Живые локаторы океана
Шрифт:
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.
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 11–15 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.