Живые локаторы океана
Шрифт:
Поиски акустической двери начались лишь после обнаружения у дельфинов эхолокации. Нож анатома не нашел ничего, похожего на тропинку для звуковых волн. Пришлось вернуться к идее слуховых проходов и проверить экспериментально, могут ли звуки пользоваться этой тропинкой. Дельфину закрыли присосками ушные отверстия и выпустили в бассейн с мутной водой. Экспериментаторам казалось, что присоска должна явиться серьезным препятствием для звуковых волн, но поведение бедолаги-дельфина практически не изменилось. Исследователи не знали, что звуковые волны способны добираться до слухового прохода со стороны, проходя через кожу за пределами звукозадерживающих присосок.
Кожа и жир для них не преграда, и звуковым волнам не обязательно пользоваться начальными отделами звукового прохода. Для них важна лишь внутренняя, самая последняя его часть, как единственная
Позже способность звука обходиться без специальных дверей была подвергнута экспериментальной проверке. Исследователи, осуществив сложнейшую операцию, сумели вживить электроды в структуры внутреннего уха. Регистрация электрических реакций позволила судить о том, добираются ли туда звуковые волны. Прикладывая небольшой звукоизлучатель к различным участкам кожи на голове дельфина, ученые убедились, что звуковым волнам нет нужды протискиваться сквозь узкое наружное отверстие слухового прохода.
Они способны проникать сквозь кожу и, путешествуя по жировой и другим тканям, в конце концов добираться до внутреннего уха. Правда, не все частоты одинаково хорошо проводятся сквозь жир и мышцы.
Затем стали нащупывать тропинку, специально предназначенную для звуков. Подозрение пало на нижнюю челюсть.
Длинные изящные кости нижней челюсти дельфинов имеют вблизи места своего соединения, которое по аналогии с человеком можно условно назвать подбородком, три-четыре небольших отверстия, ведущих во внутренний костный канал, заполненный жиром. Предполагают, что по этому волноводу звуки без труда добираются до сустава, которым нижняя челюсть соединена с черепом. А отсюда до среднего и внутреннего уха рукой подать. Нашли и последний отрезок тропинки.
Семьдесят с лишним лет назад немецкий анатом Г. Бенингхауз обнаружил жировой тяж, идущий от нижней челюсти непосредственно к булле. Теперь оставалось только проверить, будут ли слышать дельфины, если воспрепятствовать проникновению звука внутрь нижнечелюстных костей. Для звукоизоляции использовали полиэтиленовые мешочки, наполненные воздухом. Ими укутывали или нижнюю челюсть, или боковые части головы, и проверяли, слышат ли после этого дельфины. Каждый звук сопровождали ударом электрического тока. От неожиданности, от боли, а может быть, просто от обиды сердечный ритм у дельфина мгновенно нарушался.
Вскоре образовался оборонительный условный рефлекс. Привыкнув каждый раз получать удар током, дельфин вздрагивал от любого звука, сердце сбивалось с ритма, уже не дожидаясь самого удара. Не возникало сомнений, что животные слышали звуки.
Просидев не один день возле ванны с дельфином, исследователи пришли к выводу, что звуковые волны добираются до среднего уха двумя путями – по каналу нижней челюсти и из района ушных отверстий. Для звуков до 30 кГц более удобным является обычный звуковой путь – наружные слуховые проходы. Высокие звуки предпочитают нижнюю челюсть.
Неравноценность пути для звуков разной частоты объясняется физическими особенностями звукопроведения на каждой из акустических тропинок.
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, не редко 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 соединенных 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 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.