Меню

Летучие мыши опыт спалланцани

Проблема Спалланцани

Чтобы узнать об этой проблеме, мы снова возвратимся на полтора века назад, в Павию, в университет, где в эти же дни профессор Алессандро Вольта проводит первые проверки опытов Гальвани.

Но на этот раз мы заглянем в другую лабораторию, к замечательному естествоиспытателю Ладзаро Спалланцани (1729-1799).

В то время в скромных лабораториях ученых не было еще ни источников электрического тока, ни точных и чувствительных приборов, и естествоиспытателям приходилось в основном полагаться на внимание и наблюдательность, на зрение и слух, обостренные горячей любознательностью, на чуткость и умелость своих рук. Качества эти во все времена — главные помощники ученого. Без них не помогут даже самые совершенные приборы.

Биолог и физиолог Ладзаро Спалланцани, профессор университета в Павии, был щедро одарен этими качествами. Как и Гальвани, он умел ставить тончайшие эксперименты; как и Гальвани, он ставил опыты над лишенными головного мозга лягушками, и одним из самых первых наблюдал двигательные рефлексы. Что бы ни изучал Спалланцани, ему всегда удавалось открыть нечто важное.

Спалланцани первым доказал невозможность самопроизвольного зарождения микроорганизмов; он внес важный вклад в изучение процессов размножения; изучал регенерацию конечностей саламандр и тритонов; одним из первых исследовал процессы кровообращения, дыхания, пищеварения у животных.

Об этих открытиях и научных заслугах Спалланцани упоминается во всех энциклопедиях. Но очень редко говорят о проблеме Спалланцани. И это не случайно. Она полтора века ждала своего решения, и за эти полтора века многие забыли о ней, а многие не придавали особого значения.

Как это часто бывает в науке, все началось с того, что, на первый взгляд, каждому показалось бы чистой случайностью. Но для настоящего естествоиспытателя случайностей не бывает. В книгах об ученых всегда рассказывается о случайностях: о счастливой мысли, пришедшей во время купания в ванной; о падении яблока; о подергивании лягушачьих лапок в грозу; о тысячах других счастливых случаев и совпадений.

Но, конечно, причину открытий надо искать не в них. Подлинный ученый, увлекшись какой-то научной проблемой, отдает ей все свои мысли, всего себя. И тогда любое явление, самое неожиданное, может натолкнуть его на открытие. В поисках истины для ученого все не случайно, потому что он ищет и находит закономерности. Конечно, ученому, как и любому другому человеку, приходится ежедневно сталкиваться с тысячами случайностей, но он или вовсе не замечает, либо тотчас забывает их. Но если случай хотя бы очень отдаленно связан с тем, что интересует ученого, с тем, что он ищет, ученый не забудет его и не успокоится, пока не найдет ему правильного объяснения.

С давних времен люди убеждены, что совы великолепно видят в темноте. И действительно, зрение отлично служит сове там, где человек не видит ни зги. Сова замечает поверхности, светимость которых в десятки раз меньше светимости поверхностей, еще различаемых человеком. Но хотя чувствительность зрения сов и потрясающе велика, эти птицы в полной темноте так же слепы, как человек, как и все другие зрячие животные.

В одну из темных беззвездных ночей 1793 года в комнату Спалланцани случайно влетела сова. Случайно она слишком близко подлетела к свече, и взмахами сильных крыльев мгновенно задула слабый огонек. В комнате стало гораздо темней, чем под открытым небом, и сова, неожиданно для Спалланцани, ударилась о стену, наткнулась еще на что-то, снова ударилась о стену. Она вела себя так, словно внезапно ослепла.

Это сильно удивило Спалланцани — ведь он, как и все в то время, считал, что совы видят даже в абсолютном мраке. Он много раз, уже намеренно, повторил опыт с совами и убедился, что совы действительно не видят в темной комнате.

Это был не известный ранее факт. Быть может, другой этим и ограничился бы, но Спалланцани был подлинным естествоиспытателем, он не мог остановиться на полдороге. Ведь он знал, что, кроме сов, ночной образ жизни ведут и летучие мыши. Громадные стаи этих зверьков гнездятся в глубоких пещерах, куда не проникает свет.

В том же году Спалланцани провел опыты с летучими мышами и примерно за год узнал о них столько нового, сколько не удалось узнать всем другим исследователям за последующие полтора века.

Вначале Спалланцани решил, что мыши видят в темноте гораздо лучше сов и, разумеется, людей. Он делал самое простое: закрывал глаза мышей, обвязывая им головы непрозрачной тканью. И мыши действительно не могли ориентироваться. Исследователю, менее внимательному, чем Спалланцани, этого было бы довольно, чтобы убедиться, что летучая мышь ориентируется при помощи глаз, зрения; что летучие мыши превосходно, гораздо лучше сов, видят в темноте. Однако ученый остался неудовлетворен своими опытами. Интуиция натуралиста подсказывала ему, что повязка на го-лозе мыши могла помешать не только зрению животного. Он решил ослепить несколько мышей. И тогда обнаружился удивительный факт: переболев после операции, ослепленные мыши летали как и прежде, не сталкиваясь ни со стенами, ни с людьми, они по-прежнему могли охотиться за мошками и ночными бабочками.

Читайте также:  Что носить с курткой летучая мышь

Спалланцани терялся в догадках, он не знал, как объяснить удивительную способность летучих мышей видеть не просто в темноте, но даже и тогда, когда их лишали глаз.

Загадка летучих мышей не давала Спалланцани покоя до конца жизни. Уже незадолго до смерти ему удалось установить, что мыши теряют способность «видеть», если им закрывать рот или уши. Это было важнейшее открытие. Но оно казалось настолько странным, что после смерти Спалланцани никто не верил в достоверность этих «странных» фактов, а потом они и вовсе затерялись в пропыленных и забытых фолиантах. Способность летучих мышей стали объяснять тем, что, приближаясь к препятствию, они ощущают повышение давления воздуха, которое возникает при отражении от препятствий воздушного потока, создаваемого крыльями мыши. К сожалению, о «проблеме Спалланцани» зоологи знали не так уж много. Большинство наблюдений и выводов, сделанных Спалланцани, не было опубликовано.

В 1912 году мир потрясло известие о гибели «Титаника». Этот громадный пассажирский корабль столкнулся в тумане с айсбергом и затонул.

Инженеры многое слышали об опасностях, поджидающих корабли в тумане, об угрозе столкновения с айсбергами. Но как помочь морякам, они не знали. Трагическая гибель «Титаника» заставила их снова искать пути и методы создания приборов, которые помогали бы мореплавателям избежать столкновений с айсбергами. Этим вопросом занялся и знаменитый инженер Хирам Максим, изобретатель автоматического оружия и, в частности, станкового пулемета «Максим», автор огромного самолета с паровым двигателем, который разбился при попытке к взлету. Хирам Максим предложил устройство, предупреждающее о приближении к айсбергу. Объясняя принцип действия этого устройства, Максим, первым после Спалланцани, высказал мысль, что летучие мыши ориентируются при помощи слуха. Первым сформулировал Максим и принцип звуковой локации. Он считал, что летучая мышь движением крыльев создает неслышимые для человека (не для нее самой) звуки. Воспринимая отражение этих звуков от препятствий, мышь выбирает направление полета.

Максим полагал, что частота колебаний звуков, издаваемых мышью, совсем мала — всего лишь около пятнадцати колебаний в секунду. Это было ошибкой. Максим забыл или не знал свойств звуковых низкочастотных и ультравысокочастотных волн. Подобно радиоволнам звуковые низкочастотные или длинные волны хорошо огибают препятствия и плохо отражаются от них. И наоборот, ультравысокочастотные или ультракороткие звуковые волны, длина которых составляет доли метра и даже доли сантиметра, хорошо отражаются от препятствий. Предположение о том, что летучие мыши издают ультразвуки, то есть звуки, длина волны которых очень мала, было высказано несколькими годами позже. Но оно оставалось непроверенным до 1938 года.

В том году студент-выпускник Гарвардского университета Дональд Гриффин начал изучать летучих мышей. Он хотел выяснить, как и почему совершают перелеты стаи этих животных. О том, как мыши обнаруживают препятствия, он знал не более того, что в те годы говорилось студентам на лекциях: мыши чувствуют приближение препятствия крыльями. Он слышал также предположение, что мыши издают очень высокие звуки, на самом пределе слышимости человеческого уха; частота этих звуков, по мнению некоторых, должна была равняться 15-20 тысячам колебаний в секунду (длина волны 2,2-1,65 сантиметра).

Приступив к изучению летучих мышей, Гриффин нашел поддержку в лице известного специалиста в области радиотехники. Молодой естествоиспытатель получил от него электронные усилители ультразвуков, и чудесные приборы сразу же уловили ультразвуки, издаваемые мышами. И, разумеется, не при помощи крыльев, а ртом. Но Гриффин решил, что эти звуки играют ту же роль, что и звуки, издаваемые птицами и другими животными, то есть что они служат летучим мышам для сигнализации.

Только после окончания второй мировой войны, когда идеи локации стали широко известны и когда были созданы новые значительно более совершенные электронные приборы для научных экспериментов, Гриффину удалось выяснить роль ультразвуков в жизни летучих мышей. Многолетние исследования позволили ему доказать, что зрение в жизни летучих мышей почти не играет никакой роли. У многих видов этих зверьков зрение совсем плохое, а глаза им заменяют поразительные по своему совершенству органы эхолокации, которые позволяют им жить, летать и охотиться там, где царит полная темнота, где глаза были бы попросту бесполезны.

Читайте также:  План опыта кювье с летучими мышами

Вот каким непростым оказалось решение проблемы Спалланцани.

Источник

В мире запахов и звуков (5 стр.)

Погоня за быстролетающими насекомыми, да еще в условиях слабой освещенности, потребовала создания особых средств для ориентации на расстоянии, иногда значительном. У летучих мышей в процессе эволюционного развития выработалась способность к ультразвуковому лоцированию впереди лежащего пространства с последующим анализом полученного эха от встречаемых на пути предметов. Системы эхолокации позволили летучим мышам вести активную деятельность в сумеречно-ночное время, а также освоить темные туннели пещер, которые надежно укрывают их в течение дня. Таким образом, рукокрылые, с одной стороны, оказались конкурентоспособными с многочисленными представителями пернатых, питающихся аналогичным способом, и с другой — избавились от разнообразных дневных хищников.

Что же такое эхолокация? Принцип, лежащий в основе этого необычного способа ориентации, предельно прост. Животные издают звуковые или ультразвуковые импульсы и, принимая отражение — эхо — этих импульсов от встречающихся на пути предметов, своевременно обнаруживают препятствия. Таким же образом они могут находить и даже преследовать быстроперемещающуюся добычу Этот способ контактирования с внешней средой был назван эхолокацией по аналогии с работой радио- и гидролокационных систем, созданных умом и руками человека. Однако это теперь нам кажется все простым и ясным, а когда натуралисты впервые пытались объяснить, каким образом летучие мыши ориентируются в темноте, то им еще ничего не было известно о принципах радиолокации. Сначала они встали в тупик перед загадкой природы. И это явление на протяжении длительного времени не поддавалось научному объяснению.

История открытия эхолокации ведет свое начало с 90-х годов XVIII столетия и связана с именем итальянского ученого Лазаро Спалланцани. В 1793 году в возрасте 64 лет Спалланцани заинтересовался способами ориентации ночных животных и установил факт исключительной важности: летучие мыши свободно летают в темной комнате, где даже совы совершенно беспомощны. Это послужило толчком к длительным и остроумным экспериментам.

Первоначально Спалланцани полагал, что избегать препятствия в темноте летучим мышам позволяет необыкновенная острота зрения. Тогда на головы зверьков он надел светонепроницаемые колпаки. Полет летучих мышей стал сразу неуверенным, и животные, натыкаясь на препятствия, падали на пол. Казалось, разгадка была близка. Но когда ученый провел контрольные опыты с прозрачными колпаками, это не улучшило способность летучих мышей своевременно обнаруживать предметы на своем пути. Чтобы окончательно решить вопрос со зрением, естествоиспытатель ослепил летучих мышей. К его удивлению, животные, оправившись после операции, летали так же хорошо, как и неоперированные зверьки, то есть не испытывали никаких затруднений.

Результаты своих исследований Спалланцани немедленно разослал некоторым европейским коллегам. Он просил повторить его эксперименты и сообщить ему о результатах. Большинство полученных ответов подтвердило его опыты, но в одном из них содержались новые, еще более удивительные сведения. Швейцарский энтомолог, орнитолог и ботаник Шарль Жюрин в своих экспериментах с летучими мышами пошел дальше Спалланцани и в феврале 1794 года сделал важное открытие. Он установил, что если уши животных плотно закупорить воском или другим материалом, то они становятся беспомощными и наталкиваются на любые преграды. На основании этого Жюрин пришел к заключению, что, по-видимому, органы слуха летучих мышей принимают на себя функцию зрения, позволяя животным избегать препятствия.

Узнав об опытах Жюрина, Спалланцани вначале отнесся к ним скептически, но как только получил новую партию летучих мышей, сам повторил опыты швейцарского ученого и убедился в его правоте. Спалланцани был дотошным исследователем. Чтобы избежать механического воздействия ушных пробок на ориентацию летучих мышей, он выточил маленькие латунные трубочки и точно подогнал их по диаметру слухового прохода летучей мыши. Стоило заткнуть внешний конец такой трубочки, и летучая мышь оказывалась полностью дезориентированной; если же концы трубочек оставались открытыми, животные, даже ослепленные, летали свободно, легко избегая преграды. Незадолго до смерти, в 1799 году, Спалланцани сделал основной вывод: летучие мыши могут прекрасно обходиться без зрения, но всякое серьезное повреждение слуха для них равносильно гибели. Тем не менее ни Спалланцани, ни Жюрин не смогли дать достоверного объяснения полученным фактам. И не удивительно, так как в их время полет летучих мышей считался совершенно беззвучным. Поэтому выводы этих ученых о преобладающей роли слуха в ориентации летучих мышей их коллегам показались абсурдными, не нашли сторонников, были высмеяны и впоследствии совершенно забыты.

Забвению гипотез Спалланцани и Жюрина немало способствовала теория, выдвинутая в 1800 году блестящим французским зоологом Жоржем Кювье. Он с легкостью отбросил выводы своих предшественников, сославшись на то, что методика их опытов была крайне жестока. Кювье считал, что затыкание ушей само по себе могло оказывать гораздо большее влияние на животных, чем просто ограничение их слухового восприятия. В то время он выдвинул свою так называемую тактильную теорию, из которой следовало, что способность летучих мышей ориентироваться в темноте основана на хорошо развитом у них чувстве осязания. Благодаря авторитету Кювье тактильная теория была принята большинством естествоиспытателей без всяких экспериментальных доказательств и просуществовала в науке более ста лет.

Читайте также:  Можно ли травить летучих мышей дихлофосом

Впервые предположение о наличии звуковой локации у летучих мышей высказал в 1912 году X. Максим — изобретатель скорострельного станкового пулемета. К мысли о звуковой локации Максима привел трагический случай гибели парохода «Титаник», столкнувшегося с айсбергом. Максим предложил для безопасности судоходства локационное предупреждающее устройство, которое сигнализировало бы о приближении к айсбергу. Обосновывая принцип действия своего сигнального аппарата, Максим высказал мысль, что и летучие мыши, возможно, пользуются при полете в темноте звуковой локацией. Это была совершенно новая, прогрессивная постановка вопроса. Однако Максим ошибочно считал, что при полете летучие мыши используют отражения низкочастотных звуков, лежащих ниже слухового порога человека и создаваемых взмахами крыльев.

С другого конца к открытию эхолокации у летучих мышей пришел английский нейрофизиолог X. Хартридж. В 1920 году Хартридж, работая ночью в своем кабинете в Кембридже, заметил, что в открытое окно влетело несколько летучих мышей, которые преследовали насекомых. Закрыв окно, он стал наблюдать за животными, любуясь их быстротой и маневренностью. Его удивило, что они продолжали летать из комнаты в комнату даже тогда, когда свет был выключен, а дверь частично притворена. Будучи экспериментатором, он и тут остался верен себе. Делая щель в двери то шире, то уже, Хартридж установил, что летучие мыши точно определяли свои возможности и ни разу не пытались пролететь в слишком узкую для них щель. Животные совершенно явно располагали средствами, позволяющими им определить, достаточно ли широка щель, совсем не видя при этом двери и не прикасаясь к ней.

Хартридж в то время работал над проблемой зрения, и в его лаборатории была светонепроницаемая камера, в которой он проводил эксперименты. Поэтому ему нетрудно было продолжить исследования и на летучих мышах в темноте. Он снова подтвердил, что зрение летучих мышей не играет роли в преодолении препятствий. Следуя по пути исключения, он в конце концов предположил, что парадокс летучих мышей «видеть ушами» может быть объяснен механизмом эхолокации с использованием звуков высокой частоты, лежащих выше порога слышимости человека и поэтому не воспринимаемых им. Хартридж выдвинул эту гипотезу как возможное объяснение данного явления, но, будучи занят другими исследованиями, не уделил времени ее обоснованию.

Полностью раскрыть тайну летучих мышей помогло появление новой электронной аппаратуры. В одной из лабораторий физического факультета Гарвардского университета в США Г. Пирс начал проводить исследования по изучению свойств ультразвуков. Под его руководством был создан прибор — звуковой детектор, позволяющий улавливать звуки широкого диапазона частот. Именно этот прибор зарегистрировал неслышимые человеком звуки летучих мышей, когда в 1936 году студент-биолог упомянутого выше университета Дональд Гриффин принес в лабораторию Пирса полную клетку летучих мышей. Позднее, в 1961 году, вспоминая об этом, Гриффин писал, что когда он поднес летучих мышей к аппарату Пирса, сразу же обнаружилось, что они издают множество звуков, но почти все эти звуки попадают в диапазон частот, лежащих выше порога слышимости человека.

Пирс и Гриффин провели частотный анализ звуков, издаваемых летучими мышами в полете, и установили, что диапазон их составляет 30–70 килогерц, а область наибольшей интенсивности — 45–50 килогерц. Далее они обнаружили, что от животных исходит звук не непрерывно, а виде дискретных импульсов, длительность каждого из которых всего 1–5 миллисекунд.

Уже эти первые сведения блестяще подтвердили гипотезу Хартриджа о существовании неслышимых звуков, исходящих от летучих мышей при полете в темноте, и позволили по-новому взглянуть на результаты «абсурдных» опытов Спалланцани и Жюрина. Однако теперь требовалось в условиях точного эксперимента доказать, что летучие мыши действительно используют ультразвук в целях ориентировки в пространстве, и что они способны воспринимать эхо этих звуков, возникшее в результате отражения их от встречаемых на пути предметов.

Применяя барьеры вертикально натянутых проволок, Д. Гриффин и Р. Галамбос получили количественную оценку способностей летучих мышей преодолевать препятствия при частичном или полном выключении зрения или слуха и при закрывании животным рта.

Источник