Томас Зюндер - Во все уши. Про многозадачный орган, благодаря которому мы слышим, сохраняем рассудок и держим равновесие

Теперь подведем итог тому, что мы узнали о распространении звуковых волн при хлопке:

• состоят из молекул воздуха, которые толкают друг друга подобно костяшкам домино;

• распространяются сферически вокруг источника звука;

• стенка звуковой сферы состоит из прижатых друг к другу молекул воздуха, в то время как внутри нее преобладает первоначальная плотность воздуха;

• звуковые волны – это не что иное, как систематическое изменение давления воздуха, которое распространяется в пространстве.

Большинство шумов сложнее, чем простой хлопок. В отличие от упомянутого в начале Большого взрыва, они на самом деле представляют собой взрыв, то есть резкое изменение плотности воздуха. Это довольно громкий, но очень короткий звук.

Как выглядит звуковая волна при более длительном звучании? Например, в случае свиста или работающего двигателя?

Для нашего микроскопа подойдет пример звенящего бокала для вина. Если ударить по бокалу ложкой, он завибрирует, сталкиваясь при этом с окружающими молекулами воздуха. Здесь движение снова распространяется сферически, но вместо одной сферы в течение всей продолжительности колебаний постоянно создаются новые. На неподвижном кадре формирование молекул воздуха вокруг бокала выглядит как луковица. При рассмотрении в замедленной съемке отдельные ее слои непрерывно перемещаются изнутри наружу, увеличиваясь при этом.

То, что мы увидели под микроскопом, – не что иное, как игра воображения. В реальной жизни ситуация выглядит гораздо сложнее. Прежде всего, все происходит безумно быстро: звук распространяется в воздухе со скоростью около 343 метров в секунду – независимо от того, хлопаете вы в ладоши или стучите по бокалу, за доли секунды доминоподобное движение молекул уже достигает стен, потолка и пола помещения. Молекулы отскакивают от каждой преграды и выбрасываются в пространство под разными углами. Их траекторию способны изменить даже предметы мебели.

Кроме того, в повседневной жизни ни один звук практически никогда не получается услышать отдельно. Предположим, в ресторане, где кто-то намеревается сказать тост перед большой компанией, собравшейся отпраздновать свадьбу, ударили по бокалу. Вокруг слышны голоса, звон столовых приборов, шелест одежды, шаги официантов, тихая фоновая музыка, шум автомобилей на улице. Все эти источники шума образуют звуковые сферы и луковицы, перекрывающие друг друга. Молекулы, которые оттолкнулись от одного источника звука, в воздухе встречаются с другими движущимися молекулами и сбиваются с курса. Стены, люстры, столы и человеческие тела отклоняют движения. Если на стоп-кадре, сделанном в этом ресторане, мы начнем искать сферу или луковицу, то не найдем ее. Вместо этого, по всей вероятности, обнаружим лишь сплошной хаос диких завихрений перемешанных молекул воздуха.

Для наших ушей все по-другому! В этом хаосе они способны определить, откуда исходит звук и что он означает. Музыка слышится как музыка, звон бокалов – как звон бокалов, голоса – как голоса. Звон бокала доносится от столика в центре, шаги официанта – справа, смех гостя – слева. Благодаря ушам мы распознаем все это, ни на минуту не задумываясь.

В конце концов, всеми акустическими впечатлениями мы обязаны малейшим колебаниям пленочки, которая не больше ногтя на мизинце, – барабанной перепонке. Эта высокочувствительная мембрана может ощущать воздействие даже отдельных молекул воздуха. Без барабанной перепонки мы были бы практически глухими. Итак, пришло время узнать, как, собственно, появилась в ухе драгоценная перепонка.

Звуковые волны в воде распространяются так же сферически, как и в воздухе. Однако в жидкой среде они достигают скорости около 1500 метров в секунду, что быстрее более чем в четыре раза. Волосковые клетки в органе боковой линии первобытных рыб не могли их воспринимать. Когда именно у рыб развился слух, можно только догадываться. Знания о существах, живших на нашей планете сотни миллионов лет назад, получают в основном от ископаемых – окаменелостей вымерших животных. К сожалению, внутренние структуры их тел часто не сохраняются. Это касается и частей уха, таких как барабанная перепонка. Тем не менее исследователи могут делать выводы о наших давних предках, обитавших в воде, по животным, которых можно встретить и по сей день. В поисках источника происхождения слуха особенно помогают всем известные кистеперые рыбы. Эти существа считаются живыми ископаемыми, потому что вплоть до прошлого века считалось, что они вымерли около 70 миллионов лет назад. Это возраст наиболее свежих окаменелых находок, самые же древние насчитывают более 400 миллионов лет. На самом деле в водных глубинах скрывались животные длиной до двух метров – первый живой экземпляр был обнаружен в 1938 году у побережья Южной Африки. Даже сегодня мы можем наблюдать там этот древний вид, а также перед одним из индонезийских островов.

Звуковые волны в жидкой среде распространяются в 4 раза быстрее, чем в воздухе.

Кистеперые рыбы имеют не только органы боковой линии, но и небольшие слуховые уплотнения с волосковыми клетками. Они настолько чувствительны, что могут воспринимать быстрые звуковые волны. У кистеперых и современных рыб под водой они прекрасно работают, потому что ткани и телесные жидкости животных имеют плотность, аналогичную жидкой окружающей среде. Таким образом, молекулы воды в своем движении, подобном костяшкам домино, сталкиваются непосредственно с молекулами тела, и звуковые волны продолжают беспрепятственно распространяться внутри самих животных. У кистеперой рыбы кость нижнечелюстного сустава проводит вибрацию к слуховым уплотнениям, заключенным в черепе. Благодаря этому миллионы лет назад ее предки уже могли слышать звуки, издаваемые другими животными, и спасаться от хищников. Слух оказался преимуществом, необходимым для выживания, и передался потомкам.

Ситуация усложнилась, когда первые морские жители вышли на сушу. По сравнению с водой воздух не такой плотный, и его звуковые волны не способны проникать в тело рыбы. Зато воздух дает много кислорода для дыхания. У одного древнего предка сегодняшней кистеперой рыбы появилась способность объединять дыхание со слухом. Целых 370 миллионов лет назад он поднимался на поверхность мелководья в Прибалтике, где регулярно поглощал воздух. Он делал это не так, как мы, через рот или нос, а через так называемое брызгальце. Наверняка вам известно, что киты и дельфины выпускают фонтаны воды через такое отверстие в спине. У древней кистеперой рыбы их было два, по одному за каждым глазом. Но она не выплевывала воду, а, наоборот, стремилась избегать попадания чего-либо в это отверстие – в конце концов, оно было предназначено для вдыхания воздуха. Предположительно, когда животное погружалось в воду, отверстие могло закрываться жаберной крышкой.