Интеллектуальные развлечения. Интересные иллюзии, логические игры и загадки.

Ричард ДокинзСлепой часовщик
The Bind Watchmakerby Richard Dawkins
Перевёл с английского Анатолий Протопопов. Вступительная частьГлава 1. В поисках объяснения невероятногоГлава 2. Удачный проектГлава 3. Суммируем маленькие победыГлава 4. Прокладываем пути по гиперпространству жизниГлава 5. Власть над прошлым и будущимГлава 6. Истоки и чудесаГлава 7. Созидающая эволюцияГлава 8. Взрывы и спиралиГлава 9. Пунктуация пунктуализмаГлава 10. О правильном дереве жизниГлава 11. Обречённые конкурентыПриложение. Эволюция самой эволюции
Об авторе
     Ричард Докинз родился в Найроби в 1941 году. Он закончил Оксфордский университет, и остался там работать над диссертацией под руководством нобелевского лауреата, этолога Нико Тинбергена. С 1967 по 1969 год он был ассистентом профессора зоологии в Калифорнийском университете в Беркли. С 1970 года он читал лекции по зоологии в Оксфордском университете и был членом совета Нового Колледжа. В 1995 году он стал первым профессором Оксфордского профессората популяризации науки Чарльза Симойи.      Первая книга Ричарда Докинза, "Эгоистичный Ген" (1976; второе издание, 1989), сразу стал международным бестселлером и, как и "Слепой часовщик", была переведена на все главные языки мира. В 1982-м году вышло её продолжение - "Расширенный фенотип". Среди других его бестселлеров - "Бегство из рая" (1995) и "Восхождение на пик невероятности" (1996; Пингвин, 1997).      За "Слепого часовщика" Ричард Докинз получил в 1987 году литературную премию Королевского общества поддержки литературы, и премию газеты "Лос Анжелес Таймс". Телефильм по этой книге, показанный в серии "Горизонт", получил премию за лучшую научную программу в 1987 году. В 1989-м году он также получил году серебряную медаль Лондонского зоологического общества, а в 1990-м премию имени Майкла Фарадея от Королевского общества содействия популяризации науки; в 1994-м - приз Накаямы за науки о человеке, и был удостоен почётного гонорара Д. Литта университетом св. Эндрю и Австралийским национальным университетом в Канберре.
Предисловие
     Замысел этой книги исходит из убеждённости в том, что наше собственное существование, некогда представлявшееся Тайной Всех Тайн, более не Тайна. Дарвин и Уоллес её раскрыли для нас, хотя мы и будем какое-то время добавлять примечания к их решению. Написать эту книгу меня побудило удивление тем, что очень много людей, похоже, не только не в курсе наличия изящного и красивого решения этой, самой глубокой из проблем, но, как это ни невероятно, часто не осознающих само наличие проблемы!       Проблема состоит в нашей сложности. Компьютер, на котором я пишу эти слова, обладает памятью для хранения информации ёмкостью около 64 килобайт (один байт используется для хранения одного символа текста). Компьютер был осознанно спроектирован, и осознанно изготовлен. Мозг, с помощью которого вы воспринимаете мои слова - есть совокупность примерно десяти миллионов килонейронов. Почти из каждой из этих миллиардов нервных клеток исходят "электрические провода" (которых может быть несколько тысяч), соединяющие её с другими нейронами. Кроме того, на молекулярно-генетическом уровне каждый из этих многих триллионов нейронов хранит примерно в тысячу раз больше дискретно-кодированной информации, чем весь мой компьютер. Сложность живых организмов сочетается с их изящной эффективностью. Если кто-то полагает, что такой уровень сложности не требует объяснений, то я не возражаю. Нет, конечно, поразмыслив, я возражаю, ибо одна из целей моей книги состоят в том, чтобы поделиться с читателем, которому ещё не знакомо это ощущение, чувством неописуемого изумления сложностью биологических систем. Но вводя вас в мир тайны, я не забываю другую, главную свою цель - снять снова её покров, объясняя, как всё устроено.      Объяснять - непростое искусство. Из какого-нибудь вашего объяснения читатель может разве что понять слова; но можно объяснить то же самое так, что читатель прочувствует вашу мысль до мозга костей. Чтобы достичь последнего, иногда бывает недостаточно беспристрастно выкладывать перед читателем доказательства. Требуется быть адвокатом, используя разные хитрости адвокатского ремесла. Эта книга - не бесстрастный научный трактат. Другие книги по дарвинизму именно таковы, и многие из них превосходно информативны и их неплохо читать вместе с этой. Эта книга далеко не беспристрастна! И нужно признать, что отдельные части её написаны со такой страстью, которая, появись она в профессиональном научном журнале, вызывала бы примечание редакции. Конечно, я стремился и информировать, но также я стремился и убеждать, и даже - как без некоторой самонадеянности? - вдохновлять. Я хотел заразить читателя взглядом на наше собственное существование как на жуткую тайну, и в то же время наполнить его восторгом от осознания того факта, что эта тайна имеет изящную разгадку, к тому же лежащую в пределах нашего понимания. Более того, я хочу убедить читателя не только в том, что дарвиновское мировоззрение истинно, но и в том, что это единственная известная теория, способная, в принципе, раскрыть тайну нашего существования. Это делает теорию убедительной вдвойне. Было бы здорово, если б подтвердилось, что дарвинизм верен не только на нашей планете, но и везде во вселенной, где бы удалось найти жизнь. Но выступая в таком духе, я в одном отношении дистанцирую себя от профессиональных адвокатов. Адвокат, или политический деятель страстен корыстно, убеждая людей в интересах клиента, или дела, которым он на самом деле может не верить. Я никогда так не поступал, и никогда не буду. Возможно, я не всегда прав, но я страстно стремлюсь к истине, и никогда не говорю чего-то, в истинность чего я не верю. Однажды меня шокировал один случай, когда я участвовал в университетских дебатах с креационистами. На обеде после дебатов я оказался за одним столиком с молодой женщиной, чья речь в пользу креационизма на этих дебатах была довольно яркой. Она нисколько не была креационистом, и поэтому я попросил её честно сказать, зачем она так сделала. Она спокойно признала, что просто отрабатывала навыки дебатирования, и нашла, что защита позиции, в которую она не верит, будет более эффективным тренингом. Очевидно, что это обычная практика в университетских обществах любителей дебатов - когда выступающий защищает ту сторону, какую ему велят. Его собственная вера здесь не участвует. Я проделал длинный путь, чтобы участвовать в сложном публичном выступлении, потому что я верил в искренность пригласившего меня движения. Когда я обнаружил, что члены общества используют это движение как платформу для игры в дебаты, я принял решение впредь отклонять приглашения от обществ любителей дебатов, поощряющих неискреннюю защиту на заседаниях, когда научная правда находится под угрозой.       По каким-то, не до конца ясным мне причинам, дарвинизм представляется более нуждающимися в защите, чем аналогичные истины в других областях науки. Многие из нас не имеют и понятия о квантовой механике, или о специальной теории относительности Эйнштейна, но это само по себе не приводит нас к оппозиции этим теориям! Критики дарвинизма, в отличие от эйнштейнизма, полагают себя компетентными для его критики при любом уровне их невежества. Я полагаю, что одна из проблем с дарвинизмом проистекает из того, что, как проницательно отметил Жак Монод, всякий полагает, что разбирается в нём. Это действительно замечательно простая теория; даже, как многие полагают, несерьёзная - в сравнении с почти всей физикой и математикой. В сущности, её можно свести просто к идее о том, что упорядоченное воспроизводство, которое допускает вариации, будет иметь далеко идущие последствия, если есть время для их накопления. Однако имеются веские основания полагать, что эта простота может ввести в заблуждение. Вспомните, что несмотря на кажущуюся простоту теории, до неё никто не додумался до середины 19-го века - до Дарвина и Уоллеса! "Принципы" Ньютона появились почти за 200 лет, а Эратосфен определил размер Земли более чем за 2000 лет до этого - как могла такая простая идея столь долго оставаться не открытой мыслителями такого крупного калибра, как Ньютон, Галилео, Декарт, Лейбниц, Хьюм и Аристотель? Почему ей пришлось ждать двух натуралистов викторианской эпохи? Что было неладно у философов и математиков, проглядевших её? И почему столь мощная идея продолжает и сейчас оставаться в значительной степени невоспринятой массовым сознанием? Ну словно человеческий мозг специально сделан так, чтобы не понимать дарвинизм, и с трудом верить в него. Возьмём, к примеру, такое понятие, как "случайность", которое часто драматизированно воспринимают как "слепой шанс". Подавляющее большинство атакующих дарвинизм людей, с почти непристойным рвением хватаются за ошибочную идею о том, будто в мире нет ничего, кроме случайности. Сам факт сложности жизни буквально олицетворяет антитезу случайности, но если вы полагаете, что дарвинизм эквивалентен слепому случаю, то вы очевидно найдете, что опровержение дарвинизма несложно! Одна из моих задач будут состоять в том, чтобы разрушить этот страстно обожаемый миф о том, что дарвинизм - это "теория шанса". Другая возможная причина, по которой мы предрасположены не верить дарвинизму, состоит в том, что наш мозг настроен на обработку событий во временных шкалах, радикально отличных от тех, в которых происходят эволюционные изменения. Мы располагаем способностями оценки процессов, которые длятся секунды, минуты, годы, самое большее - десятилетия. Дарвинизм - теория о нарастающих изменениях, длящихся тысячи и миллионы десятилетий. Все наши интуитивные суждения о вероятности чего-либо могут быть ошибочны на много порядков величины. Наш точно настроенный аппарат скептицизма и субъективной теории вероятности даёт осечки в этих огромных временных просторах, потому что он настроен, иронично говоря, самой эволюцией, на работу в течение одной жизни, длящейся нескольких десятилетий. Потребуется напрячь воображение, чтобы выйти из тюрьмы привычных временных отрезков, чему я буду стараться помогать.       Третья возможная причина, по которой наш мозг предрасположен сопротивляться дарвинизму, проистекает из больших успехов людей-проектировщиков. Наш мир находится во власти креативных достижений инженеров и деятелей искусства. Мы полностью привыкли к мысли о том, что элегантная сложность - признак преднамеренного, продуманного замысла. Это, вероятно наиболее сильная причина для веры, исповедовавшейся подавляющим большинством когда-либо живших на Земле людей - веры в наличие некоего сверхествественного божества. Дарвину и Уоллесу потребовался очень большой всплеск воображения, чтобы увидеть, вопреки всем интуициям, что есть другой способ, и как только вы поняли это, вы нашли гораздо более правдоподобный путь происхождения "сложной конструкции" из первозданной простоты. Этот потребный всплеск воображения настолько велик, что и по сей день многие люди всё ещё не желают так напрягаться. И главная цель этой книги - помочь читателю делать это.       Естественно, любой автор надеется, что его книга будет жить дольше одного эфемерного соприкосновения с читателем. Но любой адвокат, заботясь о жизни своего случая в веках, должен также реагировать на современных ему оппонентов, или оппонирующие точки зрения. И есть риск того, что какие-то из этих аргументов, как бы жгуче они ни полыхали сегодня, будет выглядеть жутко устаревшими по прошествии нескольких десятилетий. Часто отмечается такой парадокс - первое издание "Происхождения видов" лучше шестого. А всё потому, что Дарвин полагал себя обязанным в более поздних изданиях отвечать на текущую критику первого издания, критику, настолько теперь устаревшую, что его реплики просто мешают, a местами даже вводят в заблуждение. Однако, искушению проигнорировать модную сиюминутную критику, когда кто-то предполагает, что через девять дней случится чудо, этому искушению нельзя потворствовать, и не только ради вежливости к критикам, но и потому, что она можеть запутать читателя. И хотя у меня есть несколько собственных частных идей, эфемерность которых в конечном итоге докажут последующие главы этой книги (по той же причине), но пусть читатель - и время - нас рассудят. Я с огорчением обнаружил, что некоторые из моих подружек (по счастью, немногие) трактуют использование мною безличного местоимения мужского рода, как моё намерение не иметь их в виду. Но если бы здесь и имело место какое-то игнорирование такого рода (к счастью, этого нет), то думаю, что скорее имел бы в виду мужчин, но когда я однажды ради эксперимента попробовал обращаться к моему абстрактному читателю как "она", то феминистки осудили меня за высокомерную снисходительность, и что я должен писать "он" или "она" и "его" или "её". Сделать это нетрудно, если вас не беспокоит литературная правильность языка, но если вас это не беспокоит, то вы демонстритуете неуважение к читателям обеих полов. Тогда я вернулся к нормальным соглашениям по использованию английских местоимений. Я могу обратиться к "читателю" местоимением "он", но полагаю читателя именно мужчиной не больше, чем говорящий по французски думает о столе как о женщине. Фактически, как мне кажется, я чаще думаю о своём читателе, как о как женщине, но это - моё личное дело; мне бывает неприятно когда эти соображения вмешиваются в мою практику использования моего родного языка.       Некоторые люди для меня - объекты для благодарности. Те, кому я могу показать себя с лучшей стороны, поймут. Мои издатели не сочли необходимым утаить от меня личности своих рефери (не рецензентов; именно рецензенты, самоуверенные американцы под 40, критикующие книги только после публикации, когда автор уже не может что-либо сделать). Мне были очень полезны предложения Джона Кребса (в который раз!), Джона Дюрана, Грэма Кейнс-Смита, Джеффри Левинтона, Майкла Рас, Энтони Халлам и Дэвид Пи. Ричард Грегори любезно критиковал главу 12, и заключительная версия выиграла от её полного исключения. Марк Ридли и Алан Графен, отныне даже официально более не мои студенты, вместе с Биллом Хамилтоном - путеводные звёзды группы коллег, с которыми я обсуждаю эволюцию, и из чьих идей я извлекаю пользу почти ежедневно. Они, а также Памела Веллс, Питер Аткинс и Джон Докинз любезно критиковали различные главы по моей просьбе. Сара Банни предложила много улучшений, а Джон Гриббин исправил главную ошибку. Алан Графен и Вилл Аткинсон консультировали по компьютерным проблемам, а агенство "Эппл Макинтош" отделения зоологии любезно позволило распечатать биоморфы на их лазерном принтере.       Повторюсь о полезности для меня неослабного динамизма которым Майкл Роджерс, а теперь Лонгман, увлекали всех нас. Он, а также Мэри Кеннан Нортон, умело применяли акселератор (к моей морали) и тормоза (к моему чувству юмора) когда те были необходимы. Часть книги была написана в творческом отпуске, любезно предоставленным отделением зоологии и Новым колледжем. Наконец, упомяну мой долг обеим моим предыдущим книгам - оксфордская система обучения и многие обученные мною ученики все эти годы помогали мне отрабатывать те немногие навыки, что есть у меня в трудном искусстве объяснений.
Ричард ДокинзОксфорд, 1986
Глава 2
Удачный проект
      Естественный отбор - это слепой часовщик. Он слеп, ибо не смотрит вперёд, не планирует результатов, и не имеет никакой цели. Тем не менее, живые результаты естественного отбора несказанно впечатляют нас ощущением задуманности как бы высококвалифицированным часовщиком, впечатляют иллюзией запроектированности и запланированности.       Цель этой книги - разрешить этот парадокс к удовлетворению читателя, а цель этой главы - ещё более впечатлить читателя силой этой иллюзии задуманности. Мы рассмотрим конкретный пример, и сделаем вывод, что Пали лишь прикоснулся к этой теме, настолько велика его сложность и красота замысла.       Мы можем говорить, что живое тело или орган хорошо разработаны, если они обладают особенностями, которые умный и опытный инженер мог встроить в них для достижения определённой разумной цели - такой, как полёт, плавание, видение, питание, размножение, или - говоря шире - для поддержки своего выживания и репликации генов организма. Нет необходимости предполагать, что замысел данного тела или органа - это лучшее из того, до чего инженер мог бы додуматься. Часто бывает, что лучшее достижение одного инженера, может быть в общем случае превзойдено лучшим достижением другого инженера, особенно если второй живёт позже в технологической истории. Но любой инженер может понять цель разработки объекта, даже если он разработан плохо, и обычно он может понять эту цель, изучая его структуру. В первой главе мы интересовались главным образом философскими аспектами. В этой главе я буду рассматривать конкретный пример, который, полагаю, произвёл бы впечатление на любого инженера - а именно сонар ("радар") летучих мышей. Объясняя каждый пункт, я буду начинать с изложения проблемы, стоящей перед живой машиной; затем я буду рассматривать возможные решения этой проблемы, которые мог бы рассмотреть разумный инженер; и наконец - к решению, фактически принятому природой. Разумеется, наш пример для ллюстрации выбран почти произвольно. Если инженера увлечёт функционирование летучих мышей, его столь же увлекут другие бесчисленные примеры живых проектов.       Перед летучими мышами стоит проблема: как находить путь в темноте? Они охотятся ночью, и не могут использовать свет для поисков добычи и избегания препятствий. Вы могли бы здесь заметить, что если это проблема, то это проблема их привычек, и этой проблемы они могли бы избежать, просто изменив эти привычки, и перейти к охоте днём. Но дневная экономическая ниша уже плотно занята другими существами, такими, как птицы. Учитывая, что ночью есть возможность изыскать средства к существованию, а также учитывая, что альтернативные дневные экономические ниши полностью заняты, естественный отбор одобрил летучих мышей, которые практикуют экономику ночной охоты. Кстати, вероятно, что ночной образ жизни вели предки всех ныне существующих млекопитающих. В эпоху, когда динозавры доминировали в дневной экономике, наши млекопитающие предки, возможно, именно потому сумели вообще выжить, что нашли способы карабкаться за существование ночью. И только после таинственного массового исчезновения динозавров примерно 65 миллионов лет назад, наши предки получили возможность выйти на дневной свет в каких-то существенных количествах.       Итак, у летучих мышей есть техническая проблема: как находить путь и искать добычу при отсутствии света. Летучие мыши - не единственные существа, стоящие перед этой трудностью сегодня. Очевидно, что летающие ночью насекомые, на которых летучие мыши охотятся, также должны как-то находить свой путь. Глубоководных рыб и китов тоже окружает полная или почти полная темнота - и днём, и ночью, потому что лучи солнца не могут проникать глубоко в воду. Рыбы и дельфины, которые живут в чрезвычайно мутной воде, также не могут видеть - несмотря на наличие света, так как свет рассеивается загрязнениями. Многие другие современные животные живут в условиях, в которых использование зрения затруднено или невозможно.       Какие решения мог бы рассмотреть инженер, поставленный перед проблемой маневрирования в темноте? Первое, что могло бы придти к нему в голову, так это идея выработки света - какого-нибудь фонаря или прожектора. Светлячки и некоторые рыбы (обычно с помощью бактерий) имеют возможность излучать собственный свет, но этот процесс, похоже, потребляет много энергии. Светлячки используют свой свет для привлечения самок. Для этого не требуется непомерно большой энергии: самка может заметить тёмной ночью крошечную светящуюся точка самца с довольно большого расстояния, поскольку на её глаза действует прямой свет самого источника. Использование света для освещения своего пути требует значительно большей энергии, так как глаза должны при этом уловить крошечную долю излучённого света, рассеянного предметами окружающей сцены. Поэтому, если мы хотим использовать свет для освещения пути, то источник этого света должен быть намного ярче, чем сигнальный источник для информирования кого-то другого. Ну так или иначе, действительно ли причина в расходе энергии, или нет, но похоже, что это факт - за возможным исключением одной таинственной глубоководной рыбы, никакое другое животное, кроме человека, не использует продуцированный свет для освещения пути своего передвижения. О чём ещё инженер мог бы подумать? Вроде бы слепые люди иногда демонстрируют сверхъествественное чутьё препятствий на их пути. Этому явлению дали название "лицевого зрения", потому что слепые сообщали об ощущениях, подобных лёгкому прикосновению к лицу. Одно сообщение описывает полностью слепого мальчика, который мог ездить на хорошей скорости на своём трёхколесном велосипеде вокруг квартала близ своего дома, пользуясь "лицевым зрением". Эксперименты показали, что на деле "лицевое зрение" не имеет ничего общего с прикосновениями к лицу, хотя ощущения при этом могут быть описаны именно так, и видимо подобны фантомной боли ампутированной конечности. Оказалось, что ощущение "лицевого зрения", на деле приходит через уши. Слепые люди, даже не осознавая этого факта, на деле используют эхо звука своих собственных шагов, и других звуков, ощущая наличие препятствий. Инженеры построили приборы, использующие этот принцип, например - для замера глубины моря под судном, ещё до обнаружения этого факта. Как только эта техника была изобретена, то адаптация ее разработчиками оружия для обнаружения субмарин была лишь вопросом времени. Обе стороны во второй мировой войне активно использовали эти устройства под наименованиями "Асдик" (в Британии) и "сонар" (в США). Подобная технология была использована в "радарах" (в США) или "RDF" (в Британии), где использовалось эхо не звуковой, а радиоволны. Разработчики первых сонаров и радаров ещё не знали про летучих мышей, но сейчас весь мир знает, что летучие мыши, или скорее - естественный отбор, работавший на летучих мышах, усовершенствовал эту систему на десятки миллионов лет раньше, и их "радары" творят такие подвиги детектирования и навигации, от каких инженер онемел бы от восторга. Будет технически неправильным говорить, что летучие мыши пользуются "радаром", так как они не используют радиоволны. Это сонар. Но теоретические принципы работы радара и сонара очень близки, и большая часть научного осмысления подробностей работы сонара летучих мышей появилась благодаря приложению к ним теории радаров. Американский зоолог Дональд Гриффин, внёсший значительный вклад в открытие сонара у летучих мышей, предложил термин "эхолокация", охватывающий как звуковую, так и радиолокацию, и применимый как эхолокаторам животных, так и рукотворным человеческим приборам. Впрочем, на практике это слово в основном относиться к сонарам животных.       Неправильно говорить о летучих мышах как об совершенно однородной группе. Ну это примерно как если бы мы говорили про собак, львов, ласок, медведей, гиен, панд и других в одном духе - только потому, что все они - плотоядные животные. Различные группы летучих мышей используют сонар совершенно по-разному, и, похоже "изобрели" его независимо друг от друга - подобно тому, как англичане, немцы и американцы независимо друг от друга изобрели радар. Не все летучие мыши используют эхолокацию. У тропических растительноядных летучих мышей Старого Света хорошее зрение, и они в основном используют для ориентации только свои глаза. Однако один или два вида плодовых летучих мышей, например Rousettus, способны ориентироваться в полной темноте, где глаза, даже хорошие, бессильны. Они используют сонар, но более примитивный, чем тот, что используется более мелкими летучими мышами умеренных широт, с который мы знакомы. Rousettus в полёте громко и ритмично щёлкает языком, и ориентируется, измеряя интервал времени между каждым щелчком его эхо. Rousettus издают ясно слышимые для нас щелчки (т.е. издают, по определению, звуки, а не ультразвуки: ультразвук - это то же самое, что и звук, только слишком высокого тона, чтобы люди могли его слышать).       По теории, чем выше используется тон звука, тем точнее производится эхолокация - потому, что у звуков низкого тона большая длина волны, которая не позволяет различать близко расположенные объекты (волны хорошо отражаются лишь от крупных объектов. Если он мельче длины этой волны, - то отражаются плохо, а если он мельче 1/6 длины волны - не отражаются совсем. Уместно напомнить, что "длина волны" - это расстояние между её гребнями, а не длина фронта "вдоль" - А.П.). Поэтому летательному снаряду, использующему эхолокацию в системе наведения, при прочих равных условиях было бы целесообразно генерировать очень высокие звуки. И в самом деле - большинство летучих мышей используют чрезвычайно высокие звуки, намного более высокие, чем те, которые люди могут слышать - ультразвуки. В отличие от Rousettus, которые видят очень хорошо, и которые используют неизменяющиеся относительно низкие звуки для своей скромной эхолокации в дополнение к своему хорошему зрению, более мелкие летучие мыши, судя по всему, - технически высокоразвитые механизмы эхолокации. У них крошечные глаза, которые в большинстве случаев не могут увидеть много. Они живут в мире эхо, и вероятно их мозг может на основании эхо производить что-то вроде "построения изображений", хотя нам почти невозможно представить, как бы могло выглядеть такое изображение. Шум, который они производят, не просто слегка выше того, что люди могут слышать, вроде своего рода пронзительного визга супер-собаки. В многих случаях он значительно выше того, что какое-либо существо может услышать или вообразить. И кстати, нам очень повезло, что мы не можем их слышать, ибо это очень мощные звуки, и для нас они были бы оглушительно громки - при такой громкости мы вряд ли смогли бы спать.       Эти летучие мыши, как миниатюрные самолёты-разведчики, нашпигованы изощрённой аппаратурой. Их мозг - это тонко настроенный пакет миниатюрных штучек для электронного колдовства, запрограммированных сложным программным обеспечением, необходимым для расшифровки мира эхо в режиме реального времени. Их мордочки часто искривлены в фантастические горгульи, представляющиеся нам отвратительными, - до тех пор, пока мы не видим для чего они нужны - это изысканно скроенные инструменты для излучения ультразвука в нужных направлениях. Хотя мы не можем непосредственно слышать импульсы ультразвука этих летучих мышей, но мы можем понять происходящее посредством аппаратуры перевода, или "бат-детектора". Он принимает импульс специальным ультразвуковым микрофоном, и преобразует его в слышимый щелчок или тон, который мы уже можем слышать в наушниках. Если мы возьмём такой "бат-детектор" на лесную вырубку, где кормятся летучие мыши, то мы услышим каждый испускаемый ими импульс, хотя мы не можем слышать, как этот импульс в действительности "звучит". Если наши летучие мыши - Myotis, а это одна из обычных у нас небольших коричневых летучих мышей, то мы услышим щелчки с частотой примерно 10 щелчков в секунду (10 Герц), когда она курсирует по своему обычному маршруту. Это примерно частота работы стандартного телетайпа, или скорострельного пулемёта.       Возможно, что образ мира, в котором крейсирует летучая мышь, обновляется 10 раз в секунду. Наш с вами визуальный образ мира представляется нам беспрерывно, пока наши глаза открыты, обновляющимся. Мы можем видеть, как мог бы выглядеть дискретно обновляющийся образ мира, включив ночью стробоскоп. Их иногда используют на дискотеках, и он производит довольно впечатляющий эффект. Танцующий человек выглядит последовательностью замороженных статичных поз. Очевидно, что чем чаще следуют импульсы строба, тем ближе полученный образ соответствует нормальному "беспрерывному" зрению. Стробоскопическое видение с частотой крейсерского полёта летучей мыши (примерно 10 образов в секунду) - даёт почти столь же хорошую картину, как и нормальное "непрерывное" зрение - для обычных целей, но не для ловли шарика или насекомого.       Но это "дежурная" частота выборки образов летучей мышью на обычном крейсерском полёте. Когда маленькая коричневая летучая мышь обнаруживает насекомое, и ложится на курс его перехвата, то частота щелчков возрастает. Она щелкает при этом быстрее пулемёта, частота может достичь 200 Герц, пока она наконец не достигает свою движущуюся цель. Чтобы достичь того же эффекта, нам придётся ускорить наш стробоскоп настолько, чтобы его вспышки следовали с частотой, вдвое большей, чем полуциклы в нашей электрической сети, хотя даже эта частоту мы уже воспринимаем слитно, и не видим мерцания люминесцентных ламп. Обратите внимание, что у нас при этом нет никаких проблем с выполнением наших обычных визуальных задач в их свете - даже при игре в сквош или пинг-понг, хотя наш визуальный мир при этом пульсирует на такой высокой частоте (100 Герц). Если предположить, что мозг летучей мыши строит образ мира, аналогичный нашим визуальным образам при частоте нашей сети, то можно предположить, что образ мира в эхе летучей мыши по меньшей мере столь же детализирован, и "беспрерывен" как и наш с вами визуальный образ. Конечно, возможны и другие причины, приводящие к меньшей (чем у нас) детализации образа мира летучей мыши.       Если летучие мыши могут повышать частоту импульсов до 200 Герц, то почему они не поддерживают эту частоту всё время? Так как у них очевидно есть "регулятор частоты", своего "стробоскопа", то почему они не держат его постоянно на максимуме? Ведь тем самым всё время они поддерживают своё восприятие мира в его наиболее отчётливой форме, и готовы отреагировать на любую критическую ситуацию? Одна из причин этого может быть в том, что высокие частоты хороши лишь для близких целей. Если импульсы следуют слишком часто, то один излучаемый импульс может слиться с эхом его предшественника от далёкой цели. Даже если это не так, то вероятно имеются веские экономические причины для того, чтобы не поддерживать частоту импульсов на максимальном уровне всё время. Должно быть накладно производить громкие сверхзвуковые ипульсы - накладно в смысле и энергии, и износа голоса и слуха, и может быть - в компьютерном времени. Мозг, который обрабатывает 200 раздельных эхокартин в секунду, возможно уже не имеет запаса производительности для "размышлений" о чём-нибудь ещё. Частота выборки даже в 10 герц вероятно также весьма накладна, но намного меньше таковой на максимальной частоте 200 Герц. Конкретная летучая мышь, повысившая частоту своих тиков, заплатит дополнительную цену в энергии, и т.д., которая не будет оправдана увеличенной точностью сонара. Когда единственный движущийся объект в округе - сама летучая мышь, то образы видимого мира, отстоящие друг от друга на десятую долю секунды вполне подобны друг другу, и не нуждаются в более частой смене. Когда же в обозримой близости наличествует другой движущийся объект, особенно - летящее насекомое, бьющееся и мечущееся в отчаянной попытке избавиться от преследователя, то выгода от увеличения частоты импульсов более чем оправдывает возросшие издержки. Конечно, соображения насчёт издержек и выгод в этом параграфе - это предположение, но что-нибудь вроде этого почти наверняка должно иметь место.       Инженер, приступающий к разработке эффективного сонара или радара скоро сталкивается с проблемой, вытекающей из необходимости производить импульсы максимальной громкости. Они должны быть громкими, потому что волновой фронт излученного звука распространяется по расширяющейся сфере. Интенсивность звука распределяется, и в каком-то смысле, "растворяется" по всей поверхности сферы. Поверхность сферы пропорциональна квадрату радиуса. Поэтому интенсивность звука в любой заданной точке на поверхности сферы уменьшается не прямо пропорционально расстоянию (радиусу), а пропорционально квадрату расстояния от источника звука. Это означает, что в своём путешествии от источника (в нашем случае - летучей мыши) звук затихает довольно быстро.       Когда этот ослабленный звук достигает цели, скажем - мухи, он от неё отражается. Этот отражённый звук, в свою очередь, также излучается от мухи по расширяющемуся сферическому фронту. Как и в случае первичного импульса, он угасает пропрционально квадрату расстояния от мухи. К тому моменту, когда эхо вновь достигает летучей мыши, угасание его интенсивности оказывается пропорциональным не расстоянию от мухи до летучей мыши, и даже не квадрату этого расстояния, а квадрату квадрата - т.е. четвёртой степени расстояния. Это означает, что он будет очень, и очень тихим. Проблему возможно частично преодолеть, если летучая мышь будет излучать звук направленно, как из мегафона, но для этого ей нужно уже знать направление на цель. В любом случае, если летучей мыши нужно получить некое внятное эхо от всех отдалённых целей, то писк, исходящий от мыши, должен быть в самом деле очень громким; а инструмент обнаружения отражённого - ухо, должен быть очень чувствителен к слабому звуку эхо. И как мы уже знаем, летучая мышь часто и в самом деле кричит очень громко, а её уши и в самом деле очень чувствительны.       Теперь рассмотрим проблему, которая озадачила бы инженера, если б он попытался спроектировать некое подобие механической летучей мыши. Если микрофон (или ухо) будет столь чувствительным, как это требуется здесь, то он будет подвергаться большой опасности серьёзного повреждения собственным - чрезвычайно громким излученным импульсом звука. Нет смысла бороться с проблемой, снижая громкость излученного звука, ибо тогда эхо будет слишком тихим, чтобы его расслышать. И также нет смысла повышать чувствительность микрофона ("уха"), ак как это сделает его более уязвимым для повреждений, путь уже несколько более тихим излученным звуком! Эта дилемма неразрывно связана с радикально различной интенсивности излученного, и принятого звука, и различие это неумолимо следует из законов физики.       Какое другое решение мог бы предложить инженер? Когда перед аналогичной проблемой встали проектировщики радара во второй мировой войне, то они натолкнулись на решение, которое они назвали "приёмо-передающим" радаром. Локационные сигналы посылались обязательно в виде очень мощных импульсов, которые могли бы повредить высокочувствительный приёмник, ожидающий слабое отражённое эхо. Приёмо-передающий переключатель временно отсоединяет входные цепи приёмника от антенны непосредственно перед началом излучения исходящего импульса, а затем снова включает их к тому времени, когда нужно будет принимать эхо.       Летучие мыши развили "приёмо-передающее" переключение очень давно, вероятно за миллионы лет до того, как наши предки спустились с деревьев. Она работает так: в ухе, как и у летучей мыши, так у нас, звук передаётся от барабанной перепонки к "микрофонным", звукочувствительным клеткам посредством моста из трёх крошечных костей, названных (из-за внешнего сходства) молоточком, наковальней и стремечком. Между прочим, расположение и подвеска этих трёх костей очень точно решают задачу, которую квалифицированный инженер назвал бы задачей "согласования импедансов", но это уже другая история. Важно, что у некоторых летучих мышей хорошо развиты мускулы, воздействующие на стремя и молоточек. Когда эти мускулы напряжены, то эти косточки передают звук ослабленно - как если бы вы приглушили микрофон, прижимая палец к вибрирующей мембране. Летучая мышь может использовать эти мускулы, чтобы временно отключать свои уши. Сокращение этих мускулов непосредственно перед выдачей каждого исходящего импульса, тем самым выключает уши, чтобы они не были повреждены громким звуком. Затем они расслабляются, чтобы ухо возвратилось к своей максимальной чувствительности ко времени получения отражённого эха. Эта приёмо-передающая переключательная система работает только тогда, когда обеспечивается точность отслеживания времени в доли секунды. Летучая мышь, называемая Tadarida способна к поочерёдному напряжению и расслаблению переключающих мускулов 50 раз в секунду, соблюдая полную синхрониизацию с механизмом стрельбы ипульсами ультразвука. Это огромное достижение, сопоставимое с хитрым механизмом, использовавшимся в некоторых истребителях времён первой мировой войны. Их пулемёты, стреляющие "сквозь" пропеллер, тщательно выбирали момент выстрела, строго синхронизированный с его вращением, чтобы пули всегда пролетали между лопастями и никогда не отстреливали их.       Следующая проблема, которая могла бы возникнуть у нашего инженера, такова. Раз уж сонар измеряет расстояние до цели, измеряя длительность тишины между излучением звука, и вернувшимся от него эхом - а этот метод Rousettus кажется и в самом деле использует, то импульс должен быть при этом очень кратким и отрывистым - эдакое стаккато. Длинный, растянутый импульс всё ещё бы излучался, когда бы уже вернулось эхо, и даже будучи частично приглушенным мускулами "приемо-передатчика", попал бы в механизм распознавания эха. В идеале импульс летучей мыши должен быть очень коротким, и это похоже так и есть. Но чем короче импульс, тем труднее сделать его достаточно мощным, чтобы получить удовлетворительное эхо. Здесь имеет место другая неблагоприятная для нас альтернатива, вытекающую из законов физики. Изобретательные инженеры могли бы предложить два решения этой проблемы, что и действительно было предложено ими, опять же применительно к радару. Какое из этих двух решений предпочтительнее - зависит от того, что для нас важнее - измерить удаление объекта от измерителя, или измерить скорость перемещения объекта относительно измерителя. Первое решение известно радиоинженерам как "чирикающий радар" (в отечественной радиотехнике для обозначения таких радаров используется аббревиатура ВИЛЧМ (радар с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией) - А.П.).       Радарные сигналы представляют собой серию импульсов, но у каждого импульса есть так называемая несущая частота. Представьте себе быстрое включение и выключение звука (или ультразвука). Как мы помним, крики летучей мыши представляют собой импульсы с частотой следования в десятки или сотни штук в секунду (десятки и сотни герц). И каждый из этих импульсов имеет несущую частоту - от десятков до сотен тысяч герц.       Популярно говоря, каждый импульс является коротким, и очень высоким взвизгом. Импульс радара точно так же является "взвизгом" радиоволн, с высокой несущей частотой. Специфической особенностью "чирикающего" радара является отсутствие строго фиксированной несущей частоты каждого взвизга. Вместо этого, несущая частота меняется вверх или вниз примерно на октаву. Если вы хотите представить себе звуковой эквивалент его, то каждый такой радарный импульс можно представить как ниспадающий свист удивлённого человека. Преимущество "чирикающего" радара в сравнении с радаром фиксированной несущей частотой состоит в следующем. Для него не имеет большого значения, что исходящий импульс всё ещё не закончился, когда уже пришло эхо. Они не будут перепутаны друг с другом - ведь эхо, получаемое в данный момент времени, будет отражением более ранней части импульса, и следовательно будет иметь отличающуюся частоту.       Люди-разработчики радаров извлекли много пользы из этой изобретательной техники. Имеются ли какие-нибудь свидетельства того, что летучие мыши тоже это "открыли" - подобно тому, как они открыли приёмо-передающую систему? Да, действительно, многие виды летучих мышей производит крики с ниспадающей несущей частотой, обычно примерно на октаву в каждом крике. Эти посылки "удивлённого свиста" известны как частотная модуляция (FM). Они используются людьми там, где требуется использовать технику "чирикающего радара". Однако, есть свидетельства, пока предположительные, что летучие мыши используют эту технику не для различения сигнала эхо от исходного звука, а для решения более тонкой задачи отличения одного эхо от другого. Летучая мышь живёт в мире многих эхо - близких объектов, далёких, и объектов на всех промежуточных расстояниях, и ей нужно отсортировывать эти эхо друг от друга. Если она издаёт ниспадающие "удивлённые свисты", то сортировку можно чётко сделать по тону. Когда эхо от далёкого объекта наконец приходит назад к летучей мыши, оно будет "старше", чем одновременно пришедшее эхо от близкого объекта, и поэтому будет иметь более высокий тон. Когда летучая мышь принимает эхо от нескольких объектов сразу, то она может следовать простому эмпирическому правилу: чем выше тон, тем дальше объект.       Вторая умная идея, которая могла бы придти в голову инженеру, особенно он интересуется измерением скорости перемещающейся цели, заключается в использовании интересного эффекта, называемого физиками допплеровским сдвигом. Его можно также назвать "эффектом санитарной машины", так как самое знакомое его проявление - резкое снижение тона сирены санитарной машины, когда она проносится мимо слушателя. Допплеровский сдвиг случается всякий раз, когда источник звука (или света, а также волн другого вида) и его приёмник двигаются друг относительно друга. Легче всего представить источник звука неподвижным, а слушателя - двигающимся. Допустим, что сирена на крыше фабрики гудит непрерывно, и всё время на одной ноте. Звук излучается как ряд волн. Эти волны нельзя увидеть, так как это волны воздушного давления; но если б они были видимы, то выглядели бы как концентрические круги, распространяющиеся вдаль, наподобие волн от камешка, брошенного в спокойный пруд. Представте себе, что непрерывная серия камешков падает в середину пруда так, чтобы волны постоянно исходили из середины. Если мы поставим игрушечный кораблик на якорь в какой-то фиксированной точке пруда, то кораблик будет ритмично качаться на проходящих под ним волнах. Частота, с который раскачивается кораблик, в чём-то подобна звуковому тону. Теперь предположим, что кораблик снялся с якоря, и на всех парах двинулся пересекать пруд в примерном направлении центра, от которого и исходят круги волн. Он по прежнему будет раскачиваться, поскольку волны по прежнему будут проходить под ним. Но частота проходящих под корабликом волн будет теперь выше, так как он путешествует к источнику волн, и будет качаться с более высокой частотой. На другой стороне от центра пруда, когда кораблик минует источник волн, частота, с которой он будет раскачиваться, очевидно понизится.       Если мы быстро проедем на (предпочтительно малошумном) мотоцикле мимо гудящей фабричной сирены, то по той же причине при приближении к фабрике высота тона будет повышена - наши уши при этом поглощают волны с более высокой частотой, чем когда они бы не двигались. И точно также, когда наш мотоцикл минует фабрику, и будет удаляться от неё, тон будет понижен. Когда мы останавливаем движение, то мы будем слышать тон сирены, средний по высоте между двумя допплер-сдвинутыми тонами. Из этого следует, что если мы знаем точную высоту тона сирены, то мы в принципе можем определить, насколько быстро мы двигаемся к, или от источника, просто сравнивая слышимый тон с известным "истиным".       Те же самые рассуждения справедливы, когда источник звука перемещается, а слушатель неподвижен. Именно этот случай имеет место при движении санитарной машины мимо нас. Хотя это не слишком правдоподобно, но говорят, сам Христиан Допплер демонстрировал этот эффект, наняв духовой оркестр для исполнения музыки на открытом железнодорожном вагоне-платформе, которая помчалось мимо его изумлённой аудитории. Имеет значение относительное перемещение, и для эффекта Допплера безразлично, источник ли звука перемещается относительно уха, или ухо перемещается мимо источника. Если два поезда двигаются во встречном направлении, каждый - со скоростью 125 миль в час, то пассажир одного поезда будет слышать пронзительный вой другого поезда, мчащегося навстречу, повышенный особенно радикальным допплеровским сдвигом, ибо относительная скорость этих поездов составит 250 миль в час (400 км/ч). Эффект Допплера используется в полицейских радарах - измерителях скорости автомобилей. Неподвижный прибор излучает сигнал радара вдоль дороги. Волны радара отражаются от приближающегося автомобиля, и регистрируются приёмной аппаратурой. Чем быстрее двигается автомобиль, тем выше будет допплеровский сдвиг по частоте. Сравнивая излученную частоту с частотой отражённого эха, полиция, или скорее - их автоматический прибор, может вычислять скорость каждого автомобиля. Ну если полиция может использовать этот эффект для измерения скорости лихачей, то смеем ли мы надеяться, что удастся обнаружить использование её летучими мышами для измерения скорости насекомого-добычи? Да, есть такое дело. Давно было известно, что маленькие летучие мыши, известные как "подковки" издают длинные крики стабильного тона - а не стаккато щелчки, или ниспадающий "свист удивления". Говоря "долго", я имею в виду, что долго по стандартам летучих мышей. Её "крик" длится менее десятой части секунды. И, как мы далее увидим, часто в конце крика имеется "свист удивления". Представим себе, что вначале подковка издаёт неизменяющийся тон ультразвука, когда быстро летит к неподвижному объекту, например, к дереву. Волны импульса будут падать на дерево с увеличенной частотой, так как мышь летит к дереву. Если бы в дереве был микрофон, то он бы "слышал" повышенный из-за допплер-смещения тон звука этого импульса благодаря движению летучей мыши. Микрофона в дереве кончено нет, но эхо, отражённое назад от него, будет иметь именно такой повышенный тон, какой бы слышал микрофон. Далее волны эха бегут назад от дерева к приближающейся летучей мыши, ибо она всё ещё быстро двигается навстречу к ним. Поэтому происходит дальнейшей допплеровский сдвиг тона эхо вверх при восприятии его летучей мышью. Движение летучей мыши приводит к своего рода двойному допплер-эффекту, величина которого точно характеризует скорость летучей мыши относительно дерева. Сравнивая тон своего крика с тоном эхо, летучая мышь (лучще сказать - её бортовой компьютер в мозгу), может в принципе вычислять, как быстро она приближается к дереву. Этот эффект не сообщает мыши, как далеко это дерево, но тем не менее, это может быть очень полезной информацией.      Если отражающий эхо объект будет не статичным деревом, а двигающимся насекомым, допплер-эффект будет сложнее, но тем не менее - летучая мышь сможет вычислить скорость своего перемещения относительного цели - очевидно, такого рода информация нужна такой сложной "управляемой ракете", как охотящаяся летучая мышь. Некоторые летучие мыши проделывают более интересный трюк, чем просто испускание крика постоянного тона с последующим измерением тона вернувшегося. Они так подстраивают тон исходящих криков, чтобы принимаемый тон был постоянен после его допплеровского сдвига. Так как, бросившись к двигающемуся насекомому, они ускоряются, то тон их криков всё время непрерывно меняется, чтобы эхо возвращалось некоего фиксированного тона. Эта изобретательная хитрость поддерживает эхо такого тона, к которому их уши максимально чувствительны, что важно, так как эхо слабое. При этом они точно так же получают информацию о скорости цели, сравнивая излученный и принятый тон. И хотя в данном случае сдвигается излученный, а не принятый тон, но разность их будет той же самой. Я не знаю, используют ли эту хитрость рукотворные устройства, будь то сонары или радары. В принципе, я бы рискнул держать пари, что наиболее умные идеи в этой сфере первыми изобрели летучие мыши.       Логично предположить, что эти два весьма различных метода - техника допплеровского сдвига, и техника"чирикающего радара", полезны для различных конкретных применений. Одни группы летучих мышей специализируются на одной из них, другие - на другой. Некоторые группы вроде бы даже стараються взать лучшее из обоих миров, прицепляя частотно-модулированный "свист удивления" к концу (или иногда к началу) длинного "крика" с постоянной частотой. Другая любопытная хитрость "подковок" относится к движениям их ушных раковин. В отличие от других летучих мышей, "подковки" быстро двигают своими ушными раковинами, двигая их вперёд и назад. Можно предположить, что эти дополнительные быстрые перемешения звуковоспринимающей поверхности относительно цели порождает полезные модуляции допплеровского сдвига, дающие дополнительную информацию. Когда ухо движется в сторону к цели, то воспринимаетмая скорость движения к цели будет выше. Когда оно двигается от цели, то будет наоборот. Мозг летучей мыши знает направление движения каждого уха, и в принципе может проделывать необходимые вычисления, чтобы извлекать пользу из этой информации.       Возможно наиболее трудная проблема из тех, с которыми сталкиваются все летучие мыши - это опасность непредумышленных взаимных помех от криков других летучих мышей. Люди-экспериментаторы обнаружили, что помешать летучим мышам делать их великие успехи, облучая их громким искусственным ультразвуком, до удивления сложно. Впрочем, это легко было предсказать. Летучие мыши, должно быть уже давно справились с проблемой помех. Многие виды летучих мышей ночуют в пещерах огромными скоплениями, и могли бы оглохнуть от вавилонского столпотворения криков и эхо, но тем не менее, они быстро летают в полной темноте пещер, избегая стен и друг друга. Как удаётся летучей мыши идти по следу своего эхо, и не впадать в заблуждение от эхо других? Первое решение, которое могло бы придти в голову инженеру - применить какую-то разновидность разнесения частот: каждая летучая мышь могла "работать" на своей собственной личной частоте, точно так же, как это делают наши радиостанции. В какой-то степени это может иметь место, но это ни в коем случае не может быть исчерпывающим решением проблемы.       Как летучие мыши избегают помех от других летучих мышей, пока не очень ясно, но интересный ключ к решению дают эксперименты по попыткам сбить с толку летучих мышей. Они показывают, что можно активно обманывать каких-нибудь летучих мышей, проигрывая им их собственные крики в искусственной задержкой. Другими словами, подсовывать им ложное эхо из их собственного крика. Удаётся даже, тонко управляя электронным аппаратом задержки ложного эха, вынудить летучих мышей к попытке приземлиться на фантомном выступе скалы. Я предполагаю, что у летучих мышей имеет место некий эквивалент нашего взгляда на мир через хрусталик глаза. Похоже, ч&heip;