Cá heo định vị bằng cách phát ra những tiếng lách cách rất ngắn, phần lớn ở vùng siêu âm, rồi nghe tiếng vang dội lại từ con mồi, đáy biển hay vật cản. Từ thời gian tiếng vang quay về và "màu" của tiếng vang, cá heo biết vật ở xa hay gần, to hay nhỏ, cứng hay mềm, kể cả trong nước đục không thấy gì. Tiếng phát ra từ vùng mũi trên trán, còn tiếng vang được nhận chủ yếu qua hàm dưới chứ không qua lỗ tai.
Định vị bằng tiếng vang là gì
Định vị bằng tiếng vang (echolocation) là cách "nhìn" bằng âm thanh: phát tiếng ra, nghe tiếng dội về, rồi não dựng lại hình ảnh xung quanh. Chữ echolocation do nhà sinh học Mỹ Donald Griffin đặt năm 1944 khi nghiên cứu dơi. Ít lâu sau, người ta phát hiện cá heo và nhiều loài cá voi có răng cũng làm được việc này, ở môi trường khó hơn nhiều: dưới nước.
Dưới nước, âm thanh đi nhanh khoảng 1.500 m/s, gấp hơn bốn lần trong không khí. Ánh sáng thì tắt rất nhanh khi xuống sâu hoặc khi nước có phù sa. Vì vậy với cá heo, tai là giác quan đáng tin hơn mắt khi săn mồi ở vùng nước đục, nước sâu hay ban đêm.
Tiếng lách cách sinh ra ở đâu
Cá heo không có dây thanh như người, và tiếng lách cách cũng không phát ra từ miệng. Nó sinh ra trong đường mũi, ngay dưới lỗ thở trên đỉnh đầu:
- Môi âm (phonic lips): trong đường mũi có những cặp nếp mô giống đôi môi. Cá heo đẩy không khí qua làm các nếp này đập vào nhau, tạo ra một tiếng tách cực ngắn. Không khí được giữ lại bên trong, quay vòng giữa các túi khí, nên cá heo phát tiếng mà không phải nhả bọt.
- Khối mỡ trán (melon): phần trán tròn u của cá heo là một khối mỡ đặc biệt. Mỡ ở đây có mật độ thay đổi dần từ trong ra ngoài, hoạt động như một thấu kính, gom tiếng lách cách thành một chùm hướng ra phía trước.
- Chùm âm: tiếng được phóng ra phía trước đầu, hơi giống chùm sáng đèn pin. Cá heo quay đầu để "quét" chùm âm qua lại.
Mỗi tiếng lách cách chỉ kéo dài khoảng vài chục micro giây, tức chưa tới một phần nghìn giây. Tiếng ngắn như vậy giúp tiếng vang không chồng lên tiếng phát. Dải tần rất rộng, phần mạnh nhất thường cao hơn hẳn ngưỡng tai người, có thể lên tới hơn 100.000 Hz ở một số loài. Người đứng gần bể nghe được phần thấp của tiếng, giống tiếng cót két hay tiếng mở cửa rít.
Cá heo "nghe" bằng hàm dưới
Cá heo có lỗ tai, nhưng rất nhỏ, gần như bị bít. Từ thập niên 1960, nhà nghiên cứu Kenneth Norris đưa ra ý tưởng rằng âm thanh đi vào qua hàm dưới. Xương hàm dưới của cá heo mỏng ở phía sau, bên trong là một dải mỡ chạy thẳng tới vùng tai giữa. Mỡ này dẫn âm tốt, như một "dây nối" từ nước vào tai. Các nghiên cứu về sau ủng hộ ý tưởng đó, đồng thời cho thấy vùng quanh hàm và mặt bên đầu cũng góp phần nhận âm.
Tai trong của cá heo được bọc trong khối xương tách rời phần lớn khỏi hộp sọ, treo bằng mô mềm và có túi khí ngăn cách. Nhờ thế, hai tai ít "nghe lẫn" rung động của nhau, giúp cá heo xác định hướng tiếng vang dưới nước, việc mà tai người làm rất kém. Ai từng lặn đều biết: dưới nước, ta nghe được tiếng động nhưng gần như không đoán nổi nó từ đâu tới.
Cá heo "nhìn" thấy gì bằng tiếng vang
Norris và cộng sự làm một thí nghiệm nổi tiếng đầu thập niên 1960: chụp những giác hút cao su lên mắt một con cá heo trong bể. Con cá heo vẫn bơi tránh vật cản và tìm được cá, đồng thời phát tiếng lách cách liên tục. Những thí nghiệm kiểu này, lặp lại nhiều lần với nhiều nhóm nghiên cứu, cho thấy cá heo làm được những việc sau:
| Việc | Cá heo làm được gì (theo các thí nghiệm trong bể) |
|---|---|
| Đo khoảng cách | Tính từ thời gian tiếng vang quay về; vật càng xa tiếng về càng chậm |
| Phân biệt kích thước, hình dạng | Nhận ra quả cầu với khối trụ, vật to với vật nhỏ khi bị che mắt |
| Phân biệt chất liệu | Phân biệt được những tấm kim loại khác nhau dù cùng hình dạng, nhờ tiếng vang có âm sắc khác |
| Tìm vật bị vùi | Tìm cá vùi dưới cát; một số con được huấn luyện tìm vật trên đáy biển |
| Nhận ra vật đã "thấy" bằng mắt | Có thí nghiệm cho thấy cá heo dò một vật bằng tiếng vang rồi chọn đúng vật đó khi nhìn bằng mắt, và ngược lại |
Điều cuối trong bảng rất thú vị: dường như trong não cá heo, hình ảnh từ tai và từ mắt hoà vào một "bản đồ" chung về vật thể.
Tiếng lách cách nhanh dần khi tới gần con mồi
Khi còn xa, cá heo phát tiếng thưa, đủ thời gian để tiếng vang về trước khi phát tiếng tiếp theo. Càng tới gần, khoảng cách tiếng vang càng ngắn, cá heo phát càng dồn, tới lúc sát con mồi thì tiếng lách cách nối nhau thành một tràng rè rè gọi là "buzz". Dơi cũng làm y như vậy khi lao vào côn trùng. Cùng một bài toán vật lý, hai loài thú rất khác nhau tìm ra cùng một lời giải.
"Nhìn xuyên" cơ thể: chuyện có thật và chuyện đồn
Âm thanh không chỉ dội lại từ bề mặt mà còn đi vào bên trong những vật có độ đặc gần với nước, như thân cá hay thân người. Phần dội lại mạnh nhất thường đến từ chỗ chứa khí và chỗ cứng như xương. Vì thế các nhà khoa học cho rằng cá heo có thể "thấy" bóng bong bóng bơi và xương sống bên trong thân cá, điều có lẽ giúp chúng nhận ra loài cá. Nguyên lý này giống máy siêu âm trong bệnh viện, dù hai thứ khác nhau xa về chi tiết.
Trên mạng hay lan truyền chuyện cá heo "phát hiện bệnh" hay "biết người phụ nữ đang mang thai". Đây là những câu chuyện kể, chưa có nghiên cứu nghiêm túc nào chứng minh. Nên xem là chuyện đồn, không phải kiến thức.
Những loài cá heo quanh ta và chuyện bảo tồn
Không riêng cá heo mũi chai quen thuộc ở các thuỷ cung, mọi loài cá heo và cá voi có răng đều được cho là biết định vị bằng tiếng vang. Ở Đông Nam Á có cá heo Irrawaddy (cá heo mõm ngắn, đầu tròn), sống ở vùng cửa sông, đầm phá ven biển và một số đoạn sông lớn như Mekong ở Campuchia và Lào. Những con sống ở sông nước đục gần như phải "nhìn" bằng tai.
Chính vì sống nhờ âm thanh, cá heo rất nhạy với tiếng ồn dưới nước. Tiếng động cơ tàu, tiếng nổ dưới nước, tiếng máy thi công có thể làm nhiễu tiếng vang và khiến chúng phải đổi chỗ kiếm ăn. Lưới bén, lưới rê bỏ trôi cũng là mối nguy lớn, vì sợi lưới mảnh trả tiếng vang yếu, cá heo khó phát hiện kịp.
Góc nhìn hôm nay: con người học được gì
- Sonar: máy dò bằng tiếng vang trên tàu, máy dò cá của ngư dân dùng cùng nguyên lý phát tiếng – nghe vang. Nhưng nhiều thí nghiệm cho thấy trong việc phân biệt vật thể ở cự ly gần, cá heo vẫn làm tốt hơn nhiều thiết bị.
- Huấn luyện tìm vật: hải quân một số nước từng huấn luyện cá heo tìm vật trên đáy biển, chính vì khả năng này.
- Người cũng định vị được: một số người khiếm thị luyện được cách tặc lưỡi rồi nghe tiếng vang để biết chỗ tường, cửa, cột. Khả năng của người thô hơn cá heo nhiều, nhưng cùng một ý tưởng.
Nếu có dịp đi thuỷ cung có bể cá heo, thử áp tai gần thành bể (không gõ kính) và lắng nghe: thỉnh thoảng có thể nghe những tiếng cót két hay lách cách yếu. Đó là phần âm thấp lọt vào tai người, còn phần lớn "cuộc trò chuyện bằng tiếng vang" nằm ở vùng tai ta không với tới.
Câu hỏi thường gặp
Cá heo định vị bằng tiếng vang như thế nào?
Cá heo phát những tiếng lách cách rất ngắn từ đường mũi dưới lỗ thở, gom thành chùm nhờ khối mỡ ở trán. Tiếng dội lại từ vật được nhận qua dải mỡ trong hàm dưới dẫn vào tai. Từ thời gian và âm sắc của tiếng vang, cá heo biết khoảng cách, kích thước, hình dạng và chất liệu của vật.
Cá heo nghe bằng gì?
Cá heo có lỗ tai nhưng rất nhỏ. Âm thanh dưới nước chủ yếu đi vào qua hàm dưới, nơi có một dải mỡ dẫn âm tới tai giữa và tai trong. Tai trong được treo tách khỏi hộp sọ, giúp cá heo xác định hướng tiếng tốt dưới nước.
Người có nghe được tiếng định vị của cá heo không?
Chỉ nghe được một phần. Phần mạnh nhất của tiếng lách cách thường ở vùng siêu âm, cao hơn ngưỡng khoảng 20.000 Hz của tai người. Người đứng gần chỉ nghe được phần thấp, giống tiếng cót két hay lách cách nhỏ.
Cá heo có nhìn xuyên được cơ thể người không?
Âm thanh đi được vào bên trong cơ thể nên về nguyên lý cá heo có thể nhận ra phần xương hay túi khí bên trong con mồi. Còn chuyện cá heo phát hiện bệnh hay biết người mang thai chỉ là chuyện kể, chưa có nghiên cứu chứng minh.
Cá heo và dơi định vị có giống nhau không?
Giống về nguyên lý: phát tiếng, nghe vang, và phát dồn dập khi lao tới con mồi. Khác ở môi trường và cách làm: dơi phát tiếng qua miệng hoặc mũi trong không khí, cá heo phát trong đường mũi và nhận âm qua hàm dưới trong nước, nơi âm đi nhanh hơn khoảng bốn lần.
