделами звукового прохода. Для них важна лишь внутренняя, самая последняя его часть, как единственная щель в антиакустической преграде, окружающей среднее и внутреннее ухо.

Позже способность звука обходиться без специальных дверей была подвергнута экспериментальной проверке. Исследователи, осуществив сложнейшую операцию, сумели вживить электроды в структуры внутреннего уха. Регистрация электрических реакций позволила судить о том, добираются ли туда звуковые волны. Прикладывая небольшой звукоизлучатель к различным участкам кожи на голове дельфина, ученые убедились, что звуковым волнам нет нужды протискиваться сквозь узкое наружное отверстие слухового прохода.