captcha image

Hasło zostanie wysłane na twojego e-maila.

Prezentujemy fragment fascynującej książki napisanej przez Matina Durraniego i Liz Kalaugher. Kudłata nauka nas zachwyciła już samym wstępem i trzymała tak aż do końca. Dużo humoru, ale przede wszystkim mnóstwo wiedzy. Dowiedzie się, co Newton ma wspólnego z komarem w czasie deszczu, w jaki sposób japońska pszczoła zabija wroga ciepłem, albo dlaczego węże udają wężyce, a ssaki sikają 21 sekund. A może ciekawi was po co reniferom światło ultrafioletowe przy poszukiwaniu jedzenia? Mnóstwo zwierzęcych sztuczek wykorzystujących naukę.

Więcej nic już nie napiszemy, żeby nie psuć wam zabawy. Zapraszamy do konkursu na Facebooku i do lektury wybranych dla Was przez wydawnictwo Znak fragmentów. 

Crazy Nauka

Czy ziemia drży?

Jest lipiec 2013 roku, znajdujemy się w Parku Narodowym Etosza w Namibii. To pora sucha i wokół licznych wodopojów, rozsianych w tym rejonie sawanny, roi się od zwierząt. Niemniej jedno słoniątko z gatunku słonia afrykańskiego (Loxodonta africana) czuje się wyraźnie bardziej osamotnione, niż miałoby na to ochotę. Niedawno dwa młode słonie zaatakowały jego grupę rodzinną i przestraszony malec w panice stracił kontakt ze swoim stadem. Teraz krąży tam i z powrotem w pyle pustyni, wypatrując matki. Nagle zastyga, po czym unosi najpierw przednią, a potem tylną nogę wysoko w powietrze.

To smutna scena, jednak malec nie był całkiem osamotniony. Jego poczynania obserwowała Caitlin O’Connell z Uniwersytetu Stanforda w USA, która większość życia poświęciła badaniu słoni. Tego dnia po raz pierwszy widziała, jak małe słoniątko, naśladując dorosłych, robi to, co robią słonie, kiedy są w kłopocie. Dorosłe słonie przenoszą ciężar ciała na trzy nogi, unosząc jedną stopę tuż nad ziemią, w bardziej powściągliwej wersji gestu malca wymachującego nogami. Niektóre filmy nakręcone przez Caitlin O’Connell sprawiają wrażenie komediowych popisów – dorosłe słonie zachowują się, jak gdyby zastygały podczas tańca, z jedną nogą elegancko uniesioną do góry, jakby pozując do zdjęcia. Ale to nie jest zabawa. Słonie unoszą nogę do góry, żeby zdobyć więcej informacji na temat otoczenia. Jeśli wyczuwają niebezpieczeństwo, stado skupia się razem, chroniąc młode zgromadzone w środku i osłonięte przez masywne ciała dorosłych osobników, które stoją z uniesionymi głowami i szeroko rozstawionymi uszami. Dorosły samiec słonia afrykańskiego waży do 6000 kg, dwa razy więcej niż samica, i może mieć w kłębie cztery metry wysokości, będąc największym zwierzęciem, jakie żyje na lądzie.

Słoniątko, które zgubiło swoje stado, niestety nie mogło liczyć na taką ochronę. Do jego dalszych losów wrócimy później. Ale dlaczego malec unosił jedną nogę, kiedy poczuł się porzucony? I co to ma wspólnego z fizyką fal dźwiękowych?

Caitlin O’Connell zainteresowała się subtelnymi sposobami porozumiewania się zwierząt, gdy jako studentka, na początku lat dziewięćdziesiątych badała zachowania owadów. Swoją fascynację przeniosła z owadów na słonie, gdy po przyjeździe do Afryki zaczęła pracować jako wolontariuszka w parkach narodowych i zdobyła trzyletni grant z międzynarodowych funduszy, jakie rząd Namibii otrzymał na badania nad zachowaniami słoni. Okazało się nawet, że na jej korzyść przemawiała wiedza, jaką zdobyła na temat owadów. „Spodobało im się, że mam doświadczenie w zakresie ochrony przyrody i zwalczania szkodników” – wspomina badaczka. Jej zwierzchnicy mieli nadzieję, że przyczyni się ona do złagodzenia problemów miejscowych rolników ze słoniami. „Z mojej strony to była oczywista decyzja – mówi Caitlin O’Connell o swoim postanowieniu, żeby się zaangażować w ten projekt. – Słonie po prostu wpadły mi w ramiona”. W 1992 roku badaczka wyruszyła w busz wyposażona w dobrej jakości magnetofon, mikrofon i kamerę wideo. Od tego czasu jest zakochana w słoniach.

Telegraf w buszu

Słonie robią mnóstwo hałasu: trąbią, ryczą, wyją i pomrukują. Niektóre składowe ich nawoływań są bardzo niskie, o częstotliwości około 20 Hz, a tym samym lokują się w zakresie infradźwięków niesłyszalnych dla naszego ucha. Poza tym słonie są głośne, ale możemy jedynie określić liczbowo siłę ich głosu w decybelach, jeśli porównamy uzyskane pomiary wydawanych przez nie dźwięków z innymi dźwiękami. Decybel (dB) – nazwany na cześć szkockiego wynalazcy telefonu Alexandra Grahama Bella (1847–1922) – to skomplikowana jednostka. Jest miarą średniego ciśnienia fali dźwiękowej w stosunku do ciśnienia, jakie przyjmujemy za punkt odniesienia; zwykle to 20 mikropaskali – najcichszy dźwięk, jaki może usłyszeć ludzkie ucho, z grubsza odpowiednik bzyczenia komara lecącego w odległości 3 metrów. Aby ocenić głośność jakiegoś dźwięku, dzielimy jego przeciętne ciśnienie przez 20 mikropaskali, wyciągamy dziesiętny logarytm z odpowiedzi i mnożymy przez 20. Otrzymana jednostka to decybel dB SPL (od sound pressure level, poziom ciśnienia akustycznego). Tak jak powiedzieliśmy, to skomplikowane. Wróćmy więc do słoni.

Ich nawoływania mają około 120 dB, czyli trochę mniej niż 130 dB siły krzyku niektórych nietoperzy, ale mniej więcej tyle samo co ryk, jaki wydaje stojący metr od nas kibic piłkarski dmący w wuwuzelę. Trąbienie słoni rozchodzi się w powietrzu, dzięki czemu mogą je słyszeć inne słonie swoimi wielkimi uszami à la Dumbo. Jeśli ryk słonia obejmuje niższe częstotliwości (około 20 Hz), ten dźwięk przenika też przez ziemię. Przypuszczalnie nie wynika to ze szczególnej strategii słoni; ich ryk jest tak głośny, że po prostu jego energia musi znaleźć jakieś ujście. Podobnie jak saharyjska żmija rogata słoń wyczuwa sejsmiczne komponenty fali dźwiękowej, choć nie jesteśmy całkiem pewni, w jaki sposób to robi. Ta sama umiejętność cechuje także niektóre gady, owady i niewielkie ssaki, takie jak ślepiec (Spalax), piaskogrzeb przylądkowy, inaczej kretoszczur (Georychus capensis), czy szczuroskoczek (Dipodomys). Żyjąca na północy mirunga północna (Mirounga angustrirostris), czyli słoń morski, to jedyny inny duży ssak, o którym wiemy, że potrafi wyczuwać fale sejsmiczne. Samiec mirungi – zwykle trzy razy cięższy niż samica – uderza z wielką siłą swoim ciałem o ziemię, wysyłając sejsmiczne komunikaty mówiące: Patrz, jaki jestem ogromny, lepiej ze mną nie zadzieraj, aby w ten sposób zniechęcić inne samce do wdzierania się na swoje terytorium.

Caitlin O’Connell sądzi, że dorosłe słonie zbijają się w stadko, kiedy wyczuwają sejsmiczną część alarmu wysyłanego przez jakiegoś oddalonego od nich słonia, który zauważył jakieś zagrożenie, na przykład polującego lwa. Przypuszczalnie słoń nadający komunikat jest znany członkom grupy; w badaniach Caitlin O’Connell słonie reagowały silniej na dźwięki emitowane przez zwierzęta, z którymi miały kontakt wcześniej. Fale sejsmiczne pomagają także słoniom w śledzeniu ruchów innych słoni, a nawet informują je o nastroju zbliżającej się grupy, w zależności od tego, czy jej członkowie idą czy biegną. Poza tym, ze względu na swój specyficzny krok, „podpis stopy”, który różni je od innych zwierząt, słonie wiedzą, czy w pobliżu przechodzi antylopa. Być może potrafią nawet wyczuwać nadciągające trzęsienie ziemi – więcej na ten temat dowiemy się później.

Słuchać, słuchać

Jak one to robią? Badacze nie są całkiem pewni. Słoń afrykański z pewnością wyczuwa sejsmiczne fale dźwiękowe za pośrednictwem poduszek gęstego tłuszczu, jakie ma w stopach. Poza tym zapewne wychwytuje wibracje albo uszami albo receptorami ciśnienia. Możliwe nawet, że stosuje obie techniki – specjaliści wciąż nie wydali ostatecznego werdyktu w tej sprawie. Jeśli słoń wykorzystuje uszy do wyłapywania fal sejsmicznych za pomocą słuchu kostnego, mogłoby to wyjaśnić, dlaczego zastyga pochylony do przodu i przenosi ciężar ciała na przednie stopy, mocno przyciskając je do ziemi. W takiej postawie jego nogi znajdują się bezpośrednio pod głową i przekazują sejsmiczne wibracje ze stóp, przez kości nóg, do uszu, gdzie wprawiają w drżenie kostki ucha środkowego – młoteczek, kowadełko i strzemiączko.

Druga – a może dodatkowa – metoda, pomagająca słoniom w odbieraniu fal sejsmicznych, wiedzie przez znajdujące się z przodu i z tyłu jego stóp receptory, które wychwytują niewielkie zmiany ciśnienia i wysyłają sygnały nerwowe do mózgu. Wykorzystanie przez słonia tych receptorów – noszących nazwę ciałka Vatera-Paciniego (inaczej ciałka blaszkowatego) na cześć włoskiego anatoma Filippa Paciniego (1812–1883), który odkrył, że znajdują się w ludzkiej skórze – może wyjaśnić, dlaczego „nasłuchuje” sygnałów sejsmicznych pochylony do przodu, na palcach, albo kołysze się do tyłu, aby stanąć na piętach. „Zawsze tak robią, zanim pojawi się inna grupa rodzinna słoni, czy nawet jakiś pojazd” – wyjaśnia Caitlin O’Connell. Niewykluczone, że słonie wyczuwają drżenie ziemi także czubkiem trąby, gdzie również znajdują się ciałka Vatera-Paciniego.

Użycie każdej z tych metod wykrywania drgań – za pomocą uszu albo ciałek blaszkowatych – wyjaśnia, dlaczego słonie pochylają się do przodu. Ale dlaczego odrywają nogę od ziemi? Wydaje się, że to dziwne posuniecie w przypadku słonia „nasłuchującego”, czy nie grozi mu jakieś niebezpieczeństwo. Jeśli odbierasz fale sejsmiczne stopami, z pewnością ma sens postawienie wszystkich czterech mocno na ziemi? Jednak według Caitlin O’Connell uniesienie jednej stopy powoduje, że ciężar ciała słonia rozkłada się na pozostałe, nacisk na nie jest większy i lepiej wychwytują one drżenie ziemi. W dodatku, używając trzech nóg zamiast czterech, słoń może łatwiej zorientować się, skąd dochodzi dźwięk, a to dzięki zastosowaniu triangulacji – innej metody, do której wrócimy później.

Wysokie i niskie

Słonie wykorzystują komunikację sejsmiczną, „ponieważ mają taką możliwość”, jak mówi Caitlin O’Connell. „Sygnał biegnie w ziemi, jest dostępny i potrafią go wykryć”. Transmisja sejsmiczna jest niezwykle użyteczna, gdy jest wietrznie albo gdy zwierzęta znajdują się w lesie, w obu przypadkach bowiem dźwięki rozchodzące się w powietrzu mogą ulec gwałtownemu zakłóceniu. Ale jest jeszcze jeden powód wyjaśniający, dlaczego fale sejsmiczne są takie użyteczne.

Jak wspominaliśmy przy okazji pawi i nietoperzy, dźwięki rozchodzące się powietrzu rozprzestrzeniają się w trzech wymiarach i tracą mniej więcej około 6 dB z każdym podwojeniem się odległości od źródła. Dla odmiany dźwięk rozchodzący się w ziemi rozprzestrzenia się głównie jako fala Rayleigha, która rozchodzi się bardziej powierzchniowo (w dwu wymiarach) i słabnie zaledwie o 3 dB z każdym podwojeniem się odległości od źródła. Innymi słowy, dźwięk podróżujący w ziemi, zanim całkowicie osłabnie, dociera dalej, niż wtedy gdy w rozchodzi się w powietrzu. Fale sejsmiczne dają zatem słoniom ważne informacje na temat wydarzeń zachodzących w większej odległości, informacje, które mogłyby do nich nie dotrzeć, gdyby ograniczały się do odbierania jedynie dźwięków rozchodzących się w powietrzu.

Podobnie jak saharyjska żmija rogata, która także wyczuwa fale sejsmiczne, słoń musi jednak przede wszystkim wiedzieć, skąd dobiega odebrany sygnał. I właśnie w tym punkcie daje o sobie znać przewaga, jaką daje możliwość skorzystania z obu metod. Albowiem to, że dźwięk rozchodzący się w ziemi dociera dalej niż w powietrzu, nie oznacza, że rozchodzi się szybciej. Jego prędkość zależy od miejscowych warunków. W Parku Narodowym Etosza, gdzie gleby są głównie piaszczyste, ślimaczy się w tempie 240 m/s, czyli mniej więcej jedną trzecią wolnej niż w powietrzu, gdzie biegnie z prędkością 343 m/s (dokładna wartość zależy od temperatury i wilgotności powietrza). A zatem dźwięk wychodzący z tego samego źródła dociera do słonia w dwu różnych momentach, w zależności od drogi, jaką zmierza – najpierw sygnał wędrujący drogą prawdziwie królewską (przez powietrze), nieco później bardziej wyboistą (w ziemi). I dokładnie tak samo jak upływ czasu między pojawieniem się błyskawicy na niebie a odgłosem gromu mówi nam, jak daleko znajduje się burza, czasowy dystans między dźwiękami odbieranymi z powietrza a sygnałami docierającymi z ziemi pozwala słoniowi zorientować się, jaką odległość pokonał dźwięk.

Po za tym słonie potrafią jeszcze dokładniej zorientować się, skąd dobiega dźwięk, za pomocą triangulacji. Żeglarze posługiwali się tą geometryczną sztuczką przez stulecia, aby oszacować odległość, jaka dzieli ich od innych statków, gór albo brzegu, ale niewykluczone, że słonie wpadły na to pierwsze. Ponieważ uszy słonia oraz źródło dźwięku stanowią trzy punkty bardzo długiego, wąskiego trójkąta, aby ocenić skąd dochodzi dźwięk, zwierzę musi jedynie wyczuć dokładny kąt, pod jakim fale dźwiękowe docierają do każdego z jego uszu przez powietrze. Znając dwa kąty i rozstaw swoich uszu (około pół metra), słoń może ocenić, z jakiego kierunku i z jakiej odległości dotarł do niego dany sygnał. Ale i w tym przypadku fale sejsmiczne mogą okazać się bardziej użyteczne niż dźwięki rozchodzące się w powietrzu. Ponieważ tylne i przednie nogi słonia dzieli około 2,5 metra – a więc odległość pięć razy większa niż rozstaw jego uszu – umiejętność wykrywania dźwięku stopami wyposaża zwierzę w bardziej precyzyjne narzędzie triangulacyjne do oceny położenia jego źródła.

Dźwięk rozchodzący się pod ziemią daje jeszcze jedną korzyść. Ponieważ nogi słonia są szeroko rozstawione, fala sejsmiczna najprawdopodobniej dociera do jego prawej przedniej stopy w innej fazie, niż trafia do lewej. Faza mówi nam o tym, w jakim miejscu swojego cyklu wysokiego i niskiego ciśnienia znajduje się fala dźwiękowa. Jeśli fale docierające do obu nóg nie są w tej samej fazie, jedna stopa poczuje niskie ciśnienie, podczas gdy druga poczuje wysokie. Różnica w fazie jest niewielka, ale słoń ma większą szansę ją wykryć w przypadku fal sejsmicznych niż fal rozchodzących się w powietrzu, które docierają do jego uszu. Fala dźwiękowa o częstotliwości 20 Hz, podróżująca w Parku Narodowym Etosza w powietrzu z prędkością 340 m/s, ma długość 17 metrów (prędkość równa się częstotliwość razy długość fali), ale w ziemi, gdzie dźwięk rozchodzi się wolniej, długość fali wynosi zaledwie 12 metrów. Fale, które ze względu na mniejszą długość mają za sobą więcej cyklów, będą w sposób bardziej uchwytny niezsynchronizowane, co pomaga słoniowi zlokalizować ich źródło. W dodatku, jeśli słoń wykorzystuje stopy, ma do dyspozycji do czerech receptorów, a nawet pięć, jeśli doliczyć trąbę, a nie jedynie dwa. Modyfikując nieco sławne zdanie z Folwarku zwierzęcego Orwella, można by powiedzieć: „Cztery nogi dobrze, dwoje uszu źle”.

Chociaż potencjalnie te zdolności słoni do lokalizowania źródła dźwięków mogłyby pomóc w sprowadzeniu zagubionego słoniątka (które zauważyła Caitlin O’Connell) na łono rodzinnego stada, jednak tak się nie stało. Niemniej wszystko skończyło się dobrze. Słonie to zwierzęta społeczne, więc inna grupa starszych, nie spokrewnionych z nim samców zaczekała w pobliżu, dopóki malec nie wydał głośnego ryku. Wtedy wróciła jego rodzina, przypuszczalnie wychwytując jego wołanie dobiegające w powietrzu.

Słyszy się czasem, że dzięki umiejętności wykrywania fal sejsmicznych słonie potrafią wcześnie wyczuwać nadchodzące trzęsienie ziemi. Jednak dowody zgromadzone przy okazji straszliwego trzęsienia ziemi i tsunami na Ocenie Indyjskim z 2004 roku nie są jednoznaczne. Krąży wiele opowieści o słoniach azjatyckich, które przed uderzeniem tsunami zmierzały w stronę wyżej położonych terenów i ratowały w ten sposób życie turystów, niosąc ich na swoim grzbiecie. Niemniej, jak opowiada Caitlin O’Connell, jedyne naukowe dowody, jakimi dysponujemy, dotyczą grupy słoni na Sri Lance, które przypadkiem były wyposażone w obroże nadające sygnał satelitarny. Ale te zwierzęta nie zareagowały. „Niektóre anegdoty pasują do tego, czego moglibyśmy się spodziewać” – mówi, mając na myśli opowieści o słoniach, które zareagowały na ruchy ziemi jakąś godzinę przed uderzeniem zabójczej fali. Badaczka jest przekonana, że przypuszczalnie szelf kontynentalny w oceanie zatrzymał wibracje trzęsienia ziemi i dlatego nie dotarły one do grupy na Sri Lance. „Anegdoty mają wielką moc, jeśli można oprzeć na nich dane statystyczne” – dodaje Caitlin O’Connell.

Parki i rekreacja

Umiejętność słoni używania fal sejsmicznych do komunikowania się działa tak skutecznie, że wykorzystujemy je do odnajdowania zbłąkanych osobników i bezpiecznego sprowadzania ich do rezerwatów. Samce słonia potrafią zawędrować bardzo daleko w poszukiwaniu samicy gotowej do rozrodu. To sytuacja, w której czas naprawdę się liczy, ponieważ u samicy słoni jajeczka są dojrzałe do zapłodnienia jedynie przez cztery do pięciu dni i to zaledwie co cztery do sześciu lat. A zatem samce w swoich wędrówkach wyprawiają się daleko od bezpiecznych terenów parków narodowych, narażając się na niebezpieczne spotkania z ludźmi zamieszkującymi sąsiednie tereny. Strażnicy parków zwykle zaganiają zagubione słonie za pomocą helikopterów albo strzałów z broni palnej oddawanych w powietrze. Jednak równie skuteczną metodą zwabiania słoniowych romeów z powrotem w bezpieczne rejony okazuje się nadawanie zagubionym samcom głośnych sygnałów z nagranych wcześniej nawoływań samic gotowych do kopulacji – te dźwięki zawierają komponentę zarówno fal rozchodzących się w powietrzu, jak i sejsmicznych. „Im szybciej się je zawróci, tym lepiej” mówi Caitlin O’Connell. Na filmach zamieszczonych na internetowej stronie badaczki, Utopia Scientific, można zauważyć pewne podobieństwo odtwarzanych w przyspieszonym tempie gestów słonia przysłuchującego się głosowi samicy i filmowego chodu Charliego Chaplina wyposażonego w laseczkę i za duże buty.

Piękno pomysłu, żeby wykorzystać także sejsmiczne składniki nawoływań samic oprócz fal rozchodzących się w powietrzu, polega na tym, że w ten sposób można zwabić samce z większej odległości – nawet kilku kilometrów, a nie zaledwie pięciuset metrów, jak to się dzieje w przypadku nagrań słyszalnych dla ludzkiego ucha. Jeśli strażnicy stopniowo przesuwają źródło dźwięku z powrotem w stronę parku narodowego, zachowując odpowiednią odległość od słonia, mogą sprowadzić samca na miejsce bez narażania się na niebezpieczeństwo. W dodatku, wykrywając fale sejsmiczne powstające podczas marszu tych zwierząt, pracownicy parków zajmujący się ochroną przyrody mogą policzyć słonie albo zlokalizować kłusowników.

Człowiek także potrafi wyczuwać wibracje rozchodzące się w ziemi, choć nie tak dobrze, aby móc chwytać słonie bez pomocy urządzeń. Wydaje się na przykład, że rdzeni Amerykanie potrafili lokalizować duże stada bizonów dzięki receptorom znajdującym się w swoich nagich stopach; natomiast rdzenni mieszkańcy Australii posługują się instrumentem didgeridoo, który emituje część dźwięków, wprawiając ziemię w wibracje – koniec tego instrumentu dotyka podłoża. Niektórzy ludzie cierpiący na kłopoty ze słuchem używają części mózgu, która normalnie przetwarza sygnały pochodzące z uszu – kory słuchowej – do analizowania wibracji. Kiedy Caitlin O’Connell nie prowadzi badań w Afryce, zajmuje się wykorzystaniem tych zdolności w pracach nad zbudowaniem urządzeń „wibracyjno-dotykowych”, które przekazywałyby użyteczne dźwięki, takie jak odgłos dzwonka do drzwi albo telefonu, za pośrednictwem wibracji odbieranych przez skórę dłoni. „Staramy się opracować język przypominający Braille’a” – mówi Caitlin O’Connell. Dzięki takiemu urządzeniu będzie także można jej zdaniem ćwiczyć korę słuchową osób mających kłopoty z implantami ślimaka (wszczepami, które zastępują komórki rzęsate ślimaka). W przypadku ludzi nie cierpiących na upośledzenie słuchu, wibracje nie odgrywają dziś takiej roli. „W naszych czasach możemy odbierać wibracje, ale nie zwracamy na nie uwagi – mówi Caitlin O’Connell. –Do rozmów długodystansowych mamy telefony komórkowe”.

Caitlin O’Connell przeszła długą drogę od badań nad owadami, przez badania słoni, po prace nad urządzeniami wspomagającymi ludzki słuch. Badaczka nadal uważa swoje spotkanie ze słoniami za magiczne doświadczenie. „Jadę w odległe miejsca, niedostępne dla większości ludzi, widzę osobniki, które znam, obserwuję, jak się porozumiewają, i uczę się każdego dnia czegoś nowego – opowiada. – Czuję się wyróżniona tym, że mam wgląd w życie społeczności słoni. Człowiek musiałby spędzić z nimi setki lat, żeby zgłębić ich sekrety”.

 

© Matin Durrani and Liz Kalaugher, 2016 together with the following acknowledgment: ‘This translation of Furry Logic [First published 2017] is published by Społeczny Instytut Wydawniczy Znak by arrangement with Bloomsbury Publishing Plc and Macadamia Literary Agency, Warsaw.

“Kudłata nauka” Matina Durraniego i Liz Kalaugher [fragmenty]
5 (100%) 1 głosów

Nie ma więcej wpisów