Техника и природа: явления природы, помогающие развитию техники
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Всюду. Они всюду. Прошивают короткими очередями водный и воздушный океан во всех направлениях. Это происходило миллионы лет назад, происходит и сейчас. Но человек долгие века даже не подозревал об этом. Ведь он крайне ограничен в своих возможностях. Его органы могут воспринимать звуковые и световые волны только определенной длины, а остальные… Неслышимый звук. Невидимый свет. Человек до самого последнего времени не имел о них понятия. Только техника XX века позволила ему узнать об их существовании. В прошлом всех удивляла способность некоторых животных, например летучих мышей, свободно летать темной ночью, не задевая за ветки деревьев, листья, печные трубы. Теперь тайна летучих мышей раскрыта. Современная техника помогла ученым разгадать ее.
Исследования показали, что природа вооружила мышей настоящими ультразвуковыми локаторами. Широко раскрытой пастью летучие мыши издают неслышные для нас ультразвуки. Ультразвуковые волны, натолкнувшись на предмет, к примеру на тело бабочки, ветку дерева, отражаются от него и возвращаются к мыши. Локатор помогает этим зверькам спокойно ориентироваться в темноте, не наталкиваясь на препятствия.
Представим себе на одну минуту, что мы вооружились сверхточными приборами и слышим загадочные ультра- и инфразвуки, видим инфракрасный и ультрафиолетовый свет. Что произойдет тогда? Не будем загадывать, а просто в теплый летний вечер отправимся на прогулку.
Прислушайтесь: высоко над головой раздался тонкий пронзительный свист, маленькие черные тени мелькают вокруг нас, слабый ветерок, поднятый крыльями, касается вашего лица. Это летучие мыши вылетели на охоту. С помощью локатора ночные зверьки охотятся на комаров и ночных бабочек. Но что это? Перед самым носом летучей мыши бабочка словно почувствовав ее приближение, сворачивает в сторону. Кто предупредил ее? Тоже локатор. Бабочки испускают ультразвук до 240 000 колебаний в секунду! Их локаторы позволяют заранее обнаружить невидимого хищника. Поймав с помощью своего приемника ультразвуковые сигналы летучей мыши, бабочка круто сворачивает в сторону и спасается бегством. Если летучая мышь появилась неожиданно и оказалась близко от своей добычи, бабочка складывает крылышки и камнем падает на землю. Иногда она слишком надеется на свои силы и пытается уклониться в сторону от летучей мыши, даже если та подлетела очень близко. Такая самоуверенность не бывает безнаказанной: бабочка неминуемо становится добычей быстрого хищника.
Совсем недавно узнали ученые о существовании в тропической Америке летучих мышей-рыболовов. Мыши посылают в воду разведчиков — ультразвуковые сигналы и, принимая отраженные от рыб ультразвуки узнают, где искать добычу. Острыми кривыми когтями они выхватывают из воды рыбок и поедают их.
В жарких странах восточного полушария живут летучие мыши, которых называют летучими собаками. Это крупные, до полутора метров в размахе крыльев животные. Летучие собаки не хищники. Их привлекают вкусные плоды тропических деревьев. У летучих собак тоже есть локаторы, но ультразвук они издают не широко открытым ртом, как летучие мыши, а носом. «Собаки» используют свой локатор более экономно. Они включают его только в полной темноте, а при свете обходятся зрением, которое у них острее, чем у «родственников». У летучих мышей локаторы включены и ночью и днем, если зверьки не спят.
И «мыши» и «собаки» летают в темноте. Ясно, что локаторы нужно искать среди животных, ведущих сумеречный и ночной образ жизни, среди жителей пещер. Ученые пошли по этому пути и обнаружили локаторы у гуахаро — птицы, близкой к нашему козодою. Бесчисленными массами селятся гуахаро в глубоких пещерах Южной Америки. Эти крупные птицы уверенно летают по темным закоулкам пещер. О всех препятствиях их предупреждает ультразвуковой локатор.
Кого еще наделила локаторами природа? Наш список окажется очень длинным: тут и жуки и многие птицы — совы, кулики, мелкие певчие птички. Ультразвук словно освещает им дорогу в темноте во время перелетов. Ибо даже большинство дневных птиц предпочитает совершать свои перелеты ночью.
Тут и многие зверьки: морские свинки, сумчатые белки-летяги, крысы, мыши, землеройки, даже некоторые обезьяны Южной Америки. Природные локаторы очень различны, ведь они служат самым разным животным для самых различных целей. А в следующей статье мы отправляемся в подводный мир, вооружившись многочисленными приборами, которые не так давно изобрел человек.
Медуза-локатор
Мы на дне. Ничего не видно. Попробуем включить чувствительные приборы. Среди хаоса возникших звуков скоро начинаем выделять тихие быстрые потрескивания. Это сигналит рыбка мормирус. Удивительна она вот чем. Целые дни роется мормирус в иле, выискивая червячков и прочую донную живность. Когда рыбка-лакомка засовывает голову в ил, казалось бы, самый подходящий момент для хищника подкрасться и схватить ее. Но не тут- то было! Какое-то неведомое чувство подсказывает мормирусу о приближении врага. Рыбка стрелой мчится под корягу, и хищник остается с носом.
Наука раскрыла чудесную тайну мормируса. Оказалось, что у него есть радиолокатор. На хвосте у рыбки маленькая электрическая батарейка, всего в 6 вольт напряжением. Подобно настоящей радиолокационной станции, батарейка посылает в пространство электромагнитные волны до 100 импульсов в минуту. Одни волны пропадают в толще воды, другие отражаются от предметов и возвращаются к рыбке. Приемник находится в основании спинного плавника. Промелькнет вдали хищная рыбка — и мормируса предупредит об этом локатор. С помощью своего точного прибора рыбка безошибочно находит дорогу в мутной воде. Если у мормируса удалить локатор, он, словно слепой, начинает беспорядочно тыкаться в разные стороны.
А вот другой пример. Электрический угорь из Южной Америки имеет куда более мощную батарею, до 800 вольт напряжением. Наступать в воде на эту рыбу не рекомендуется. Мощные электрические заряды для угря — орудие защиты и нападения. В покое угорь излучает слабые электромагнитные волны, источник которых находится на конце хвоста. Волны, отраженные от проплывающих мимо рыб, ловят антенны-локаторы — бородавки на голове. Узнав о приближении добычи, двухметровое чудовище мечет в нее электрические молнии. Мертвую и оглушенную рыбу угорь съедает.
Самый совершенный локатор у дельфинов. Только они посылают в воду не электромагнитные волны, как мормирус или угорь, а звуки. Дельфины ни на секунду не прекращают болтовни: шепчут, пищат, хрюкают, бормочут. Животные умудряются издавать в секунду до 150 тысяч звуковых колебаний. Прислушиваясь к эху звука, отраженного от добычи, дельфин находит ее на расстоянии до трех километров. Животное даже определяет с помощью своего чудесного локатора величину проплывающей вдали рыбы. Может быть, это маленькая рыбешка, за которой и гоняться-то не стоит, а может, гигантский хищник — тогда лучше удрать самому. Рыбу, промелькнувшую на расстоянии километра, дельфин безошибочно отличит от куска дерева и любого другого неживого предмета.
Ученые провели интересные опыты. В большом бассейне поставили прозрачную, непроницаемую для звуков перегородку. По одну сторону от нее пустили дельфинов, по другую — рыб. Перегородка не пропускала звуков, и дельфины, видя, не замечали добычу. Но вот в перегородке открыли окошко, и животные, подчиняясь звуковому локатору, молнией метнулись туда.
Еще нагляднее такой опыт: дельфинам заклеивали резиновыми присосками глаза и наблюдали за их поведением. Животные вели себя как обычно. Они гонялись за рыбой в аквариуме, ловко обходили специально расставленные препятствия.
Даже у медузы, одного из самых примитивных существ, есть чему поучиться. Это животное умеет очень ловко избегать шторма. Задолго догадавшись о приближении бури, медуза уходит вглубь, где ей не страшны никакие шквалы. За 15 часов до шторма медузе сообщает о нем инфразвук, образующийся при трении далеких волн о воздух (инфразвук, как и ультразвук, человек не воспринимает; ультразвуковые колебания слишком часты для нашего уха, а инфразвуковые — слишком редки). Медуза слышит инфразвуки в 8—13 колебаний в секунду. Инфразвуковой приемник медузы — шарик на тоненьком стебельке, помещенный под колоколом.
Внутри шарика в жидкости плавают маленькие камешки. Инфразвуковые волны усиливают движение камешков, они ударяются о нервные окончания и возбуждают их. Так слышат медузы голос шторма!
Термометр гремучей змеи
Теперь мы расскажем о другом сверхточном приборе, сконструированном природой, — термолокаторе змеи. Этим сложным устройством владеют не все змеи. Он есть у щитомордников, живущих средней Азии, у водяной мокасиновой змеи, обитающей в Америке, у питона. Самый мощный термоэлемент имеет североамериканская гремучая змея. Человек останавливается как вкопанный, когда услышит ее треск, похожий не то на журчание ручейка, не то на стрекотание кузнечика. Есть от чего испугаться. Яд этой змеи смертельно опасен для человека. Свой предупреждающий треск змея издает погремушкой на конце хвоста. Гремучих змей называют еще четырехноздрими, потому что у них рядом с каждой ноздрей еще по одной небольшой ямке. Эти ямки — важное орудие для поиска добычи у глухой и подслеповатой змеи. С их помощью змеи ощущают малейшие изменения температуры — до нескольких тысячных долей градуса. Тело птицы или мышонка, возящегося в кустах, чуть-чуть нагревает окружающий воздух. Змее этого достаточно, чтобы обнаружить жертву.
Американские исследователи подробно изучили строение «термометра» гремучей змеи. Оказывается, каждая ямка разделена поперечной перегородкой на внутреннюю и наружную камеры. Наружная широко открыта, а внутренняя сообщается с внешней средой лишь тончайшим каналом, который открывается около глаза. Слабое тепло от тела мышки проникает в широкое отверстие наружной камеры и нагревает снаружи перегородку между камерами. Внутренняя камера, а вместе с ней и внутренняя поверхность перегородки сохраняют прежнюю температуру. Ничтожное различие температур между поверхностями возбуждает подходящий к перегородке нерв, который и посылает сигналы в мозг о появлении добычи.
Кто видел ползущих змей, знает, что они часто поворачивают голову в разные стороны. Эти движения не случайны. Дело в том, что ямки термолокаторов направлены косо вперед. Поэтому, чтобы прощупать все пространство вокруг, змея вынуждена вертеть головой. Змеи так точно находят добычу, словно способны видеть тепло.
А знаете ли вы, что некоторые животные на самом деле его видят? Ведь тепловые лучи, которые иначе называются инфракрасными, очень близки к световым лучам, но человеческий глаз их не воспринимает. Инфракрасные лучи замечают совы и глубоководные кальмары. Бабочки улавливают инфракрасное излучение не глазами, а усиками. В средней Азии живет бабочка большой ночной павлиний глаз — мечта всех, кто собирает коллекции бабочек. Размах ее крыльев — 15 сантиметров. Это самая большая бабочка во всей Евразии! Усики самцов устроены необычно — настоящие птичьи перья. Самки излучают инфракрасные световые волны строго определенной длины. Самцы улавливают своими перистыми усиками-антеннами эти волны на расстоянии до 15 километров. Это уже настоящий локатор инфракрасных лучей.
Будущее рождается сегодня
Человек изобрел локаторы совсем недавно, а сейчас они прочно вошли в нашу жизнь: помогают водить корабли, самолеты, подводные лодки, направляют к цели боевые ракеты. Невозможно представить современные суда и самолеты без этих приборов.
Изобретатели локаторов и эхолотов и понятия не имели о подобных аппаратах у животных. А ведь если бы инженеры знали об этом, может быть, ценные приборы были бы изобретены раньше. Десятки кораблей не погибли бы, столкнувшись с айсбергами или предательскими подводными камнями, не терялись бы самолеты в безграничном воздушном океане. Лишь сравнительно недавно узнали ученые о природных локаторах. Узнали и поразились, какой удивительной точностью, силой они обладают. Взять хотя бы звуковые локаторы дельфинов. Они куда точнее эхолотов, применяемых на рыболовных траулерах. Ученые — биологи и физики — стали внимательно присматриваться к устройству локаторов животных. Они нашли много нового и интересного, что можно было бы применить в современной технике. Уже создано несколько приборов по образцу природных локаторов.
А зачем мыши хвост
Вы узнали очень немного о локаторах естественных и искусственных. В этих статьях перечисляется лишь десяток животных, имеющих эти необыкновенные органы, а на земном шаре обитает около двух миллионов видов животных. Так представляете, сколько еще осталось работы зоологам-инженерам!
За многие миллионы лет у животных выработались замечательные приспособления к жизни. У них нет ни одного ненужного органа… Но мы еще не знаем, какое значение имеет, например, хвост у мыши… и другие, казалось бы, бесполезные органы. До сих пор никто не может сказать, зачем рыбе-носорогу из Красного моря нужен уродливый вырост на лбу. Носороги — крупные рыбы, весом до 50 килограммов и больше. Плавают они, всегда выстроившись в ряд во главе с самой крупной рыбой. За ней шествует вторая — чуть поменьше, потом еще меньше, самая маленькая всегда позади. Если носорогов напугать, то и во время поспешного бегства они соблюдают военный строй. Двадцать-тридцать мощных хвостов одновременно хлестнут по воде, и взвод рыб умчится вдаль все в том же неизменном порядке.
Раньше считали, что носороги своими рогами отламывают ветки кораллов, которые пожирают в невероятном количестве. Но когда ученые поймали носорога, убедились, что рог у него совсем мягкий и для такой роли не пригоден. Может быть, в выступе на лбу этой забавной рыбы спрятан локатор, при помощи которого она обменивается «сообщениями» с соседями по стае? Пока об этом трудно что-нибудь сказать. Лишь будущие исследования откроют нам истину.
Автор: С. Володин.