I see you: тактика обхода маскировки добычи у летучих мышей

В мире дикой природы охотники и добыча постоянно играют в догонялки, как буквально, так и фигурально. Стоит охотнику развить новые навыки путем эволюции либо другими методами, как добыча подстраивается под них, дабы не быть съеденной. Это бесконечная игра в покер с постоянным повышением ставок, победитель который получает самый ценный приз — жизнь. Недавно мы с вами уже рассматривали механизм защиты мотыльков от летучих мышей, который основан на генерации ультразвуковых помех. Среди насекомых, являющихся деликатесом для крылатых эхолокаторов, маскировка своего ультразвукового сигнала это жизненно важное умение. Однако летучие мыши голодными оставаться не хотят, потому имеют в своем арсенале навык, позволяющий им видеть добычу несмотря на маскировку. Как именно летучие мыши косплеят Саурона, насколько их тактика охоты эффективна и как им в этом помогают листья растений? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Летучие мыши всегда вызывали у людей целый спектр чувств: от любопытства и почитания до откровенного страха и отвращения. И это вполне понятно, ибо с одной стороны эти существа — отличные охотники, использующие фактически только слух во время охоты, а с другой — жуткие ночные твари, которые лезут в волосы и норовят всех покусать (это, конечно, мифы, порожденные людскими страхами). Сложно любить животное, которое в массовой культуре ассоциируется с Дракулой и Чупакаброй.

Эй, я же совсем нестрашный.

Но ученые — люди беспристрастные, им наплевать на то, как ты выглядишь и чем питаешься. Пушистый кролик ты или летучая мышь, они с удовольствием проведут над тобой пару-тройку опытов, а потом еще и диссекцию твоего мозга для полноты картины. Ладно, черный юмор (с долей правды) оставим в сторонке и перейдем ближе к делу.

Как мы уже знаем, основным инструментом летучих мышей во время охоты является их слух. Мыши активны в ночное время, что обусловлено меньшим числом конкурентов/опасностей и большим числом добычи. Испуская ультразвуковые волны, летучие мыши улавливают все обратные сигналы, которые отскакивают от окружающих их объектов, в том числе и возможной добычи.

Издавать маскирующие ультразвуковые помехи это, конечно, круто, но таким талантом обладают далеко не все претенденты на позицию ужина для летучих мышей. Но и бесталанные насекомые могут скрыть свое местоположение. Для этого им необходимо слиться с окружающей средой, но не как Хищнику из одноименного фильма, ибо речь идет о звуке. Ночной лес полон звуков из самых разных источников, часть которого является фоновым шумом. Если насекомое будет сидеть, скажем, на листочке неподвижно, то есть большая доля вероятности затеряться в этом фоновом шуме и дожить до утра.

Учитывая это, многие ученые считали, что подобная добыча для летучих мышей ну просто недосягаема, но это не совсем так. Некоторые виды летучих мышей все же смогли разгадать загадку «невидимых» насекомых и успешно их ловят. Остается вопрос — как? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые из Смитсоновского института тропических исследований использовали биомиметический датчик, записывающий любые колебания эхо-сигналов от насекомых, спокойно сидящих на листьях (т.е. прячущихся). Далее ученые рассчитали идеальные пути нападения, то есть траектории полета и угол захвата добычи для летучих мышей, что может способствовать ободу маскировки. После чего проверили свои расчеты и теории на практике, понаблюдав за атакующими замаскированную добычу летучими мышами. Любопытно, что листья, на которых так беззаботно сидели насекомые, послужили инструментом для их поимки.

Разве не красавица?

Роль испытуемых в данном исследовании сыграли 4 самца вида Micronycteris microtis (обычная большеухая летучая мышь), которые были пойманы в своей естественной среде обитания на острове Барро Колорадо (Панама). Во время экспериментов использовалась специальная клетка (1.40 × 1.00 × 0.80 м), расположенная в лесу на острове. Ученые записали данные о полетах особей, помещенных в эту клетку. На следующую ночь после поимки начали фактические эксперименты. В клетку помещали 1 особь, которая должна была найти и поймать «замаскированную добычу». С одной особью проводилось не более 16 часов опытов (2 ночи по 8 часов), чтобы минимизировать эффект пространственной памяти и стресса для животного. После экспериментов всех летучих мышей отпустили в том же месте, где и поймали.

У исследователей было две основные теории, объясняющие как летучие мыши охотятся на замаскированную добычу: теория акустической тени и теория акустического зеркала.

Эффект «акустической тени» возникает, когда объект на поверхности листа рассеивает энергию эха, тем самым уменьшая силу эха с поверхности листа. Чтобы максимизировать акустическую тень объекта, летучая мышь должна приближаться непосредственно спереди в направлении, перпендикулярном поверхности фона (1A).

Изображение №1

В случае акустического зеркала лесные летучие мыши действуют подобно своим траловым сородичам, которые захватывают добычу с поверхности водоема. Эхолокационные сигналы, испускаемые под низким углом к ​​поверхности воды, сражаются от охотящейся летучей мыши. А вот эхо от возможной добычи отражается обратно к летучей мыши (1B).

Исследователи предположили, что листья действуют, как поверхность воды, т.е. выступают в роли отражателя сигнала (1С). Но для полного эффекта зеркала необходим определенный угол атаки.

В соответствии с теорией акустической тени летучие мыши должны атаковать добычу с фронтального направления, так сказать в лоб, ибо в таком случае затенение будет самым сильным. Если же применяется акустическое зеркало, то атака должна происходить под предельным углом. Дабы установить, какой именно угол атаки может быть оптимальным, ученые провели акустические замеры под разными углами относительно листа.

После завершения расчетов и проверок теорий, были проведены поведенческие тесты с участием живых особей летучих мышей и сопоставление результатов наблюдений с результатами теоретического моделирования.

Результаты расчетов и наблюдений

Изображение №2

Прежде всего была создана акустическая модель (купол) листа с и без добычи, посредством объединения в одну картину всех эхо-сигналов при различных углах атаки. В результате было получено 541 позиция на 9 полукруглых траекториях вокруг листа (2А).

Для каждой точки были рассчитаны спектральная плотность мощности* и акустический размер* (TS — target strength) цели (т.е. интенсивность эхо-сигнала) для 5 различных частотных диапазонов, которые примерно соответствуют гармоническим компонентам исходящего сигнала летучей мыши (2В).

Спектральная плотность мощности* — функция распределения мощности сигнала в зависимости от частоты.

Акустический размер* (или акустическая сила цели) — мера площади объекта с точки зрения ответного акустического сигнала.

На изображении 2С показаны результаты выведенных углов атаки, являющимися углами между нормалью относительно поверхности листа в центре добычи и положением источника сигнала, т.е. летучей мыши.

Изображение №3

Наблюдения показали, что оба типа листов (с и без добычи) во всех частотных диапазонах демонстрируют самый большой акустический размер при углах < 30° (центральные части графиков 3A и 3B) и меньший акустический размер при углах ≥ 30° (внешняя часть графиков на 3A и 3B).

Изображение 3А подтверждает, что лист действительно выступает в роли акустического зеркала, то есть при углах < 30° генерируется сильное зеркальное эхо, а при ≥ 30° эхо отражается от источника звука. Сравнение листа с добычей на нем (3А) и без добычи (3В) показало, что наличие добычи увеличивает акустический размер цели при углах ≥ 30°. При этом эхо-акустический эффект добычи на листе лучше всего виден при построении TS, индуцированного добычей, т.е. разницы в TS между листом с добычей и без нее (3С).

Также стоит отметить, что увеличение акустического размера цели при углах ≥ 30° наблюдается только в случае высоких частот, при низких частотах никакого дополнительного эффекта нет вообще.

Вышеописанные расчеты позволили определить теоретически диапазон углов атаки в случае реализации теории зеркального отражения — 42°…78°. В этом диапазоне наблюдалось то самое увеличение акустического размера цели с 6 до 10 дБ при более высоких частотах (> 87 кГц), что согласуется с акустическими данными летучих мышей M. microtis.

Подобный метод охоты (под углом, так сказать) дает возможность хищнику очень быстро определить наличие/отсутствие добычи на листе: слабое и низкочастотное эхо — лист пуст, сильное и широкополосное эхо — на листе есть вкусняшка.

Если же рассматривать теорию акустической тени, то угол атаки должен быть меньше 30. В таком случае, соответственно расчетам, интерференция между эхо-сигналами листа и добычи максимальна, что приводит к снижению TS по сравнению с эхом листа без добычи, т.е. это приводит к акустической тени.

С расчетами закончили, перейдем к наблюдениям.

Во время наблюдений в качестве добычи были использованы различные насекомые из рациона летучих мышей, расположенные на искусственном листе. С помощью двух высокоскоростных камер и ультразвукового микрофона были сделаны записи поведения летучих мышей при подлете к добыче. Из полученных записей было воссоздано 33 траектории полета летучих мышей, приближающихся к и приземляющихся на добычу.

Летучая мышь атакует добычу.

Траектории полета были основаны на положении ноздрей летучих мышей во время каждого кадра во время передачи ими своего сигнала.

Как и ожидалось, наблюдения показали, что летучие мыши приближались к добыче под углом.

Изображение №4

На изображении 4А показана трехмерная карта траекторий атаки на добычу. Также было установлено, что распределение углов атаки соответствует кривым акустического размера для более высоких частот (4В).

Все подопытные атаковали цель под углами < 30° и явно избегали более фронтальных направлений. Из всех углов атак, наблюдаемых во время опытов, 79,9% находились в прогнозируемом оптимальном диапазоне 42°…78°. Если еще точнее, то 44,5% всех углов были в диапазоне 60°…72°.

Атака добычи под углом и спектрограммы испускаемого акустического сигнала.

Еще одним наблюдением является факт того, что летучие мыши ни разу не атаковали добычу сверху, как это предполагали другие исследователи.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Использование эхолокации в качестве основного, а порой и единственного, инструмента охоты — это уже весьма уникальное и удивительное явление. Однако летучие мыши не перестают удивлять, демонстрируя куда более сложную тактику нападения, чем предполагалось ранее. Найти и поймать добычу, которая не прячется, не составляет труда, но вот обнаружить и схватить насекомое, которое пытается спрятаться в акустическом фоновом шуме, требует иного подхода. У летучих мышей этот подход называется акустическая тень и акустическое зеркало. Подлетая к листу под определенным углом, летучая мышь моментально определяет наличие или отсутствие вероятной добычи. И если таковая имеется, то ужин гарантирован.

Данное исследование, по словам его авторов, может натолкнуть научное сообщество на новые открытия в акустике и эхо-локации как в целом, так и среди животного мира. В любом случае, узнавать что-то новое о мире, который тебя окружает, и о существах, которые в нем живут, никогда не было дурным делом.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?