И дельфин с дельфином говорит…

23 июля — Всемирный день дельфинов и китов. Что известно о языке морских млекопитающих, рассказывает Ирина Сидорова, научный сотрудник лаборатории сенсорных систем позвоночных Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН.

Как дельфины издают звуки и как они их слышат?

Люди все слова произносят, выдыхая воздух. Но дельфин не может себе этого позволить, ведь он находится под водой иногда до 10-15 минут, ныряя на десятки метров, и ему необходимо беречь воздух. Дыхательная система дельфина отделена от пищеварительной. Парные носовые проходы заканчиваются на верху головы непарным дыхалом, которое запирается специальным клапаном. Генерация звука осуществляется в верхних дыхательных путях. В систему генерации звука входят три пары воздушных мешков и особое парное образование, обезьяньи губы, смыкая и размыкая которые, дельфин может регулировать поток воздуха в замкнутой системе. Важную роль в ней играют также жировые тела, бурсы. Череп дельфина впереди имеет вогнутую форму, а над лобными костями находиться специальная структура — мелон, своеобразная жировая подушка. Hефлектор и линза позволяют направлять и фокусировать звук.

Слуховая система дельфинов сильно отличается от человеческой, опять же, из-за среды обитания. Звук они принимают своей нижней челюстью. У них нет ушных раковин и наружных слуховых проходов — они бы были бесполезны под водой из-за особенностей распространения звука в водной среде. Все процессы звукопроведения на периферии слуховой системы дельфинов происходят внутри за счет проводимости тканей.

Слуховая чувствительность дельфинов на порядок выше человеческой. Наш звуковой диапазон: от 20 Гц до 20 кГц. Для дельфинов же верхний предел доходит до 100 -150 кГц. Выше и их способность продуцировать и воспринимать звуки.

Зачем дельфинам такой хороший слух?

Под водой именно акустический канал связи — самый эффективный, а в каких-то случаях единственно возможный. Благодаря особенностям строения хрусталика, роговицы, форме зрачка и наличию двух зон наибольшей чувствительности на сетчатке, дельфины прекрасно видят как в воде, так и на воздухе. Однако эти способности ограничены обстоятельствами: вода зачастую мутная, и перемещаются дельфины со скоростью до 40 километров в час. То есть тут единственная возможность постоянно быть в контакте со своими сородичами, это именно звук.

Дельфинам звук нужен не только для того, чтобы общаться друг с другом. Это ещё и средство эхолокации. В 1950-е годы американские учёные Уинтроп Келлог и Артур Мак- Брайд, предположили, что дельфины способны к эхолокациии. Затем это было установлено экспериментально. Животным надевали наглазники, полностью закрывающие возможность видеть, при этом они прекрасно ориентировались под водой и узнавали предметы. Дельфины могут не только находить предметы под водой, но и различать их по форме и составу. Например, только с помощью эхолокации они прекрасно могут отличить два одинаковых по форме и размеру шарика из разных материалов. В природе эхолокация им абсолютно необходима. При этом можно говорить о звуковидении у дельфинов.

Работы на эту тему появились на рубеже 1990-х. Исследователи из Гавайского университета провели такой эксперимент. Дельфину одевали наглазники, и предъявляли под водой какой-то предмет. Затем он должен был выбрать его из нескольких уже над водой с помощью зрения. Это могли быть простые предметы — мячики и кубики, и достаточно сложные, например, маленькие ножницы. В дальнейшем наоборот дельфину показывали над водой предмет, а он под водой только с помощью эхолокации должен был выбрать его из нескольких. Дельфин успешно решал обе задачи.

Зачем вообще дельфинам коммуницировать?

У разных видов китообразных совершенно по-разному устроена социальная жизнь, социальная структура их сообществ. Например, рыбоядные косатки. Они живут небольшими семьями, где есть самка матриарх, а вокруг её потомки. Самцы здесь не покидают свою семью, что очень большая редкость среди млекопитающих.

Я много лет изучаю поведение и коммуникацию афалин. У них совершенно другая социальная структура. Это большое стадо из несколько десятков или более сотни дельфинов. Состав групп внутри стада постоянно меняется, животные объединяются в разные группы по несколько особей. При этом персонифицированные связи очень четко налажены — то есть какие-то животные объединяются с какими-то намного чаще, а какие-то вообще постоянно находятся вместе. Похожая социальная структура характерна, например, для шимпанзе.

Большую роль играет в жизни стада уход за детёнышами. Мамы долго ухаживают за дельфинятами, и им нужно постоянно поддерживать с ними контакт. Для этого они используют свой сигнатурный свист. Несколько самок с детенышами объединяются в группы. В популяции может быть несколько ядер, групп самок. Самка ухаживает за детенышем в среднем до трех-пяти лет, но может и до 9 лет быть с детенышем и даже кормить его. Самый продолжительный известный случай — 14 лет.

Потом детеныши вырастают и уходят, образуют подростковые группы, где самки с самцами находятся вместе. Потом самцы из этих групп уходят в свободное плавание. А самки возвращаются в свою изначальную группу, где они родились. Самки с детёнышами обычно держатся вместе.

Когда самцы взрослеют, они часто объединяются в группы из двух-трех особей. Эти пары или тройки очень стабильны. Они могут десять-двадцать лет, даже до конца жизни, проводить вместе почти всё время — охотиться, ухаживать за самками и так далее. Однако, есть определенные различия между популяциями.

Какие звуки используют дельфины?

Дельфины издают три основных типа сигналов: 2 типа широкополосных, импульсных сигналов – щелчки и импульсно-тональные сигналы или взрывоподобные импульсы, а также тональные узкополосные свисты. Частота импульсных сигналов может доходить до 100 и более кГц. Большую их часть мы не слышим. При этом два типа импульсных сигналов различаются по длительности межимпульсных интервалов. Так интервалы между импульсами в сериях щелчков могут составлять от 5 до десятков миллисекунд, а в импульсно-тональных сигналах — менее 5 миллисекунд. Щелчки используются в том числе для эхолокации, а импульсно-тональные сигналы — в коммуникации. Последних не менее 8 видов. Дельфины могут издавать разные типы сигналов одновременно за счёт использования нескольких генераторов звука.

Свистовые сигналы используются в коммуникации. Основная их часть может издаваться на достаточно низкой частоте, и мы можем их слышать. Это основная частота сигнала, самая интенсивная и громкая. Но обычно в сигнале есть еще кратные гармоники, уходящие выше по частоте. Их мы, конечно, уже не слышим.

Какую информацию дельфины передают друг другу?

Важную часть вокального репертуара афалин составляют индивидуально-специфичные свисты-автографы или сигнатурные свисты с характерными для особи частотно-временными параметрами. Впервые их описали Дэвид и Мельба Колдуэллы в1965 году. Они обнаружили, что при изоляции каждый дельфин может многократно повторять свист с характерным только для него контуром изменения основной частоты во времени. В природе эти сигналы используются для установления и поддержания контакта между важными друг для друга особями. Помимо автографов дельфины используют и несигнатурные свисты общие для разных особей.

Свист-автограф нельзя назвать именем, ведь обычно нас кто-то зовёт по имени, а тут дельфин издает его сам. Как бы сигнал-маячок такой, «я тут, я тут». Как только дельфина поймали, а это очень сильный стресс, он издает эти сигналы беспрерывно. Однако, дельфины могут иногда копировать автографы друг друга. Дельфины могут сжимать и растягивать свой автограф, повторять несколько раз подряд, могут комбинировать с другими сигналами. Но основная форма контура остается стереотипной.

Было экспериментально показано, что дельфины узнают друг друга по этим сигналам. В одном из экспериментов дельфина научили нажимать одну из восьми педалей в зависимости от того, какой из восьми автографов, принадлежащих восьми разным особям, ему проигрывали. И он прекрасно ориентировался, нажимал правильные педали.

Также в экспериментах с воспроизведением ранее записанных автографов было обнаружено, что мама-дельфин намного активнее реагирует на сигнал своего детёныша, чем чужого. Дельфины, которые чаще держатся вместе, активнее реагируют на сигналы друга друга, чем на сигналы других дельфинов из популяции, а могут вообще не реагировать.

Первый эксперимент, с педалями, говорит о том, что дельфины прекрасно различают на слух разные сигналы. А во втором эксперименте показано, что для них эти сигналы несут смысловую нагрузку. Воспроизведение сигнала создает в их голове образ определенного дельфина, они понимают, кто это, даже в его отсутствие.

Репертуар сигналов разнится от популяции к популяции. Это открытая система внутри сообщества — дельфины могут узнавать новые сигналы и добавлять их в свой репертуар. Каждый новый дельфинёнок учится им, и каждый дельфин может добавлять свои звуки, потом какие-то из дельфинов могут копировать этот сигнал, и он может закрепиться в этой популяции. Это значит, что уже все новые и новые сигналы добавляются в конкретную популяцию.

В настоящее время накоплен огромный материал по акустическим сигналам дельфинов. До недавнего времени их очень сложно было анализировать и сопоставлять данные по разным популяциям. Сейчас появились новые методы анализа больших данных (big data) с использованием ИИ. Так, до недавнего времени сложно было автоматизировать процесс обработки данных по автографам дельфинов. Надёжней всего их различал человеческий глаз по спектрограммам. Очень сложно было ввести в этот процесс какие-то алгоритмы, так как очень высока изменчивость сигнала у каждого конкретного дельфина. Он может растягивать и сжимать сигнал, издавать фрагменты контура или добавлять н нему дополнительные элементы и так далее. Но исходный контур при этом один и тот же. Объяснить компьютеру, что это один и тот же сигнал, очень сложно. Сейчас, например, американцы задались целью обучить это делать ИИ, и с сигнатурными свистами и достигли почти 90% распознавания. Но если затрагивать более сложные сигналы, такие как взрывоподобные импульсы, там всё ещё сложнее. Пока всё это только начинает развиваться.

Полная версия интервью выйдет в одном из следующих номеров журнала «Наука и жизнь».