Как кодируется в звуковом сигнале информация

Небольшая птичка сидит прямо и все время повторяет: «фюить-тик-тик-фюить…» Она красива — спинка темного пепельно-серого цвета, на горле черное пятно, а грудь, бока и хвост ржаво-красные. Птичка поет, хвостик ее все время в движении, и вспыхивают пурпурные перышки, словно горит багряными красками закат. Нетрудно догадаться, что птица эта — горихвостка. Устроившись на ветке, она твердит свое «фюить…». Невдалеке запела черноголовая славка, горихвостка не обратила на нее внимания. Но вот она заслышала песню другой горихвостки, и поведение ее переменилось. Все естественно. Со славкой горихвостке делить нечего, зато от своего собрата можно ждать чего угодно. Однако разная реакция горихвостки на птиц возможна прежде всего потому, что она способна отличить голос одной от голоса другой. Каким же образом горихвостка узнала по песне своего возможного противника, где именно, закодирована необходимая для этого информация?

Герхард Тильке — известный немецкий ученый придумал так называемые «звуковые ловушки». На магнитофон записывают песню птицы. Потом ее воспроизводят самцу, который охраняет свой участок. Тот, конечно, начинает вести себя агрессивно, подлетает к «нарушителю границ» — магнитофону, старательно поет… Проверив таким образом песню, ее искажают. Современные приборы позволяют как угодно деформировать сигнал: укорачивать, удлинять, передвигать его в область более высоких или более низких частот… И каждый такой новый вариант дают послушать птице, смотрят, что для нее важно, как и на что она реагирует. А в конце концов узнают, где же спрятан ключ к расшифровке той или иной информации.

Песни обыкновенных овсянок строятся по одному принципу: они состоят из однообразных элементов, которые следуют друг за другом, а заканчиваются одним более длительным элементом — «ти-ти-ти-тииии». Обыкновенным овсянкам Тильке предложил прослушать песню их родственника — огородной овсянки. Птицы, конечно, распознали, что эта ближайшая родня — не соперник, и к песне остались безучастны. Тогда им стали воспроизводить десять вариантов их собственной серенады. Ни песня, которая звучала в два раза дольше, ни песня с измененной интенсивностью никоим образом не повлияли на поведение птиц: они реагировали на них так, как будто слышали, что и положено. Даже песня, проигранная в обратном порядке, подействовала на птиц очень эффективно. Секрет заключался в том, что двойные элементы в песнях овсянок могут начинаться как с низкочастотных звуков, так и с высокочастотных, и поэтому характер элементов не очень меняется.

Но где же, однако, содержатся сведения, по которым птицы узнают своих? Песню стали укорачивать и вот тут-то выяснилось, что информация о принадлежности птиц именно к этому виду закодирована в самом ее конце. Когда был воспроизведен лишь один последний длительный элемент, большинство птиц прореагировало на него, как и на всю неизмененную песню в целом.

Эксперименты, участниками которых были уже другие птицы — обыкновенные пищухи, — показали, что они опознают своих собратьев, наоборот, по первым двум фразам.

«Звуковые ловушки» помогли ученым раскрыть много загадок. Детальное исследование голосов близких видов насекомых, амфибий, птиц, изучение поведения животных в ответ на деформированные и синтезированные сигналы позволили установить, что опознавание чаще всего происходит по тем параметрам, которые слуховая система наилучшим образом анализирует. А изменения и нарушения, вносимые в сигналы, по-разному и с различной эффективностью влияют на их общую информативность.

Информативность песни зарянки, например, зависит от чередования высокочастотных и низкочастотных слогов и фраз. Если в обычной песне зарянки укоротить мотивы и уменьшить длительность нот, она превращается в боевую, и проигрывание ее на территории другой птицы вызывает особенно агрессивную реакцию хозяина.

Вообще конкретные формы кода могут быть весьма разнообразными. Выбор способа кодирования и тех или иных параметров сигналов зависит от возможностей голосового аппарата, слуха и особенностей биологии животных.

Сигналы лягушек и жаб различаются по длительности, их общему рисунку: бывают пульсирующие, слитные. Имеет значение и интервал между отдельными звуками, и длительность их, а также основная частота сигнала.

Для сверчков, которые большую часть жизни проводят на стеблях растений, главным ориентиром при обнаружении соплеменников служит частота повторения серий звуков. Домовые сверчки, заслышав стрекотание, учитывают и как часто повторяются звуки, и как долго звучат серии. Для некоторых же видов кузнечиков важна лишь длительность звуков.

В отличие от сверчков и кузнечиков комары «считают», кто сколько раз взмахивает крыльями. Их уши — джонстоновы органы, спрятанные в «усиках»-антеннах, обнаруживают нужный сигнал по частоте. Дальнейшая расшифровка несложна. Комару ясно: если самка делает в секунду положенное число взмахов, значит, она принадлежит к его виду.

Медоносные пчелы по своему образу жизни отличаются от многих других насекомых. Они принадлежат к общественным животным, отношения между ними сложные, не проще и способы общения.

Пчелы — насекомые высокоорганизованные, иначе ничего хорошего не получилось бы из их совместной жизни: лишь в одной пчелиной семье — десятки тысяч насекомых. Чтобы царил порядок, каждый член семьи должен иметь определенные обязанности и исполнять их. Благополучие пчелиной семьи во многом зависит от того, сколько они заготовят меда: хватит ли его, чтобы прожить с осени до следующего цветения растений. Трудолюбие пчел известно, о нем сложены поговорки. В поисках нектара и пыльцы они могут улетать за 7—8 и даже 14 километров, но чаще всего это расстояние не превышает двух-трех километров. Улетают фуражиры — пчелы, обязанность которых разыскивать корм. Обнаружив его, они возвращаются и сообщают остальным, где он находится.

Профессор Карл Фриш много лет назад расшифровал, каким образом эти насекомые передают друг другу различную информацию, в том числе сообщения о месте нахождения корма и направлении полета к нему. Для этого пчелы используют своеобразные танцы. Но не все танцы пчелы исполняют молча. «Поют» они и когда выделывают «па», возвращаясь с плантаций медоносных растений. Исполняя свою песню, они сообщают, как далеко находится нектар. Но прежде чем рассказать, надо ведь самим знать это расстояние. Определяют его фуражиры по тому, сколько энергии они затратили на полет, возвращаясь к месту жительства. Пока пчела перелетает с цветка на цветок, «счетчик» ее не работает. Но вот она обследовала последний цветок и, едва оторвавшись от него, «включила» свой хитрый «прибор». Оказавшись дома, она тут же выкладывает нужные сведения.

Но как пчела кодирует информацию о расстоянии? Пчелы узнают о том, сколько им надо лететь за нектаром и цветочной пыльцой по длительности сигнала фуражиров. Сотрудник Научно-исследовательского института пчеловодства Евгений Константинович Еськов, используя специальную электроакустическую систему, добавлял к сигналу танцовщицы часть ее сигнала. И пчелы, получив такое сообщение, летели гораздо дальше: если по первой, неискаженной информации им следовало преодолеть путь в 150 метров, теперь они пролетали на 50 метров больше. А в какую сторону им надо брать курс, пчелы определяют по направлению движения «танцовщицы» в то время как она издает звуки.

Жизнь животных небезоблачна. Еще минуту назад воробей спокойно прыгал по земле, а сейчас он поднял тревогу. Воробей заметил одного из своих врагов — пустельгу. Но почему его товарищи узнают, что в поле зрения появилась именно эта птица? Да потому, что воробей издавал два очень коротких крика. Если бы вместо пустельги «на арену» вышла кошка, воробей бы начал непрерывно трещать. Тонко дифференцируют передаваемую информацию куры. Если раздастся продолжительный слитный крик, нападения надо ждать с воздуха. А прозвучит сигнал, состоящий из многих повторяющихся звуков,— хищник приближается по земле.

В звуках животных очень часто кодируется и информация об их внутреннем состоянии, причем у млекопитающих нередко одни сигналы непосредственно сменяются другими, что делает возможным передачу более тонких нюансов информации. Вот, например, какие разнообразные сигналы звучат, когда у макаков-резусов возникают конфликтные ситуации.

Рев раздается, когда уверенная в себе обезьяна угрожает другой, более низкого ранга.

Шумная одышка — угроза. Этот сигнал можно услышать от менее уверенного животного, которое хочет во время нападения заручиться поддержкой других членов группы.

Лай обычно издается при угрозе, если обезьяна недостаточно агрессивна, чтобы напасть на животное, которому угрожает.

Пронзительный крик звучит сначала на очень высокой ноте, потом резко обрывается. Издает его обезьяна, которой угрожает другая, но более высокого ранга.

Визг издает побежденное животное, искусанное во время драки.

Писк можно услышать от защищающейся во время драки обезьяны, силы которой на исходе.

В зависимости от того, в каком эмоциональном состоянии находится животное, меняется резко не только интенсивность отдельных звуков, но и частотные параметры сигналов. В ласковом приветствии лисицы преобладают частоты от 3 до 7 килогерц, а сигналы угрозы звучат намного ниже — 80—200 герц. Гиппопотамы при встрече тоже издают звуки низкой частоты: 190—400 герц.

Когда наступает гон, волк может вести себя по-разному. Если он почти спокоен, то издает серии звуков, которые длятся четыре с лишним минуты и носят название воя. Сигналы волка, которого соперник вынудил ретироваться, подразделяют на три типа звуков. В этой ситуации может раздаться отрывистый, угрожающий лай, звучащий полторы минуты, тявканье и вой, которые продолжаются минуту, или завывание, длящееся всего 40 секунд. Различаются эти сигналы и по числу звуков.