Porozumiewanie się organizmów. Kanały komunikacyjne. Kanał dźwiękowy

Porozumiewanie się organizmów. Kanały komunikacyjne. Kanał dźwiękowy

Porozumiewanie się za pomocą dźwięku jest typowe dla wielu kręgowców i stawonogów. Wśród stawonogów komunikacja dźwiękowa rozwinęła się jedynie u skorupiaków należących do dziesięcionogów (Decapoda), niektórych owadów (prostoskrzydłe i cykady, niektóre błonkówki, muchówki, chrząszcze, mszyce, pluskwiaki i motyle) , pajęczaków i wijów. Spośród kręgowców, najbardziej uzdolnione wokalnie są niewątpliwie płazy bezogonowe , ptaki i ssaki. Jednakże większość ryb, wszystkie salamandry i większość gadów (z wyjątkiem gekonów, żółwi olbrzymich, krokodyli i prawdopodobnie dinozaurów) pozostaje niema i głucha.

Komunikacja dźwiękowa zawsze związana jest z wydawaniem dźwięku, a więc procesem, który składa się z produkcji wibracji, modyfikowania wibracji w celu dopasowania ich do pełnienia określonych funkcji biologicznych i wprowadzenia zmodyfikowanych drgań do medium, poprzez które dźwięk zostanie przeniesiony.

Jednym z powodów, dla których niektóre zwierzęta nie porozumiewają się za pomocą dźwięków są problemy z wytworzeniem wibracji i przeniesieniem ich do odpowiedniego medium. W trakcie ewolucji problem wytwarzania drgań został rozwiązany na pięć podstawowych sposobów:

• drgania membran bądź woreczków w wyniku ruchu mięśni;

• stridulacji (pocieranie jednej części ciała o inną), której przykładem jest głos wydawany przez pasikonika Metrioptera bicolor ;

• wymuszanie przepływu medium (powietrza lub wody) przez mały otwór;

• drgania różnego rodzaju wyrostków napędzanych siłą mięśni;

• uderzanie w podłoże lub twarde przedmioty.

Fale dźwiękowe generowane za pomocą wymienionych sposobów najczęściej mają złożony charakter i odznaczają się zależnym od rodzaju powstania sposobem rozprzestrzeniania się wokół miejsca wytworzenia. Jako medium przenoszące dźwięki zwierzęta wykorzystują zarówno powietrze (ptaki, większość ssaków), jak również wodę (walenie, delfiny, skorupiaki) czy ciała stałe (niektóre owady uderzają częścią lub całym ciałem w źdźbła traw lub gałązki, poprzez które sygnał dźwiękowy przenosi się do innych osobników).

Ponieważ każde z tych mediów charakteryzuje się innymi właściwościami, odmienne są też cechy i ograniczenia komunikacji dźwiękowej zwierząt lądowych i wodnych. Wspólną cechą jest to, że wraz z oddalaniem się od miejsca produkcji fala dźwiękowa słabnie, stając się po przebyciu pewnej odległości nieodróżnialna od szumu tła. W domenie częstotliwości wraz z odległością sygnał traci nieproporcjonalnie więcej energii w wysokich częstotliwościach wskutek absorbowania fal przez medium i rozpraszanie ich na różnego rodzaju przeszkodach (np. liściach i gałęziach w lesie, czy zawirowaniach powietrza w terenie otwartym). Wygasanie sygnału jest wyższe w powietrzu niż w wodzie, a najwyższe w ciałach stałych. Ponieważ różne częstotliwości w odmienny sposób są przenoszone przez medium, zwierzęta często zmuszone są do wydawania sygnałów o określonych właściwościach, jeśli chcą, by miały one szansę na przebycie większego dystansu. Dzięki takim czynnikom jak: gradient temperatury, zmienna gęstość medium, prędkość i kierunek wiatru i prądów wodnych, dźwięki ulegają zniekształceniom i odbiciom. Jednocześnie w każdym środowisku i w każdych warunkach istnieją swego rodzaju kanały akustyczne, będące przedziałami częstotliwości, które najlepiej przenoszą się przez medium. Kanały akustyczne związane są często nie tylko z produkowaniem dźwięków o określonej częstotliwości, ale również o charakterystycznej modulacji sygnału w czasie (np. w środowiskach gęstych lepiej jest nadawać sygnały, których częstotliwość jest możliwie słabo modulowana w czasie), czy wydawanie ich z określonych miejsc (np. śpiewanie przez ptaki z wysoko położonych miejsc), czy o określonym czasie (ptaki najintensywniej śpiewają o świcie i o zmierzchu, kiedy warunki atmosferyczne sprzyjają rozprzestrzenianiu się dźwięków).

Sygnały dźwiękowe optymalizowane do komunikacji dalekiego zasięgu w powietrzu mają możliwie niskie częstotliwości. Istotnym ograniczeniem jest tu wielkość ciała samego gatunku, bowiem od wielkości narządów produkujących wibracje zależy w dużej mierze długość, a tym samym i częstotliwość wydawanych dźwięków.

Nieodłącznym elementem komunikacji jest oczywiście również odbiorca, który musi być odpowiednio przystosowany do przyjęcia sygnału i przetworzenia go na „język” zrozumiały dla własnego systemu nerwowego. Idealny odbiorca powinien słyszeć dźwięki z możliwie szerokiego pasma częstotliwości i amplitudy. Powinien również dysponować wysoką rozdzielczością rozpoznawania częstotliwości, amplitudy, zmian sygnału w czasie, czasu trwania nadawania oraz dokładnie lokalizować źródło dźwięku (kąty padania w pionie jak i poziomie) i odległość do niego. Oczywiście nie jest możliwe optymalizowanie wszystkich tych cech równocześnie. Na przykład żaby słyszą w paśmie ograniczonym zaledwie do ok. 4 kHz, ptaki do 10–12 kHz, niektóre ssaki słyszą nawet pasmo szerokości do 150 kHz. Człowiek ma pod tym względem możliwości raczej przeciętne, słyszy bowiem dźwięki w zakresie od ok. 16 Hz do 20 kHz. Jednakże nie jest równie czuły w całym zakresie i najlepiej odbiera dźwięki o częstotliwości do 5–6 kHz. Ponadto wraz z wiekiem pasmo to znacznie się ogranicza. Zazwyczaj zwierzęta dość dokładnie rozróżniają częstotliwości w dostępnym dla siebie zasięgu — ptaki rozróżniają 1–2% różnic w częstotliwościach, ssaki nawet rzędu 0,2%. Poszczególne dźwięki muszą być rozdzielone ciszą trwającą przynajmniej 2 milisekundy, by zarówno ptaki jak i ssaki mogły odebrać je jako oddzielne wydarzenia w czasie. Pod względem rozdzielczości czasowej sygnału dźwiękowego ptaki są o wiele lepsze od człowieka. Mogą wykrywać modulacje amplitudy trwające zaledwie 1,2 milisekundy, podczas gdy my zaczynamy wykrywać fakt modulowania amplitudy dźwięku dopiero wtedy, gdy są one dłuższe od 5,9 milisekundy. To dlatego trudno nam czasami nauczyć się rozróżniania niektórych gatunków, bądź kategorii głosów nadawanych przez ptaki. Ssaki są nieco bardziej czułe w swoich częstotliwościach niż ptaki. I chociaż są gatunki, które wykrywają sygnały o amplitudzie rzędu 15 dB SPL, to próg słyszalności większości z nich waha się między 5 a 15 dB SPL. Warto tu wyjaśnić, że dB SPL (SPL — sound preassure level) oznacza relatywną amplitudę sygnału dźwiękowego i jest to logarytm stosunku ciśnienia mierzonego do najmniejszego ciśnienia dźwięku o częstotliwości 1 kHz wykrywalnego przez ucho przeciętnego człowieka. Choć w pierwszym zetknięciu się z tą definicją pojęcie to może wydawać się trudne, w rzeczywistości bardzo ułatwia ono opisywanie i rozumienie „głośności” dźwięków. Człowiek dźwięki o głośności od 0 do 30 dB SPL, odbiera jako bardzo ciche (normalna rozmowa słyszana z odległości metra ma 60 dB SPL), a dźwięki o natężeniu 120–130 dB SPL są już na progu słyszenia bolesnego. Typowe ssaki mają próg słyszalności w okolicach 0 dB SPL, ale niektóre nawet 20 dB SPL. Zarówno ssaki, jak i ptaki wykrywają, że sygnały mają odmienną amplitudę, jeśli różnica między dwoma dźwiękami wynosi 1–4 dB. Człowiek wykrywa już różnicę rzędu 1 dB, podczas gdy większość ptaków potrzebuje aż 2–3 dB. Lokalizowanie źródła dźwięku jest dość zróżnicowane. Zwierzęta wyspecjalizowane w polowaniu z użyciem słuchu, jak np. sowy, walenie, nietoperze lokalizują z dokładnością 1°–2°, tymczasem ptaki śpiewające dysponują dokładnością rzędu zaledwie 20°–30°.

Narządy wykrywające dźwięki podzielić można na działające na zasadzie wykrywania ruchu molekuł w polu bliskim (a więc bardzo blisko źródła dźwięku, gdzie fala dźwiękowa powoduje nie tylko różnice ciśnienia, ale również mierzalny ruch cząsteczek), na zasadzie wykrywania różnic w ciśnieniu zewnętrznym (na które oddziałuje dźwięk) i wewnętrznym (membrany zwanej tympanum) oraz wykrywania różnic w ciśnieniu na błonie, której obie strony wystawione są na działanie dźwięku. Tak pozyskany sygnał przetwarzany jest następnie na impulsy elektryczne, analizowane przez wyspecjalizowane części centralnego układu nerwowego.

Tomasz S. Osiejuk