Органы чувств и геофизические приборы

На живые системы действуют все исследуемые в геофизике поля — магнитные, электрические,

гравитационные, сейсмические и др. Кроме того, имеются живые системы, создающие электромагнитные поля, акустические поля, реагирующие на действие этих полей; имеются живые системы, реагирующие на запахи. В природе имеются аналоги почти всех устройств, которые используются геофизиками. Поскольку в биологии так или иначе затрагиваются многие проблемы, интересующие геофизиков, целесообразно их рассмотреть.

Например, эхолокационные и гидролокационные системы. Наиболее хорошо изучена эхолокационная система летучих мышей. Летучие мыши ртом издают ультразвуковые колебания, главная часть энергии которых лежит в диапазоне от 10 до 150 кГц. Колебания излучаются импульсами сложной формы, с длительностью, измеряемой миллисекундами. Когда импульсы не излучаются, мышь прослушивает отраженные сигналы, что позволяет ей обнаруживать препятствия при полете, а также искать добычу — различных насекомых. На расстоянии 215 см летучая мышь реагирует на препятствие из проволоки диаметром 3 мм. На расстоянии 90 см она реагирует на проволоку диаметром 0,18 мм. Следовательно, геофизическая характеристика поиска — отношение расстояния к диаметру искомого объекта в этих экспериментах составляет 700—5000. Эхолокатор летучей мыши выдерживает сравнение с такими сложными техническими системами, как радиолокаторы и эхолокаторы. При оценке геофизического эхолокатора использовались параметры эхолокатора ЗГЛ. Из таблицы видно, что по эффективности живые системы не уступают техническим системам.

Сравнение эхолокатора живых систем, геофизического эхолокатора и радиолокатора

Эхолокационные аппараты летучих мышей могут воспринимать сигналы, отраженные от мелких объектов в условиях большого шумового фона. Изучение эхолокационных аппаратов летучих мышей показало, что они обладают очень высокой помехоустойчивостью. Экспериментаторы отмечают, что летучих мышей не сбить с толку даже при самом громком шуме, который можно было создать — при сильном свисте во всем частотном диапазоне; шум здесь в десятки раз превышает сигнал. Измерительные геофизические системы, работая на наиболее чувствительных диапазонах, дают уверенные результаты при сигнале, лишь в несколько раз превышающем помеху.

Излучение летучими мышами энергии упругих колебаний в воздухе могло бы, вероятно, послужить прототипом для создания аналогичных наземных и воздушных эхолокаторов. Во всяком случае, сложная форма сигнала; излучаемого живой эхолокационной системой, показывает, что здесь имеет место аналогия с ультразвуковой локацией, хотя и нет ясности относительно того, на какие параметры вторичного сигнала реагирует летучая мышь.

Схематическое изображение сигнала летучей мыши и его эхо в летном помещении в различных условиях.
А — при приближении к проволокам диаметром 0,46 мм, натянутым посреди помещения; С — при приближении к более толстым проволокам, натянутым вблизи стены (обратите внимание на более сильные эхо); D — в лесу, в естественных условиях, в присутствии многих отражающих объектов, при приближении к насекомому (для упрощения частотная модуляция не показана).

Известны исследования эхолокационного аппарата бутылконосых дельфинов. С целью обнаружения объектов в воде дельфины издают звуковые и ультразвуковые сигналы в диапазоне до 200 кГц. Гидролокационный аппарат дельфина позволяет ему искать рыбу для питания. На расстоянии до 3 км дельфин обнаруживает рыб с вероятностью 98—100%.

У медузы хорошо изучена форма тела, что позволило советским ученым сконструировать чувствительный прибор, используемый для предсказания шторма. Медуза ощущает неслышимые человеком инфразвуки с частотой около 10 Гц, которые возникают при трении морских волн о воздух. Она имеет своеобразный датчик инфразвука, содержащий стебелек, заканчивающийся колбой с жидкостью, в которой плавают камешки, опирающиеся на окончание нерва. Звуки шторма воспринимает эта колба. Через камешки звуки передаются нервам. В приборе, основанном на органе слуха медузы, есть рупор — резонатор, пропускающий колебания нужных частот, и пьезодатчик, преобразующий колебания в импульсы электрического тока. Далее импульсы усиливаются и измеряются. Прибор позволяет определять наступление шторма за 15 ч.

Схема аппарата — предсказателя шторма

По описаниям известны случаи, когда роль живых сейсмографов играли собаки, кошки, змеи, ящерицы, голуби, а также другие животные. Их тревожное поведение является предвестником землетрясений. Предполагается, что перед землетрясением появляются сейсмические колебания почвы, обусловленные распространением сложных, скорее всего смешанных, так называемых продольных и поперечных колебаний. Эти колебания имеют очень низкую частоту, человеческое ухо их не ощущает, в отличие от органов чувств животных, пресмыкающихся и птиц.

Весьма тщательно исследуются особенности некоторых рыб в связи с сейсморазведкой. Так, в 1923 г. за два дня до землетрясения в Токио на одном из мелководных пляжей появилась «усатая треска», которая водится в очень глубоких местах. С тех пор накоплено довольно много фактов, согласно которым некоторые обитатели морских глубин за считанные дни до начала землетрясения поднимаются на поверхность. Считается, что они реагируют на слабые сигналы раздражения. В Японии разводится специальный вид аквариумных рыб, которые начинают выскакивать из воды незадолго до землетрясения. Возможно, что эти исследования могут лечь в основу новых сейсмографов. Известно также, что некоторые насекомые имеют органы, позволяющие им реагировать на очень слабые механические колебания. В частности, ощущают небольшие перемещения — до 4∙10^-9 см — водяные жуки; пауки чувствуют вибрацию паутины; у змей поверхность кожи играет роль мембраны, очень чувствительной к колебаниям. Наиболее чувствительные сейсмографы позволяют уверенно регистрировать смещение горных пород до 10^-5 см, т. е. их чувствительность намного ниже.

В природе существует большое число запахов. Очень сложный мир запахов у насекомых. Пахучие вещества — сигнализаторы, выделяемые насекомыми, используются ими для связи и оповещения. У живых систем имеются органы, позволяющие делать физико-химический анализ очень небольших концентраций веществ. Некоторые рыбы чувствительны к запахам и способны реагировать на пахучее вещество при концентрации 10^-14 г/л. Может быть, поэтому взрослые рыбы возвращаются в тот же самый приток, где они росли. Вероятно, отыскать свою родную протоку рыбе помогает специфический химический состав воды в реке, обусловленный химизмом горных пород, размываемых рекой. Отсюда делается вывод, что рыба обладает способностью чувствовать тонкие запахи, помнить их и анализировать. Известно, что в геологической службе широко используются методы физико-химического анализа проб горных пород и вод с целью выявления различных полезных ископаемых. Одна из наиболее чувствительных спектрозолотометрическая съемка позволяет определять наличие золота в горных породах в количестве 10^-5 г/кг. Не может ли тщательное изучение методов такого анализа у живых организмов послужить основой для новых геохимических способов разведки?

Обонятельные клетки похожи на нервные. Они имеют отросток к поверхности слизистой оболочки, заканчивающийся пузырьком, слегка выступающим на поверхности эпителия. Другой отросток тянется к головному мозгу. Всего к мозгу от обонятельных клеток идет 100 млн. аксонов — нервных отростков. Ученые отмечают, что чувствительная поверхность является датчиком запахов и представляет, по сути, обнаженное вещество самого нерва.

Благодаря большим способностям чувствовать запахи собаки после специальной тренировки помогают геологам искать обломки полезных минералов, прикрытые почвой.

Живые системы имеют устройства для термолокации. У гремучих змей есть специальный орган, расположенный между глазами и ноздрями, который чувствует изменения температуры на 0,001 °С. Лицевые ямки гремучих змей на связаны непосредственно ни с ушами, ни с глазами, ни с какими-либо другими соседними с ними органами. Они представляют собой небольшие углубления в верхней части. Каждая ямка на некоторой глубине от входного отверстия разделена поперечной мембраной, перегораживающей ее на две камеры — наружную и внутреннюю. Наружная лежит впереди и открывается широким воронкообразным отверстием на коже между глазом и ноздрей. Внутренняя камера, лежащая позади наружной, сообщается с внешней средой узким каналом. Перегородка, разделяющая обе камеры, имеет толщину всего 0,025 мм. Густые переплетения нервных окончаний пронизывают ее во всех направлениях. Ученые Д. Нобл и А. Шмидт установили, что лицевые ямки представляют собой не что иное, как термолокаторы. Эти органы чувств способны улавливать тепловое излучение и определять по его направлению местонахождение любого нагретого тела. Термолокаторы змеи действуют по принципу своеобразного термоэлемента. Тончайшая мембрана, разделяющая две камеры лицевой ямки, подвергается с двух сторон воздействию разных температур. Внутренняя камера сообщается с внешней средой узким каналом, поэтому в ней сохраняется температура окружающего воздуха. Наружная камера широким отверстием теплоуловителем — направлена в сторону исследуемого объекта. Тепловое излучение, которое он испускает, нагревает переднюю стенку мембраны. По разности температур на внутренней и наружной поверхности мембраны, одновременно воспринимаемых нервами, у змеи возникает ощущение излучающего тепловую энергию предмета.

Вся внешняя информация, так же как и информация от внутренних органов, попадает в мозг через органы чувств. Поскольку в геофизике широко применяются различные измерения температур горных пород с целью поисков рудных тел, устройства типа термолокаторов могут представлять интерес для геофизического приборостроения.

У живых организмов имеется много других интересных органов чувств: например, улитки и муравьи чувствуют радиоактивное излучение. Природа создала самые различные «датчики», реагирующие на слабые концентрации химических элементов, температурные изменения, механические колебания, электромагнитные поля и направленные инфракрасные излучения, инфра- и ультразвуки. Биологами описаны некоторые органы, назначение которых еще не установлено. Все чудесные свойства живых «датчиков» обусловлены гибкостью механизмов работы элементарных ячеек-клеток, из которых они состоят. Если такой живой орган отказывает, то в организме может произойти авария.

Многие жители Мейпорта (Флорида) в 1977 г. приняли морские ванны в ледяной воде, с тем чтобы помешать большой группе китов выброситься на один из пляжей близ устья р. Сент-Джон. Несмотря на принятые меры, несколько китов так и не удалось спасти. Высказано предположение, что киты-«лоцманы», вожаки этой группы, стали жертвой какого-то паразита, проникшего в их ушное отверстие и повлиявшего на работу расположенного в нем природного эхолокатора, в результате чего и произошло нарушение чувств ориентации. Известны и другие аналогичные случаи. Добыча пищи, поиски пути домой, а иногда и возможность существования бывают связаны с живыми приборами, поэтому они должны работать исключительно надежно.

Источник: Г.С. Франтов. Геология и живая природа. (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкостные включения). Изд-во «Недра». Ленинград. 1982