Тревор Кокс - Зачем мы говорим. История речи от неандертальцев до искусственного интеллекта

Вопреки ожиданиям Кристиана оказалось, что двоякодышащие рыбы не совсем глухие. При низких частотах, ниже 200 Гц, рыба могла улавливать звуки выше 85 дБ. Представьте, что блуждающий тромбонист случайно проходит мимо и извлекает из своего инструмента громкий звук прямо в вашей комнате. Хотя у двоякодышащей рыбы нет чувствительных ушей, все же она может «слышать» этот звук: он заставит голову рыбы вибрировать, и именно это движение может передаваться в мозг. «Хотя органы слуха двоякодышащих рыб совершенно не приспособлены к воздушной среде, эти рыбы тем не менее могут слышать издаваемые в этой среде звуки, что было для меня полной неожиданностью, — говорит Кристиан. — Это может свидетельствовать о том, что даже ранние тетраподы и, возможно, их обитавшие в воде предки могли различать передаваемые по воздуху звуки». Однако для тетрапод такой примитивный наземный слух был бы слишком слабым и поэтому бесполезным. Они могли не услышать подбирающегося хищника — если, конечно, он не играл на тромбоне. Но даже если от такого рудиментарного слуха было мало пользы, эволюции уже было над чем поработать.

Строение человеческого уха

В отличие от ранних тетрапод слух млекопитающих значительно более чувствителен, и причиной этого являются многочисленные эволюционные адаптации. Сначала звук усиливается резонансом в наружном слуховом проходе и ушной раковине, небольшом, имеющем форму чаши углублении во внешнем ухе. Усиление составляет не более 20 дБ, что приблизительно соответствует повышению громкости в четыре раза. Второе усиление происходит в среднем ухе, которое состоит из барабанной перепонки и трех крохотных косточек: молоточка, наковальни и стремечка, которые называются слуховыми косточками. Здесь незначительные движения воздуха, представляющие собой звуковые волны, преобразуются в физические колебания, исходящие от частей тела. Наконец, еще одно усиление происходит в улитке внутреннего уха, где вибрации преобразуются в электрические импульсы, которые затем передаются мозгу по слуховому нерву.

В изучении эволюции слуха в воздушной среде основное внимание, как правило, уделяется тому, как для выживания на суше адаптировалось среднее ухо. Барабанная перепонка — это очень тонкая мембрана примерно 9 мм шириной. Она собирает звук почти всей поверхностью, и даже при восприятии резонансных частот барабанная перепонка смещается менее чем на диаметр атома водорода. Барабанная перепонка — настолько полезное приспособление, что она развивалась у млекопитающих, рептилий и птиц независимо друг от друга {20} 20 Kitazawa T., Takechi M., Hirasawa T. et al. Developmental genetic bases behind the independent origin of the tympanic membrane in mammals and diapsids // Nature communications. 2015. Vol. 6. . Затем звук заставляет двигаться молоточек и наковальню, которые работают как система рычагов для увеличения силы, вызывающей вибрацию косточки стремечка. Усиление от среднего уха возникает в основном за счет разницы в размерах барабанной перепонки и основания стремечка, которое воздействует на вход во внутреннее ухо. Чтобы понять, как это происходит, можно представить себе многоножку, у которой сто ног, но которая по какой-то причине балансирует только на шести. На каждую из шести стоящих на земле ног воздействует большая сила, чем если бы все ножки стояли на земле: давление увеличивается примерно в 17 раз (100 разделить на 6). Это сравнимо с усилением, которое входящий звук получает благодаря тому, что сила, распределенная по площади барабанной перепонки, концентрируется на меньшей площади основания стремечка. В целом среднее ухо усиливает звук примерно на 30 дБ — такова разница в громкости между обычным разговором и криком {21} 21 Yost W. A. Fundamentals of Hearing: An introduction. Academic Press, 1994. .

Очень соблазнительно было бы все упростить и представить историю эволюции слуха как линейный процесс, в котором для усиления звука анатомия млекопитающих изменялась по описанным выше механизмам. Однако на самом деле эволюция более сложная штука. Системы органов приспосабливаются к тому, для чего они не были предназначены первоначально. Ученые называют этот процесс экзаптацией . По иронии судьбы человек, который первым задокументировал развитие слуховых костей и выдвинул блестящие идеи относительно эволюции слуха, Карл Богуслав Рейхерт, не был поклонником работ Чарльза Дарвина.

Рейхерт — немецкий анатом, живший в XIX веке. На фотографиях мы видим его с гривой зачесанных назад волос и в овальных очках в металлической оправе. На некоторых снимках у него впечатляющая вандейковская бородка. Несмотря на то что Рейхерт сделал одно из важнейших открытий в биологии позвоночных, сегодня о нем мало вспоминают и даже довольно жестко описывают как «серьезного, но не слишком блещущего умом» ученого {22} 22 В этом разделе исторические цитаты, касающиеся Рейхарта, взяты из: Asher R. J. Evolutionary Biology and Scepticism: the Reception of Darwinism in 19th Century German Embryology // Scepticism: Hero and Villain / eds. R. Calne, W. O’Reilly. NOVA publishers, 2012. P. 71–86. . В начале своей научной карьеры Рейхерт препарировал эмбрионы свиньи и понял, что две слуховые косточки, молоточек и наковальня, формируются в виде хряща, присоединенного к задней части челюсти эмбриона. По мере развития эмбриона хрящ костенеет, уменьшается и отделяется от челюсти, формируя две косточки среднего уха. В 1837 году Рейхерт писал: «Редко можно найти часть живого организма, в которой изменения по сравнению с первоначальным видом были бы столь очевидны, как изменения слуховых костей млекопитающих». Однако прошло два десятилетия, а Рейхерт все же не смог выйти за рамки своих наблюдений и принять тот факт, что дарвиновская теория эволюции путем естественного отбора могла бы объяснить то, что он увидел с помощью микроскопа.

Итак, как же изучение развития современного животного от эмбриона до взрослой особи помогает нам понимать эволюцию, которая происходила миллионы лет назад? Я беседовал с экспертом в области эволюционной биологии развития Верой Вайсбекер из Квинслендского университета. Она рассказала, что в ходе развития организма могут сохраняться наследственные характеристики. «Эволюция к старым процессам добавляет новые. Внешне мы не слишком отличаемся от обезьян, у нас общие прародители, и на многих стадиях развития мы представляли собой обезьяну лишь с незначительными изменениями». Это означает, что когда мы анализируем собственное развитие, то видим какую-то часть своего эволюционного прошлого. Вот почему наблюдения Рейхерта, описавшего развитие эмбриона свиньи, настолько важны: они показали, что у млекопитающих имеется зачаток челюсти рептилии, из которого затем формируются и развиваются кости среднего уха.