Наш слух

Когда мы читаем или слушаем по радио о бионике, у нас часто создается впечатление, что эта молодая наука изучает животных, но не человека и что органы чувств животных значительно совершеннее человеческих. Многие из нас убеждены, что слух у кошек и собак во много раз лучше, чем у человека, а зрение наше уступает зрению орлов и некоторых других птиц.

Давайте разберемся, так ли это на самом деле.

Для этого мы прежде всего должны понять, что и с чем сравнивать. Можно ли, например, сравнивать пианино и звонок, очки и микроскоп, гоночный автомобиль и автобус? Конечно, пианино и звонок предназначены издавать звуки. Но роль и смысл этих звуков совершенно различны. Да, в очках и микроскопе главными частями являются стеклянные линзы. Но очки нужны, чтобы исправлять недостатки зрения, а микроскоп - чтобы получать увеличенные в сотни раз изображения мельчайших объектов. У гоночного автомобиля и у автобуса много сходных узлов и деталей: моторы, рулевое управление, тормоза, колеса, баки для бензина и так далее. Но назначение автобуса настолько отличается от назначения гоночного автомобиля, что сравнивать их по какому-то основному "автомобильному" признаку нельзя. Сказать, что гоночный автомобиль лучше автобуса - бессмысленно. Почти так же бессмысленно и утверждение, что слух собаки значительно совершеннее человеческого, ибо роль и назначение слуха собаки лишь частично совпадает с ролью и назначением нашего слуха.

То, что человек не воспринимает звуки, которые хорошо слышит собака, - факт такой же достоверный, как тот, что гоночный автомобиль гораздо быстрее автобуса. Быть может, то, что собака слышит некоторые недоступные человеку звуки, и сыграло основную роль, когда наши далекие пращуры решили приручить предков нынешних догов, овчарок, сенбернаров, такс и болонок. Несколько лет назад любители эксцентричных музыкальных записей гонялись за граммофонными пластинками, на которых была записана поющая собака. Этот музыкальный пес лаял, тявкал и завывал под музыку. Но делал он это не потому, что умел петь, а потому, что его так выдрессировали. Собаки хорошо слышат звуки, но ни одна из них не смогла бы сознательно отличить знаменитого "Чижика-пыжика" от прославленного "Собачьего вальса". Поющая собака не умела петь в подлинном смысле этого слова. А любой человек, не говоря уже о музыкантах, может очень точно воспроизвести сложнейшую мелодию.

Поющая собака

Итак, не верьте тем, кто утверждает, что слух собаки лучше человеческого. Собака лучше слышит некоторые звуки. Но слух - чувство значительно более сложное, чем простое восприятие тех или иных звуков. Слух - это способность анализировать, запоминать и извлекать из звуков полезную информацию.

В этом с человеком не сравнится ни собака, ни любое другое животное. Слух человека необыкновенно совершенен - он именно таков, какой требуется нам в жизни. Слух собаки тоже соответствует ее жизненным потребностям. Но поскольку потребности эти значительно примитивнее наших, то и слух у собак значительно проще слуха человека.

И еще одно. Если уж сравнивать способности животных и человека слышать звуки, то стоит исследовать слух охотника, ведущего примитивный образ жизни где-нибудь в лесах Амазонки, и слух животных, за которыми он охотится. Но такое исследование пока еще не проведено, хотя его результаты могли бы оказаться исключительно интересными. Ведь многие путешественники утверждают, что чувствительность слуха, острота зрения, чуткость обоняния у людей, ведущих примитивный образ жизни, значительно выше, чем у людей цивилизованных, особенно горожан. К сожалению, пока все научные данные о слухе и других органах чувств человека относятся в основном именно к горожанам.

Однако и горожанам не следует сетовать на свой слух. То, что теперь известно науке, убедительно доказывает его совершенство.

Ухо и слух с давних пор интересуют ученых. Еще знаменитый Клавдий Гален, врач и естествоиспытатель, живший в Александрии, а потом в Риме почти восемнадцать веков назад, многое знал о строении органа слуха. Но Древний Рим пал, и наступила мрачная эпоха средневековья, когда развитие наук почти полностью остановилось на столетия, когда было забыто многое из того, что хорошо знали древние. Первой страной, где возродились науки и искусства, была Италия. Здесь на рубеже XIII и XIV веков наука начала с того, на чем остановилась в первые столетия нашей эры. Здесь, в этой стране, она дала мощные побеги. И недаром, обращаясь к истокам нынешней науки, мы часто встречаемся с учеными Италии.

Исследования слуха были возобновлены в Италии в XVI веке. Примерно через сто лет ученые Италии, Англии и Франции уже многое знали об устройстве органов слуха. Но как работает ухо, удалось объяснить лишь в последней трети прошлого века. В это время была сформулирована первая, верная во многом и по сей день, теория слуха. Ее создатель, один из крупнейших немецких физиков - Герман Гельмгольц (1821-1894), - много времени посвятил изучению физиологии слуха и зрения. Теория Гельмгольца стала тем надежным компасом, который указывал ученым правильное направление на пути исследований слуха.

И все-таки, хотя изучение слуха ведется уже с давних времен, до двадцатых - тридцатых годов нашего века об этом чувстве было известно очень мало. По-настоящему слух начали исследовать лишь после того, как им заинтересовались инженеры: связисты и радиоэлектроники. К этому их привело бурное развитие телефонии, радиовещания, звукового кино и звукозаписи. Чтобы передаваемая речь была разборчивей, а качество звучания музыкальных радиопередач и граммофонных пластинок лучше, инженерам требовалось очень точно и подробно знать свойства нашего слуха. Но радиоэлектроника не только требовала новых данных о нашем слухе; она же дала ученым все приборы, необходимые для проведения тончайших исследований: точные микрофоны и излучатели звука, точные измерители звукового давления, электронные усилители и генераторы; инженеры спроектировали и построили специальные помещения, которые теперь известны под названием безэховых камер и сурдокамер.

Объединение физиков, физиологов и радиоэлектроников, сообща улучшавших радиовещание и звукозапись, привело к созданию новой технической науки - электроакустики.

Теперь уже многое известно о нашем слухе. Именно благодаря этим знаниям в наш быт прочно вошли многие радиоэлектронные приборы: магнитофоны, стереофонические приемники и проигрыватели, слуховые протезы...

В последние годы назрели новые инженерные задачи. Но для их решения современных знаний о слухе недостаточно. В наши дни инженеры хотят знать не только свойства слуха, но и принципы действия слухового аппарата человека и животных. Разгадать их и применить на практике - чисто бионные задачи.

Чтобы лучше понять, каковы же эти новые задачи, стоит коротко познакомиться с устройством человеческого уха, с его удивительными свойствами.

В органе слуха ученые различают три основных отдела: наружное, среднее и внутреннее ухо. Первый отдел - ушная раковина и наружный слуховой проход. В его конце находится барабанная перепонка, а за ней - заполненная воздухом барабанная полость. Воздух в нее попадает через рот, он проходит по особому каналу - евстахиевой трубе, соединяющей барабанную полость с носоглоткой. Внутреннее ухо помещается в костной ткани черепа. Оно имеет очень сложную пространственную форму, и поэтому его часто называют лабиринтом.

Этот рисунок дает представление об устройстве уха человека. Внизу показана в разрезе улитка

Барабанная перепонка представляет собой тоненькую, всего в одну десятую миллиметра, вогнутую внутрь пленку. Она колеблется в такт с попадающими в звуковой проход звуковыми волнами. Ее колебания передаются воздуху, заполняющему барабанную полость, и сложной шарнирной системе крохотных слуховых косточек, связанных между собою при помощи суставов, - молоточку, наковальне и стремечку. Рукоятка молоточка плотно сращена с барабанной перепонкой, а наконечник передает колебания перепонки наковальне, та, в свою очередь, - стремечку. Основание стремечка плотно прилегает к так называемому овальному окну, отверстию в черепе, за которым находится лабиринт: улитка и три полукружных канала, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. В черепе имеется и второе отверстие - круглое окно. Оно тоже выходит в барабанную полость и затянуто перепонкой.

Разумеется, ни барабанная перепонка, ни слуховые косточки не воспринимают звуков; они нужны лишь для передачи, подведения звуков к органу, реагирующему на звуки. Таким органом является улитка. Она представляет собой полость в костной ткани, имеющую форму спирали, и действительно очень напоминает раковину морской улитки. У человека улитка имеет два с половиной завитка.

Улитка заполнена особой жидкостью и разделена поперек плоской мембраной, которая тоже закручивается по спирали, повторяя извивы полости. Мембрана эта состоит из множества радиально расположенных волоконец. Их насчитывается от 16 до 25 тысяч. Длина волоконец не одинакова. У основания улитки находятся самые короткие, а по мере приближения к верхушке улитки их длина плавно увеличивается. Так же по всей длине улитки расположены чувствительные клетки. Их называют волосковые или слуховые клетки. К ним подходят нервные окончания нейронов.

Звуковые колебания от барабанной перепонки передаются во внутреннее ухо через воздух, заполняющий барабанную полость, и по слуховым косточкам. Такая двойная система передачи звуков необходима для того, чтобы преодолеть преграду воздух - жидкость. Звук, попадая в жидкость улитки, заставляет колебаться спиральную мембрану. Но не вся она колеблется одновременно. Подобно тому как в рояле струны разной длины издают разные звуки, или, иначе говоря, колеблются с разной частотой, так и участки мембраны, а возможно, и волоконца-струны настроены на разные частоты^*. Чем короче такое волоконце-струна, тем на более высокие звуки оно отзывается. Каждое из таких волоконец настроено довольно точно и начинает колебаться только в том случае, если в жидкости, заполняющей улитку, возникают звуковые колебания определенной частоты. Колебания волоконец воспринимаются расположенными рядом волосковыми клетками. Реснички этих клеток соприкасаются с соответствующими волоконцами, и когда волоконца колеблются, реснички сгибаются и, таким образом, возбуждают слуховые клетки. От слуховых клеток сигналы передаются нейронам и далее по слуховому нерву в мозг.

^* (Многие ученые считают, что на разные частоты настроены не волоконца, а различные участки самой спиральной мембраны.)

Орган слуха всех позвоночных животных и человека происходит от известного вам органа боковой линии, имеющегося у современных рыб и существовавшего у наших отдаленных водных предков.

В лабиринте расположен и орган равновесия; он воспринимает изменения положения головы и тела в пространстве. В сочетании с соответствующими центрами нервной системы его называют "вестибулярный аппарат". Это название отражает долгую историю изучения органа слуха. Исследуя строение лабиринта, итальянские ученые прошлого уподобили улитку винтовой лестнице, и данные ими названия частей улитки и лабиринта сохранились до сих пор. Так, одна из частей улитки называется барабанной лестницей (скала тимпани), а другая - лестницей преддверия (скала вестибули), а одна из частей лабиринта носит название преддверия (вестибули).

Рецепторы органа равновесия находятся в двух перепончатых мешочках преддверия или "вестибюля", а также в расширенных концах полукружных каналов. Мешочки и каналы заполнены особой студенистой массой, в которой взвешены крохотные кристаллики углекислого кальция - отолиты, то есть ушные камешки. Когда мы наклоняемся, поворачиваемся, ложимся, качаемся на качелях или кружимся на карусели, эти камешки перемещаются в желеобразной массе и задевают за реснички рецепторных клеток, раздражая их. Сигналы от клеток передаются по нерву в мозг.

Возможно, у некоторых читателей возник вопрос: для чего нужны три полукружных канала и почему они расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях?

Ответ прост. Мы живем в трехмерном пространстве, то есть в таком, где плоскости могут пересекаться не более чем в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Как бы мы ни старались, мы не можем в нашем пространстве построить более трех взаимно перпендикулярных отрезков или плоскостей. Поэтому любое движение любого тела всегда можно разложить на три взаимно перпендикулярные составляющие. Роль трех полукружных каналов как раз и заключается в том, чтобы мы могли точно судить о положении и движениях своего тела в трехмерном пространстве. Вестибулярный аппарат развился в условиях притяжения к земле. В космосе, когда сила тяжести отсутствует, он уже не дает сигналов о том, где верх и низ. И поэтому космонавты проходят специальную тренировку, чтобы в невесомости не возникало ни ошибок в движениях, ни неприятных ощущений.

Однако вернемся к тому, что сейчас особенно интересует биоников, - к слуху.

Точно измерять и выражать числами свойства слуха наука научилась всего лишь три-четыре десятилетия назад, когда были созданы первые электронные измерительные приборы. Теперь эти приборы показались бы грубыми, несовершенными, но тогда они позволили узнать многое.

Принцип обследований слуха очень прост.

Человека, слух которого собираются исследовать, усаживают в удобном кресле в сурдокамере. Обычная сурдокамера гораздо проще тех, где в течение многих суток одиночеством и тишиной испытывают космонавтов. Сурдокамера для исследований слуха - небольшая комната без окон, освещенная ровным, мягким светом. Ее стены, пол, потолок сделаны из специальных звукоизоляционных материалов, а кроме того, обшиты материалами, не отражающими звуков. В сурдокамеру не проникает ни звука, в ней стоит почти полная тишина, нарушаемая лишь дыханием, биением сердца и тонким звоном крови, текущей по кровеносным сосудам. На кресле укреплен микрофон, а в стену вделан громкоговоритель, и, когда нужно, человек может переговариваться с исследователями. Эксперимент длится недолго, иначе испытуемый устанет, его внимание притупится, и он начнет ошибаться.

За стеной сурдокамеры, в другом помещении, у пульта, заставленного электронными приборами: генераторами, усилителями, магнитофонами и осциллографами, сидит исследователь. Он управляет приборами и наблюдает за испытуемым по телевизору.

Встанем за спиной исследователя и посмотрим, как он проводит изучение восприятия человеком звуков различной частоты.

Все, что требуется в таком опыте от обследуемого, это нажимать на кнопку, когда он слышит звук в наушнике. Кнопка зажигает зеленую сигнальную лампочку на стенде исследователя.

Начинается опыт. Исследователь включает генератор токов звуковой частоты, спрашивает у обследуемого, готов ли он, и, когда в ответ несколько раз бодро вспыхивает зеленый огонек, протягивает руку к генератору и поворачивает рукояткой большой черный диск с награвированными штрихами и цифрами. Установка окончена, против стрелки остановились цифры 512. Это значит, что частота звука в наушнике будет 512 колебаний в секунду. Потом исследователь берется за другую ручку - регулировки силы звука. Для начала он устанавливает такую громкость, чтобы испытуемый отчетливо слышал звук в наушнике. Пока устанавливалась частота и сила звука, в наушнике ничего не было слышно. Но вот установка окончена, исследователь нажимает на кнопку - звук подан.

На этом старинном рисунке вы видите весь нехитрый арсенал научных приборов, которыми пользовался Гальвани

Пилоты пассажирского лайнера довольно свободно чувствуют себя в своей кабине. Но сколько перед ними, над ними и с боков всяких кнопок, рукояток и приборов!

А сколько приборов у штурмана пассажирского лайнера и бортинженера

Вычислительная машина 'БЭСМ-2'. Она создана не так уж давно, но все же занимает много места и потребляет немало электроэнергии

Современная вычислительная машина 'Раздан'. Она невелика по размеру. Но пройдет несколько лет, и она покажется громоздкой и неэкономичной

Размеры электронных устройств становятся все меньше. Но и те, которые вы видите на снимке, кажутся инженерам слишком большими. Теперь созданы электронные устройства в десятки и сотни раз меньших размеров

Уменьшение размеров радиоаппаратуры позволило укрепить достаточно мощный радиопередатчик на панцире морской черепахи. Это поможет следить за ее странствиями с помощью радиопеленгаторов

Опытный образец ультразвукового поводыря. Если после проведения испытаний он хорошо зарекомендует себя, инженеры переконструируют его так, чтобы он стал очень небольшим и удобным для слепых

На 'операционном столе' - усыпленная акула. Сейчас ее глаза закроют пластмассовыми колпачками и снова пустят в бассейн. Ей и без помощи глаз удавалось удачно охотиться

Нильский голохвост охотится. Как эта рыба отличается своими формами от привычных нам карпов, карасей и прочих обитателей наших рек

Дельфин в лаборатории. Как видите, человек и дельфин довольно дружественно 'беседуют'. В руках ученого микрофон

Безэховая камера. В таких камерах звук совершенно не отражается от стен, в них изучают различные акустические приборы, а также слух человека и животных

На лабораторном стенде - бионные протезы кисти руки. Пальцы протезов повинуются биотокам

У этого человека парализованы руки. Бионика пытается помочь ему. Правда, это лишь одна из самых ранних попыток - бионные устройства, заставляющие двигаться парализованные руки, громоздки и не пригодны в повседневной жизни. Но, может быть, пройдет не так уж много лет, и бионика возвратит трудоспособность людям с парализованными конечностями

Фотография слоев сетчатки (в разрезе), сделанная с помощью оптического микроскопа. Свет на сетчатку падает сверху и, перед тем как попасть в палочки и колбочки - вытянутые веретенообразные тела, проходит через несколько слоев специальных нервных клеток

Фотографии сегментов палочки и колбочки, в которых содержится зрительный пигмент, сделанные с помощью электронного микроскопа. Увеличение на этих фотографиях очень большое - десятки тысяч раз

Клюнув в световое пятнышко, голубь получает право на несколько зернышек из автоматической кормушки

Электрические сигналы в волокнах зрительного нерва лягушки

Глаз с контактной линзой. На стеклянном стерженьке, приваренном к линзе, укреплена крохотная электрическая лампочка

Стадии развития личинки угря. Внизу - молодой угорь

Очень упрощенный макет сетчатки глаза лягушки. В нем всего 361 светочувствительная 'клетка', всего 361 фотоэлемент. В глазу лягушки светочувствительных клеток во много тысяч раз больше. Для сравнения на снимке показана лягушка. Как видите, по экономии места и веса природа далеко опередила технику

Это перцептрон. Сейчас его обучают распознавать букву С

Эта машина среди десятков тысяч здоровых кровяных телец, видимых в поле зрения микроскопа, может отыскать одно больное, распознать его по внешнему виду и тем самым сообщить врачам о ранних симптомах одного очень опасного заболевания. Делает она это в сотни раз быстрее, чем человек

Обработка электроэнцефалограмм с помощью вычислительной машины. Слева вверху - обычная энцефалограмма, отыскать на ней интересующий ученых импульс невозможно. Справа вверху - энцефалограмма, усредненная по двум измерениям, на ней импульс тоже еще не виден. Слева в среднем ряду импульс обозначился довольно отчетливо, для этого пришлось провести усреднение по 32 измерениям. Далее идут энцефалограммы, усредненные по 64, 128 и 512 измерениям. На последней (справа внизу) виден только импульс, а все помехи исчезли

Осьминог охотится на краба. Увидев краба, он выходит из своего домика и приближается к жертве. Когда краб оказывается достаточно близко, осьминог выбрасывает вперед переднее щупальце и хватает краба. Затем он возвращается в домик, где убивает краба своей ядовитой слюной и съедает его

Увидев краба, необученный осьминог приближается к нему, не боясь белого квадрата. Но тут же квадратом прикасаются к осьминогу, и он получает болезненный электрический удар

Увидев краба, необученный осьминог приближается к нему, не боясь белого квадрата. Но тут же квадратом прикасаются к осьминогу, и он получает болезненный электрический удар

Обученный осьминог при виде квадрата уже не решается полакомиться крабом и отступает в свой домик. Если же квадрат приближается к осьминогу, он меняет свою окраску, старается сделаться незаметным. Когда и это не помогает, осьминог пускает в квадрат сильную струю воды, пытаясь его отогнать

И сейчас же перед ним загорается зеленый огонек, а на экране телевизора видно улыбающееся лицо - обследуемому нравится этот похожий на игру опыт. Исследователь отпускает кнопку, и сигнальная лампочка тотчас гаснет. Снова рука исследователя тянется к генератору. Но он не трогает рукоятку установки частоты, он меняет лишь силу звука, убавляет ее и снова нажимает на кнопку. Снова в ответ загорается сигнальный огонек. Так, шаг за шагом, исследователь уменьшает силу звука. Постепенно испытуемый перестает улыбаться, лицо его выражает сосредоточенное внимание - все труднее и труднее уловить слабеющий звук. И наконец сигнальная лампочка начинает загораться не сразу. А лицо на экране телевизора становится напряженным, и мы понимаем, с каким трудом удается испытуемому отличить звук от тишины. Но исследователь еще убавляет силу звука. И тогда сигнальная лампочка то вовсе не зажигается, то зажигается в отсутствие звука. Если теперь чуть-чуть прибавить силу звука, буквально на самую малость, зеленый огонек, хотя и с запозданием, но будет зажигаться правильно.

Вот такая сила звука и есть самая малая, которую воспринимает обследуемый. Это порог слуха на данной частоте.

Определив порог слуха на одной частоте, исследователь переходит на другую, более высокую или более низкую, и снова повторяется не такая уж простая игра в "слышу - не слышу". Она длится до тех пор, пока слух человека не будет обследован звуками всех слышимых им частот. Разумеется, эти частоты устанавливаются не сплошь, а с интервалами.

Бывают и более сложные эксперименты. Иногда наушник подключают не к генератору токов звуковой частоты, а, например, к магнитофону, на котором записана специально искаженная речь или речь совместно с шумами, или речь многих людей, из которой требуется выбрать и понять слова лишь одного человека. А иногда обследуемому приходится вслушиваться в обрывки фраз, произносимых или разными голосами, или с разной громкостью. Вот, например, из таких фраз, произносимых двумя голосами: "У он попа ее была любил собака. Она он съела ее кусок убил мяса". Надо извлечь полезную информацию. Сделать это очень трудно, а иногда и невозможно.

Как же проводят обследования слуха животных, которые не понимают никаких инструкций?

Животных обучают игре в "слышу - не слышу". Для этого у них вырабатывают условный рефлекс на звук. Услышав звук, животное должно либо нажать на кнопку, либо совершить какое-то другое определенное действие.