В мире запахов и звуков

Гельмгольц предложил интересную теорию слуха, названную резонансной. Что такое резонанс? С этим понятием вы, вероятно, знакомы из курса физики. Если частота колебаний какого-либо предмета совпадает с внешней, вызванной частотой, прилагаемой к этому предмету, то амплитуда колебаний многократно усиливается. Мост раскачивается, колеблется под влиянием шагов идущих по нему пешеходов. А если идет рота солдат, и причем в ногу? Каждое последующее колебание будет совпадать с предыдущим, наступает резонанс, амплитуда колебаний может достигнуть таких параметров, что мост не выдержит и обвалится. Именно такая история произошла в начале века в Петербурге с Египетским мостиком через Фонтанку.

А теперь представьте себе, что вы зашли в комнату, где стоит рояль, и стали громко разговаривать. И вдруг под влиянием вашего голоса одна из многочисленных струн рояля стала звучать и вибрировать. Не удивляйтесь, частота колебаний данной струны соответствует частоте вашего голоса, наступило явление физического резонанса.

Гельмгольц предположил, что на основной мембране натянуто множество микроскопических струн. Причем у основания улитки струны эти очень короткие, а чем ближе к верхушке, чем струны основной мембраны становится длиннее. Те или иные струны вступают в резонанс со звуками той или иной частоты. Короткие струны резонируют со звуками высокой частоты, а длинные — с низкочастотными, басовыми звуками. Таким образом, происходит первичный анализ звуков уже на уровне улитки, причем высокие звуки воспринимаются у основания, а низкие — у верхушки.

Эта теория быстро нашла последователей, но были и скептики. Они говорили: во-первых, эти струны гипотетические, их никто и никогда, ни на одном препарате не видел. Во-вторых, утверждали они, давайте произведем простейший арифметический подсчет. Известно, что человеческое ухо способно воспринимать звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Герц (1 Герц это величина, равная 1 колебанию в 1 секунду; следовательно 16 Герц — это 16 колебаний в 1 секунду, а 20 000 Герц, соответственно — 20 000 колебаний в 1 секунду). Звуки с разницей частоты в 1 Герц воспринимаются уже как разные. Следовательно, согласно теории Гельмгольца, на основной мембране, длиной в несколько миллиметров должно быть не менее 20 000 струн. Это трудно предположить. Значит, утверждали они, теория Гельмгольца ошибочна.

Но не будем спешить с выводами. Один из учеников академика И. П. Павлова Л. А. Андреев проделал серию интересных опытов. Собакам устанавливали фистулу слюнной железы таким образом, что при кормлении часть слюны через трубочку выделялась наружу. Затем вырабатывали условный рефлекс на звуки высокой и низкой частоты: кормление многократно сочетали со звуковыми сигналами до тех пор, пока слюна не начинала выделяться только на звук. Это слюноотделительная условнорефлекторная методика хорошо известна из ставших классическими работ И. П. Павлова. Далее экспериментатор разрушал у собак верхушку улитки, и у этих животных полностью выпадали рефлексы на низкие звуки (а на высокие — сохранялись). У другой группы подопытных животных Андреев разрушал основной завиток, при этом наблюдалось выпадение условных рефлексов на высокие звуки. Тем самым экспериментально было подтверждено основное положение Гельмгольца о первичном анализе звуков уже на уровне улитки.

Резонансная теория Гельмгольца получила подтверждение и в клинике. Исследование улиток умерших людей, страдавших островковыми выпадениями слуха, позволило обнаружить изменения кортиева органа в участках, соответствующих утраченным частотам.

Вместе с тем, дальнейшее изучение механических свойств основной мембраны показало, что ей не свойственна высокая избирательность. Под влиянием звуков в лимфе улитки происходят сложные гидродинамические процессы. Эти наблюдения позволили Дьердю Бекеши сформулировать гидродинамическую теорию слуха, называемую также «теорией бегущей волны».