Живые локаторы океана - Сергеев Борис Федорович - Страница 24

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 последующие 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 биоэлектрическими импульсами. 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) было 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 не соизмеримо 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 10000 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 15000 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.