Echolokacja, czyli akustyczna nawigacja u zwierząt i ludzi niewidomych

Tomasz Kubiak

Przyroda nieustannie zaskakuje nas fascynującymi zjawiskami. Z punktu widzenia bioakustyki niezwykle ciekawa wydaje się zdolność niektórych organizmów do wysyłania fal dźwiękowych o określonej charakterystyce oraz umiejętność analizowania informacji zakodowanych w powracających odbiciach akustycznych. Pozwala to określić położenie i inne cechy napotykanych obiektów.

Echolokacja to swoisty biosonar przydatny wszędzie tam, gdzie wykorzystanie zmysłu wzroku jest znacznie utrudnione a nawet niemożliwe, np. w ciemnych jaskiniach, bunkrach czy mętnej wodzie. Wykrywanie przeszkód, ocena odległości, nawigacja w zatłoczonej przestrzeni, lokalizacja, klasyfikowanie oraz charakteryzowanie potencjalnych ofiar podczas polowania po zmroku a nawet analiza trójwymiarowej struktury przedmiotów to tylko niektóre zastosowania echolokacji, znane nam ze świata zwierząt.

Echolokację w najbardziej zaawansowany sposób wykorzystują nietoperze a także większość zębowców, np. delfiny. U niektórych ptaków i ssaków nocnych (ryjówek) zdolność ta jest rozwinięta w znacznie mniejszym stopniu. Chociaż może to wydawać się zaskakujące, odpowiednio wyćwiczona umiejętność echolokacji może stanowić bogate źródło informacji także dla osób niewidomych. Wykorzystanie odbić fal dźwiękowych od napotkanych obiektów pozwala im stworzyć swoisty akustyczny obraz otoczenia, a tym samym uzyskać znacznie większą samodzielność w codziennej egzystencji.

Z echolokacją wiąże się szereg interesujących problemów, nad rozwiązaniem których pracują naukowcy różnych specjalności. Z punktu widzenia biologii ważna jest np. budowa i rola poszczególnych struktur anatomicznych zaangażowanych w proces generowania i odbierania sygnałów akustycznych. Z kolei neuronauka stara się wyjaśnić, w jaki sposób mózg uzyskuje, przetwarza i analizuje informacje docierające w postaci ech.

Dla akustyków ciekawy będzie sam proces emisji impulsów dźwiękowych, ich charakterystyka (np. pod względem składowych częstotliwościowych i natężenia) a także opis propagacji w ośrodku. Fizyków oraz matematyków zaintryguje z kolei sposób wyznaczania położenia w przestrzeni trójwymiarowej lokalizowanych obiektów na podstawie odbitych od ich powierzchni fal akustycznych. Ustalenie kierunku, z którego dochodzi echo, jest bowiem znacznie bardziej skomplikowane niż pomiar odległości na podstawie czasu, który minął od nadania dźwięku do odbioru jego echa. W niniejszym artykule przyjrzymy się bliżej różnym aspektom zjawiska echolokacji w oparciu o współczesną wiedzę naukową. Na wstępie warto jednak nawiązać nieco do historii.

Historia badań nad echolokacją

Badania nad echolokacją trwają co najmniej od kilku wieków. Już w 1793 r. włoski przyrodnik Lazzaro Spallanzani odkrył, że nawet oślepione nietoperze nadal doskonale nawigują się w przestrzeni, unikają przeszkód, lądują i skutecznie łapią ofiary. Rok później szwajcarski przyrodnik Charles Jurine stwierdził, iż kluczowe znaczenie ma w tym procesie narząd słuchu. Swoje przekonanie oparł na eksperymencie, w którym nietoperze z zatkanymi woskiem kanałami słuchowymi podczas lotu zderzały się z różnymi przeszkodami, np. przewodami elektrycznymi.

Niestety, prace obydwu uczonych zostały otwarcie skrytykowane przez francuskiego paleobiologa Georgesa Cuviera w artykule z 1800 r. Postulował on zupełnie inne wyjaśnienie, wiążąc zdolność do nawigowania nietoperzy w przestrzeni z działaniem „organów dotyku”, rzekomo mających znajdować się na błonie skrzydeł. Ponieważ w tamtym czasie Cuvier uznawany był w środowisku zoologów za autorytet, ci bezrefleksyjnie przyjęli jego teorię. Badania nad echolokacją utknęły przez to na ponad sto lat. Historia nauk przyrodniczych po raz kolejny pokazała, że bezkrytyczna wiara w rzekome autorytety może zwodzić naukę na manowce.[1]

Problem echolokacji powrócił na szczęście do dyskursu naukowego w 1908 r. Wówczas amerykański zoolog Walter Louis Hahn w swojej pracy eksperymentalnej nie tylko potwierdził wcześniejsze ustalenia Spallanzaniego i Jurinego, ale również przeprowadził analizę ilościową oraz przypisał organom ucha wewnętrznego kluczowe znaczenie w procesie wykrywania przeszkód przez nietoperze.

Istotny przełom nastąpił w 1938 r., gdy Donald Griffin student biologii na uniwersytecie Harvarda oraz fizyk George Washington Pierce po raz pierwszy zarejestrowali nawoływania echolokacyjne nietoperzy. Było to możliwe dzięki mikrofonowi piezoelektrycznemu, skonstruowanemu przez drugiego ze wspomnianych naukowców. W zasadzie aparat do detekcji był wieloelementowy, obejmował bowiem: paraboliczną tubę z umieszczonym w jej ognisku przetwornikiem bazującym na krysztale tzw. soli z Rochelle (winianie sodowo-potasowym), wzmacniacze lampowe oraz odbiornik heterodynowy, przestrajalny w zakresie od około 10 do 150 kHz.

Urządzenie, po sprzężeniu z głośnikiem, pozwalało przekształcić sygnały i wyemitować je w postaci dźwięków słyszalnych dla ucha ludzkiego. Dopiero po pewnym czasie badacze zorientowali się, że zarówno emisja fal akustycznych przez nietoperze, jak i zbieranie ech przez zastosowany mikrofon mają charakter kierunkowy. Wykrywali zatem jedynie te ultradźwięki, które nadawane były przez ssaki w stronę urządzenia. Nie przeszkodziło to jednak w zorientowaniu się, że sygnały echolokacyjne wykazują dużą różnorodność. Griffin kontynuował badania we współpracy z fizjologiem słuchu i neurobiologiem Robertem Galambosem. W rezultacie opublikował wiele prac, przybliżających przyrodników do lepszego zrozumienia zjawiska echolokacji. Warto zwrócić uwagę, iż mimo biologicznego charakteru, wyniki badań nad echolokacją już od wczesnych lat prezentowane były w postaci ilościowej przy wykorzystaniu oscylogramów (wykresów zależności amplitudy od czasu) czy spektrogramów (gdzie na osi odciętych zazwyczaj prezentuje się czas, na osi rzędnych częstotliwość, a zmiany amplitudy odzwierciedlane są przez odcienie skali szarości lub przypisane kolory).

Badania nad wykorzystaniem dźwięków do orientacji w przestrzeni u ludzi zostały zainicjowane w latach 40-tych XX w. Wówczas to zupełnie ślepy student Michael Supa i jego kolega Milton Cotzin ustalili eksperymentalnie, że osoby niewidome mogą rozwijać umiejętność wykrywania przeszkód poprzez wydawanie dźwięków i nasłuchiwanie ich odbić. Z kolei zdolność odbioru ultradźwięków przez delfiny została potwierdzona później, bo dopiero w 1952 r. przez Winthropa Kellogga i Roberta Kohlera w morskim laboratorium na Florydzie.

Ważne miejsce w historii badań zajmuje, opisana w 1961 r., demonstracja przeprowadzona przez Kennetha Norrisa. Wówczas to butlonos z oczami zasłoniętymi przez gumowe przyssawki pływał swobodnie pomiędzy specjalnie ustawionymi przeszkodami, wydając charakterystyczne kliki. Uznano to jako koronny dowód wykorzystywania przez ssaki morskie swoistego biosonaru. Oczywiście badania nad echolokacją delfinów były kontynuowane, dostarczając szeregu danych ilościowych. Niezwykle ciekawe wydają się np. prace Teda Cranforda. Zastosował on znane z medycyny techniki, czyli rentgenowską tomografię komputerową[2] (CT) oraz obrazowanie magnetycznym rezonansem jądrowym[3] (MRI) do wizualizacji struktur akustycznych zlokalizowanych w głowie delfina.

Do poszerzenia wiedzy o sygnałach echolokacyjnych ssaków morskich bardzo przyczyniło się również użycie hydrofonów, czyli specjalnych mikrofonów, pozwalających na rejestrację rozchodzących się w cieczach fal akustycznych. Trzeba jednak mieć świadomość, iż mimo wielu lat badań część zagadnień związanych ze zjawiskiem echolokacji wciąż pozostaje niewyjaśnionych (…)

Cały artykuł dr Tomasza Kubiaka przeczytacie w wydaniu 1/2024 „Fizyki w Szkole”

[1] Innymi przykładami mogą być prace kontrowersyjnych noblistów Egasa Moniza czy Hermanna J. Mullera. O tym ostatnim, w kontekście jego hipotezy LNT (Linear No-Threshold), przeczytać można w artykule: T. Kubiaka, „Od naturalnej promieniotwórczości do medycyny nuklearnej. Człowiek a promieniowanie jonizujące”, Fizyka w Szkole z Astronomią, nr 5 (2020), s. 4-11.

[2] Podstawom fizycznym tomografii rentgenowskiej poświęcono pracę: T. Kubiak, Tomografia komputerowa, Fizyka w Szkole nr 1 (2014), s. 7- 10.

[3] Metodę MRI przybliża tekst: T. Kubiak, Od protonów do diagnostyki, czyli obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego, Fizyka w Szkole z Astronomią, nr 4 (2017), s. 4-9.