Сова: убрать собственный шум и услышать мышь

Задача с двух сторон

Ночной хищник, охотящийся на слух, попадает в неприятную ловушку.

Чтобы услышать мышь в траве, нужен очень тонкий слух. Но чем тоньше слух, тем громче для его обладателя собственный шум полёта. Взмах крыла у обычной птицы отчётливо слышен и человеку, а сове он забивал бы как раз тот диапазон, в котором шуршит добыча. И мышь его тоже слышит — и успевает уйти.

Значит, задачу надо решать дважды: заглушить себя и научиться точно определять направление. Сова решила обе.

Часть первая: три структуры на крыле

В 1934 году британский авиационный инженер и знаток птиц Роберт Грэм описал три особенности совиного крыла, которых нет у других птиц. Его классификация используется до сих пор.

Гребёнка

Передняя кромка крыла у совы не гладкая. Крайние маховые перья несут ряд жёстких выступов — гребёнку, похожую на зубья расчёски.

Набегающий поток, встречая острую гладкую кромку, срывается в крупные завихрения, а крупный вихрь — это низкочастотный шум. Гребёнка дробит поток на множество мелких вихрей. Мелкие вихри дают более высокие частоты и меньшую суммарную громкость, а высокие частоты вдобавок быстрее гаснут в воздухе.

Бахрома

Задняя кромка каждого пера распущена на тонкие мягкие волоски — бахрома.

Основной шум крыла рождается именно на задней кромке: там сходятся потоки, обтекавшие крыло сверху и снизу, и их встреча порождает звук. Резкая кромка даёт резкую встречу. Бахрома размывает границу, потоки смешиваются постепенно — и «щелчок» превращается в почти неслышный шелест.

Бархат

Верхняя поверхность крыла покрыта пухом с тончайшими ворсинками — на ощупь как бархат. Это гасит трение потока о перо и заодно шум от скольжения перьев друг по другу при взмахе.

Что из этого подтвердилось

Аэроакустические измерения последних десятилетий картину в целом подтвердили, но с уточнениями: часть объяснений Грэма оказалась упрощениями, а вклад каждой структуры зависит от скорости и режима полёта. Полностью согласованной модели, объясняющей весь эффект, пока нет.

Зато инженерное применение пошло полным ходом. Зубчатые кромки ставят на лопасти ветрогенераторов — это заметно снижает шум, а шум для ветропарков главное ограничение по размещению. Тот же приём применяют на вентиляторах и в авиации.

Цена решения

Мягкое, распушённое, бархатистое крыло плохо переносит воду: сова почти не летает в сильный дождь. И бесшумность стоит эффективности — совиный полёт медленный.

Обратите внимание: бесшумность нужна и для охоты, и для маскировки. Сова не только слышит мышь, но и не даёт мыши услышать себя. Одно решение закрывает обе задачи.

Часть вторая: уши, расположенные несимметрично

Теперь вторая половина, и она удивительнее первой.

Определить направление на звук по горизонтали умеет любое животное с двумя ушами: звук приходит в ближнее ухо чуть раньше и чуть громче. Мозг сравнивает разницу во времени и разницу в громкости — и получает угол.

С вертикалью сложнее. Если уши расположены симметрично, звук сверху и снизу приходит в оба одинаково. Разницы нет — и направления тоже.

У сипухи уши расположены несимметрично. Одно выше другого, и слуховые отверстия направлены под разными углами: одно чуть вверх, другое чуть вниз.

Следствие: разница громкостей между ушами теперь зависит и от вертикального угла тоже. Линии равной разницы наклонены относительно горизонта — и по одной и той же паре признаков сова получает обе координаты сразу.

Горизонталь — в основном по разнице времени прихода. Вертикаль — по разнице громкости. Две координаты из двух ушей.

Добавьте к этому лицевой диск: жёсткие перья вокруг глаз образуют две вогнутые чаши, собирающие звук к слуховым отверстиям. Это параболический отражатель, встроенный в лицо.

Насколько всё это работает, показал Роджер Пейн: сипуха в полной темноте находит мышь, ориентируясь только на слух — при полностью исключённом зрении.

Карта пространства, собранная из звука

В 1978 году Эрик Кнудсен и Масакадзу Кониси нашли то, ради чего эту историю стоит рассказывать до конца.

Они регистрировали активность нейронов в среднем мозге сипухи и обнаружили: каждый нейрон в определённой области отзывается на звук, приходящий из конкретной точки пространства. Сдвиньте источник — замолчит один нейрон и заговорит соседний.

Это карта. Топографическая карта окружающего пространства, построенная не из света, а из звука. Соседние точки пространства представлены соседними нейронами.

Мозг не «вычисляет угол и сообщает результат». Он строит из разниц во времени и громкости пространственную модель, физически разложенную по ткани, — и дальше работает с ней так же, как зрительная система работает с изображением на сетчатке.

И карта настраиваема. Если молодой сове заткнуть одно ухо, рецептивные поля нейронов смещаются: система перестраивается под новые условия. Мозг не получает карту готовой — он её выстраивает и калибрует по опыту.

Здесь стоит остановиться. Мы привыкли, что пространство — это то, что мы видим. У совы пространство есть и в слухе, причём в буквальном, анатомическом смысле: его можно найти в мозге и указать пальцем.

Что можно проверить самому

Обе половины проверяются без оборудования.

Опыт 1: зубчатая кромка

Вырежьте из плотного картона или пластика две одинаковые полосы — будущие лопасти. У одной оставьте кромки ровными. У второй сделайте ножницами частые зубцы по передней кромке и распустите бахромой заднюю.

Закрепите поочерёдно перед вентилятором на одинаковом расстоянии. Замерьте уровень шума приложением-шумомером в телефоне с одной и той же точки.

Считайте честно: делайте по нескольку замеров, следите, чтобы вентилятор работал на одном режиме, и сравнивайте не единичные значения, а средние. Разница может оказаться небольшой — картон не перо, — но направление эффекта обычно видно.

Опыт 2: почему вертикаль хуже горизонтали

Этот про вас.

Завяжите глаза. Помощник щёлкает пальцами в разных точках, а вы показываете рукой направление.

Вы обнаружите, что влево-вправо определяется хорошо, а вверх-вниз плохо. Причина ровно та, о которой шла речь: ваши уши расположены симметрично, и вертикальной разницы почти нет. То немногое, что вы всё же различаете, даёт форма ушной раковины, окрашивающая звук по-разному в зависимости от угла.

Теперь заткните одно ухо и повторите. Точность рухнет и по горизонтали тоже: сравнивать стало не с чем.

Проделав это, вы поймёте про совиные уши больше, чем из любого описания: у неё несимметрия даёт по вертикали то, чего у вас нет вовсе.

🗺 Карта открытий

Что здесь важно

Сова любопытна не отдельными приспособлениями, а тем, что решение доведено до конца по всей цепочке.

Механика крыла убирает помеху. Геометрия ушей добывает недостающую координату. Форма лицевого диска усиливает сигнал. Нейронная карта превращает разницу в микросекундах в место в пространстве. Шея — отдельная история, о ней соседняя статья, — позволяет развернуть эту систему на 270 градусов, не сходя с места.

Ни одно звено само по себе не даёт ночной охоты. Работает только сборка целиком.

И одно наблюдение напоследок. Про зрение мы говорим «видим пространство» и считаем это само собой разумеющимся. У совы пространство собрано из звука — и в мозге оно выглядит примерно так же, как у нас выглядит зрительная карта. Похоже, дело не в том, каким органом чувств пользоваться, а в том, что нервная система в любом случае строит модель мира, а не передаёт сигналы напрямую.

Читать дальше

→ Шея: жгут, который нельзя пережать: как сова разворачивает голову на 270° и не теряет сознание → Эхолокация летучих мышей: другой ночной хищник, решивший ту же задачу противоположным способом — не слушать, а кричать → Ухо как анализатор Фурье: как устроен слух у нас → Дятел: язык вокруг черепа и миф об амортизаторе: птица, у которой сенсорная сторона до сих пор не разгадана