Информация и органы чувств

СВЕТ И ЗРЕНИЕ. Зрение, несомненно, способно давать более детальную инфор­мацию, чем любое другое чувство. Информация, получаемая с помощью света, зависит от его интенсивности, так как равномерно освещенное пространство не содержит никакой информации; от длины волны, или цвете. Наконец, для животных, обладающих соответствующими вспомогательными органами, весьма информативной может быть также плоскость поляризации света.

Чувствительность к свету распространена чрезвычайно широко; ею обладают даже многие одноклеточные организмы. У многокле­точных животных эта чувствительность обычно сосредоточена в определенных местах — зрительных пятнах.

У более высокоорганизованных животных светочувствительные структуры все усложняются и в своей окончательной форме пред­ставляют собой превосходные приборы, создающие изображение, т. е. глаза. Такие хорошо развитые глаза имеются у представите­лей четырех типов животных: у червей, моллюсков, членистоногих, и позвоночных. Глаза различны по строению и развитию, и надо полагать, что они развились в этих группах животных независимо друг от друга.

Глаза, создающие изображение, бывают двух типов: фасеточ­ные, как у насекомых, или с одной линзой, подобные фотокамере, как у позвоночных. У фасеточного глаза разрешающая способность одна и та же независимо от того, далеко находится предмет или совсем близко, но глаз с одной линзой (хрусталиком) должен обладать каким-то фокусирующим приспособлением, чтобы работать одинаково хорошо на разных расстояниях.

Те длины волн, которые человек воспринимает как свет, лежат в очень узком участке — от 380 до 760 нм, это малая часть от той, что охватывает область от чрезвычайно коротковолновых гамма-лучей до длинных радиоволн.

Зрительная чувствительность у всех других животных лежит в том же или очень близком диапазоне длин волн. Удивительно, что не только животные, но и растения реагируют на свет в этом же диапазоне. Это относится и к фотосинтезу, и к ростовым реакциям на свет (фототропизму) у растений. Причина такого универсаль­ного значения очень узкой полосы электромагнитного спектра проста. Энергия, которую несет каждый квант излучения, обрат­но пропорциональна длине волны. Поэтому энергия кванта, соот­ветствующего более длинным волнам, недостаточна, чтобы вы­звать заметный фотохимический эффект, а более короткие волны (ультрафиолетовые и короче) несут столько энергии, что оказы­вают на органические вещества разрушительное действие. Уни­версальное биологическое использование того, что мы называем «светом», — это результат исключительной «пригодности» именно этих длин волн.

Их диапазон не в точности один и тот же для всех животных. Например, зрение насекомых заходит в ближнюю ультрафиолето­вую часть спектра, т. е. в область несколько более коротких волн, чем зрение позвоночных.Сетчатка млекопитающих тоже была бы чувствительна к УФ лучам, но они не доходят до нее главным образом из-за некоторой желтизны хрусталика, который действует как фильтр.

ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ. Одно свойство света, не воспринимаемое человеком, — это пло­скость поляризации. По этой причине информация, которую несет поляризованный свет, и ее значение для животных оставались не­замеченными, пока немецкий зоолог Карл Фриш не обнаружил, что медоносные пчелы пользуются плоскостью поляризации как по­казателем направления.

В поляризованном свете все колебания распространяющихся волн (луча) происходят в одной плоскости, перпендикулярной лучу. В обычном неполяризованном свете колебания совершаются по всем направлениям (но тоже перпен­дикулярно лучу). Неполяризованный свет может стать поляризованным, отра­зившись от воды и других неметаллических поверхностей или пройдя через определенные вещества. Плоскость поляризации может нести информацию, ко­торой не содержит неполяризованный свет. По-видимому, в природе самая важная информация, которую животные получают таким путем, связана с тем, что свет голубого неба поляризован, причем поляризация в любой точке неба зависит от ее положения относительно солнца. Это косвенным образом дает сведения о по­ложении солнца, чрезвычайно важные для ориентации и навигации животных.

Оказалось, однако, что пчелы ориентируются правильно даже тогда, когда солнца не видно, — достаточно, чтобы был виден не­большой кусок голубого неба. Свет голубого неба поляризован настолько, что дает информацию об истинном положении солнца, и пчелы это используют.

После того как было показано значение поляризованного света для пчел, установили, что и другие насекомые, как правило, чув­ствительны к нему. Неожиданным оказалось то, что и некоторые водные животные чувствительны к поляризации света. Впервые та­кое наблюдение было сделано на мечехвосте (Limulus). Многие другие водные животные, в том числе осьмино­ги и рыбы, тоже обладают такой чувствительностью.

Значительное количество данных показывает, что способность определять плоскость поляризации света играет важную роль в ориентации и навигации не только сухопутных, но и многих водных животных.

ТЕМПЕРАТУРА. Мы склонны думать, что мы ощущаем температуру окружаю­щей среды, и наше поведение, казалось бы, нередко подтверждает это. Но на самом деле ощущается не окружающая температура, а температура кожи на глубине соответствующих рецепторов. Тепло и холод воспринимаются в коже разными рецепторами. Волокна от рецептора, чувствительного к теплу, неактивны, пока температура не поднимется выше определенной точки, начи­ная с которой активность растет приблизительно пропорционально повышению температуры, пока не будет достигнут некоторый верх­ний предел.

ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Кожные терморецепторы, о которых шла речь выше, чувстви­тельны к локальной температуре кожи. Они информируют о внеш­ней среде только косвенно. Эти рецепторы обнаруживают излучение только по его влиянию на темпе­ратуру кожи; таким образом мы можем, например, ощущать излу­чение от горячей печки или какого-нибудь другого горячего пред­мета.

Некоторые животные воспринимают инфракрасное излучение непосредственно: они обладают особыми органами чувств, реаги­рующими на радиацию этого типа. Так называемые лицевые ямки на голове у некоторых змей представляют собой такие специализи­рованные рецепторы инфракрасных лучей.

Когда гремучая змея нападает, то направление броска опре­деляется инфракрасным излучением, исходящим от ее жертвы. Гре­мучая змея бросается только на теплокровных животных, а если добыча мертва и тело ее имеет температуру окружающего воздуха, змея не нападает. Однако ослепленная змея делает точный бросок на перемещаемую мертвую крысу при условии, что эта крыса теп­лее воздуха. Слепая змея не может руководствоваться зрением. Не направляет ее и обоняние, так как она схватывает даже передви­гаемую электрическую лампочку, завернутую в ткань. Очевидно, в определении локализации теплых предметов участвует лицевая ямка. Все змеи, обладающие лицевыми ямками, питаются преиму­щественно теплокровной добыче. Актив­ность нерва резко изменяется независимо от температуры возду­ха между предметом и головой.

Инфракрасное излучение, испускаемое телом млекопитающего, имеет пик в области 10 000 нм, и квант обладает очень малой энергией при этой длине волны. Фотохимческих изменений, как в глазу, поэтому быть не может. Получены веские данные в пользу того, что механизм рецепции в лицевой ямке чисто тепловой. Однако, лицевые ямки служат для стереоскопиче­ского восприятия инфра­красного источника подобно тому, как наши два глаза ис­пользуются для стереоско­пического зрения – создается тепловой «портрет» животного.

«ЖИВОТНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО». Как известно, некоторые рыбы способны производить сильные электрические разряды. Народы древности — греки и египтяне — знали и писали о мощных «ударах», наносимых электрическим ска­том (Torpedo) и электрическим сомом (Malapterurus), но это яв­ление представлялось совершенно загадочным, пока не стала из­вестна природа электричества.

Мощные электрические разряды служат очевидным целям на­падения и защиты. Самые сильные разряды производит южноаме­риканский электрический угорь (Electrophorus); они достигают 500—600 В и настолько сильны, что убивают других рыб, а воз­можно, и животных величиной с человека. Такой сильный разряд способны производить лишь несколько видов рыб, притом не очень близких между собой: одни относятся к костистым, другие — к пластиножаберным; они встречаются как в пресных водах, так и в море.

Когда электрических рыб изучили более детально, стало ясно, что даже слабые разряды — настолько слабые, что они не оказы­вают прямого действия на других рыб, — служат разнообразным полезным целям. Очевидно, что очень слабые разряды не могут ог­лушить жертву и бесполезны как орудие нападения или защиты. Тем не менее теперь выяснилось, что они могут использоваться для получения информации об окружающей среде. А) Электрические раз­ряды особенно пригодны для отличения неэлектропроводных пред­метов от хороших проводников, каковы, например, другие живот­ные. Пресноводное животное, скажем рыба, обладает гораздо большей электропроводностью (благодаря содержанию солей в жидкостях его тела), чем плохо проводящая ток вода. Б) Слабые электрические разряды могут быть использованы для ориентации в мутной воде, а также для обнаружения хищников и добычи. В) Кро­ме того, они служат для коммуникации между особями, и в некото­рых случаях рыба отвечает половым поведением только на элек­трические сигналы особей другого пола.

Наконец, недавно стало известно, что многие рыбы, не способ­ные сами подавать электрические сигналы, весьма чувствительны к слабым электрическим полям, возникающим при обычной мы­шечной активности других организмов. Таким образом акулы и скаты могут обнаруживать других рыб, даже если те неподвижны. Голодная акула Scyliorhinus реагирует даже на камбалу, которая спокойно лежит на дне аквариума, полностью закрытая песком. Если акула проплывает на расстоянии менее 15 см от нее, она вне­запно поворачивается к укрывшейся жертве, удаляет песок, всасы­вая его, а затем выбрасывая, и схватывает добычу.

Тщательные исследования показали, что эта способность обна­руживать спрятанную камбалу не связана с обонянием. По-види­мому, акула отвечает на очень слабые электрические потенциалы, создаваемые дыхательными движениями укрытого животного, так как она реагирует на искусственный электрический разряд в 4 мкА (того же порядка величины, что и разряд, производимый живой камбалой) и пытается выкопать воображаемую добычу.

Итак, электрические рыбы могут использовать свои разряды для поражения добычи, для получения информации об окружающей среде (гораздо чаще) и для коммуникации. Неэлектрические рыбы способны при помощи своих чрезвычайно чувствительных электро­рецепторов определять местонахождение добычи по потенциалам действия, возникающим при обычной мышечной активности.

РЕЦЕПЦИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ. Роль магнитного поля в ориентации птиц, очевидно, не вызыва­ет сомнений. Когда голуби направляются домой из незнакомых мест, они пользуются для получения навигационной информации множеством разных признаков. Одним из ориентиров служит солнце, по которому определяются страны света. Голуби успешно доби­раются домой даже в пасмурные дни, однако они теряют ориента­цию, если к ним прикрепить маленькие магниты, тогда как конт­рольные птицы с такими же, но ненамагниченными кусочками ме­талла не теряют направления. По-видимому, магнитные сигналы — это лишь один из видов информации, которыми пользуется голубь, и поэтому они не позволяют полностью объяснить превосходные орнентационные способности этих птиц.

У европейской за­рянкивесной, а затем снова осенью наступает период миграционного беспокойства. Посаженная в круглую клет­ку, она стремится двигаться в том направлении, которое было бы для нее естественным направлением миграции в данное время года. Предпочитаемое направление полета сохраняется в наглухо за­крытом помещении, лишенном каких-либо зрительных ориентиров или других известных сигналов, которые позволили бы птице пра­вильно ориентироваться. Однако, если экспериментальную клетку поместить в стальную камеру, которая создает полную защиту от магнитных полей, птицы перестают находить естественное мигра­ционное направление. Кроме того, искусственно создаваемые магнитные поля влияют на выбор направления. По­саженные в клетку овсянки Passerina cyanea во время своего миг­рационного периода в соответствии с естественным геомагнитным полем ориентируются на север. Если же горизонтальную состав­ляющую магнитного поля искусственно отклонить на 120° по часо­вой стрелке, птицы соответственно начинают ориентироваться на востоко-юго-восток.

Что именно в организме реагирует на магнитные поля, совер­шенно неизвестно. Нет никаких сведений о сенсорных органах, ко­торые могли бы быть ответственны за «магнитное чувство», и нет даже убедительных гипотез о его возможных механизмах.

ЗВУК и СЛУХ. При описании человеческого слуха мы не встречаемся с боль­шими трудностями. Наши уши чувствительны к регулярным воздушным волнам сжатия в пределах примерно от 40 до 20 000 Гц (колебаний в секунду). Но собака воспринимает и более высокие частоты, совершенно неслышимые для людей, — до 30 000 или 40 000 Гц. Летучие мыши воспринимают даже часто­ты до 100 000 Гц, и мы продолжаем считать это слухом.

С другой стороны, мы знаем, что волны сжатия при частотах ниже тех, которые мы воспринимаем как звук, часто могут воспри­ниматься как вибрация.

Когда рыба «слышит» шаги на берегу, действительно ли это слух? Вибрация от шагов передается через почву и воду, и эти низкочастотные колебания, вероятно, воспринимаются сенсорными органами боковой линии, а не уха. Как в этом случае нужно го­ворить— что рыба «слышит» или что она «чувствует» приближаю­щиеся шаги?

Какого рода информацию можно извлечь из звуковых волн? Че­ловек может воспринимать звуковые волны и их изменения во времени (ритмы и т. п.), определять их интенсивность, различать разные частоты (высоту тона) и производить очень сложный час­тотный анализ. Он также способен определять направление, откуда приходит звук. Кроме того, некоторые животные пользуются зву­ками, которые они сами издают, для получения подробной инфор­мации о физической структуре окружающей среды.

Сложность частотного анализа, к которому способен человек, поразительна, если принять во внимание, что то, что он слышит,— это, собственно говоря, не что иное, как микроскопические переме­щения барабанной перепонки внутрь и наружу.

Насекомые издают и воспринимают весьма разнообразные зву­ки, широко используя их для общения, часто с особями другого пола. Органы слуха у насекомых различны по своему строению и нахо­дятся в разных частях тела. По-видимому, слуховые органы насе­комых нечувствительны к высоте тона так, как чувствительно наше ухо; вместо этого информация передается главным образом в виде изменений интенсивности звука, его длительности и временной структуры (ритма).

Записи звуков, производимых самцами насекомых для привле­чения самок, можно проигрывать с такими искажениями частот, что они станут неузнаваемы для человеческого уха и тем не менее будут привлекать самку. Смысл сообщения передается, по-видимо­му, не высотой и качеством звука, а формой или ритмом (паттер­ном) звуковых импульсов. Звуковой паттерн у насекомых относи­тельно фиксирован и весьма видоспецифичен. Человеческое ухо по своим врожденным свойствам непригодно для восприятия важных особенностей звуковых сигналов насекомых, но с тех пор, как по­явилась электронная аппаратура для регистрации и анализа зву­ков, стало возможным транскрибировать «песни» насекомых в ви­димые фигуры, которые мы лучше понимаем и можем оценивать более осмысленно.

ИНФОРМАЦИЯ О НАПРАВЛЕНИИ. Оценка направления на источник звука зависит главным обра­зом от наличия двух ушей, раздвинутых в пространстве. Некоторая информация извлекается благодаря тому, что сигналы, приходящие к двум ушам, часто различаются по интенсивности, но большее значение имеет разница во времени прихода звука. Человек локализует звук гораздо менее точно, чем такие хищ­ники, как кошки или совы, которые обычно охотятся в темноте. На­пример, сова сипуха способна локализовать добычу в полной тем­ноте, пользуясь только слухом, с ошибкой меньше 1° как в верти­кальной, так и в горизонтальной плоскостях.

ЭХО-ЛОКАЦИЯ. Некоторые позвоночные извлекают информацию из слабых отражений (эхо) звуков, которые они же сами и издают. Такая эхо-локация (биосонар) особенно хороша развита у летучих мышей, но существует также у китов, дельфи­нов, землероек и некоторых птиц.

Давно известно, что летучие мыши могут свободно летать в совершенно темном помещении независимо от того, открыты ли их слабо развитые глаза. Одна из наиболее изученных летучих мы­шей— большой бурый кожан (Eptesicus fuscus). Летая в темноте, он издает звуковые импульсы, неслышимые для человека, так как частота их составляет примерно от 25 000 до 50 000 Гц. Каждый импульс, или «щелчок», длится около 10—15 мс, и такие импульсы могут повторяться около пяти раз в секунду. Получая информацию об окружающей среде с помощью эхо, летучая мышь способна из­бегать всяких препятствий и даже пролетать между проволоками, натянутыми в помещении.

Если летучая мышь приближается к особенно «интересному» предмету, например к летящему насекомому, число звуковых щелч­ков возрастает, а длительность каждого щелчка уменьшается, так что частота их может достигать 200 в секунду, а отдельный щел­чок длится меньше 1 мс.

Одно из преимуществ использования высокочастотного звука (с короткой длиной волны) состоит в том, что его направленность гораздо точнее, чем у низкочастотного звука, который рассеивает­ся слишком широко и дает диффузные отражения, не позволяющие точно засекать положение предметов. Кроме того, звуковые волны отражаются только от объектов, имеющих определенную мини­мальную величину по отношению к длине волн. Чем короче волны, тем меньше может быть предмет, дающий отчетливое отражение, и поэтому самые высокие частоты позволяют обнаруживать самые мелкие предметы.

Акустическая ориентация, разумеется, особенно полезна живот­ным, активным в темноте, но она играет также важную роль в глу­боких или мутных водах. И дельфины, и киты пользуются эхо-ло­кацией, чтобы избегать столкновения с предметами и с дном океана, а также при поисках пищи. Плавая в открытой воде, они встре­чают мало препятствий, но ночью и на глубинах, куда свет почти или совсем не проникает, эхо-локатор помогает им избегать столк­новения с дном. Способность находить пищу в темноте и при пло­хой видимости дает, конечно, большое преимущество.

Как дельфины используют акустическую активность, было пока­зано на животных, содержавшихся в неволе. Обученный дельфин находит мертвую рыбу, брошенную в воду, и подплывает к ней с противоположного конца бассейна за несколько секунд, даже если вода настолько мутна, что человек совсем не видит рыбу. Если путь прегражден барьером из прозрачного пластика, дельфин не­медленно находит отверстие, через которое проплывает без коле­баний (Kellogg, 1958; Norris et al., 1961).

К другим млекопитающим, использующим акустическую ориен­тацию, или эхо-локацию, относятся землеройки, которые издают звуковые импульсы малой длительности и высокой частоты (до 50 000 Гц и более).

Эхо-локация встречается и у птиц, ее используют по меньшей мере два рода: гуахаро (Steatornis) в Южной Америке и Colocalia в юго-восточной Азии. Эти птицы не являются близкими родственниками, но обе живут и устраивают гнезда в глубоких пещерах. Более известны гуахаро, которые свободно летают в темных пеще­рах, не наталкиваясь на стены и другие препятствия. Система эхо­локации у них в принципе такая же, как у летучих мышей, но с той разницей, что издаваемые ими звуки имеют частоту всего лишь 7000 Гц. Поэтому их хорошо слышит человек, и их сравни­вали с треском пишущей машинки. Если этим птицам заткнуть уши, они теряют способность ориентироваться в темноте, но все еще летают по светлому помещению, очевидно пользуясь для ориента­ции глазами.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: