Когда в середине 1920-х годов Георг фон Бекеши устроился в венгерскую почтовую службу, он даже не подозревал, что разгадает эту загадку. В 1923 году он получил докторскую степень по физике в Университете Будапешта, но выбор подходящих должностей был невелик. Так он устроился на работу, которая заключалась в разработке метода тестирования и улучшения телефонных линий, пребывавших после окончания Первой мировой войны в плохом состоянии. Наряду с микрофонами, кабелями и динамиками важной частью цепи передачи фон Бекеши счел ухо. Но он не мог просто разобрать его, словно телефонную трубку, чтобы изучить его функции. Или мог?
Рабочее время ученого обычно заканчивалось примерно около часа дня, поэтому во второй половине дня он посещал анатомические театры при больницах. Ему удалось приобрести кости черепа только что умершего человека. Неизвестно, как он уговорил врачей отдать их телефонному технику, но, очевидно, его аргументы были убедительными.
Фон Бекеши приспособил инструменты лаборатории почтовой службы, чтобы обрабатывать под микроскопом твердые височные кости с помощью крошечных ножниц, сверл и ножей. Целью ученого было открыть улитку, не повредив чувствительную внутреннюю часть. Поскольку внутреннее ухо заполнено жидкостями, ему приходилось постоянно омывать ткани питательным раствором, чтобы предотвратить высыхание. Скорее всего, его коллеги не радовались, обнаруживая на сверлах костную пыль и жидкости неопределенного происхождения! Но фон Бекеши не давал себя смутить и упорно продолжал развивать свой метод.
После того как ученому наконец удалось открыть улитку, он сделал интересное наблюдение. Все волосковые клетки оказались расположены на тонкой базилярной мембране. Она начинает колебаться, как только звуковая волна из среднего уха передается по жидкости во внутреннем ухе; колебание переходит на волосковые клетки. Фон Бекеши предполагал, что тип колебания базилярной мембраны меняется в зависимости от высоты звука и таким образом целенаправленно стимулирует те волосковые клетки, которые отвечают за передачу звуков именно такой высоты. Поэтому он тщательно исследовал мембрану длиной три с половиной сантиметра. Он установил, что у входа в улитку она туго натянута и по мере приближения к концу улитки становится все подвижнее. В то же время на протяжении этого расстояния мембрана расширяется. Но какое влияние это оказывает на дальнейшую передачу звука?
Пять вещей, которые следует знать о внутреннем ухе
• Внутреннее ухо состоит из костного лабиринта и лежащего внутри него мембранного лабиринта.
• Костный лабиринт не представляет собой цельное костное образование, а состоит из связанных полостей в пирамиде височной кости.
• Пирамида височной кости – одна из самых твердых костей во всем теле. Она не дает никому ничего сквозь нее разглядеть.
• Оболочка мембранного лабиринта местами достигает толщины всего в одну клетку.
• Две жидкости, находящиеся во внутреннем ухе, ни под каким видом не должны смешиваться: эндолимфа (мембранный лабиринт) и перилимфа (костный лабиринт). Их разделяет слой клеток мембраны.
Физику фон Бекеши пришла идея построить увеличенную модель. Причем его не интересовало реалистичное воссоздание улитки – ученый сосредоточился на физических свойствах базилярной мембраны. Внутри прямой пластиковой трубки он натянул резиновую ленту, которая сужалась от одного конца к другому, что приблизительно соответствовало развернутой улитке с базилярной мембраной. Затем на входе в трубку он начал производить различные по высоте звуки и проверял ее вибрацию. Фактически при высоких звуках более сильные вибрации возникали в начале искусственной базилярной мембраны, там, где она была натянута туже и имела меньшую ширину, а при низких звуках – на более широком и подвижном конце. Так было доказано, что различные по высоте звуки воздействуют на разные участки улитки. Чем выше частота (см. шпаргалку на стр. 70), тем ближе ко входу в улитку будет происходить колебание.
И все же у экспериментальной установки фон Бекеши имелась одна проблема: хотя каждая высота звука заставляла колебаться определенную часть трубки, вся трубка целиком тоже постоянно вибрировала. Как могло получиться, что в ухе реагировали не все волосковые клетки, а только те, которые находились в положении максимального колебания, хотя должна была бы резонировать вся улитка? Здесь модель достигла своих пределов. Но вместо того чтобы все бросить, фон Бекеши придумал решение, настолько же простое, насколько и гениальное, положив на трубку предплечье, чтобы чувствовать вибрации внутри нее. В результате он установил, что вибрация не ощущалась по всей длине мембраны, а только на том участке, который колебался особенно сильно. Когда он изменял частоту, ощущение перемещалось по его предплечью. Подобным образом, заключил фон Бекеши, все должно происходить и с волосковыми клетками в ухе. Если некоторые из них особенно раздражены, нервная система подавляет ощущение от соседних клеток, вибрирующих меньше. Он оказался прав и в 1961 году получил Нобелевскую премию за свою теорию бегущей волны.
Сорок пианино в нашей голове
Благодаря бегущим волнам ухом регистрируются не все звуки одновременно, а лишь те, что громче на определенной частоте. Предплечье Георга фон Бекеши уже сослужило хорошую службу, но бегущие волны можно проиллюстрировать еще нагляднее с помощью пианино. Начнем с правой стороны. Нажимая одну клавишу за другой, мы сначала услышим самый высокий звук, который затем будет становиться все ниже. Внутри улитки бегущие волны двигаются от входа дальше вовнутрь, по мере того как становятся все ниже. К тому времени как мы доберемся до клавиши с самым низким звуком слева и достигнем участка неподалеку от центра улитки, пройдем частоты от 4186 до 27,5 герц. Это значит, что на клавише с самым низким звучанием звуковая волна колеблется 27,5 раз в секунду, а на клавише с самым высоким звучанием – 4186 раз. Это очень широкий диапазон, но базилярная мембрана рассчитана на воспроизведение колебаний, превышающих его в пять раз, – от 16 до 20 000 герц.
Ухом регистрируются не все звуки одновременно, а лишь более громкие на определенной частоте.
Колебания около 20 килогерц на входе в улитку могут слышать только дети. С возрастом порог слуха продолжает снижаться – например, к 40 годам он составляет около 15 килогерц. Если ухо внезапно подвергается воздействию очень громкого шума, на частоте 6 килогерц часто происходит потеря слуха, так называемая звуковая травма при выстреле. Снижение слуха в связи с длительным воздействием шума зачастую наблюдается на частоте 4 килогерц, например, в результате продолжительной работы с громкими механизмами или музыкой. На частоте 3 килогерц поют профессиональные певцы, такие как оперные теноры, голос которых обладает большой громкостью, и благодаря ему их хорошо слышно на фоне громких оркестров. Низкие звуки на частоте 100 герц, например гул двигателей, воспринимаются нами в центре улитки.
По сравнению с нашим ухом клавиатура пианино очень грубо поделена всего на 88 клавиш. В нашем распоряжении, напротив, имеется приблизительно по 16 тысяч волосковых клеток на каждое ухо, из которых около 3500 отвечают за одну высоту звука. Чтобы добиться того же разрешения, каким обладает наш слух, придется выстроить в ряд 40 пианино, у которых все клавиши будут настроены на разную высоту звучания. Они займут расстояние протяженностью более 47 метров, что практически превышает длину дорожки в плавательном бассейне (если она 25 метров). Длина базилярной мембраны составляет всего три с половиной сантиметра, но она может воспроизводить столько же различных звуков, как и длинная вереница пианино!