[28], B-7, какие-то ничтожные 0,189 Гц. А самая высокая… нет, это не Мэрайя Кэри с ее феноменальной нотой G7, это Джорджия Браун, бразильская певица, которая легко выдает G10, или 25 088 Гц, и это далеко за пределами нашего слухового восприятия. Диапазон Браун – восемь октав: от G7 к G10, или от 3135 до 25 088 Гц. Но и это не предел голосовых масштабов. Американец Тим Стормс способен взять ноты десяти октав от G-5 до G5 (0,7973–807,3 Гц). Стормс – человек, издавший самую низкую ноту, когда-либо записанную (G-5). Большинство людей даже не слышит подобных звуков, ведь те находятся на крайних пределах нормального диапазона слуха.
С возрастом слух, как и равновесие, ухудшается из-за «износа» механизма, воспринимающего звуки. Не обошлось в слуховом процессе и без крошечных волосков – ресничек. Когда человек стареет, некоторые реснички обламываются и становятся нефункциональными. С подобной проблемой столкнулся и я: после многих лет совместной жизни я перестал слышать свою жену так же хорошо, как во время наших первых встреч (это моя версия событий, и я ее придерживаюсь). И я предпочитаю думать, что во всем виноват ее слишком уж высокий голос, а не недостаток внимания с моей стороны.
Как наши уши воспринимают амплитуду волны? Высота волны может быть автоматически преобразована в ее мощность. Чем сильнее звук, тем легче его распознать. Таким образом, механические датчики у нас в ушах должны обнаруживать не только пики звуковых волн, но и мощность, которую те генерируют. И они делают это, измеряя, сколько механических частей внутреннего уха смещено. Эта величина как раз и передается в мозг, который интерпретирует ее как интенсивность.
Интенсивность звука измеряется в децибелах, которые являются относительной безразмерной величиной, характеризующей мощность на единицу площади, попадающую в наше внутреннее ухо. По мере увеличения расстояния от источника звука до уха мощность уменьшается в логарифмической зависимости – единица на квадрат относительно дистанции перемещения. То есть если звук возникает на расстоянии 1 метр, он будет иметь относительный эффект единицы. А если мы отойдем на 4 метра и повторим тот же звук, то его мощность составит одну шестнадцатую от интенсивности первоначального звука, изданного на расстоянии 1 метр. Если вначале звук был 160 децибелов на расстоянии 30 см, то на расстоянии 1,2 метра он будет иметь уровень в одну шестнадцатую от того значения, то есть 10 децибелов. В отличие от частоты интенсивность имеет порог слышимости, установленный на ноль децибелов, при котором волны, генерируемые звуком, не имеют мощности. Шепот, который мы улавливаем барабанными перепонками, находится в диапазоне 20 дБ, а звуковые волны, попадающие при этом в наши уши, способны сместить частицы в воздухе на 10–4 миллиметра, или 0,0001 миллиметра. Обычный разговор на уровне около 60 дБ[29] производит звуковые волны, способные сместить частицы в воздухе на 10 миллиметров.
На спортивных мероприятиях не только фиксируются лучшие показатели выступающих спортсменов, но и порой ставятся рекорды по шуму, производимому болельщиками. Самое громкое зарегистрированное неистовство фанатов в крытом помещении достигло уровня в 126 дБ, это произошло на домашней баскетбольной площадке команды «Сакраменто Кингз». Даже если разговор идет на повышенных тонах, подобный рев трибун будет мощнее его примерно в четыре миллиона раз. А самым громким стадионом в мире считается «Тюрк Телеком Арена» в Стамбуле, где базируется футбольный клуб «Галатасарай». Тамошние фанаты обычно поднимают шум в 131 дБ – сила такого звука почти на грани с болевым порогом человека. «Тюрк Телеком Арена» – частично крытый стадион, и весьма удивительно, что американцы сумели переорать турок на полностью открытой площадке. В 2014 году рев трибун на стадионе «Эрроухед» в Канзас-Сити, штат Миссури, достиг ушеразрывающего уровня – 142,2 дБ! Этот звук превышает болевой порог и сравним с грохотом реактивного двигателя, если встать в 3 метрах от того без шумопоглощающих наушников. Даже на рок-концертах не бывает такой громкости – хоть вруби все усилители до одиннадцати (а ведь Найджел Туфнел из легендарной группы Spinal Tap ясно заявил: «Одиннадцать – это еще на один громче»[30]).
Нас окружает море звуков. Звуковые волны повсюду, и наши уши постоянно настороже – ведь и среднее ухо, и внутреннее предназначены именно для их восприятия. Наружное ухо, эта кожно-хрящевая структура, действует как воронка, улавливающая звук и направляющая его во внутреннюю часть слухового аппарата, а именно в трубчатый канал, называемый слуховым проходом, который фокусирует звуковые колебания и посылает их в среднее ухо, устроенное так же сложно, как и отвечающее за равновесие внутреннее. В конце слухового прохода находится мембранная структура – барабанная перепонка. Здесь и концентрируются звуковые волны: когда они попадают на барабанную перепонку, та вибрирует. Совсем рядом находятся и три косточки, рассмотренные в главе 2: молоточек, наковальня и стремечко – они передают звуковые колебания от наружного уха к внутреннему, одновременно усиливая их. Слуховые косточки являются самыми маленькими фрагментами скелета. Они представляют собой цепочку, передающую колебания. Рукоятка молоточка тесно срослась с барабанной перепонкой, головка молоточка соединена с наковальней, а та, в свою очередь, своим длинным отростком – со стремечком. Вибрация мембраны барабанной перепонки – чем выше звук, тем она сильнее – провоцирует движение молоточка и запускает всю цепь. Эта конструкция работает четко и слаженно: стремечко соединено с улиткой во внутреннем ухе, и это соединение подобно поршню, вставленному в цилиндр, – жидкость улитки перемещается в соответствии с информацией звуковых волн, изначально проникших в ухо.
Улитка представляет собой удивительно замысловатую трехмерную структуру, похожую на спиральную раковину брюхоногих, но, конечно, гораздо сложнее организованную (рис. 7.3). Улитка по всей длине делится на три параллельных, заполненных жидкостью канала. Два наружных канала – лестница преддверия и барабанная лестница – сообщаются между собой у верхушки улитки и вмещают в себя перилимфу, которая по ним циркулирует, а центральный (спиральный, или кохлеарный) канал началом сообщается с мешочком, слепо оканчивается и содержит эндолимфу. Кохлеарный канал отделяется мембраной, содержащей ряд натянутых поперек параллельных волокон различной длины и толщины. Внутри мембрана покрыта снабженными волосками клетками, составляющими кортиев орган, который преобразует звуковые сигналы в нервные импульсы, поступающие затем в головной мозг.
Рис. 7.3. Улитка и то, как она связана со стремечком (слева)
Жидкость, проходящая через центральные каналы, то расширяет, то сжимает жидкость[31] в кохлеарном протоке и таким образом воздействует на сложный кортиев орган. Этот орган выстлан двумя видами волосков, которые могут изгибаться под действием жидкости, текущей по кохлеарным каналам. Один вид волосков называется внутренним, и в нем насчитывается около 3500 клеток, а другой, что логично, – внешним, и тут около 20 000 клеток. Сгибание внутренних волосков и провоцирует нервную реакцию в нервной клетке, с которой связан кортиев орган. Здесь волоски, сгибаясь, работают так же, как и в случае с вестибулярной системой: механосенсоры передают электрические импульсы в мозг, и там они интерпретируются как звук. Внешние волоски, по-видимому, усиливают сигнал звуковой волны, поступающий во внутреннее ухо. Сгибание внутренних волосков работает наподобие выключателей света, однако давление, которое они оказывают на нервную клетку, неоднородно. Волосковые клетки вблизи спирального конца улитки более восприимчивы к сгибанию под действием высоких звуков, а волоски у основания улитки реагируют на низкие частоты. Различные тона будут восприниматься определенными волосковыми клетками в кортиевом органе. Несмотря на все эти организационные сложности и движущиеся детали, в большинстве случаев аппарат работает довольно хорошо, и это может подтвердить любой меломан.
Эта машина Руба Голдберга – еще один пример несовершенности эволюционного процесса, который сформировал столь сложную структуру для слуха. Любой толковый инженер наверняка разработал бы эту биологическую штуковину совсем иначе.
Но что бы эксперт посчитал хорошей разработкой? Эми Смит, преподаватель инженерного дела в Массачусетском технологическом институте, сформулировала семь простых правил проектирования. Одно из ее правил – экономия и производство наименее дорогого, но более эффективного продукта. Это также предполагает, что целесообразно избавляться от лишних движущихся деталей. Чем больше движущихся частей, тем выше затраты энергии. Кроме того, чем больше движущихся частей, тем больше деталей, которые могут сломаться и потребовать замены. Еще одно правило заключается в прозрачности разработки: другие должны легко понимать, что это за продукт. Не думаю, что кто-нибудь, впервые ознакомившись с описанием работы среднего и внутреннего уха, может сказать, что конструкция прозрачна. Последнее важное правило Смит иллюстрирует цитату Леонардо да Винчи: «Простота – это высшая форма сложности» – и гласит: для поиска простого решения придется потрудиться.
А эволюция так не работает. Ей выдают сырье, и она должна с ним что-то сделать. Она и делает, хоть и несколько лениво, двигаясь по пути меньшего сопротивления, который учитывает имеющийся материал. Кроме того, у эволюции не бывает второго шанса или переделок. Слуховые косточки (молоточек, наковальня и стремечко) существовали в том же месте у общего предка млекопитающих, а потом под воздействием эволюционного процесса сформировались в единую непрозрачную, сложную, но эффективную штуковину, которая очень далека от образа идеального органа, который мог бы создать хороший инженер.