Кіріспе
Бірнеше жануар түрлерінің дыбыс арқылы орналасуын анықтау әдісі – эхолокация, сондай-ақ биосонар деп те аталады. Бұл ауада да, суда да кездесетін, бірнеше жануарлар тобының қолданатын биологиялық белсенді сонар. Эхолокация жасайтын жануарлар белгілі бір дыбыстарды шығарып, олардың маңындағы түрлі нысандардан қайта оралатын эхосын тыңдайды. Олар осы эхолардың көмегімен нысандарды іздеп табады және анықтайды. Эхолокация навигацияға, азық іздеуге және жемтік аулауға пайдаланылады. Эхолокация дыбыстары жиілігі өзгермелі (FM, дыбыс кезінде тонның өзгеруі) немесе тұрақты жиілікті (CF) болуы мүмкін. FM жемтіктің қашықтығын дәл анықтауға мүмкіндік береді, бірақ бұл операциялық қашықтықты қысқартуға әкеледі. CF Допплер эффектісі арқылы жемтіктің жылдамдығы мен қозғалысын анықтауға мүмкіндік береді. FM тығыз және жақын орналасқан ортада тиімдірек болуы мүмкін, ал CF ашық кеңістікте немесе аң аулау кезінде жақсы нәтиже береді. Эхолокация жасайтын жануарларға сүтқоректілер, әсіресе тісті киттер (odontocetes) және кейбір жарықшалар жатады. Ал қарапайым түрлерін пайдаланатын басқа топтарға, мысалы, шыршалар да кіреді. Екі үңгірде мекендейтін құс тобының бірнеше түрі эхолокацияны қолданады, атап айтқанда үңгір шашырандылары мен май құсы. Эхолокациялы жарықшалар аулайтын кейбір жемтік жануарлар қолға түспеу үшін белсенді шаралар қолданады. Оларға жыртқыштардан аулақ болу, шабуылды тойтару және ультрадыбыстық дыбыстарды қолдану кіреді, олардың көптеген функциялары бар, соның ішінде ескерту түсі, химиялық қорғанышпен қамтылған түрлерді имитациялау және эхолокацияны бұзу.
Echolocation, also called bio sonar, is a biological active sonar used by several animal groups, both in the air and underwater. Echolocating animals emit calls and listen to the echoes of those calls that return from various objects near them. They use these echoes to locate and identify the objects. Echolocation is used for navigation, foraging, and hunting prey. Echolocation calls can be frequency modulated (FM, varying in pitch during the call) or constant frequency (CF). FM offers precise range discrimination to localize the prey, at the cost of reduced operational range. CF allows both the prey's velocity and its movements to be detected by means of the Doppler effect. FM may be best for close, cluttered environments, while CF may be better in open environments or for hunting while perched. Echolocating animals include mammals, especially odontocetes (toothed whales) and some bat species, and, using simpler forms, species in other groups such as shrews. A few bird species in two cave dwelling bird groups echolocate, namely cave swiftlets and the oilbird. Some prey animals that are hunted by echolocating bats take active countermeasures to avoid capture. These include predator avoidance, attack deflection, and the use of ultrasonic clicks which have evolved multiple functions including aposematism, mimicry of chemically defended species, and echolocation jamming.
Алғашқы зерттеулер
Эхолокация термині 1944 жылы американдық зоолог Дональд Гриффин тарапынан ұсынылды, ол Роберт Галамбоспен бірге жарыстарда осы құбылысты алғаш рет көрсетті. Гриффин өзінің кітабында жазғандай, 18 ғасырдағы итальян ғалымы Лазаро Спаланзани бірқатар күрделі эксперименттер жүргізіп, жарыстар түнде ұшқанда көруден басқа да сезімге сүйенеді деген қорытындыға келген, бірақ ол осы басқа сезімнің есту екенін анықтамаған. Швейцариялық дәрігер және табиғатты зерттеуші Луи Юрин Спаланзанидің эксперименттерін қайталады (басқа жарыс түрлерін пайдаланып) және жарыстар түнде аң аулағанда естуге сүйенеді деген қорытындыға келді. 1908 жылы Уолтер Луис Хан Спаланзани мен Юриннің нәтижелерін растады. 1912 жылы өнертапқыш Хирам Максим жарыстар кедергілерден қашу үшін адамның есту диапазонынан төмен дыбыс пайдаланады деп болжады. 1920 жылы ағылшын физиологы Гамильтон Хартридж оның орнына жарыстар адам ести алатын жиіліктен жоғары жиіліктерді пайдаланады деп дұрыс ұсынды. Одонтоцеттердегі (тісті киттердегі) эхолокация Гриффин мен Галамбостың жұмысынан кейін екі онжылдықтан соң, 1956 жылы Шевилл мен Макбрайдтың еңбегінде толық сипатталды. Дегенмен, 1953 жылы Жак Ив Кусто өзінің "Сайқын әлем" атты алғашқы кітабында, олардың навигациялық қабілеттерін ескере отырып, дельфиндерде сонарға ұқсас қабілет бар екенін айтты.
Негізгі қағидалар
Эхолокация – жануардың өзі шығаратын дыбыстарды пайдаланатын белсенді сонар. Қашықтықты анықтау, жануардың өзінен шыққан дыбыс пен қоршаған ортадан қайтарылған эхо арасындағы уақыт айырмасын өлшеу арқылы жүзеге асырылады. Әр құлаққа келіп түсетін дыбыстың салыстырмалы қарқындылығы және екі құлаққа жету арасындағы уақыт кешігуі, дыбыс толқындары қайдан келгенін көрсететін көлденең бұрыш (азимут) туралы ақпарат береді. Адам жасаған кейбір сонарлар нысананы табу үшін көптеген өте тар сәулелер мен көптеген қабылдағыштарды (көп сәулелі сонар) пайдаланса, жануарлардың эхолокациясында бір ғана дыбыс шығарушы және екі қабылдағыш (құлақ) шамалы арақашықтықта орналасқан. Эхо құлаққа әр түрлі уақытта және әр түрлі қарқындылықпен жетеді, бұл эхо тудырған нысанның орналасуына байланысты. Жануарлар уақыт пен дыбыс күшінің айырмашылықтарын қашықтық пен бағытты анықтау үшін пайдаланады. Эхолокацияның көмегімен, жартас қоректі немесе басқа жануарлар өздері қайда бара жатқанын ғана емес, сонымен қатар басқа жануардың мөлшерін, түрін және басқа да ерекшеліктерін біле алады.
Шақырулар мен экология
Эхолокациялы жарғақтар әртүрлі экологиялық жағдайларды мекендейді; оларды Еуропа мен Мадагаскар сияқты әртүрлі ортада кездестіруге болады, ал жәндіктер, бақалар, нектар, жемістер және қан сияқты әртүрлі тамақ көздерін аулайды. Эхолокация шақыруының ерекшеліктері нақты жарғақтың өмір салтына, аңшылық мінез-құлқына және тамақ көзіне бейімделеді. Эхолокация шақыруларының экологиялық факторларға бейімделуі жарғақтардың филогенетикалық байланысымен шектеледі, бұл өзгерістермен ұрпақтан ұрпаққа берілу деп аталатын процеске әкеледі және бүгінгі Кироптераның әртүрлілігін құрайды. Жарғақтар бір-бірін кездейсоқ түрде кедергіге ұшыратуы мүмкін, ал кейбір жағдайларда кедергіден сақтану үшін шақыруды тоқтатуы мүмкін. Ұшатын жәндіктер эхолокациялы жарғақтар үшін тамақ көзінің көп кездесетін түрі болып табылады, ал кейбір жәндіктер (әсіресе, көбелектер) жыртқыш жарғақтардың шақыруларын ести алады. Көбелектердің есту қабілеті, жарғақтардың эхолокациясынан қашу үшін дамыған деген дәлелдер бар. Бұдан әрі, бұл көбелектердің бейімделуі жарғақтарға жәндіктерді аулау жүйесін жақсарту үшін таңдау қысымын тудырады, және бұл цикл көбелек-жарғақтардың "эволюциялық қарулану жарысына" апарып соқтырады.
Нейрологиялық механизмдер
Құстар эхолокация арқылы бағдарланып, нысандарды анықтайды, сондықтан олардың есту жүйелері осы мақсатқа қарай бейімделген, өз түрлеріне тән эхолокация шақыруларын сезіну және түсіндіру үшін арнайы дамыған. Бұл арнайылық ішкі құлақтан бастап, есту қабығындағы жоғары деңгейдегі ақпаратты өңдеуге дейін көрінеді.
Ішкі құлақ және негізгі сезім нейрондары
CF және FM жарғақтарында ультрадыбыстық диапазондағы дыбыстарды ести алуға мүмкіндік беретін арнайы ішкі құлақтары бар, бұл адам есту қабілетінің шегінен асып түседі. Көптеген басқа жайттар бойынша жарғанақтың есту мүшелері көптеген басқа сүтқоректілерге ұқсас болғанымен, кейбір жарғанақтар (атжарғанақтар, Rhinolophus spp. және мұртты жарғанақ, Pteronotus parnelii) шақыруларында тұрақты жиілік (CF) компоненті бар (жоғары жұмыс циклы жарғанақтары деп аталады) және CF дауыстығының басым жиілігін (және гармоникаларын) анықтау үшін бірнеше қосымша бейімделуге ие. Оларға ішкі құлақтың мүшелерінің жиіліктік "реттелуі" жатады, сондай-ақ жарғанақтың қайта оралатын эхосының жиілігіне жауап беретін едәуір үлкен аймақ бар. Эхолокация жасайтын жарғанақтардың кохлеарлық түктері аса қатты шуға төзімді. Кохлеарлық шашты жасушалар есту сезімталдығы үшін маңызды және қатты шудың салдарынан зақымдануы мүмкін. Жарғанақтар эхолокация арқылы үнемі қатты шуға ұшырағандықтан, қатты шудың бұзуына төзімділік қажет. Тыңдау жолының одан әрі бөлігінде базилярлық мембрананың қозғалысы бастапқы есту нейрондарының стимуляциясына әкеледі. Осы нейрондардың көпшілігі CF шақыруларының қайта оралатын эхосының тар жиілік диапазонына арнайы "реттелген" (ең күшті жауап береді). Акустикалық фовеяның үлкен өлшеміне байланысты, осы аймаққа, яғни эхо жиілігіне жауап беретін нейрондардың саны ерекше жоғары.
Төменгі колликулус
Инфериор колликулус – жарғанаттың миының ортаңғы бөлігінде орналасқан құрылым, онда естілу жолының төменгі сатыларынан түскен ақпарат біріктіріліп, естілу қабығына жіберіледі. Джордж Поллак және басқалар 1977 жылы жариялаған бірнеше мақаласында көрсеткендей, осы аймақтағы аралық нейрондар уақыт айырмашылықтарына өте сезімтал, себебі шақырық пен қайта келген эхо арасындағы уақыт кешігуі жарғанатқа нысанаға дейінгі қашықтығын хабарлайды. Көптеген нейрондар күшті стимулдарға жылдам жауап берсе де, колликула нейрондары сигналдың күші өзгерген кезде де уақыттық дәлдігін сақтайды.
Тыңдау қабығы
Басқа сүтқоректілермен салыстырғанда, жарғақтың есту қабығы өте үлкен. Дыбыстың әртүрлі сипаттамалары қабықтың әртүрлі аймақтарымен өңделеді, әрқайсысы нысананың орналасуы немесе қозғалысы туралы әртүрлі ақпарат береді. Жарғақтың есту қабығындағы ақпаратты өңдеу туралы зерттеулердің көпшілігін Нобуо Суга мысты шошқасы Pteronotus parnellii-де жүргізді. Бұл жарғақтың шақыруында CF тоны және FM компоненттері бар. CF CF аймағы: CF-ға сезімтал нейронның тағы бір түрі – CF CF нейроны. Олар екі белгілі жиілікті қамтитын CF шақыруының комбинациясына, яғни 30 кГц-те (CF1) және оның қосымша гармоникаларының біріне 60 немесе 90 кГц-те (CF2 немесе CF3) және сәйкес эхоларға жауап береді. Осылайша, CF CF аймағында Доплер эффектісінен туындаған эхо жиілігінің өзгеруін бастапқы шақырудың жиілігімен салыстыру арқылы жарғақтың нысанаға қатысты жылдамдығын есептеуге болады. FM FM аймағындағыдай, ақпарат аймақтың карта тәрізді ұйымдағы орналасуымен кодталады. CF CF аймағы алдымен CF1 CF2 және CF1 CF3 аймақтарына бөлінеді. Әрбір аймақта CF1 жиілігі CF2 немесе CF3 жиіліктеріне перпендикуляр ось бойынша ұйымдастырылады. Нәтижесінде әрбір нейрон белгілі бір жиілік комбинациясын кодтайды, бұл нақты жылдамдыққа сәйкес келеді. Доплер эффектісінен ауысқан тұрақты жиілік (DSCF) аймағы: Кортекстің бұл үлкен бөлігі жиілік және амплитуда бойынша ұйымдастырылған акустикалық фовеяның картасы болып табылады. Бұл аймақтағы нейрондар Доплер эффектісіне ұшыраған (яғни, тек эхо) CF сигналдарына жауап береді және акустикалық фовея жауап беретін тар жиілік диапазонында болады. Pteronotus үшін бұл шамамен 61 кГц. Бұл аймақ жиілік бойынша радиалды түрде орналастырылған бағаналарға бөлінген. Әрбір бағанадағы нейрон жиілік пен амплитуданың нақты комбинациясына жауап береді. Бұл ми аймағы жиілікті ажырату үшін қажет. Одонтоцеттер көбінесе ультрадыбыстық жиіліктердегі дыбыстарды ести алады, ал мистицеттер инфрадыбыстық жиілік диапазонындағы дыбыстарды естиді.
Doppler shifted constant frequency (DSCF) area: This large section of the cortex is a map of the acoustic fovea, organized by frequency and by amplitude. Neurons in this region respond to CF signals that have been Doppler shifted (in other words, echoes only) and are within the same narrow frequency range to which the acoustic fovea responds. For Pteronotus, this is around 61 kHz. This area is organized into columns, which are arranged radially based on frequency. Within a column, each neuron responds to a specific combination of frequency and amplitude. This brain region is necessary for frequency discrimination. Odontocetes are generally able to hear sounds at ultrasonic frequencies while mysticetes hear sounds within the infrasonic frequency regime.
Май құстары мен шаянқұстар
Май құстары және кейбір жылдам ұшатын құстардың, жартастар мен дельфиндерге қарағанда, эхолокацияның салыстырмалы түрде жай түрін қолданатыны мәлім. Бұл түнгі құстар ұшқанда дыбыс шығарып, олардың өмір сүретін ағаштар мен үңгірлерде бағыт табу үшін сол дыбыстарды пайдаланады.
Құрлық сүтқоректілері
Жарғанақтардан басқа, эхолокация жасайтыны белгілі немесе болжамдалып отырған жер бетіндегі сүтқоректілерге шыршалар, Мадагаскардың тенректерi, қытай пигмейлерi және солнедондар жатады. Шыршалардың шығаратын дыбыстары, жарғанақтардың дыбыстарынан өзгеше, төмен амплитудалы, кең спектрлi, көп гармониялы және жиілігі өзгермелі болады.
Қарсы шаралар
[[Файл:Аргема мимоза еркек.jpg|thumb|upright|Африкалық ай көбелегінің (Сатурнидтер тобындағы) артқы қанаттарындағы ерекше ұзын құйрықтары ұшу кезінде тербеліп, аңшы-жарғақтардың шабуылын құйрыққа бұрып, көбелектің қолға түсуінен қашуына көмектеседі. Әртүрлі түрдегі (тесттен өткен түрлердің үштен екісі) жолбарыс көбелектері (Arctiidae) эхолокация қолданатын жарғақтардың шабуылына жауап ретінде үдемелі дыбыс сериясын шығарады. Bertholdia trigona түрі жарғақтардың эхолокациясын бұзады: үлкен қоңыр жарғақтармен сынақ кезінде ультрадыбыс жарғақтың шабуылын бірден және тұрақты түрде тоқтатуға тиімді болды. Жарғақтар B. trigona-ға қарағанда үнсіз бақылау көбелектерімен 400% көбірек байланысқа түсті. Көбелектің ультрадыбысы жарғақты қорқыту (алдау тактикасы), оның дәмсіз екендігі туралы ескерту (шындық сигнал беру, апозематизм) немесе химиялық қорғанысы бар түрлерді еліктеу үшін де қолданылуы мүмкін. Апозематизм де, мимикрия да жарғақтардың шабуылынан аман қалуға көмектесетіні дәлелденді. Үлкен балауыз көбелегі (Galleria mellonella) ультрадыбыс толқындарын сезген кезде құлау, айналу және мұздап қалу сияқты жыртқыштардан қашу әрекеттерін жасайды, бұл оның жыртқыштардың және өз түрлерінің сигналдарын пайдаланатын ультрадыбыс жиіліктерін анықтай және ажырата білуін көрсетеді. Ірі жібек көбелектерін де қамтитын Сатурнидтер туысының кейбір өкілдерінің артқы қанаттарында, әсіресе Аттацини және Арсенуриналар кіші топтарында ұзын құйрықтары болады. Құйрықтар ұшу кезінде тербеліп, аң аулайтын жарғақтың шабуылын көбелектің денесінен құйрыққа бұрады. Аргема мимоза (Африкалық ай көбелегі) түрі, оның құйрығы ерекше ұзын, қолға түсуден қашуға ең бейім.