Человеческий мозг. От аксона до нейрона. - Айзек Азимов

Эхо тоже можно использовать для локализации препятствия. Так, когда мы проезжаем на машине мимо автомобильной стоянки, то по звуку двигателя машины можем, если внимательно прислушаемся, определить, занято данное место или свободно. В первом случае к шуму нашего двигателя присоединяется эхо, и по контрасту легко можно определить пустое место, где эха, отраженного от стоящего автомобиля, нет. Свободное место можно определить даже с закрытыми глазами. К сожалению, этого нельзя делать, потому на свободном месте может оказаться, допустим, пожарный кран, от которого эхо не отражается. Дело в том, что автомобиль достаточно велик, чтобы отразить звуки, производимые двигателем, а пожарный кран для этого слишком мал. Для того чтобы определить местонахождение предметов меньших, чем автомашина, нужны звуки с меньшей длиной волны и большей частотой. Чем короче волна и выше частота, тем меньший предмет мы можем обнаружить с помощью эха. Очевидно, что в этом отношении ультразвук будет намного эффективнее обычных звуков.

Например, летучие мыши долгое время ставили в тупик ученых своей способностью после ослепления легко облетать препятствия и ловить на лету насекомых. Если летучим мышам удаляли уши, то они теряли эту способность. Это было, действительно, непонятно. (Видит ли летучая мышь ушами? Выходило, что да.) Теперь известно, что эти животные в полете испускают пачки ультразвуковых сигналов с частотой от 40 до 80 тысяч Гц. (Длина волн таких звуков составляет от одной трети до одной шестой дюйма.) Сук дерева или мелкое насекомое отражают волны такой длины, а летучая мышь, которая испускает короткие залпы звуков, в промежутках между ними улавливает эхо. По промежутку времени между испусканием звука и его улавливанием, по направлению, откуда вернулось эхо, и по степени ослабления звука летучая мышь легко определяет местонахождение препятствия или добычи. После этого летучая мышь таким образом направляет полет, чтобы либо избежать столкновения с препятствием, либо перехватить насекомое. Такое явление называется эхо локацией. И поэтому не приходится удивляться, что у летучих мышей такие непропорционально большие уши.

Дельфины пользуются эхолокацией, это чувство у них развито чрезвычайно сильно, хотя они используют звуки более низкой частоты, чем летучие мыши, поскольку им необходимо обнаруживать предметы большей величины. (Дельфины питаются рыбами, а не насекомыми.) Именно с помощью эхолокации дельфин узнает о присутствии пищи и безошибочно движется к ней даже в мутной воде и ночью, когда невозможно пользоваться зрением.

Человек тоже обладает некоторой способностью к эхолокации, хотя и редко подозревает об этом. Я уже упоминал о способности обнаруживать свободные места на парковках. Вы можете сами попробовать, если не верите мне на слово. То, что мы не полагаемся на свою способность к эхолокации, обусловлено тем, что в обыденной жизни мы больше уповаем на зрение и, быть может, подсознательно игнорируем возможность точно определять местоположение объектов с помощью слуха.

Тем не менее, слепые люди, например, идя по коридору, привыкают останавливаться перед препятствием, так как улавливают изменение качества эха своих шагов. Слепой делает это, даже не зная точно, что за предмет попался на его пути, и, как правило, сам не осознает, что именно он ощущает. «Я что-то чувствую…» Слепые, вынужденные полагаться на слух, доводят это чувство до удивительного совершенства, но это не чудо, а результат обострения чувств, которые просто дремлют в каждом из нас.

Люди изобрели механические приспособления, в которых для обнаружения и измерения характеристик предметов используют ультразвуковые волны (точно так же, как это делают летучие мыши). Эти приборы называются эхо локаторами. Эхолокаторы используют для обнаружения таких объектов, как подводные лодки, рыбные косяки и для исследования рельефа морского дна. В воздухе для той же цели используют микроволны (световые волны с длиной приблизительно равной длине волны ультразвука). Эхолокация микроволнами называется радиолокацией, а приборы, используемые для ее осуществления, радарами или радиолокаторами. (Микроволнами иногда называют очень короткие радиоволны.)

Слуховой нерв, идущий к улитке, имеет ветвь, направляющуюся к другой половине внутреннего уха — к эллиптическому мешочку и его отросткам. Теперь мы в деталях рассмотрим функцию этой части внутреннего уха. Упрощая, можно сказать, что эллиптический мешочек — это полая сфера, заполненая жидкостью и выстланная эпителием с волосковыми клетками. (Эта структура по строению очень похожа на сферический мешочек и его производные.) Внутри сферы находится немного карбоната кальция, который, благодаря силе притяжения, сконцентрирован на дне сферы и стимулирует там волосковые клетки.

Представьте себе рыбу, плывущую строго под прямым углом к направлению силы тяжести. Рыба плывет строго горизонтально, не отклоняясь ни на дюйм ни влево, ни вправо. Кусочек кальция находится на дне сферы, а стимуляция, которую он оказывает на какие-то определенные волосковые клетки, интерпретируется нервной системой как нормальное положение тела в пространстве. Если рыба меняет направление движения и начинает подниматься вверх, то сфера меняет свою ориентацию, и кусочек кальция под действием силы тяжести оказывается в другом месте сферы, которое теперь стало ее дном. При этом происходит стимуляция волосковых клеток, которые находятся позади тех клеток, которые стимулировались до этого. Если рыба начинает погружаться, то происходит стимуляция клеток, находящихся впереди от исходных. Кусочки кальция сдвигаются вправо (при повороте рыбы направо) и влево (при повороте налево). Если рыба перевернется вниз головой, то кусочек карбоната кальция начнет стимулировать волосковые клетки, расположенные под углом 180 градусов к клеткам, которые испытывали стимуляцию в «нормальном» положении.

Во всех этих случаях рыба имеет возможность автоматически выправить направление своего движения так, чтобы кусочек карбоната кальция вернулся в нормальное положение к расположенным внизу сферы волосковым клеткам. Мы уже поняли, что функция эллиптического мешочка — это поддержание нормального положения тела в пространстве. Для нас это означает стояние в вертикальном положении, поэтому мешочек вполне заслуживает свое название — статоцист («пузырек стояния», греч.). Кусочек карбоната кальция называется статолитом («камешком стояния», греч.).

Эта функция очень явно выглядит у ракообразных. Эти животные обладают статоцистами, которые представляют собой углубления в их теле, сообщающиеся с окружающей средой узкими каналами. Роль статолитов у ракообразных играют не кусочки эндогенного карбоната кальция, а песчинки, которые эти животные собирают на дне и закладывают в статоцисты. Когда ракообразные линяют, эти песчинки утрачиваются, и их приходится заменять новыми.

Один остроумный экспериментатор убрал из аквариума все песчинки и заменил их металлическими опилками. Креветки, с которыми работал ученый, простодушно и добросовестно заполнили свои статоцисты железными опилками. Когда над аквариумом поместили магнит, опилки поднялись вверх, подчиняясь не силе тяготения, а притяжению магнита. Реакция животных была молниеносной, они тотчас встали на голову, при этом расположенные внизу волосковые клетки теперь стимулировались расположенными вверху статолитами.

Поскольку статоцисты находятся во внутреннем ухе, их иногда принято не вполне корректно называть отоцистами («ушные пузырьки», греч.). Тяжелый материал, если он представлен массивными частицами, называется, соответственно, отолитами («ушными камнями», греч.), если же этот материал представлен мелкими частицами, то его называют отокониями («ушная пыль», греч.). Отокопии присутствуют в эллиптических мешочках наземных позвоночных. Вестибулярное чувство, осуществляемое в эллиптическом мешочке, чем-то похоже на проприоцептивную чувствительность. Однако если проприоцептивное чувство говорит нам о взаимном расположении частей тела, то вестибулярное чувство говорит о положении всего тела в пространстве по отношению к окружающей среде, особенно же в отношении направления силы тяжести.

Кошка, падая с большой высоты, всегда выправляет свое положение и падает па лапы, даже если ее сбросить с высоты лапами вверх. Кошка делает это автоматически, поднимая вверх голову, подчиняясь направлению, которое подсказывает ей положение отоконий. Это, в свою очередь, влечет за собой изменение положения всего тела, которое должно быть согласовано с новым положением головы. Поэтому кошка всегда приземляется на лапы. Но и мы не начисто лишены такой способности. Мы всегда можем сказать, стоим ли мы вертикально, вверх ногами или наклонившись в каком бы то ни было направлении, даже если мы закрыли глаза и если мы вообще находимся в воде. Пловец, нырнув, всегда выныривает на поверхность вверх головой, переворачиваясь в это положение, не размышляя и не осознавая своих действий.