Святая святых

Скорость и надежность движения зависит от состояния дорог. Другое дело - звук. Для его „транспортировки” не нужно иметь специальных звукопроводов с гладким, без ухабов и твердым покрытием. Ведь звуковые волны распро­страняются не на колесных тарантасах. Чем более упругими свойствами обладает среда, тем больше их скорость и тем меньше теряется энергии. Звуки вполне могут обходиться без специально созданных дорог, но зато им могут понадобиться двери, чтобы переходить из одного помещения в другое. На границе двух сред потери энергии громадны. Лишь часть энергии звуковых волн проникнет в новую среду, другая, нередко более значительная, может отразиться от ее поверхно­сти. Вот почему наружное ухо наземных животных представляет собой воронку, заполненную воздухом. По воздушному конусу звуковая волна добирается до первого звена звуковоспринимающей системы - до барабанной перепонки. Многие ткани головы тоже отлично проводят звук. Воздушный волновод, ведущий к среднему уху, необходим лишь потому, что переход звуковых волн из воздуха в кожу затруднен. Иное дело - водные животные. Кожа и жир дельфинов по акусти­ческим характеристикам близки к характеристикам воды. Поэтому переход звуковых волн из воды в ткани головы происходит без значительных потерь. Жир акустически прозрачен. Наружное ухо и специальный канал - волновод, являющийся дорогой для звука, дельфину не только не нужны, но даже могли бы ухудшить восприятие звуков. Изменения в первом звене звуковоспринимающего аппарата возникли при пересе­лении предков дельфинов в воду, как того требовали новые условия существования.

У всех позвоночных животных звуковоспринимающие клетки надежно спрятаны в специальном образовании, названном лабиринтом. У млекопитающих он находится в глу­бине височной кости. Костная часть лабиринта состоит из трех соединённых между собой полукружных каналов, спирального канала улитки, делающего два с половиной оборота, и нескольких вздутий. Внутри находится святая святых слухо­вого аппарата - перепончатый лабиринт. Он и является внутренним ухом и органом равновесия. Здесь колебания давления перекодируются в вереницы биоэлектрических импульсов, направляющихся в мозг по самому короткому нервному, пути - по слуховому нерву.

Внутренний закрученный канал улитки разделяют две перегородки, протянувшиеся вдоль него, на три самостоятель­ных канала, заполненных жидкостью разного характера. Одна из перегородок, названная основной мембраной, у входа в улитку плотна и узка, шириной всего 0,04 мм, а ближе к вершине становится эластичнее и в 10-12 раз шире. На ней лежит самая важная часть слухового аппарата - орган Корти. Он включает несколько слоев чувствительных волосковых клеток. Кортиев орган следит за быстрыми, очень незначительными колебаниями давления. Сжатия среды и последую­щее мгновенные падения давления, возникающие в рупоре нашего наружного уха, воздействуют на барабанную перепонку. Ее колебания через цепь слуховых косточек передаются на овальное окно лабиринта, а, следовательно, и на лабиринтную жидкость. Движение жидкости вызывает в основной мембране бегущую волну. По мере продвижения вдоль мембраны амплитуда волны увеличивается и, достигнув максимума, начинает быстро затухать. Чем ниже звук, вызвавший колебание мембраны, тем ближе к вершине улитки добежит волна. Напротив, при высоких звуках волна пробежит небольшое расстояние и, достигнув максимума, быстро затухнет. Движения мембраны вызывают наклон волосков чувствительных клеток. Действуя как микрорычаги, волоски возбуждают собственную клетку, и она отвечает биоэлектрическим импуль­сам. Слуховая клетка возбуждается, когда колебания бара­банной перепонки достигают в размахе 0,0000000006 мм. Это в полтора раза меньше диаметра самого крохотного атома - атома водорода.

Людям, далеким от изучения сенсорных систем, вряд ли пришло бы в голову искать у дельфинов какие-то новые, необычные приспособления для восприятия звука, заменяю­щие кортиев орган, а ученые заняты этими поисками всерьез. Отсутствие у китообразных наружного уха опорочило в гла­зах ученых всю слуховую систему дельфинов. Потребовались специальные исследования для реабилитации среднего и внутреннего уха животных. Ученые рассуждали так: если слу­ховой аппарат дельфинов претерпел упрощение, можно будет считать, что его функции ухудшились, и он потерял прежнее значение. Напротив, если бы удалось обнаружить изменения прогрессивного характера, появление специальных приспособ­лений к восприятию звука в воде, можно утверждать, что его функция по-прежнему находится на высоте. В этом смысле хорошим критерием оказалась приспособленность слуховой системы для анализа пространственной локализации источни­ков звука. Слуховая система наземных млекопитающих к ра­боте под водой не приспособлена, в чем нетрудно убедиться каждому, проведшему в подводном царстве Нептуна хотя бы около минуты. Под водой человек не в состоянии точно опре­делить местоположение даже сильных источников звука. Эта операция осуществляется за счет совместной работы обоих наших ушей. Обычно звуковая волна сначала попадает в одно ухо, ближайшее к источнику звука, а немного позже добирается и до второго. Эта разница во времени и есть главный источник информации о местонахождении звука. Диаметр человеческой головы в среднем 18 см, окружность - 56-58 см. Если в момент подхода звуковой волны человек стоит к ней боком, звук, обегая череп, чтобы достичь противоположного уха, должен покрыть расстояние в 28 см. Один сантиметр зву­ковая волна проходит за 30 мкс, а на весь путь потребуется 840 мкс. Кажется, очень немного, но мы замечаем и гораздо меньшую разницу. Когда источник звука находится всего лишь на 3° правее средней линии тела, звук до левого уха доберется с запозданием всего в 30 мкс. Мы способны оценить эту разницу и, оперируя ею, достаточно точно опреде­лить, откуда раздался звук.

К сожалению, этим способом можно определить местона­хождение лишь низкочастотных источников звуков. Слуховой аппарат высчитывает не просто разницу во времени прихода звука, как такового, а разницу во времени прихода одинако­вых фаз звуковой волны. Максимальное опоздание прихода звука ко второму уху может достигать 840 мкс. Поэтому нуж­но, чтобы время колебания звуковой волны (ее полный цикл от одного максимума давления до другого) был больше 840 мкс. При более высоких звуках, имеющих более короткие волны (и более короткий цикл), слуховые центры нашего мозга начинают путаться. Например, звуку с частотой 10000 Гц, идущему под углом 55°, чтобы обогнуть голову, нужно 450 мкс. Продолжительность цикла равна 100 мкс. Следовательно, огибая голову, звуковая волна успеет сделать 4,5 цикла. Однако до слуховых центров мозга информация о 4 полных, циклах звуковой волны просто не дойдет. Они бу­дут оперировать разницей в 0,5 цикла и, естественно, не смо­гут правильно определить, где возник Звук. Поэтому по вре­мени прихода можно определить лишь местоположение звука с частотой до 1300 Гц.

Другим источником информации является интенсивность звука. При звуках низкой частоты длина звуковых волн не­соизмеримо больше размера головы. При 100 Гц она равня­ется 3,3 м. Такая волна легко огибает голову. Другое дело, если волна маленькая. У звуков с частотой 10 000 Гц длина волны всего 3,3 см. Такие звуки отражаются головой, и второе, более отдаленное ухо оказывается как бы в акустической „тени”. Звук дойдет и до него, но дойдет значительно ослаблен­ным. Если источник звука находится под углом 15°, то для звука с частотой 1000 Гц разница интенсивности составит 150%, а при частоте 15 000 Гц -900%. Уже для звуков с частотой 3000-4000 Гц разность интенсивности достаточно велика, чтобы с ее помощью определять, откуда они доносятся.

Природа наделила животных большим набором дополнительных приспособлений, чтобы легче было выяснять, откуда раздался звук. Подвижные уши антилопы и козы поворачива­ются до тех пор, пока звук не будет слышаться наиболее громко. В этом случае положение ушей будет точно соответствовать направлению, откуда доносится звук. У некоторых животных одно ухо движется совершенно независимо от другого. Благодаря этому они могут одновременно определить местоположе­ние двух источников звука и следить за их перемещениями. Для локализации слабых звуков приходится поворачивать голову и действовать двумя ушами сразу. Здесь срабатывает механизм конвергенции (сведения ушей), несколько напоминающий ме­ханизм конвергенции глазных яблок, с помощью которого мы судим об удаленности предмета. Он помогает уточнить, где на­ходится возмутитель спокойствия, производящий шум. У мно­гих насекомых для локализации звуков используются волоски и антенны. Звуковая волна отклоняет их в сторону, противопо­ложную источнику звука.

Умение точно определить местоположение источника звука помогает в толпе или за шумным праздничным столом вести не слишком громкую беседу с человеком, находящимся дале­ко, так сказать, через головы своих соседей, и при этом слы­шать именно его голос, а не речь людей, находящихся в непосредственной близости. Оказывается, мы можем избрать источник звука, находящийся в определенном месте и, отклю­чившись от всего остального, вслушиваться только в него. Запишите с помощью магнитофона речь друга в комнате, где разговаривает несколько человек,- и вам вряд ли ее удастся понять. Обычные микрофоны не умеют осуществлять избирательный прием. На магнитной пленке окажутся зафиксирован­ными голоса всей компании, их кашель, шум от движения, и эти лишние посторонние звуки заглушат голос вашего друга.

При определении в воде направления звука первым ослож­нением для человека является возросшая в 4,5 раза скорость его распространения. Соответственно в 4,5 раза сократится разница времени прихода звука в одно ухо по сравнению с другим. Слуховые центры человеческого мозга вычисляют направ­ление источника звука автоматически и не желают делать поправку на то, что их владелец перешел в другую среду. Не исключено, что они не получают об этом информации. Вероят­но, она просто не предусмотрена. Наша жизнь очень тесно связана с воздушной средой, поэтому сравнение времени при­хода звука в правое и левое ухо под водой оказывается непри­годным для определения местонахождения его источника.

Ткани тела, даже кости, по звукопроводности гораздо ближе к воде, чем к воздуху. Звуковые волны, наткнувшись на че­ловеческую голову, погруженную в воду, отражаются от нее слабее, чем в воздухе. Под водой звуковой волне нет необходимости огибать голову. По костям черепа она пробирается прямо в святая святых слухового анализатора - во внутреннее ухо. Заметного ослабления звука при этом не произойдет, эффект звукомаскировки будет отсутствовать. В воде голова для звука прозрачна и не отбрасывает акустическую тень. Таким образом, оба механизма, позволяющих наземным животным устанавливать местоположение источника звука, под водой не работают.

Китообразные не испытывают в подводном царстве подоб­ных затруднений. Природа, тысячелетиями шлифуя и совер­шенствуя их слуховую систему, нашла блестящее решение во­проса. Среднее и внутреннее ухо дельфинов не вмонтировано в костный череп, как у всех наземных существ. Замурованные в особое, чрезвычайно твердое костное вещество звукоприемные устройства в виде отдельных образований, названных буллей, подвешены к черепу на специальной сухожильной связке. Для большей надежности булля отделена от остального чере­па специальными полостями, заполненными воздухом или пе­ной из белковой эмульсии. У усатых китов, в первую очередь у полосатиков, связь черепа со слуховой костью, хотя и незначительная, сохранилась, однако специальная звукоизоляция препятствует переходу звука с черепа на буллю. Полностью независимые друг от друга звукоприемники правого и левого уха превосходно приспособлены для определения местоположе­ния источника звука. Если бы инженеров попросили переделать внутреннее ухо современных наземных позвоночных животных, чтобы им можно было пользоваться под водой, они, несомненно, поступили бы аналогичным образом.

Ученые специально исследовали способность дельфина опре­делять направление звука. Афалины отлично определяют по всплеску, куда упала рыбка, крохотная дробинка или просто капля воды. С расстояния 1.1-15 м они безошибочно узнают, через какой из двух гидрофонов, расположенных друг от дру­га в 25 см, был подан звуковой сигнал. Местоположение источ­ников шума животные способны определять с точностью до 1-1,5°, а чистых тонов - до 0,5°.

Для безупречной работы звукового анализатора дельфинов природе пришлось сделать достаточно точный расчет. Булля со спрятанным в ее толще внутренним ухом, как и каждое твер­дое тело, должна давать резонанс на звуки определенной ча­стоты. На какие - зависит от ее величины и способа крепле­ния. Чем больше масса предмета, тем более низкие звуки бу­дут вызывать в нем резонансные колебания, но чем жестче он закреплен, тем на более высокие звуки будет отзываться. Несомненно, собственные колебания воспринимающего прибора будут вносить значительные помехи и серьезно затруднят восприятие звуков. Природа, видимо, долго взвешивала ушные кости дельфинов, пробовала их по-разному подвешивать, пока не нашла оптимальный вариант. У современных дельфинов вес булли и жесткость крепления так сбалансированы, что звуки, способные заинтересовать животных, не могут вызвать резо­нанс булли.

Устройство слухового аппарата дельфинов поставило перед учеными много загадок. Прозрачность для звуковых волн тка­ней тела, отсутствие ушных раковин, очень узкое входное от­верстие ушного канала и полное его заращение где-то на пол­пути от звукоприемника породило еще одно ложное предполо­жение, что среднее ухо дельфину совершенно не нужно. Ученым казалось, что у дельфинов звук проникает прямо во внутреннее ухо, свободно проходя через стенки костного фут­ляра, в отличие от наземных животных, у которых звуковые колебания передаются во внутреннее ухо только через оваль­ное окно.

Решение научных вопросов требует времени. Сейчас оче­видно, что в этом отношении дельфины ничем не отличаются от наземных животных и также пользуются услугами среднего уха. Оно имеет обычное строение. Разве что косточки рычаж­ного устройства, передающие звуковое давление с барабанной перепонки на овальное окно внутреннего уха, срослись между собой. Но это не нарушает их работы. Видимо, звуковая волна попадает во внутреннее ухо через "дверь" барабанной перепон­ки. Другой путь был бы невыгоден, ведь среднее ухо выпол­няет функцию усилительного устройства. Благодаря тому, что площадь барабанной перепонки в 90 раз больше основания стремечка, надавливающего на овальное окно, обеспечивается усиление в 100-150 раз. Система косточек, передающих дав­ление, тоже помогает усиливать звуковые колебания, правда, при этом в 60 раз уменьшается их амплитуда.

Внутреннее ухо у китообразных имеет такой же план строе­ния, как и у других млекопитающих. Улитка у дельфинов круп­ная, она делает один-два оборота - сразу видно, что слух для них имеет важное значение. Малоэластичная жестко фиксиро­ванная мембрана кортиева органа свидетельствует, что ухо дельфина приспособлено к восприятию очень высоких звуков. Звуковых детекторов - волосковых клеток - 17000-18000, примерно столько же их и у человека. Это позволяет тонко различать высоту звука. Ганглионарных же клеток у дель­финов в несколько раз больше, чем у человека. Это дает воз­можность тут же, на месте, осуществлять первичную обработ­ку звуковой информации. Заканчивается обработка в мозгу, в подкорковых слуховых центрах. Они у китообразных круп­ные и развиты лучше, чем у других млекопитающих, чего нельзя сказать о конечном звене звукового локализатора - височной коре. Она у дельфинов ничем выдающимся себя не проявила. Природа, дав китообразным огромный и хорошо устроенный мозг, не позаботилась о самых главных, верховных его отделах. Видимо, большие полушария дельфинов еще окон­чательно не созрели для того, чтобы по-настоящему осмыслить информацию, поставляемую их эхолокатором.