Этот обыкновенный загадочный дельфин

Чтобы точно, в цифрах, оценить способность слуха к этому частотному анализу, придумано несколько способов. Наиболее часто используемый принцип измерения состоит в следующем. Представим себе, что перед нами включили звук определенной частоты; звук не очень громкий, но и не очень уж тихий — нормальный, и мы хорошо его слышим. Назовем этот звук пробным. А теперь сделаем иначе: сначала включим другой звук, более громкий — назовем его помехой, а потом уж, на его фоне — тот пробный звук. Если звук-помеха не слишком уж громкий, то, несмотря на эту помеху, пробный звук еще слышен. Но если сделать помеху громче, еще громче, то в конце концов она совершенно заглушит пробный звук, и мы не сможем уверенно сказать, то ли пробный звук был включен на фоне помехи, то ли не был. Явление это называется маскировкой, и мы прекрасно знакомы с ним в повседневной жизни: сколько раз грохот проезжающего мимо грузовика или гул пролетающего над головой самолета заставлял нас прерывать разговор с собеседником, потому что на фоне этого шума (помехи) не удавалось расслышать речь собеседника (пробный звук).

А для наших целей, для измерения способности слуха к частотному анализу, это довольно-таки неприятное явление оказывается полезным потому, что эффект маскировки прямо зависит от того, насколько совершенен, насколько тонок частотный анализ. Сделаем так, чтобы пробный звук и помеха немного отличались по частоте колебаний — не очень сильно, но все же отличались. Если способность слуха анализировать звуковые частоты неважная, то и помеха, и пробный звук сольются в одно целое. Поэтому даже не очень сильная помеха сможет совершенно заглушить пробный сигнал, и животное, чей слух мы исследуем, не услышит его. Иное дело, если слуховая система способна с высокой точностью анализировать звуки. Она уловит, что в сложном звуке присутствуют две разные частоты: одна — помехи, другая — пробного сигнала. Эти частоты будут восприниматься как бы каждая сама по себе. Поэтому эффект помехи окажется значительно слабее, и пробный сигнал на ее фоне все равно будет услышан. Конечно, и при хорошем слухе можно заглушить пробный сигнал помехой, но громкость помехи для этого потребуется значительно больше, чем в первом случае.

Вот мы и получили в свое распоряжение чувствительный инструмент, позволяющий измерить способность слуха к частотному анализу. Для этого посмотрим, как эффективность помехи зависит от того, насколько различаются частоты помехи и пробного сигнала. Если мы чуть-чуть изменили частоту помехи (по сравнению с пробным сигналом) и ее действие резко ослабло, а пробный звук стал слышен — значит, способность слуха к частотному анализу очень хорошая. Если мы меняем частоты помехи, но ощутимого результата это не дает и пробный звук остается неслышимым — значит, с частотным анализом дело обстоит неважно. Причем результат можно получить не «на глазок» — хорошо или плохо, а в точных цифрах измерить, насколько должны различаться частоты в сложном звуке, чтобы слуховая система могла эти частоты различать. Ну, а как определить, слышит ли дельфин пробный звук на фоне помехи или не слышит, это мы уже знаем на примере того, как измерялась чувствительность слуха: можно установить это по поведению специально для этого обученного дельфина, а можно по электрическим реакциям мозга — все эти способы в нашем распоряжении.

И вот что получается, если измерять таким способом способность к частотному различению у животных и человека. Слух человека может выделять разные частоты из их «смеси», если они отличаются не меньше чем на 10–12 %; более близкие частоты сливаются и разделить их нельзя. У многих других наземных животных способность слуха примерно такая же — порядка 10 %, у кого-то немного лучше, у кого-то хуже. А дельфины? Оказалось, что эти животные могут раздельно слышать звуковые частоты, различающиеся всего лишь на 3–4 %. То есть частотный анализ слуха дельфинов раза в три тоньше, чем у человека! Согласитесь, совсем неплохой результат. Если вспомнить, что весь частотный диапазон слуха дельфинов чуть не в 10 раз шире, чем у человека, да в этом диапазоне они еще способны различать в три раза больше частотных оттенков, то можно только позавидовать тому, насколько богаче звуковой мир дельфинов по сравнению с нашим. Если вам еще не надоело читать про уникальные возможности дельфиньего слуха, тогда можно продолжить: у этого удивительного животного в запасе есть еще немало сюрпризов. Чтобы пояснить, о какой еще особенности слуха пойдет речь, давайте мысленно проведем простой эксперимент. Будем ритмично постукивать по столу палочкой или карандашом. Каждый удар вызывает короткий и четкий звук-щелчок: тук-тук-тук… Следующие друг за другом щелчки слышатся раздельно, не сливаясь друг с другом. Попробуем стучать почаще, еще чаще. Если постараться, можно успеть сделать несколько ударов в секунду. Все равно следующие друг за другом звуки не сливаются, слышатся как ряд отдельных щелчков. Чтобы щелчки следовали еще чаще, придется сконструировать какой-то прибор, который будет успевать издавать их не несколько раз в секунду, а несколько десятков, может быть, сотен раз в секунду. Быстро следующие друг за другом щелчки слышатся как барабанная дробь, при еще более высокой частоте они почти сливаются в ровную трель: р-р-р… Но и при частоте щелчков 20 или 30 раз в секунду мы еще слышим, что звук не сплошной, не ровный, а пульсирующий, то есть составлен из коротких импульсов. Нужно увеличить частоту звуковых импульсов до 50–70 в секунду, чтобы они полностью слились в монотонное гудение без всяких признаков пульсации.

Вот мы и определили экспериментально еще одну важную характеристику слуха: быстродействие. Это свойство слуха крайне важно для различения разнообразных звуковых сигналов. Ведь все реальные звуковые сигналы отличаются друг от друга не только высотой звука (то есть частотой звуковых колебаний) и интенсивностью, но и тем, как они меняются во времени. Чем быстрее изменения, которые способна уловить звуковая система, тем больше у нее дополнительных возможностей для различения многообразных звуковых сигналов.

У человека, как показал только что проведенный нами мысленный эксперимент, быстродействие слуха составляет 1/50–1/70 секунды, то есть изменения звука во времени с частотой реже чем 50 в секунду еще различаются, а чаще чем 70 в секунду уже неразличимы. Не путайте частоту пульсаций с частотой звуковых колебаний! Человек слышит колебания с частотой почти до 20 тысяч в секунду, но воспринимает их как монотонный звук и не различает отдельных пульсаций звука, если их частота больше нескольких десятков в секунду.

Итак, 50–70 пульсаций в секунду — предел различения для слуха человека, да и для многих животных тоже. Ну, а как обстоит дело с быстродействием слуха у дельфинов? После того как вы уже прочитали, что его слух воспринимает в 10 раз более высокие частоты, в 10 раз более чувствителен, чем слух человека, и в три раза лучше анализирует частотный состав звуков, у вас, возможно, уже есть наготове ответ: наверное, и по быстродействию слух дельфина если не в 10, то хотя бы в несколько раз лучше человеческого? Если так, то вы почти угадали, но не совсем. Действительно, лучше, но не в 10, а раз в 30–40! Дельфин прекрасно слышит звуковые пульсации с частотой 1500 в секунду и способен уловить даже пульсации с частотой около 2000 в секунду.

Как об этом узнали? Да все так же, регистрируя электрические ответы мозга на звуковые сигналы. Если человек или дельфин слышит ритмически следующие короткие звуки, то электрические ответы мозга на эти сигналы, естественно, возникают в том же ритме. Однако это возможно только в том случае, если сигналы следуют не чрезмерно часто. У человека ответы мозга могут следовать за ритмом звуковых сигналов до частот 50–70 сигналов в секунду; при большей частоте ответы мозга не поспевают за ритмом сигналов и прекращаются. Обратите внимание: 50–70 сигналов в секунду — это та же самая частота сигналов, при которой исчезает субъективное ощущение пульсирующего звука. А у дельфинов ответы мозга, ничуть не ослабевая, следуют за частотой звуковых пульсаций и 1000 и 1500 сигналов в секунду; только когда ритм пульсаций приближается к 2000 в секунду, ответы мозга «сдаются». Так что именно таков предел быстродействия слуховой системы дельфина.

Основываясь на своем собственном повседневном опыте, мы даже представить себе не можем, как звучит окружающий нас мир, когда восприятию доступны столь быстрые смены звуковых сигналов. Может быть, когда-нибудь дельфины нам расскажут об этом.

А вот еще одна загадка дельфиньего слуха. Касается она того, как животное определяет направление на источник звука. Это ведь тоже очень нужное качество — способность узнавать, откуда пришел звук; именно благодаря этой способности можно найти источник звука, а ведь это может быть чем-то жизненно важным.

Способность определять направление, с которого приходит звук, свойственна всем млекопитающим животным и человеку тоже — мы прекрасно знаем это из повседневной жизни. Услышав, что кто-то нас позвал, мы оборачиваемся в нужную сторону именно потому, что наша слуховая система в состоянии определить, откуда пришел звук, откуда нас позвали. И возможно это вот почему.

Если источник звука расположен прямо перед нами, то звук, достигая правого и левого уха, проходит одинаковый путь и поэтому достигает двух ушей одновременно. Если же источник звука расположен сбоку, например справа, то правого уха он достигнет чуть-чуть раньше, чем левого. Разница во времени невелика, но она есть, и можно подсчитать, какова она. Расстояние между отверстиями правого и левого слуховых проходов у человека немного меньше 20 сантиметров, а скорость распространения звука в воздухе примерно 330 метров в секунду. Поэтому звук от источника, расположенного сбоку, достигнет ближайшего уха примерно на 5 десятитысячных долей секунды (0,5 миллисекунды) раньше, чем противоположного. Эта разница улавливается мозгом, и она-то и создает у нас ощущение, что источник звука расположен не прямо перед нами, а сбоку.

Полмиллисекунды — это много или мало для нашего мозга? Вообще-то, довольно мало: в основном наш мозг оперирует более продолжительными интервалами времени. Да и такая разница возникает лишь тогда, когда источник звука занимает крайнее боковое положение. А ведь мы способны определить направление на источник звука даже в том случае, если он смещен в сторону не очень сильно. При этом разница между приходом звука к правому и левому уху совсем мала — порядка одной десятитысячной доли секунды (0,1 миллисекунды). Доли миллисекунды — это предел задержек, которые может уловить мозг животного или человека. Быстрее нервные клетки просто не работают.