По "патенту" медузы

Познакомившись с метеопрогностическими способностями около ста различных видов-животных, а таких талантливых синоптиков биониками, биологами, физиологами и другими учеными уже выявлено более 600, теперь впору перейти к главной теме нашей книги - о практическом использовании добытых знаний в области биометеорологии для дальнейшего повышения точности и надежности прогнозирования погоды.

Из многочисленных видов животных, обладающих не известными нам механизмами для прогнозирования погоды, бионики в качестве первого объекта исследования избрали... медузу.

Почему именно это кишечнополостное животное, а не другое заинтересовало биоников? Этому способствовало два обстоятельства: запросы практики и "бог-случай".

"Неожиданно разразился шторм...". Как часто встречаем мы такую фразу на страницах газет, в описаниях морских экспедиций, путешествий. По данным мировой статистики, ежегодно в морях и океанах погибают тысячи людей. В большинстве своем это жертвы кораблекрушений, вызванных штормами и ураганами. Высота штормовых волн в океанах нередко достигает 11, а иногда даже 18 метров. Скорость распространения штормовых волн доходит до 60 и более километров в час. При этом развивается чудовищная энергия, против которой не могут устоять даже современные океанские корабли. Суда-громадины превращаются в груды искореженного металла, выбрасываются на скалы. В 1929 году во время жестокого шторма, бушевавшего в Северной Атлантике и в Северном море, одновременно потерпело аварию более 600 судов, затонуло много кораблей грузоподъемностью от 6 до 11 тысяч тонн. Еще более трагичным был 1964 год. Он побил все прошлые "рекорды" морских катастроф. Превзойден был даже 1929 год, прозванный моряками фатальным годом. По официальным данным, публикуемым международной организацией - "Ассоциацией ливерпульских страховщиков", в 1964 году только в Атлантическом и Тихом океанах, Средиземном и Северном морях погибло (не считая судов, потерпевших аварию) более 200 судов водоизмещением 460 тысяч тонн. Добычей Нептуна стали тысячи людей.

Остановить шторм или направить его по другому пути люди еще не умеют. Но обойти шторм стороной или заблаговременно укрыться в ближайшем порту, узнав о его приближении, можно. Но к сожалению, обычный морской барометр "чувствует" шторм лишь за два часа. Этого, конечно, мало даже для современного быстроходного лайнера. В более выгодном положении находятся многие морские животные. Они, как это давно заметили рыбаки и жители морских побережий, способны заблаговременно "угадывать" приближение шторма. Так, например, задолго до наступления ненастья, когда барометр стоит еще достаточно высоко и нет никаких внешних признаков, говорящих о скором ухудшении погоды, дельфины уплывают в укрытия за скалами, киты уходят подальше от опасных рифов и берегов в открытое море, а мелкие ракообразные, известные под названием "морские блохи", которые в хорошую погоду прыгают по гальке у самого уреза воды, перед приближением шторма выходят на берег. Ухудшение погоды, приближение шторма хорошо чувствуют акулы, многие морские птицы. Чайки беспокойно мечутся в воздухе и летят к берегу. Пингвины заранее ложатся на снег и вытягивают свои клювы в ту сторону, откуда должна прийти буря или метель.

Особенно надежными предвестниками штормовой погоды зарекомендовали себя древнейшие из многоклеточных животных планеты - медузы. Читателю, побывавшему на Черноморском побережье, вероятно, не раз доводилось видеть такую картину. Ярко светит солнце. В голубом небе ни облачка. Море чуть колышется под слабыми порывами ветра. Но странное дело - нигде не видно ни одной медузы, полупрозрачные зонтики которых еще несколько часов назад покачивались на волнах у самого берега.

- Будет шторм, - говорят в таких случаях старожилы и никогда не ошибаются. Не проходит и суток, как подгоняемые ветром водяные валы с грохотом обрушиваются на берег...

Что же это за "шестое чувство", обладающее поразительной способностью своевременно получать "штормовую информацию" и побуждающее животное заблаговременно принимать меры предосторожности? Какова связь между физическими процессами, происходящими в атмосфере и в толще морских глубин, и физиологическим восприятием живых организмов, обитающих в царстве Нептуна? Ведь человеку, чтобы предсказывать изменение погоды, приближение шторма, надо получить сведения о метеорологических условиях на обширной территории и по этой информации составить синоптическую карту, без анализа которой метеоролог не может предсказать изменения погоды. Что служит "синоптической картой" для морских птиц, рыб, млекопитающих и других морских организмов? Какие биомеханизмы, "приборы" заблаговременно и абсолютно точно предупреждают их о приближении шторма или бури? А нет ли у штормов каких-либо других предвестников, кроме изменения атмосферного давления?

Познать эту тайну природы - значит найти ключ к практическому решению одной из важнейших задач метеорологии - точному прогнозированию штормов, повышению безопасности судоходства.

Завесу над этой тайной удалось приоткрыть известному советскому ученому, крупнейшему специалисту в области физики моря, академику В. В. Шулейкину (1895-1979). Как это часто бывает, открытие было сделано неожиданно.

Однажды во время океанографической экспедиции в Северном Ледовитом океане на корабле "Таймыр", участником которой был Шулейкин, метеоролог экспедиции В. А. Березкин обратил внимание на очень интересное явление: производя аэрологические наблюдения, он, наполнив водородом шар-зонд и случайно приблизив его к уху, почувствовал в ухе острую колющую боль. Это ощущение достигало наибольшей силы, когда оболочка шара-зонда находилась на расстоянии около 1 сантиметра от уха, и пропадало при удалении на расстояние порядка 10 сантиметров.

Обнаруженный эффект очень заинтересовал В. В. Шулейкина, и, возвратившись из экспедиции в Москву, он несколько раз пытался воспроизвести в лабораторных условиях обнаруженный в открытом море эффект, но ...ожидаемого результата не получил. Через некоторое время, приехав на волновую станцию в Кацивели, Шулейкин повторил опыт. На сей раз удалось получить точно такой же эффект, как и в открытом море. Однако боль не ощущалась, когда шар наполняли не водородом, а воздухом, а также в тех случаях, когда между шаром и ухом находилась деревянная дощечка толщиной 1 см. Боль не ощущалась даже тогда, когда в центре дощечки было проделано отверстие диаметром порядка 1 мм. Из этого ученый заключил, что в данном случае имеет место не какое-то избыточное давление, ибо в этом случае оно распространилось оы через отверстие в дощечке, а добавочные колебания в воздухе, возникающие по соседству с оболочкой шара. Судя по болевому ощущению в ухе, амплитуда таких колебаний должна быть очень велика. В конце концов после ряда экспериментов В. В. Шулейкиным было установлено, что обнаруженные им колебания являются инфразвуковыми.

Появление инфразвуковых волн Шулейкин объяснил движением воздуха над гребнями и впадинами морских волн, в результате чего за гребнями образуются вихри, порождающие инфразвуковые волны. Выходя за пределы охваченного штормом района, эти инфразвуковые волны достигают района наблюдения. В поле этих инфразвуковых волн и попадает наполненный водородом шар, являющийся как бы инородной частицей в воздушной среде. Поскольку акустические константы водорода отличаются от акустических констант воздуха значительно больше, чем акустические константы любого другого газа, инфразвуковые колебания вызывают резонансные колебания оболочки шара, наполненного водородом значительно сильнее, чем если бы шар был наполнен другим газом. Естественно, что в тех случаях, когда шар был наполнен воздухом, никакого результата получить было невозможно. Поскольку обнаруженное явление - возникновение инфразвуковых колебаний. - присуще морю, Шулейкин дал ему поэтическое название "голос моря".

Для количественного измерения обнаруженных инфразвуковых колебаний Шулейкиным был спроектирован и построен специальный прибор. С его помощью было установлено, что "голос моря" представляет собой инфразвуковые колебания в диапазоне частот от 8 до 13 Гц. Несколько позднее теоретические расчеты, проведенные советским ученым Н. Н. Андреевым, показали, что при высоте волн 100 см и скорости ветра 3- 103 см/с образующиеся инфразвуковые колебания должны иметь частоту около 6 Гц, что близко к полученным Шулейкиным экспериментальным данным. С ростом скорости ветра и высоты волн интенсивность "голоса моря" резко возрастает (сила инфразвука, возникающего при обдувании ветром морских волн, пропорциональна квадрату высоты волн и квадрату скорости ветра). Распространяясь со скоростью 1200 км/час, инфра-звуковые колебания намного опережают движение породившего их урагана. Эти инфразвуковые колебания распространяются не только в воздухе, но и в воде и являются, как заключил академик А. Н. Крылов (1863-1945), тем "штормовым предупреждением", которое позволяет морским птицам, рыбам, морским млекопитающим, медузам и другим обитателям моря и прибрежной полосы заранее "предугадывать" приближение шторма.

Так ученые раскрыли одну из сокровенных тайн природы, которая спустя 30 лет натолкнула биоников на мысль заняться поиском во владениях Нептуна подходящей живой модели для создания остро необходимого морякам, точно и безотказно работающего автоматического предсказателя штормов.

Остановились, как было отмечено выше, на медузе, у которой обнаружили особый орган - "инфраухо", позволяющее животному улавливать не доступные человеку инфразвуковые колебания частотой 8-13 Гц, то есть ту самую "штормовую информацию", которую В. В. Шулейкин образно назвал голосом моря.

"Инфраухо" медузы - это ее орган равновесия. Он располагается на краю зонтика-колокола и представляет собой маленькие, величиной с булавочную головку, пузырьки-колбочки с содержащейся в них жидкостью. Такие пузырьки - статоцисты, или, как их еще называют, "слуховые колбочки", обычно висят на стебельке. Считают, что это видоизмененные щупальца зонтика медузы. Находящиеся внутри слуховых колбочек крохотные известковые шарики-статолиты могут передвигаться в жидкой студенистой массе. Обычно они располагаются в центре пузырька. При изменении положения медузы при колебаниях воды шарики соприкасаются со стенкой пузырька и раздражают находящиеся там нервные окончания. Это побуждает медузу совершать движения, обеспечивающие восстановление соответствующего положения... У некоторых медуз слуховые колбочки-статоцисты окружены длинными и тонкими чувствительными волосками. При волнении воды тело медузы наклоняется, но колбочки остаются висеть отвесно. При этом они касаются чувствительных волосков, и те передают раздражение через нервную систему к эпителиально-мышечным клеткам. Мускульные волокна сокращаются, и медуза вновь занимает нормальное положение.

Инфразвуковые колебания, возникающие в штормовом районе за сотни километров от местонахождения медуз, чутко улавливаются их органами равновесия. Медузы не очень хорошие пловцы. Почуяв приближение шторма, они стараются загодя, с большим запасом времени, уйти подальше от прибрежных вод, чтобы не погибнуть в прибойной зоне. Изучив принцип действия "инфрауха" медузы, сотрудники кафедры биофизики МГУ им. М. В. Ломоносова Б. Иванов, Л. Воробьев, Г. Новинский создали электронный аппарат - автоматический предсказатель бурь.

Аппарат, имитирующий орган слуха медузы (рис. 5), состоит из рупора (улавливающего колебания воздуха частотой около 10 Гц), резонатора (пропускающего именно эти частоты и отсеивающего случайные), пьезодатчика (превращающего пойманные сигналы в импульсы электрического тока), усилителя и измерительного прибора. Аппарат устанавливают на палубе корабля. Когда он включен, рупор медленно вращается, выискивая вокруг штормовые инфразвуки. При их обнаружении особое устройство, действующее по принципу обратной связи, тотчас же останавливает движение рупора, указывая, откуда надвигается шторм. На капитанском мостике находятся измерительный прибор и система указателей, оповещающих о наступлении шторма световым или звуковым сигналом.

Рис. 5. Структурная схема бионической системы - автоматического предсказателя бури (искусственное 'ухо медузы')

Испытания показали, что описанный сигнализатор бурь позволяет определять наступление шторма за 15 часов. Более того, он указывает даже мощность надвигающегося шторма.

Этот аппарат можно использовать не только на море, но и на суше, в частности в сельском хозяйстве, для предсказания губительных для посевов и садов бурь.