Ученые решили загадку направленного слуха под водой
Находясь под водой, люди не могут определить, откуда исходит звук. Там звук распространяется примерно в пять раз быстрее, чем на суше. Это делает направленный слух или локализацию звука практически невозможным, поскольку человеческий мозг определяет происхождение звука, анализируя разницу во времени между его приходом в одно ухо и в другое, пишет Phys.org.
Напротив, поведенческие исследования показали, что рыбы могут определять источники звука и кто их издает — добыча или хищник. Но как они это делают? Нейробиологи из университетского медицинского комплекса Шарите дали ответ на эту загадку, описав слуховой механизм одной крошечной рыбки.
У изученного крошечного существа довольно «громкое» имя — Danionella cerebrum. Эта рыба размером около 12 миллиметров, почти полностью прозрачная на протяжении всей своей жизни и обитающая в ручьях на юге Мьянмы. У Данионеллы самый маленький мозг из всех известных позвоночных, но рыба по-прежнему демонстрирует ряд сложных моделей поведения, включая общение с помощью звука. Все это, а также тот факт, что ученые могут видеть непосредственно мозг рыбки (голова и тело почти прозрачны), делают Данионеллу интересным объектом для изучения.
Крошечную рыбу изучал профессор Бенджамин Юдкевиц, нейробиолог из кластера передового опыта NeuroCure в Шарите, вместе с командой. Последняя работа ученого посвящена развитию слуха и давнему вопросу о том, как рыбы определяют источник звука под водой. Предыдущие модели направленного слуха из учебников не оправдывали ожиданий при применении в подводной среде.
Акустический мир над и под водой
От пения кита до щебетания птиц или хищника, преследующего свою добычу — когда эти звуки или любой другой звук исходит от источника, он распространяется на окружающую среду в виде колебаний движения и давления. Это можно даже почувствовать, положив руку на диффузор динамика. Возникает вибрация частиц, прилежащий воздух перемещается — это называется скоростью частиц. Плотность частиц также меняется по мере сжатия воздуха. Это можно измерить как звуковое давление.
Наземные позвоночные, включая человека, воспринимают направление звука в первую очередь путем сравнения громкости и времени, когда звуковое давление достигает двух ушей. Шум звучит громче и быстрее доходит до уха, расположенного ближе к источнику звука. Но эта стратегия не работает под водой. Там звук распространяется гораздо быстрее, и череп его не заглушает. Это означает, что рыбы также должны быть неспособны к направленному слуху, поскольку между их ушами практически нет разницы в громкости и времени прибытия. И все же пространственный слух наблюдался в поведенческих исследованиях различных видов.
«Чтобы выяснить, может ли рыба определять направление звука и, прежде всего, как она это делает, мы построили специальные подводные динамики и воспроизводили короткие громкие звуки, — объясняет Йоханнес Вейт, один из авторов исследования. — Затем мы проанализировали, как часто Данионелла избегает говорящего, то есть распознает направление, откуда доносится звук».
Для анализа применяли камеру, которая снимала каждую рыбу сверху и отслеживала ее точное положение. Этот метод отслеживания в реальном времени дал решающее преимущество: теперь команда могла сосредоточиться на эхо и подавить его.
Рыбы слышат иначе
То, что люди воспринимают через барабанную перепонку, — это звуковое давление, а не скорость частиц. У рыб совершенно другой механизм слуха: они также могут воспринимать скорость частиц. Как именно это работает у Данионеллы, выяснилось благодаря изображениям, полученным с помощью специально созданного лазерного сканирующего микроскопа. Он сканирует структуры внутри рыбьего уха во время воспроизведения звука.
Вблизи подводного динамика частицы воды движутся вперед и назад вдоль оси, ориентированной к динамику и от него. Скорость частицы движется вдоль направления распространения звука.
Рыба, находящаяся рядом с говорящим, также движется вместе с водой, но крошечные камешки во внутреннем ухе, известные как отолиты, движутся медленнее из-за инерции. Это приводит к малейшему движению, обнаруживаемому сенсорными клетками уха. Проблема в том, что это означает, что рыба может определить только ось, вдоль которой движется звук, но не направление, откуда он исходит, поскольку звук — это форма колебаний, непрерывного движения вперед и назад.
Эта проблема решается путем анализа скорости частиц в зависимости от текущего звукового давления — одной из различных гипотез, которые в прошлом пытались объяснить механизм направленного слуха. Оказалось, что это единственная теория, которая соответствует результатам исследователей.
«Звуковое давление приводит в движение сжимаемый плавательный пузырь, который, в свою очередь, распознается волосковыми клетками внутреннего уха. Через этот второй, непрямой слуховой канал звуковое давление дает рыбе ориентир, необходимый для направленного слуха. Именно это и делает одна модель пространственного слуха, предсказанная в 1970-х годах. Теперь мы подтвердили ее экспериментально», — говорит Юдкевиц.
Команда исследователей также смогла показать, что направленный слух можно обмануть, изменив акустическое давление на противоположное. Когда это было сделано, рыба поплыла в противоположном направлении, то есть к источнику звука.
МикроКТ-изображения слухового аппарата Данионеллы показывают, что он похож на орган чувств примерно двух третей ныне живущих пресноводных рыб, или около 15% всех видов позвоночных. Это говорит о том, что стратегия направленного слуха, подтвержденная командой, включающая комбинированный анализ звукового давления и скорости частиц, может получить широкое распространение.
Исследователи планируют продолжить свою работу, чтобы определить, какие именно нервные клетки активируются при воспроизведении звуков под водой.
Тем временем в Китае провели необычный эксперимент, в ходе которого вернули слух нескольким глухим с рождения детям.
