Эхолокации морских млекопитающих помогают кости, жир и воздух

Ученые разобрались, как морские свиньи контролируют направление и форму акустической волны, которую они используют для навигации в воде и поиска пищи. Оказалось, что внутренняя структура их головы представляет собой метаматериал для звуковых волн. Статья принята к публикации в журнале Physical Review Applied.

Морские свиньи — семейство морских млекопитающих подотряда зубатых китов, которых раньше причисляли к дельфиновым. Они, как многие морские млекопитающие, используют эхолокацию, то есть могут определять положение объектов по отраженной от них волне, в данном случае — звуковой волне в воде. Морские свиньи полагаются на эхолокацию при охоте: при поиске добычи они производят узконаправленные волны для сканирования окружающей воды, а когда жертва найдена, значительно увеличивают угол раствора звукового пучка, чтобы удерживать ее в «поле зрения».

Ученые до недавнего времени не знали, как этим млекопитающим удается управлять параметрами испускаемого звука в таком широком диапазоне. Ситуацию запутывало то, что сигнал создается специальным органом под названием звуковые губы, расположенным в носоглотке: они оказываются меньше длины волны производимого звука, что в теории должно чрезвычайно усложнять управление звуком. Также они должны испускать звук во все стороны, а не только в одну.

В новой работе Вэньу Цао из Пенсильванского университета и его коллеги провели компьютерную томографию трупу бесперой морской свиньи (Neophocaena phocaenoides), а также использовали ультразвук, чтобы определить скорость распространения волн в различных тканях головы. Оказалось, что звук направляют совместно полости с воздухом, кости черепа и жировая линза. Ученые создали модель головы морской свиньи из метаматериала, которая превращала всенаправленный звук в пучок с углом раствора в 13°.

Моделирование также показало, что изменение формы воздушных мешков и жировой линзы позволяет увеличивать угол до 20°. За это у животных отвечают специальные мышцы. Авторы отмечают, что, несмотря на исследование только одного вида морских млекопитающих, допустимо предположить, что другие виды, такие как дельфины, используют подобный механизм. Также исследователи считают изученную систему высокоэффективной, что пригодится при разработке миниатюрных подводных сонаров, а также в ультразвуковой медицине и других применениях ультразвука.