Echolokace

Echolokace je postup, kdy se vysílaný zvuk od předmětu odrazí zpět do místa vysílání, kde je zpětně zachycen. Z celkového času, který uplyne od okamžiku vyslání zvukové vlny (obvykle vysokofrekvenčního zvuku) do okamžiku zpětného příjmu odražené vlny (ozvěny neboli echa), je možné spočítat vzdálenost alokovaného předmětu. Tento princip využívají některé specializované elektronické přístroje, například sonary. Princip echolokace je využíván pro měření hloubky moře.

Echolokaci využívají také savci, a to nejvíce kytovci (Cetaceae) a letouni (Chiroptera). Echolokace byla spolehlivě dokázána nejdříve u netopýrů S. Dijgraafem roku 1947, i když poznatky, že netopýři se dokáží orientovat i bez zraku jsou staršího data.^[1] U kytovců byla echolokace prokázána následně v roce 1953 W. Schevillem a B. Lawrenceovou. Kytovci i letouni používají svůj biologický tělesný sonar pro vyhledávání potravy, komunikaci s okolím a orientaci v prostoru.

Kytovci mají zrak dobrý, až na čeleď delfínovcovití, jejíchž členové žijí většinou v kalných vodách. Orientace na větší vzdálenosti, nebo i na krátké v noci, při špatných světelných podmínkách nebo ve velkých hloubkách (až 2 000 m, nedostatek světla) se u kytovců z podřádu ozubení (Odontoceti) uskutečňuje vždy pomoci echolokace. Sonar se pro ozubené kytovce stává nejdůležitějším prostředkem orientace.

Kytovci jsou schopni vydávat, podle druhu, akustické signály v rozsahu od 250 Hz do 280 kHz. Nejlépe je prozkoumán podřád ozubení, jehož členové vydávají zvuky:

• od 250 Hz do 20 kHz – mručení, kvákaní, štěkání – slouží k dorozumívání mezi jednotlivci, ale mají asi emociální charakter,
• od 4 kHz do 20 kHz – hvízdání – slouží také k dorozumívání mezi jednotlivci na nepříliš velkou vzdálenost,
• od 10 kHz do 280 kHz – cvakání – slouží právě k echolokaci.

Echologické signály, tzv. cvakání (z angl. clicks), jsou série krátkých impulsů, z nichž každý trvá průměrně 2 tisíciny sekundy, někdy i jen 1 desetitisícinu sekundy. Například delfín skákavý dokáže vyslat za sekundu až 800 těchto cvaknutí. Kytovci mohou podle potřeby frekvence těchto impulsů měnit, pro lokalizaci blízkých předmětů používají vyšší frekvence, pro vzdálenější nižší. Čím je identifikovaný předmět více vzdálen, tím později přijde odezva a vysílaný a přijímaný signál se nesmí rušit. Pokud je např. delfín od kořisti vzdálen několik desítek metrů, vysílá jen 15 až 20 sérií impulsů za sekundu, když už kořist uchvacuje, dosahuje počet sérií 190 až 200 za sekundu.

Ve vzduchu se zvuk šíří rychlostí cca 330 m/s, ve vodě rychlostí asi 1 440 m/s, tedy skoro čtyřnásobně rychleji. Vyšle-li kytovec jedinou sérii zvukových impulsů za sekundu, „dohlédne“ jimi do vzdálenosti přibližně 720 metrů (doba šíření signálu tam i zpět). Zvuky s vyšší frekvencí se ve vodě šíří do kratších vzdáleností než zvuky s nižší frekvencí, které se dokáží šířit do vzdálenosti desítek až stovek kilometrů.

Čím je vysílací frekvence nižší, tím je vlnová délka větší. Má-li se zvuková vlna od nějakého předmětu odrazit, musí být její vlnová délka menší než tento předmět. Ve vodě se dále šíří zvuk čtyřikrát rychleji než na souši, čili i vlnová délka určité frekvence je ve vodě čtyřikrát delší. Pro zajímavost: vlnová délka ve vodě je při frekvenci 20 Hz asi 75 m, při frekvenci 1 kHz asi 1,5 m, při frekvenci 10 kHz asi 150 mm, při frekvenci 100 kHz asi 15 mm a při frekvenci 280 kHz asi 4,5 mm.

Výsledek echolokace u kytovců hodně závisí na sledovaném předmětu. Schopnost odrážet vlny je tím větší, čím je větší rozdíl v akustické odrazivostí dvou povrchů. Ve vodě je živočišné tělo svou akustickou vodivostí blízké vodě, takže je kytovci „vidí“ jen slabě a mohou „vidět“ vlastně i skrz něj, co je za ním. Významně „viditelným“ objektem je však plynový měchýř ryb, je akusticky nejzřetelnější, protože jeho obal tvoří rozhraní mezi dvěma různorodými látkami – vodou a vzduchem. Stejně tak vzduchem naplněné plíce ostatních kytovců jsou akustickým sonarem dobře viditelné.

Kytovci vydávají zvuky dvěma rozdílnými způsoby, jednak rozechvíváním vzduchu v hrtanu (nižší frekvence) anebo ve složitém systému váčků které se vychlipují z nosní trubice (vyšší frekvence). V obou případech bez otevření dýchacích otvorů a vypouštění vzduchu, takže mohou vydávat zvuky i pod vodou.

Určení směru ve kterém se zjištěný předmět nachází určují z časového posunu odražených vln po návratu ke dvěma samostatným přijímačům, pravému a levému sluchovému orgánu. Zesílení tohoto efektu je docíleno asymetrii lebky kytovců a asymetrickým uložením sluchových orgánů. Zjistilo se, že dokáži lokalizovat předmět s přesností 1 až 1,5 stupně.

Uši kytovců nemají boltce a ušní otvory jsou i u těch největších široké cca 10 mm a u menších druhů jen 1 až 2 mm. Zjistilo se však, že kytovci přijímají zvuk jinak než ostatní savci. Zvuk je jim do vnitřního ucha veden kůži, tukovými, svalovými i kostními tkáněmi.

U ozubených kytovců dále hraje důležitou roli spodní čelist, která je po celé délce prostoupena dutinou vyplněnou olejovitou látkou, která tvoří souvislou tukovou vložku. Ta vytváří vlnovod, kterým jsou vedeny přijaté zvukové vlny. Obdobná tuková vložka byla objevena i v lebce poblíž vnitřního ucha.

U ozubených kytovců se vyskytuje další orgán, nazývaný ultrasonický reflektor . Pro tyto kytovce je typické, že před čelními kostmi je uloženo velké tukové těleso, které vytváří na jejích hlavě typickou sférickou vypouklinu, které se odborně říká „meloun“ a která rychle mění svůj tvar. Tento meloun funguje jako akustická čočka, která usměrňuje a zesiluje vysílané i přijímané zvukové vlny do úzkého svazku. Rychlé změny tvaru melounu jsou dány posunem akustického ohniska čočky sonaru při zaostřování.

• Specializované sonary jsou běžně používány i ve zdravotnictví pro vyšetřování stavu lidského organismu, velmi známé je ultrazvukové vyšetření těhotných žen, kdy lékaři pomocí sonaru sledují v matčině těle zdravotní stav plodu, respektive ještě nenarozeného dítěte.
• Na podobném principu jako sonar pracuje i přístroj zvaný radar, který používá namísto zvuku elektromagnetické vlnění.
• Echolot je to slovo odvozené ze slova echolokace. Je spojeno s přírodopisem, kdy se podle echolotu letouni výborně orientují v krajině.

• Hui Wang, Hanbo Zhao, Keping Sun, Xiaobin Huang, Longru Jin & Jiang Feng (2020). Evolutionary Basis of High-Frequency Hearing in the Cochleae of Echolocators Revealed by Comparative Genomics. Genome Biology and Evolution, 12(1): 3740–3753. doi: https://doi.org/10.1093/gbe/evz250
• Casey McGrath (2020). Highlight—Blind as a Bat? The Genetic Basis of Echolocation in Bats and Whales. Genome Biology and Evolution, 12(1): 3738–3739. doi: https://doi.org/10.1093/gbe/evaa003

• Obrázky, zvuky či videa k tématu echolokace na Wikimedia Commons
• Vratislav Mazák: Zvířata celého světa. Státní zemědělské nakladatelství, sv. 12, 1987