Ученые выяснили, как летучие мыши ориентируются в темноте. Летучие мыши обладают развитым речевым аппаратом Как ориентируется летучая мышь в темной пещере

23.06.2020

Летучие мыши - очень необычные создания. И необычный способ их передвижения всего лишь одна из удивительных вещей, связанная с ними. Как летают летучие мыши в полной темноте и не задевают ничего? Об этом мы и поговорим в этот раз. Этот вопрос интересовал и продолжает интересовать ученых и летучие мыши до сих пор способны открывать нам свои тайны и приближать к разгадке природы мозга.

Летучие мыши - не птицы, а млекопитающие. Их детеныши появляются на свет путем живорождения и питаются молоком своей мамы. Это единственные млекопитающие, которые научились летать. Летучие мыши - усердные охотники: каждую ночь они съедают столько насекомых, сколько весит половина их собственного тела.

Первый вопрос, которым задались ученые касательно этих зверюшек: «как ориентируются летучие мыши в пространстве?». Разгадку этой тайны биологи нашли только в 1938 г. Оказалось, что летучие мыши обладают своего рода акустическим радаром. Способностью эхолокации. Во время полета они издают сигналы такой высокой частоты, что человеческое ухо их не воспринимает. Эхо отражается от препятствий, и летучие мыши улавливают их своими большими ушами. Как доказывают опыты, по характеру и интенсивности эха они могут не только обнаружить тончайшую проволоку и облететь ее, но и «запеленговать» быстро летящее насекомое; мозг летучей мыши молниеносно рассчитывает верный курс, и она безошибочно хватает добычу.

Чтобы это выяснить, были проведены специальные эксперименты. В большой комнате биологи подвесили довольно близко друг к другу веревки, закрепленные у потолка. Затем закрыли глаза нескольким подопытным животным и выпустили их в комнате. Летучие мыши по-прежнему летали с большой скоростью, не натыкаясь на преграды. Это доказало, что они не руководствуются зрением во время своих полетов.

Тогда ученые закрыли им уши и рты и опять выпустили в комнате. Но на этот раз они летали с трудом, постоянно натыкаясь на веревки. Так было открыто средство, каким руководствуются мыши во время полетов. Летая, они постоянно издают звуки, такие высокие, что человеческое ухо не может уловить их. Эти высокочастотные звуковые волны, ударяясь о преграды на пути животного, отражаются и воспринимаются ушами летучих мышей. Их крылья автоматически реагируют на эти сигналы, и животное может изменить свой курс, облетая преграды!

Последние открытия как летают летучие мыши и ориентируются в пространстве, было сделано не так давно. В 2013 году благодаря современным технологиям удалось выяснить, что они способны ориентироваться в пространстве благодаря трехмерной карте местности, закодированной в нейронах мозга. Результаты исследования были опубликованы на страницах журнала Science.

Первоначально нейронные механизмы ориентации в пространстве были обнаружены в мозгу обычных грызунов и в частности крыс. Именно благодаря таким механизмам крысы могут передвигаться относительно зрительно воспринимаемых ориентиров. После этого в мозгу грызунов были обнаружены координатные нейроны, которые позволяют создавать крысам так называемую карту местности. После этого ученые вернулись к механизмами ориентирования в пространстве летучих мышей, которые передвигаются в полной темноте.

Успешное исследование летучих мышей провел Михаил Ярцев – победитель премии 2013 года для молодых ученых в области нейробиологии. Он работает в Институте нейронаук Принстонского университета. Его исследование посвящено механизмам кодирования информации в мозге млекопитающих в трехмерном пространстве. Ученый регистрировал активность нейронов в мозгу летучей мыши, которая летала в комнате. Ярцеву удалось обнаружить в ее мозгу тот же тип клеток, которые отвечают за ориентацию в окружающем пространстве.

Нейроны мозга млекопитающих обеспечивают карту местности, которая позволяет им ориентироваться в пространстве. Ранее ученые изучали только двухмерные карты. Новый объект - летучая мышь - позволил заглянуть в тайны навигации в трехмерном пространстве.

«Все животные на нашей планете - на земле, под землей, в глубинах океана или в воздухе - должны иметь представление о своем местоположении в пространстве, это им необходимо для выживания, - пишет Ярцев. - Как мозг решает проблему позиционирования в пространстве - это одна из центральных проблем в нейронауке».

Надо отметить, что чуть ранее в мозге крысы некоторое время назад ученые обнаружили специализированные нейроны, которые испускают электрические импульсы в тот момент, когда животное оказывается в определенной точке местности, их назвали клетками места (place cells). Другие нейроны, названные клетками решетки (grid cells), реагируют на пересечение неких узлов системы координат. Эти нейроны обеспечивают мозговую карту местности, которая помогает животным ориентироваться в окружающей среде.

Эти нейроны играют ключевую роль в позиционировании животного в окружающей среде. Однако, по признанию Михаила Ярцева, они делают нечто большее, чем просто определение того, где мы сейчас находимся. Поэтому точное понимание функции этих клеток еще впереди.

Благодаря технологии беспроводной регистрации активности отдельных нейронов летучей мыши в полете, ученые смогли записать нейронную активность единичных клеток места летучей мыши, летающей в помещении размером 6х5х3 м, и увидеть, как активность этих клеток изменяется с перемещением животного в трехмерном пространстве.

Точный механизм кодирования трехмерного пространства в нейронах летучей мыши - это предмет будущих исследований. Еще один ключевой вопрос, который был поднят благодаря этому исследованию – это как 2D-кодирование пространства модулируется в 3D-кодирование. В 3D-пространстве клетки места так же чувствительны к изменению позиции животного, что и в 2D. Современные технологии позволяют вскоре получить новые сведения о том, как летают летучие мыши и ориентируются в трехмерном пространстве.

Летучие мыши обычно живут огромными стаями в пещерах, в которых они прекрасно ориентируются в полной темноте. Влетая и вылетая из пещеры, каждая мышь издает неслышимые нами звуки. Одновременно эти звуки издают тысячи мышей, но это никак не мешает им прекрасно ориентироваться в пространстве в полной темноте и летать, не сталкиваясь друг с другом. Почему летучие мыши могут уверенно летать в полнейшей темноте, не натыкаясь на препятствия? Удивительное свойство этих ночных животных – умение ориентироваться в пространстве без помощи зрения – связано с их способностью испускать и улавливать ультразвуковые волны.

Оказалось, что во время полёта мышь излучает короткие сигналы на частоте около 80 кГц, а затем принимает отражённые эхо-сигналы, которые приходят к ней от ближайших препятствий и от пролетающих вблизи насекомых.

Для того, чтобы сигнал был препятствием отражён, наименьший линейный размер этого препятствия должен быть не меньше длины волны посылаемого звука. Использование ультразвука позволяет обнаружить предметы меньших размеров, чем можно было бы обнаружить, используя более низкие звуковые частоты. Кроме того, использование ультразвуковых сигналов связано с тем, что с уменьшением длины волны легче реализуется направленность излучения, а это очень важно для эхолокации.

Реагировать на тот или иной объект мышь начинает на расстоянии порядка 1 метра, при этом длительность посылаемых мышью ультразвуковых сигналов уменьшается примерно в 10 раз, а частота их следования увеличивается до 100–200 импульсов (щелчков) в секунду. То есть, заметив объект, мышь начинает щелкать более часто, а сами щелчки становятся более короткими. Наименьшее расстояние, которое мышь может определить таким образом, составляет примерно 5 см.

Во время сближения с объектом охоты летучая мышь как бы оценивает угол между направлением своей скорости и направлением на источник отражённого сигнала и изменяет направление полёта так, чтобы этот угол становился все меньше и меньше.

Может ли летучая мышь, посылая сигнал частотой 80 кГц, обнаружить мошку размером 1 мм? Скорость звука в воздухе принять равной 320 м/с. Ответ поясните.

Конец формы

Начало формы

Для ультразвуковой эхолокации мыши используют волны частотой

1) менее 20 Гц

2) от 20 Гц до 20 кГц

3) более 20 кГц

4) любой частоты

Конец формы

Начало формы

Умение великолепно ориентироваться в пространстве связано у летучих мышей с их способностью излучать и принимать

1) только инфразвуковые волны

2) только звуковые волны

3) только ультразвуковые волны

4) звуковые и ультразвуковые волны

Запись звука

Возможность записывать звуки и затем воспроизводить их была открыта в 1877 году американским изобретателем Т.А. Эдисоном. Благодаря возможности записывать и воспроизводить звуки появилось звуковое кино. Запись музыкальных произведений, рассказов и даже целых пьес на граммофонные или патефонные пластинки стала массовой формой звукозаписи.

На рисунке 1 дана упрощенная схема механического звукозаписывающего устройства. Звуковые волны от источника (певца, оркестра и т.д.) попадают в рупор 1, в котором закреплена тонкая упругая пластинка 2, называемая мембраной. Под действием звуковой волны мембрана колеблется. Колебания мембраны передаются связанному с ней резцу 3, острие которого чертит при этом на вращающемся диске 4 звуковую бороздку. Звуковая бороздка закручивается по спирали от края диска к его центру. На рисунке показан вид звуковых бороздок на пластинке, рассматриваемых через лупу.

Диск, на котором производится звукозапись, изготавливается из специального мягкого воскового материала. С этого воскового диска гальванопластическим способом снимают медную копию (клише). При этом используется осаждение на электроде чистой меди при прохождении электрического тока через раствор ее солей. Затем с медной копии делают оттиски на дисках из пластмассы. Так получают граммофонные пластинки.

При воспроизведении звука граммофонную пластинку ставят под иглу, связанную с мембраной граммофона, и приводят пластинку во вращение. Двигаясь по волнистой бороздке пластинки, конец иглы колеблется, вместе с ним колеблется и мембрана, причем эти колебания довольно точно воспроизводят записанный звук.

При механической записи звука используется камертон. При увеличении времени звучания камертона в 2 раза

1) длина звуковой бороздки увеличится в 2 раза

2) длина звуковой бороздки уменьшится в 2 раза

3) глубина звуковой бороздки увеличится в 2 раза

4) глубина звуковой бороздки уменьшится в 2 раза

Конец формы

2. Молекулярная физика

Поверхностное натяжение

В окружающем нас мире повседневных явлений действует сила, на которую обычно не обращают внимания. Сила эта сравнительно невелика, её действие не вызывает мощных эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воду в стакан, вообще ничего не можем проделать с той или иной жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, которые называются силами поверхностного натяжения.Эти силы в природе и в нашей жизни играют немалую роль. Без них мы не могли бы писать перьевой ручкой, из неё сразу вылились бы все чернила. Нельзя было бы намылить руки, поскольку пена не смогла бы образоваться. Слабый дождик промочил бы нас насквозь. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма.

Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения у плохо закрытого или неисправного водопроводного крана. Капля растёт постепенно, со временем образуется сужение – шейка, и капля отрывается.

Вода оказывается как бы заключённой в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда сила тяжести превысит его прочность. В действительности, конечно, ничего, кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведёт себя как растянутая эластичная плёнка.

Такое же впечатление производит плёнка мыльного пузыря. Она похожа на тонкую растянутую резину детского шарика. Если осторожно положить иглу на поверхность воды, то поверхностная плёнка прогнётся и не даст игле утонуть. По этой же причине водомерки могут скользить по поверхности воды, не проваливаясь в неё.

В своём стремлении сократиться поверхностная плёнка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька, тем большую роль играют силы поверхностного натяжения по сравнению с силой тяжести. Поэтому маленькие капельки близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга.

Причиной поверхностного натяжения является межмолекулярное взаимодействие. Молекулы жидкости взаимодействуют между собой сильнее, чем молекулы жидкости и молекулы воздуха, поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости стремятся сблизиться друг с другом и погрузиться вглубь жидкости. Это позволяет жидкости принимать форму, при которой число молекул на поверхности было бы минимальным, а минимальную поверхность при данном объёме имеет шар. Поверхность жидкости сокращается, и это приводит к поверхностному натяжению.

В природе большинство мышей живет не более 18-ти месяцев. Тем не менее, столь долгий для небольших животных срок позволяет мыши пройти через несколько жизненных этапов. Развитие детеныша после появления, происходит в течение 3-х недель, когда они питаются молоком и постепенно обрастают шерстью, которой изначально не имеют.

До 1,5 месячного возраста, мышата кормятся отчасти принесенными матерью припасами, отчасти, самостоятельными «набегами». К этому времени у них уже есть шерсть, а глаза открываются. Пользуются в основном обонянием и ультразвуком.

В возрасте 1,5-2-х месяцев мышата становятся самостоятельными и покидают гнездо, отправляясь на поиски собственного места гнездования. В течение этого времени они пользуются тропами, которые оставили для них родители и прокладывают свои собственные.

Перемещение мышей происходит по одним и тем же маршрутам, благодаря устойчивым запахам феромонов, выделяющихся вместе с мочой. Это свойство, в свою очередь, облегчает поиск и уничтожение мышей. Моча также служит своеобразным сигнализатором. Когда мышь испытывает страх, запах становится другим и остальные мыши, приближаясь к месту опасности, скорее всего обойдут его стороной.

На лапках каждой особи также есть специальные железы, которыми они «помечают» территорию. Запах этих желез передается любому предмету, которого они коснуться.

В природе мыши активны круглый год, но зимой стараются найти укромное место в виде стога сена, глубокой, до 60-ти см. норы и т.д. Низкие температуры губительны для мышей, поэтому они ищут теплое место с большим количеством близлежащего корма. Эта же причина заставляет мышей искать соседства с человеком в его домах и хоз. постройках. Большое количество мышей живет в хлевах и сараях со скотиной.

Мыши обычно обитаю в жилище человека только зимой, а не летний период переселяются в норы на прилегающей территории, продолжая набеги на запасы круп и злаков.

В доме или на складе мышь в первую очередь определяет источники пищи. Чаще всего она выбирает наиболее статичные и богатые запасы, которые позволят ей питаться долгое время. Это банки и пакеты с зернами, крупами, сухарями. Особенно интересны для мышей злаковые. В отсутствии такой еды, мышь переключается на мыло, свечи, оплетку кабелей в бытовых приборах, проводку, корнеплоды, сушеные овощи и фрукты, орехи и т.д. Мыши способны есть практически все, чтобы поддерживать быстродействующий метаболизм.

В жилищах человека мыши размножаются круглый год и живут 2-3 года. Самка, приносящая в среднем по 10 приплодов за год, производит на свет огромное количество мышей. По скорости размножения эти млекопитающие являются одними из самых продуктивных. Это и обусловливает применение мышей в современных научных исследованиях.

Мыши легко попадаются в различные капканы и приманки. Мышеловки являются достаточно эффективным способом контроля их популяции, если она не слишком велика. При массовом заражении помещения мышами, эффективность такой борьбы существенно снижается. На первый план выходят отравленные приманки, которые мыши активно поедают.

Период активности мышей в природе – темное время суток. Осенью мыши часто выбегают из нор при свете дня. Живущие по соседству с человеком грызуны часто сохраняют активность в течение всего дня и даже при искусственном освещении. Мыши способны общаться при помощи ультразвуковых волн, не слышимых человеческому уху. Именно так самцы привлекают самок для спаривания.

Слух мыши очень чувствителен к звукам и способен различать частоты до 100 кГц. Этот показатель больше человеческого в 5 раз. Обоняние мышей отлично помогает им ориентироваться в пространстве и выбирать направление движения. Зрение у животных развито слабо и ориентировано на поиск дальних объектов. Вблизи мыши практически слепы, но отлично ориентируются в пространстве, благодаря запахам и звукам.

Большая ночница

Малая бурая ночница

Очковый листонос

Ближайшие родственники летучих мышей по отряду Рукокрылых — крыланы (летающие собаки, летающие лисицы и пр.) — так те просто видят прекрасно, порой даже лучше чем люди. Но и сами Microchiroptera, даже те, которые активно используют эхолокацию, вполне себе зрячи. Зрение летучей мыши совсем не помешает. Во‑первых, животное должно хотя бы минимально отличать светлое время суток от темного (когда надо начинать охотиться). Во‑вторых, эхолокация в исполнении рукокрылых имеет весьма ограниченный радиус действия (50 м максимум), и при наличии определенного уровня освещения мыши удобнее ориентироваться в пространстве с помощью более «дальнобойного» зрения. В-третьих, как недавно стало известно, европейские большие ночницы реагируют на поляризованные лучи закатного и восходящего солнца и, анализируя угол их падения, вычисляют направления. Получается своего рода компас, но не магнитный, а световой.

Первоначально предполагалось, что сетчатка глаза летучей мыши имеет только палочки, а колбочек не имеет. Напомним, что колбочки бывают разных видов и реагируют соответственно на лучи с разной длиной волн (то есть, разных цветов). Палочки реагируют лишь на изменение яркости и дают, таким образом, монохромную картинку, что- то вроде то, что мы видим на приборах ночного видения. Так вот, выяснилось, что, по крайней мере, некоторые летучие мыши вполне могут видеть цветную картинку, а их сетчатка обладает как палочками, так и колбочками. Более того, глаз, например, такой летучей мыши, как распространенный в Южной Америке очковый листонос, чувствителен к лучам ультрафиолетовой части спектра — такой же способностью обладают глаза некоторых насекомых.

Иногда вопрос о том, с помощью какого органа чувств — глаза или уха — прокладывать себе путь в пространстве для отдельных видов летучих мышей решается непросто. В ходе экспериментов, проведенных Университетом Западного Онтарио (Канада), было отмечено странное поведение летучих мышей вида малая бурая ночница. Исследователи размещали на выходе из заброшенной шахты, где обитают эти животные, препятствия из непрозрачного, прозрачного и отражающего материалов и изменяли освещенность в районе препятствия. Выяснилось, что даже при ярком свете, когда зрение мыши становится наименее острым, малые бурые ночницы предпочитают почему-то пользоваться зрением и… как результат часто натыкаются на прозрачное препятствие. Переключись они на эхолокацию, прозрачное препятствие было бы с легкостью обнаружено.

Эхолокация позволяет летучим мышам ориентироваться в пространстве даже в темное время суток. Животные издают сигналы на ультразвуковой частоте.

Натыкаясь на предметы, ультразвуковая волна отражается от них и возвращается к мыши. Ориентируясь на время, прошедшее от испускания до возвращения сигнала, она способна определить расстояние до предмета.

Летучие мыши используют два разных механизма производства сигналов. Часть рукокрылых издают их при помощи гортани, а часть - с использованием языка (мыши как бы щелкают им).

Авторы новой работы изучили 26 летучих мышей, которые относились к 11 группам, эволюционировавшим независимо друг от друга. В результате ученым удалось обнаружить четкие анатомические отличия между мышами, использующими два механизма производства сигналов.

По мнению исследователей, новые данные помогут в изучении вопроса об эволюции способности к эхолокации.

hram-bal.ru

Ученые выяснили, как летучие мыши ориентируются в темноте. Летучие мыши обладают развитым речевым аппаратом Как ориентируется летучая мышь в темной пещере

Читайте также