чем пользуются рукокрылые для эхолокации

Биологи изучили эволюцию эхолокации у летучих мышей

Результаты нового исследования могут поставить точку в вопросе, как возникла способность летучих мышей к эхолокации. Использовать ультразвук для определения расстояния до объекта может большинство летучих мышей, однако одно из их семейств – крылановые (Pteropodidae) – этой способности лишено. Но и среди крыланов есть свое исключение. Род Rousettus, самый известный представитель которого – нильский крылан, или египетская летучая собака (Rousettus aegyptiacus), наделен способностью к эхолокации. По мнению одной группы ученых, эхолокация возникла один раз – у общего предка всех летучих мышей, а затем предок большинства крылановых ее утратил, а род Rousettus сохранил. Другие эволюционисты считают, что способность к эхолокации появилась у летучих мышей уже после того, как семейство крылановых отделилось, а потом возникла независимо у предка рода Rousettus.

Ответить на этот вопрос пытались, разыскивая труднодоступные окаменелости древних рукокрылых или изучая их гены. Эволюционный биолог Эмма Тилинг (Emma Teeling) из Университетского колледжа Дублина и ее коллеги из Шэньянского сельскохозяйственного университета в Китае использовали для решения этой задачи сравнительную анатомию и эмбриологию. Летучие мыши, применяющие эхолокацию, имеют крупную улитку – костную полость сложной спиралевидной формы, внутри которой расположен орган слуха (внутреннее ухо). Улитка взрослых крыланов обычно меньшего размера, устроена проще и напоминает соответствующие органы других млекопитающих, не применяющих эхолокацию. Однако ученые полагают, что им удалось найти следы древней способности к эхолокации у крыланов.

Используя микрорентгенографию, ученые исследовали развитие улитки у эмбрионов двух неэхолоцирующих видов из семейства крылановых и пяти видов других летучих мышей. Для сравнения привлекались данные эмбрионов еще пяти млекопитающих, в том числе кошек и крыс. Улитки эмбрионов крыланов оказались похожи на улитки других летучих мышей на 65 % больше, чем улитки эмбрионов прочих млекопитающих. По мнению ученых, это говорит о том, что крыланы в ходе эволюцию потеряли способность к эхолокации, но у их предков она имелась.

Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution.

Источник

Писк в ушах: об истории эхолокации у летучих мышей

Как у летучих мышей работает «шестое чувство», какие предатели висят на родословном дереве рукокрылых и для чего специалистам по летучим мышам понадобилось сравнение улиток, рассказывает Indicator.Ru.

Темная история рукокрылых

«Всеобщая неправильность и чудовищность, замеченная в организме летучей мыши, безобразные аномалии в устройстве чувств, допускающие гадкому животному слышать носом и видеть ушами, — все это, как будто нарочно, приноровлено к тому, чтобы летучая мышь была символом душевного расстройства и безумия», — писал об этих загадочных животных натуралист Альфонс Туссенель. Неудивительно, что эти, как он называл их, «химеры, чудовищные, невозможные существа» с экстрасенсорными или даже колдовскими, по мнению наших предков, способностями всегда привлекали внимание естествоиспытателей.

С тех пор как Ладзаро Спалланцани и его коллеги в 1798 году показали, что летучие мыши используют звук для ориентации в полной темноте и не нуждаются для этого ни в зрении, ни в осязании воздушных потоков, механизмы эхолокации были подробно изучены. В 1912 году Хайрем Максим впервые выдвинул предположение, что летучие мыши создают сигналы, неразличимые человеческим ухом, с помощью крыльев. Правда, по его мнению, это был инфразвук с частотой 15 Гц. Первым догадался об ультразвуке англичанин Хартридж, решивший воспроизвести опыты Спалланцани в 1920 году, а подтвердили его правоту биоакустик Дональд Гриффин (он-то и придумал термин), нейробиолог Роберт Галамбос и физик Джордж Пирс. Кстати, интересно, что, с древности шарахаясь от летучих мышей, кита-то наши предки и не приметили: первое серьезное исследование эхолокации китообразных провели только через два десятилетия после работ Гриффина, Галамбоса и Пирса.

Много писка из ничего

Фото: Anton 17/Wikimedia Commons

Казалось бы, в такой изученной области больше нечего делать. А потом «пришли генетики и все испортили»: исследование митохондриальной ДНК и сцеплений ядерных генов, а затем и полногеномные анализы выявили надсемейство сепаратистов, Rhinolophidae, которое ну никак не могло усидеть на одной ветви филогенетического древа с остальными Microchiroptera и неуклонно стремилось висеть поближе к крыланам (Pteropodidae). Молекулярные биологи уступили им и решили объединить их в подотряд Yinpterohiroptera, а всех остальных отправили в новый подотряд Yangohiroptera. И все бы ничего, сиди эти непокорные ринолофиды там молча: так нет же, они, предатели, пищат ультразвуком, который издает их гортань, чего крыланы делать не умеют. Эта картина вносит смуту в стройные ряды хироптерологов: одни защищают сумасбродных сепаратистов и пытаются понять, не могла ли эхолокация возникнуть у рукокрылых дважды, другие убеждают, что раньше пищать в ультразвуковом диапазоне могли предки всех ныне живущих видов, а после некоторые утратили эту способность, третьи вспоминают Onychonycteris finneyi — древнейшую из ископаемых форм, обитавшую в раннеэоценовых лесах на территории современного Вайоминга 52,5 млн лет назад и не умевшую ориентироваться с помощью ультразвука.

Nobu Tamura/Wikimedia Commons

Почему у тебя такие большие внутренние уши?

Чтобы положить конец этим спорам, ученые из Китая и Ирландии прибегли к помощи одного из самых красивых законов живого мира, биогенетическому закону Мюллера — Геккеля, согласно которому каждое живое существо в ходе индивидуального развития (онтогенеза) проходит основные стадии и ступени, которые преодолели его предки в процессе эволюции (филогенеза). Конечно, эмбриональное развитие гораздо более сложный и многоплановый процесс, чем «краткий пересказ предыдущих серий», и разные органы зародыша могут даже одновременно развиваться в разные стороны, движимые генами-дирижерами. Но, чтобы посмотреть на то, были ли у предков организма некие черты, которых он сам лишен, вполне логично обратить внимание на то, как изменяется его эмбрион. Раздел науки, который наиболее полно может наблюдать все эти стадии превращений у млекопитающих, называется сравнительной эмбриологией (ее основы закладывал еще немец, впрочем обрусевший, Карл Бэр).

Какие органы летучих мышей можно назвать «ответственными» за эхолокацию? Те, которые помогают производить ультразвук (гортань), и те, которые его улавливают (органы слуха). Видам, которые пользуются эхолокацией, свойственны более крупные размеры улитки — заполненной жидкостью части перепончатого лабиринта, той самой части внутреннего уха, которая помогает нам воспринимать звуки, преобразовывать их в нервный импульс и передавать в головной мозг. Отношение ширины улитки к ширине основания черепа очень сильно коррелирует с умением «видеть ушами».

Как мыши улитками мерялись

В описанном в Nature Ecology & Evolution исследовании ученые сравнили эти показатели у эмбрионов двух видов рукокрылых, не использующих эхолокацию с помощью органов гортани, пяти видов, использующих ее, и пяти видов других млекопитающих, не обладающих внутренним сонаром (кот, мышь, кролик, крыса и еж). Если удастся увидеть сходства в эмбриональном развитии улиток птероподид и летучих мышей с эхолокацией, которые будут отличать их всех от остальных млекопитающих, значит, крыланы просто утратили свое «шестое чувство», которое, видимо, забирало у них больше энергии, чем приносило пользы, а если похожи будут крыланы и другие «молчаливые» на высоких частотах млекопитающие, то, возможно, пользоваться сонаром они никогда и не могли. В таком случае следовало признать, что, скорее всего, непокорные ринолофиды развили эту способность независимо от всех остальных летучих мышей.

Сравнение с помощью рентгена показало, что разница между рукокрылыми с сонаром и двумя не слышащими и не издающими ультразвук видами была минимальна на первых стадиях развития плода. На последующих этапах сходство уменьшилось, и улитки крыланов приблизились по своим характеристиками к улиткам млекопитающих, которые не обладают эхолокацией с использованием гортани. А это еще один заметный довод в пользу того, что этот тип эхолокации у летучих мышей не возникал дважды, а был утрачен некоторыми видами. Причиной лишения этой способности могла стать ее невыгодность: возможно, крыланы справлялись и без нее, не тратя уйму лишней энергии на такой сложный механизм ориентирования в пространстве. Некоторые виды даже активны в дневное время суток, а когда вокруг светло, «шестое чувство», помогающее не врезаться в дерево, и вовсе ни к чему.

Источник

У крыланов нашли эхолокацию

Щёлкая крыльями, крыланы могут ориентироваться в пространстве «на слух» – правда, делают они это далеко не так эффективно, как обычные летучие мыши.

Эхолокация прочно ассоциируется с двумя группами животных: китообразными (китами, дельфинами и проч.) и рукокрылыми, или летучими мышами. Однако собственно летучие мыши составляют отдельную, хотя и самую большую, группу внутри рукокрылых, и как раз они и могут ориентироваться на местности и охотиться с помощью ультразвуковых сигналов. Другие рукокрылые, крыланы, заметно отличаются от летучих мышей и внешне, и по образу жизни (в частности, питаются крыланы преимущественно фруктами, нектаром и цветочной пыльцой). И до сих пор считалось, что они не способны к эхолокации, ориентируясь на местности и разыскивая пищу только с помощью зрения и хорошего обоняния.

Однако, как пишут в Current Biology Иосси Иовел (Yossi Yovel) и его коллеги из Тель-Авивского университета (Израиль), способности к эхолокации у крыланов всё-таки есть. Всё началось с того, что зоологам рассказали о некоторых видах летучих собак в Индонезии, которые могут «щёлкать крыльями». В подтверждение удалось найти одну-единственную научную статью, в которой также говорилось о щелчках, которые могут издавать крыланы; однако там не было никаких ясных выводов относительно того, зачем они так делают.

Чтобы разобраться с вопросом, исследователи поставили эксперимент с 19 крыланами, относящимися к трём разным видам. Оказалось, что животные и впрямь могут щёлкать, причём делают они это не ртом, не языком, а действительно крыльями (но как именно, пока непонятно.) Причём представители двух видов начинали особенно активно щёлкать, попав в тёмный туннель, то есть такие звуки были для крыланов частью естественного поведения.

Дальнейшие опыты показали, что они и впрямь обладают способностью прощупывать окружающее пространство с помощью эхолокации. Правда, эхолоцируют они не очень хорошо: например, животные в полёте регулярно натыкались на кабель, хотя и довольно толстый. Тем не менее, они чувствовали разницу между большими объектами и могли «на слух» отличить твёрдую доску от замаскированного под неё куска ткани. Коротко о результатах работы можно узнать на сайте Phys.org.

Скорее всего, эхолокационные способности возникали в группе рукокрылых неоднократно, и у крыланов мы видим, возможно, одну из первых и не очень удачных попыток научиться «видеть ушами». Гораздо более перспективным оказался способ, основанный на голосовом аппарате. Но, скорее всего, летучие мыши тоже начинали с того, что учились различать крупные объекты, а уж потом переходили к мелкой детализации.

Источник

Светляков заподозрили в отпугивании летучих мышей с помощью ультразвука

Полет подвешенного на нить светляка из рода Sclerotia.

Yossi Yovel et al. / iScience, 2021

Многие светляки несъедобны и чтобы предупредить об этом летучих мышей, они, возможно, используют специальные акустические сигналы. К такому выводу пришли зоологи из Израиля и Вьетнама, обнаружившие, что во время полета представители четырех видов этих жуков издают крыльями ультразвуковые щелчки, которых сами не слышат. Пока неясно, действительно ли эти сигналы отпугивают летучих мышей, однако если учесть, что некоторые бабочки также используют ультразвук для защиты от рукокрылых, эта гипотеза выглядит вполне реалистичной. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала iScience.

Яркая окраска и громкие звуковые сигналы помогают многим животным привлекать партнеров — однако одновременно они делают их более уязвимыми для хищников. Есть несколько способов решить эту проблему. Например, многие светляки (Lampyridae), биолюминесцентное свечение которых делает их легкой мишенью для хищников, стали неприятными на вкус или даже ядовитыми. Чтобы оповестить врагов, что с ними лучше не связываться, эти насекомые используют те же световые сигналы, что и для привлечения партнеров.

Эксперименты свидетельствуют, что эта стратегия эффективно действует против тех видов летучих мышей, что во время охоты частично полагаются на зрение. Однако на рукокрылых, которые плохо видят и находят добычу почти исключительно с помощью эхолокации, визуальные предупреждения светляков не произведут никакого впечатления. Кроме того, частота световых сигналов у этих жуков зачастую невелика — поэтому летучая мышь вполне может схватить одного из них в промежутке между вспышками, не заметив предупреждающего свечения. Таким образом, чтобы полностью обезопасить себя от атак рукокрылых, светлякам нужны дополнительные средства оповещения.

Команда зоологов во главе с Йосси Йовелем (Yossi Yovel) из Тель-Авивского университета высказала предположение, что помимо биолюминесценции светляки могут использовать в качестве предупреждающего сигнала ультразвук. Чтобы проверить эту идею, исследователи поймали самцов и самок, относящихся к четырем видам этих насекомых (представителей родов Sclerotia, Curtos и Luciola отловили во Вьетнаме, а Lampyroidea — в Израиле), и провели с ними ряд экспериментов.

На первом этапе исследователи подвешивали светляков на нитях и фиксировали их полет на видеокамеру, одновременно записывая все издаваемые ими звуки с помощью микрофона. Оказалось, что в полете представители всех четырех видов издают ультразвуковые щелчки частотой от 20 до 130 килогерц. Пиковая частота этих сигналов составляет 40-50 килогерц, что соответствует диапазону, в котором летучие мыши слышат лучше всего. У двух из четырех видов светляков щелчки производят представители обоих полов — причем отличий между сигналами самцов и самок ученым выявить не удалось. Это свидетельствует, что ультразвук используется не для привлечения партнеров.

Внимательно изучив видеозаписи, исследователи пришли к выводу, что у двух более мелких видов (представителей родов Luciola и Lampyroidea) частота щелчков совпадает с частотой взмахов крыльями. Судя по всему, эти насекомые издают ультразвуковые сигналы именно с помощью крыльев. У представителей двух более крупных видов (из родов Curtos и Sclerotia) частота сигналов в два раза выше частоты взмахов крыльями — однако каждый первый щелчок немного отличается от каждого второго, так что, вероятно, их источником являются разные участки крыльев.

Поскольку Йовель и его коллеги устанавливали микрофоны под разными углами к подопытным светлякам, им удалось выяснить, что щелчки почти одинаково хорошо распространяются во все стороны. Как показало моделирование, сигналы представителей рода Curtos летучая мышь может услышать на расстоянии до 13 метров, а Sclerotia — до 10,5 метра. Для мелких Luciola и Lampyroidea эти значения оказались более скромными: 2,1 и 3,8 метра соответственно. Во всех случаях, кроме Luciola, щелчки позволяют рукокрылым охотникам заметить светляка с большего расстояния, чем с помощью эхолокации. Данная особенность могла бы повысить риск, что насекомое станет жертвой хищника, однако если светляки используют ультразвуковые сигналы для предупреждения летучих мышей о собственной несъедобности, то им выгодно, чтобы их услышали как можно раньше.

Таким образом, светляки продемонстрировали, что способны издавать ультразвуковые сигналы, различимые рукокрылыми. Однако оставалось неясным, могут ли они сами слышать ультразвук. Чтобы выяснить это, Йовель и его соавторы проигрывали подвешенным на нить насекомым (в данном опыте использовались только три вида из Вьетнама) эхолокационный сигнал приближающейся летучей мыши. Исследователи ожидали, что в ответ на этот стимул светляки изменят позу, частоту вспышек или ультразвуковых сигналов. Однако насекомые, как летящие, так и пассивно висящие на нити, полностью проигнорировали эхолокационные сигналы летучих мышей. Это указывает, что они их не слышат — как и щелчки собственных крыльев.

Исследователи признают: чтобы подтвердить идею о защитной роли ультразвуковых сигналов, издаваемых светляками, необходимо экспериментально показать, что эти щелчки отпугивают летучих мышей. Тем не менее, данная гипотеза вполне реалистична, особенно если учесть, что, например, бабочки-медведицы (Arctiinae) защищаются от рукокрылых с помощью ультразвука, который позволяет предупредить хищника о несъедобности или просто напугать. Кроме того, летучие мыши, судя по анализу содержимого из помета, действительно почти никогда не едят светляков, хотя регулярно охотятся на жуков сходного размера.

Поскольку Йовель и его коллеги обнаружили способность к щелчкам сразу у четырех родов светляков, они предполагают, что эта особенность может быть общим свойством всего семейства. В таком случае несколько видов светляков из одной и той же местности могут использовать похожие предупреждающие сигналы и пользоваться преимуществами мюллеровской мимикрии (в которую, возможно, вовлечены и бабочки-медведицы). Научившись избегать представителей одного вида этих насекомых, летучие мыши не будут трогать и других светляков.

Ночная бабочка Bunaea alcinoe защищается от летучих мышей с помощью пассивного акустического камуфляжа. Чешуйки на ее крыльях поглощают звуковые волны, защищая насекомое от обнаружения рукокрылыми.

Источник

Смена тактики эхолокации помогла ночницам схватить добычу

Большая ночница (Myotis myotis)

Gilles San Martin / Flickr

Большие ночницы меняют тактику эхолокации при переходе от преследования жертвы к ее поимке. Вместо того чтобы сканировать большие объемы воздуха с помощью интенсивных сигналов эти летучие мыши сокращают интенсивность криков и увеличивают их частоту. Как отмечается в статье для журнала Science Advances, это позволяет получить более узкую, но быстро обновляемую картинку. Кроме того, во время преследования и захвата добычи сигналы становятся менее громкими — так ночницы сосредотачиваются на относительно слабом эхе от жертвы, на время отсекая более громкое эхо от препятствий.

Во время охоты большинство летучих мышей полагаются на эхолокацию. При этом они используют разные стратегии, когда ищут, преследуют и хватают добычу. К сожалению, подробности охотничьих повадок рукокрылых изучены недостаточно хорошо, поскольку отслеживать их в дикой природе непросто. Обычно специалистам приходится довольствоваться экспериментами в лаборатории или данными со стационарных датчиков, которые записывают сигналы пролетающих мимо летучих мышей.

Команда исследователей во главе с Лаурой Стидсхольт (Laura Stidsholt) из Орхусского университета решила в подробностях отследить охоту летучих мышей. В 2017-2019 годах ученые отлавливали в одной из болгарских пещер самок больших ночниц (Myotis myotis) и помечали их миниатюрными устройствами, которые одновременно фиксировали движение животного, издаваемые им ультразвуковые сигналы и эхо от добычи и окружающей среды. Каждая летучая мышь провела с меткой от двух до четырнадцати ночей, после чего ученые повторно ловили их и снимали устройства — либо те отваливались сами. В общей сложности Стидсхольт и ее коллеги пометили десять ночниц и получили записи 457 воздушных атак на добычу, из которых 371 оказалась успешной. Иногда летучие мыши собирали корм с земли, однако информацию об этом способе охоты в данном исследовании не рассматривали.

Анализ собранных данных подтвердил, что воздушная охота ночниц делится на три фазы: поиска, преследования и захвата жертвы (в данном случае насекомых с размахом крыльев от пяти до пятидесяти миллиметров). Во время первой из них ночницы испускают мощные ультразвуковые сигналы, которые охватывают от 0,07 до 21,1 кубических метра пространства. Столь значительные сенсорные объемы свидетельствуют, что на стадии поиска летучие мыши активно сканируют воздух и тем самым повышают шансы засечь добычу. При этом они варьируют количество сигналов в зависимости от окружения.

Обнаружив потенциальную жертву, ночницы быстро переходят к фазе преследования, которая длится в среднем 0,42 секунды и в случае успеха заканчивается поимкой насекомого. При этом сенсорный объем сокращается в десять раз по сравнению с фазой поиска, а частота повторения сигналов увеличивается. За счет этого пространственная избыточность — показатель, которые демонстрирует, сколько раз один и тот же объем воздуха был просканирован с помощью эхолокации — не меняется.

На третьем этапе, непосредственно перед захватом насекомого, ночницы дополнительно повышают частоту повторения криков и резко сужают сенсорный объем — в среднем в 45 раз, до 0,005–0,46 кубических метра. В результате пространственная избыточность увеличивается вдвое. Таким образом, летучие мыши фокусируются на жертве лишь за доли секунды до ее поимки. На фазе захвата они с помощью эхолокацию формируют узкую, но быстро обновляемую картинку, благодаря чему могут поймать даже насекомых, которые слышат ультразвуковые сигналы и пытаются увернуться.

На этапах преследования и захвата ночницы испускают намного менее громкие сигналы, чем во время поиска, и получают от жертв очень слабое эхо громкостью от пяти до двадцати девяти децибел. Этот механизм может показаться нелогичным, поскольку хищнику выгодно слышать добычу как можно лучше. Однако летучие мыши, судя по всему, сужают диапазон эхолокации до нижнего порога слышимости, чтобы отсечь более громкое эхо от веток и других препятствий. В результате воспринимаемый ночницей акустический ландшафт упрощается, так что эхо от жертв легче отслеживать, чему дополнительно способствует острый слух летучей мыши. А чтобы не столкнуться с препятствием в этот момент, ночницы полагаются на пространственную память.

Ранее мы рассказывали о том, как широхоухие складчатогубы (Tadarida teniotis) поднимаются до 1600 метров над землей, используя восходящие воздушные потоки, обусловленные особенностями рельефа. Ранее считалось, что рукокрылым такой способ перемещения недоступен, поскольку ночные воздушные потоки не такие сильные, как дневные, которыми пользуются хищные птицы.

Источник