Пока в воздухе происходят описанные явления, ножка камертона идет вправо. Это приводит к тому, что в том месте, где только что был участок повышенного давления, происходит разрежение, то есть молекулы воздуха расходятся. Образуется область пониженного давления. Для того чтобы заполнить образовавшуюся пустоту, из соседних участков в область пониженного давления (разрежения) устремляются молекулы воздуха из близлежащих участков, при этом создается новый участок пониженного давления, который начинает распространяться от камертона в окружающее пространство.
Поскольку колеблющаяся ножка камертона ритмично движется то слева направо, то справа налево, постольку в окружающее камертон пространство излучаются последовательные области повышенного и пониженного давления. При этом сами молекулы воздуха не движутся вместе с волнами давления. Они просто смещаются влево и вправо на небольшое расстояние. Движутся в пространстве области высокого и низкого давления, то есть области сжатиям разрежения воздуха. Так как движение этих участков осуществляется в правильном ритме, они получили наименование «волны». Поскольку образование их сопровождается порождением звука, то их и назвали звуковыми волнами.
Скорость распространения волн зависит от упругости среды, по которой распространяется звук. Упругость характеризуется быстротой, с какой молекула возвращается в исходное положение после смещения. В воздухе, при температуре замерзания воды, скорость распространения звуковой волны равна 1090 футам в секунду или 745 милям в час. В других средах, например в воде или в стали, упругость которых превосходит упругость воздуха, скорость распространения звуковых волн, соответственно, выше. Следовательно, через вакуум, в котором отсутствуют атомы и молекулы, звуковая волна пройти не может.
Длиной волны называется расстояние между соседними участками максимального повышения давления (или, что то же самое, между соседними участками максимального разрежения). Частотой называется количество волн, которое источник звука генерирует в течение одной секунды. Например, ножка камертона, который генерирует тон, соответствующий ноте си, колеблется с частотой 264 раза в секунду. Каждую секунду возникает 264 участка высокого давления, за которыми следуют участки низкого давления. Таким образом, частота равняется 264 циклам в секунду. За эту секунду звук (при температуре замерзания воды) прошел расстояние 1090 футов. Если в это расстояние укладываются 264 области высокого давления, то расстояние между двумя такими соседними участками равно 1090 футам, деленным на 264. Следовательно, длина волны тона, соответствующего ноте си, равна 4,13 фута.
НАРУЖНОЕ И СРЕДНЕЕ УХО
Как можно убедиться, в преобразовании звуковых волн в электрические импульсы нет ничего таинственного. Согласно одной из точек зрения, слух - это не что иное, как развитое до совершенства чувство давления. Звуковые волны с определенной периодичностью оказывают давление на предметы, с которыми встречаются на пути своего распространения. Это давление очень мало в обычных условиях, и единичная область повышенного звукового давления не может оказать ощутимого воздействия на орган слуха, не говоря уже о прочих частях тела. Нервный импульс действительно возникает не вследствие приложенного давления, а вследствие повторения этих воздействий с определенной периодичностью. Вот эта повторяемость, создающая неповторимый индивидуальный рисунок звука, и порождает нервные импульсы. Рыба слышит с помощью специальных сенсорных клеток, которые приспособлены специально к тому, чтобы воспринимать подобные изменения давления. Эти воспринимающие звук клетки находятся на продольно расположенных линиях, идущих по обоим бокам тела рыбы. Эти образования называются боковыми линиями.
Выход позвоночных животных на сушу породил новые проблемы, связанные с восприятием звука. Воздух - намного более разреженная среда, чем вода, и быстрые периодические изменения давления в воздухе, то есть звуковые волны, обладают намного меньшей энергией, чем аналогичные волны в воде. По этой причине наземным позвоночным пришлось выработать более чувствительные звуковые рецепторы, чем боковая линия рыб.
Парный орган, претерпевший необходимые изменения, расположен в полостях височных костей по обе стороны черепа. Эти полости называются преддвериями. По-латыни преддверие называется vestibulum. У примитивных позвоночных преддверие содержит два наполненных жидкостью мешочка, соединенных между собой тонким протоком. Это - сферический и эллиптический мешочки. У всех позвоночных выше рыб эти маленькие органы образуют орган, управляющий ориентацией в пространстве, то есть их функцию можно назвать вестибулярным чувством. Эллиптический мешочек и его отростки продолжают отвечать за вестибулярное чувство у всех высших позвоночных, включая человека, и я опишу устройство вестибулярного аппарата далее в этой главе.
У наземных позвоночных из сферического мешочка тоже развился специализированный отросток. В нем содержатся рецепторы, воспринимающие звуки с большей чувствительностью, чем боковая линия рыб. Осталось лишь разработать механизм передачи звуковых волн из воздуха к новому воспринимающему звук органу преддверия. Для этой цели мудрая природа использовала жесткую структуру жабер, которые с выходом на сушу стали ненужными в своем первозданном виде. Например, первая жаберная пластинка превратилась в тонкую перепонку, которая могла колебаться в такт с маломощными звуковыми колебаниями воздуха. Другая жаберная пластинка стала маленькой костью между перепонкой и рецептором звука, став, таким образом, передатчиком звука.
У млекопитающих произошло дальнейшее усовершенствование органа. Нижняя челюсть млекопитающих устроена проще, чем у пресмыкающихся, но функционирует более надежно и эффективно. Она состоит из одной кости, а не из нескольких, как у рептилий. Те кости, которые стали ненужными, не исчезли. Некоторые из них были, в измененном виде, присоединены к расположенному поблизости механизму восприятия звука. Для того чтобы убедиться в этом, пощупайте заднюю часть своей нижней челюсти. Она действительно находится в непосредственной близости от уха. В результате у млекопитающих перепонка соединена с органом восприятия звука тремя костями, а не одной, как у других наземных позвоночных, таких, как птицы и пресмыкающиеся. Такое трехкомпонентное устройство позволяет с большей эффективностью концентрировать и усиливать энергию звуковых колебаний.
Позвольте мне еще раз подчеркнуть, что орган слуха - это совсем не то, что мы обычно думаем, когда слышим слово «ухо». То, что мы называем ухом, в действительности есть только видимая, и не самая важная, часть той невероятно сложной системы, которая позволяет нам слышать звуки. По анатомической номенклатуре видимая часть слуховой системы называется ушной раковиной.
Ушная раковина - это часть уха, которая имеется только у млекопитающих. У многих млекопитающих раковина имеет форму трубы, по форме напоминая старинные телефонные трубки. Крайнего выражения это подобие достигает у таких животных, как ослы, зайцы и летучие мыши. Такая форма раковины позволяет собирать энергию фронта звуковых волн со сравнительно широких участков окружающего пространства и направлять ее к слуховым рецепторам. При этом происходит усиление звуковых колебаний. (То же самое происходит с приливом, когда он проходит в узкую бухту.) Используя раструб ушной раковины, которая, кроме всего прочего, может менять ориентацию в пространстве, млекопитающие способны избирательно воспринимать звуковые колебания с разных направлений. Используя все эти особенности устройства слуховой системы, млекопитающие стали обладателями самого острого слуха среди всех живых существ нашей планеты.
У людей и вообще у приматов наблюдается некоторый регресс слуховой системы по сравнению с низшими млекопитающими. У людей и обезьян утрачена трубкообразная форма ушной раковины, которая превратилась в сморщенный придаток кожи по обеим сторонам головы. Наружный край раковины имеет форму почти правильной полуокружности и загнут внутрь, хотя при внимательном рассмотрении можно заметить отдаленное сходство человеческой ушной раковины с «трубой» более примитивных млекопитающих. Чарлз Дарвин рассматривал это как рудиментарный возврат к предковым формам. Приматы также утратили способность двигать ушной раковиной, но даже у человека сохранились три мышцы, которые соединяют ушные раковины с костями черепа. Хотя их назначение не вызывает сомнений, у большинства людей эти мышцы не функционируют, и только очень немногие представители рода человеческого сохранили умение «двигать ушами».
Уменьшение размеров ушной раковины у человека обычно считают указанием на преобладающую роль зрения в ориентации человека в пространстве. В то время как многие млекопитающие все в большей степени зависели от функции органа слуха и развивали способность улавливать самые тихие звуки, чтобы слышать приближение врагов, отряд приматов все больше смещал акцент на зрительное восприятие, используя для этого свои необычно развитые глаза. Способные двигаться в различных направлениях глазные яблоки сделали ненужными движения громоздких, длинных и неудобных ушных раковин, которые могут без всякой, впрочем, надобности для приматов усиливать самые слабые звуки. Тем не менее, хотя мы и не слышим звуков, которые заставляют собаку насторожить уши, наш орган слуха ни в коем случае не регрессировал. Расположенный в костях черепа орган слуха человека может поспорить своим совершенством с самыми лучшими «образцами» более примитивных млекопитающих.