Мастера нелинейной математики?
Masters of nonlinear mathematics?

Дельфины полагаются на нелинейный метод анализа, чтобы «видеть» сквозь облака пузырей, создаваемые ими при ловле рыбы. Таково мнение ученых из Университета Саутгемптона в Великобритании. Они разработали схему нелинейной обработки гидроакустических сигналов, что позволяет им определить цели сквозь облака пузырей. Возможно, что дельфины могут использовать подобную методику, когда они охотятся, создавая сети из пузырей, дезориентируя свою добычу.

В отличие от твердых предметов, таких как морское дно или рыба, которые отражают звуковые сигналы линейно, как прямое эхо - пузыри отражают нелинейно. Это означает, что акустическое эхо от пузырьков содержит гармонические частоты в дополнение к основной частоте выходного сигнала, производя «беспорядок», который невероятно запутывает сонар. И что еще хуже, пузыри очень эффективно отражают звук.

«Пузыри - самые мощные естественные акустические объекты в воде», объясняет член исследовательской группы Тим Лейтон (Timothy Leighton). «Когда вы посылаете звук на них, они будут переизлучать звук, как и любой инструмент - если вы кричите на гитару, то ее струны будут звучать вам в ответ».

Ослепленный пузырями

Учитывая это, Лейтон был ошеломлен, увидев документальный фильм про дикую природу, где дельфины специально выдувают сети пузырьков при ловле рыбы. «Гидролокатор дельфинов никак не сможет пробиться через эти пузыри, они как бы делают туман во время охоты и ослеплены своим собственным ультразвуком», говорит он. «Если у них нет чего-то невероятно хорошего в их гидролокаторах, что мы не обнаружили пока».

Считается, что в сравнении с искусственным эхолотом, гидролокатор дельфина является довольно посредственным с точки зрения охватываемых частот и мощности излучения. Ловкость и скорость дельфинов в воде дает им преимущество, позволяющее им отправлять сигналы по множеству различных направлений и таким образом увидеть ситуацию в 3D, но, несмотря на это, проблема пузырей остается.

«У них есть эти огромные мозги, и они живут в океанах 10 миллионов лет, где всегда есть пузырьковый беспорядок. Почему бы не они разработали способ навигации в нем?», вопрошает Лейтон.

Математические умы

Вдохновленный дельфинами, Лейтон провел последние десять лет в попытках разработать схему сонара, который может пробивать облако пузырей. Его последняя идея сосредоточена на изменении амплитуды между последовательными щелкающими звуками дельфинов, которые, как известно, они издают при эхолокации.

Если дельфин посылает два последовательных щелчка, причем амплитуда второго составляет 1/3 от амплитуды первого сигнала, то рыба отразит прямым эхо эти звуки, в то время как пузырь в основном вернет звуки второй гармоники с определенной амплитудой. Например, если исходные щелчки отправляются с амплитудами 1 и 1/3, соответственно, то от рыбы вернутся звуки с амплитудой 1 и 1/3, а от пузырей вернутся звуки с амплитудой 1 и 1/9.

В схеме Лейтона, процессор гидролокатора (или дельфин) умножает второй вернувшийся сигнал на 3, а затем выбирает - добавить или вычесть его из амплитуды первого вернувшегося сигнала. В сумме, линейное эхо от рыбы усиливается, а при вычитании нелинейное эхо немного подавляется, но линейное эхо от рыбы исчезает. Сравнение этих двух картин позволяет различать рыбу и пузыри.

Когда Лейтон и его коллеги проверили эту теорию в 200-тонном баке с водой, с гидролокатором, излучающим сигналы подобные дельфиньим, они обнаружили, что, действительно можно «видеть» цели в облаке пузырьков. Хотя это ничего не доказывает о тактике, используемой дельфинами, это показывает лишь, что возможно дельфины своими импульсами видят сквозь облака пузырей.

В обход поведения

Но возможно ли, чтобы мозг дельфинов распознавал, что пузыри и рыбы рассеивают звук по-разному, и то, что они подсознательно складывают и вычитают эхо для различения цели от пузырьков? Саймон Ингрэм (Simon Ingram), биолог, изучающий дельфинов, из Университета морского института Плимута в Великобритании, удивляется, что подводные акустики, возможно, пропустили такую биологическую особенность.

«Нам нужно уменьшить масштаб и думать о том, что стоит за биологией этого явления. Дельфины разбрасывают пузырьки вокруг косяка рыбы, чтобы еще более уплотнить его», говорит он. «Зачем им необходимо видеть отдельных рыб внутри этого пузырькового занавеса?»

Как только сеть создана, по его мнению, дельфины могли бы пробить ее на скорости и схватить свою добычу с помощью эхолокации, когда они окажутся внутри нее.

Необходимы полевые наблюдения

Эксперт по гидролокаторам Хью Гриффитс (Hugh Griffiths) из Университетского колледжа Лондона говорит, что работа вызвала в нем «огромный восторг» и он называет ее «очень новаторской».

«Я думаю, вам нужно будет сделать немного больше работы, прежде чем вы могли бы с уверенностью сказать, что дельфины используют это, что и уже правдоподобно», говорит он. Вместе с Ингрэмом и группой из Саутгемптона, он соглашается, что полевые наблюдения являются следующим шагом и либо добавят вес теории, либо исключат ее.

Если в записи звуков диких дельфинов будет обнаружено снижение частоты их звука при использовании стратегии пузырьковой сети для охоты - в частности, по крайней мере вдвое меньше, чем их верхний предел слуха - это было бы сильным свидетельством того, что они могут использовать нелинейную обработку. Но даже тогда, говорит Лейтон, окончательный ответ может оказаться иллюзорным.

«Чрезвычайно трудно разобраться, как обрабатывают сигналы существа, такие как дельфин. Контролировать действия 200 дельфинов, выдувающих пузырьковую сеть, щелкающих зубами в дикой природе и не вмешиваясь в это, проводя измерения - можете представить, что это почти невозможно сделать».

Работа опубликована в Proceedings of the Royal Society A .

Об авторе: Шерри Перкинс (Ceri Perkins), Швейцария.

Перевод: Олег Кириллов