Вселенная учится слышать

Только 4,58 млрд лет назад стало действительно громко: появилась Земля. В результате дегазации на ней сформировалась первичная атмосфера. С точки зрения современной науки первая газовая оболочка Земли состояла из водорода, гелия, метана и примесей еще некоторых газов. Это крайне токсичная смесь, в наше время она бы уничтожила все живое. Но тогда она помогла свершиться неслыханному: в мире впервые раздался звук, а точнее, грохот. Звуковые волны наконец получили нужные условия для своего распространения. Извержения вулканов, землетрясения, падения метеоритов и прочие космические катастрофы – настоящий акустический апокалипсис, который сейчас трудно себе представить. Вот момент рождения шума.

Превращение нашей планеты из огненно-красной в голубую также сопровождалось громкими звуками. 3,8 млрд лет назад, в архее (второй эон геологической истории Земли), зашумела вода. По расчетам исследователей, на Земле примерно 40 000 лет непрерывно шел дождь. Точнее, не шел. И даже не лил как из ведра. Можно сказать, что над юной планетой разверзлись хляби небесные, но даже библейский потоп на самом деле не выдерживает сравнения с теми массами воды, которые обрушились вниз. Земля остыла, и на ней появились моря.

Первичная атмосфера плохо защищала Голубую планету, поэтому в нее часто врезались метеориты и астероиды (что, по сути, одно и то же). Ее сотрясали землетрясения и извержения вулканов. Весь этот грохот, однако, некому было слушать. На Земле не было таких высокоорганизованных форм жизни, как сейчас. Вероятно, первыми живыми организмами были простейшие бактерии, для которых высокотоксичный газовый коктейль тех времен был эликсиром жизни. А вот воздух, которым дышим мы (78 % азота, 21 % кислорода и примеси благородных газов), их бы точно убил. Следы этих древнейших микроорганизмов, возраст которых насчитывает около 3,77 млрд лет, были обнаружены в 2017 г. на севере Канады.

Эти первые обитатели Земли погибли примерно миллиард лет спустя, их погубил как раз кислород (кстати, продукт дыхания одного из видов бактерий). Но тот же самый кислород дал возможность существования новой форме жизни, которая через миллионы лет эволюции обретет способность слышать.

Ухо, звуковая волна, восприятие – три слагаемых шума

Мы знаем, что жизнь зародилась в воде. В течение миллионов лет Мировой океан населяли беспозвоночные существа, у которых еще не было органов слуха. Первые позвоночные возникли в девоне (ок. 418–360 млн лет назад). Это были рыбы, и они обладали уникальным отличительным признаком: это были первые живые существа, которые могли слышать в современном смысле этого слова.

Уже древнейшие рыбы имели примитивные органы слуха. В отличие от обитателей суши у рыб до сих пор нет среднего уха – только внутреннее. Зато это достижение эволюции они получили первыми и владеют им как минимум 380 млн лет. В начале 2000-х гг. палеонтологи изучили останки доисторической рыбы пандерихтиса (верхний девон, примерно 384–376 млн лет назад). Она жила незадолго до появления земноводных, была похожа на сплющенную сверху латимерию и имела отверстие над внутренним ухом, как все рыбы. Однако у пандерихтиса это отверстие было существенно больше, чем у его предшественников. В 2006 г. шведские палеобиологи Мартин Бразо и Пер Ольберг выдвинули гипотезу, согласно которой среднее ухо наземных позвоночных развилось как раз из этого увеличенного отверстия. Ученые также убеждены, что первые амфибии дышали ушами[2].

Органы дыхания и органы слуха образовали две независимые системы только у тех позвоночных, которые полностью вышли на сушу. О былой связи двух систем напоминает один лишь маленький орган: евстахиева труба, тонкий канал между средним ухом и носоглоткой. О ней знает каждый, кто летал в самолете. Когда на взлете и посадке начинает закладывать уши, мы зажимаем нос и сглатываем. Через евстахиеву трубу воздух движется из носоглотки в ухо и давит изнутри на барабанную перепонку, уже натянутую до предела из-за внешнего давления. Раздается спасительный щелчок, и боль отпускает – внутреннее и внешнее давление выровнялось. Правда, во время болезни этот трюк не работает. Отекшая слизистая не пропускает достаточное количество воздуха в евстахиеву трубу. Тогда от боли в ушах нет спасения. Другая уязвимая категория – маленькие дети. Они часто плачут при взлете и посадке, потому что не умеют сглатывать в нужный момент.

В течение нескольких миллионов лет после выхода на сушу у позвоночных сформировался привычный нам орган слуха: наружное ухо (обычно с ушной раковиной), слуховой канал, среднее ухо и внутреннее ухо с чувствительными волосковыми клетками, которые воспринимают звуковой сигнал, а затем по слуховым нервам информация поступает в мозг. Плюс барабанная перепонка со слуховыми косточками: молоточком, наковальней и стремечком. Это хрупкая и очень чувствительная конструкция. В отличие от многих других органов ухо с трудом восстанавливается после повреждений, а сильная травма может привести к глухоте или тиннитусу, ведь чувствительные волосковые клетки не способны к регенерации.

Чтобы лучше понимать природу шума, нужно взглянуть на него с точки зрения физики. То, что мы называем громкостью звука, по сути является уровнем звукового давления и измеряется в децибелах (дБ). Децибел – это десятая доля бела. Данная единица измерения появилась в начале XX в. и получила свое название в честь Александра Грэма Белла (1877–1922), который наряду с немецким физиком Филиппом Рейсом (1834–1874) был основоположником современной телефонии.

Труднее всего понять, что единица измерения громкости звука имеет логарифмический характер. Попросту говоря: измерение в децибелах не предполагает плавного и равномерного изменения значений, как в случае измерения веса килограммами, а длины – метрами. Уровень звукового давления, измеряемый в децибелах, растет чем дальше, тем быстрее. Его повышение всего на 10 дБ может означать резкое усиление громкости: так, например, звук 60 дБ почти вдвое громче, чем 50 дБ. Начало отсчета, полная тишина, – это 0 дБ. Беседа (от спокойной до очень оживленной) – примерно 50–60 дБ, шум газонокосилки – 70–80 дБ, рок-концерт – 110 дБ. Шум низко летящего самолета находится на уровне около 120 дБ, а грохот взорвавшейся петарды может достигать 140 дБ. После 1925 г. в немецкой психоакустике использовалась еще одна единица измерения – фон. Сейчас она вышла из употребления, но раньше служила для оценки громкости звука в субъективном восприятии.

Вторая важная единица измерения, герц (Гц), получила свое название в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца (1857–1894). В герцах измеряется очень значимый показатель уровня звука – число колебаний в секунду. Чем выше это число, тем выше тоны шума. Например, низкий гул звучит на частоте 50 Гц (то есть в секунду происходит 50 колебаний), а высокий писк – на частоте 4000 Гц, то есть 4 кГц (килогерц). Человек способен слышать звуки в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. Более высокие частоты – это ультразвук, более низкие – инфразвук. Слух животных гораздо острее человеческого, особенно это касается ультразвука. Так, например, кошка воспринимает звуки в диапазоне от 65 Гц до 75кГц, а летучая мышь – от 1000 Гц до 150 кГц.

Частота имеет значение, потому что от нее зависит наше восприятие звука. Низкие тона раздражают слух гораздо меньше высоких. Низкий звук на частоте 10 Гц и силой звукового давления 100 дБ – это громко, но высокий звук (1000 Гц) люди находят громким уже при силе давления 40 дБ. Обыкновенные комары служат наглядным примером того, какими неприятными могут быть высокие тона. Тон звука, издаваемого насекомым в полете, зависит от числа взмахов крыла в секунду: чем меньше это число, тем ниже звук. Крылья мух, например, совершают примерно 300 взмахов в секунду, а у комара этот показатель может быть в 5 раз выше и достигать 1500 взмахов в секунду. Поэтому мухи гудят и жужжат, а комары высоко и пронзительно пищат, превращая летнюю ночь в пытку.

Низкие тона могут звучать угрожающе, но лишь высокие звуки тревожат и пугают по-настоящему. Поэтому сирены звучат на высоких частотах, и ровно по той же причине автомобильная сигнализация не гудит, а пищит и завывает.

Тираннозавр кукарекал на рассвете?

Территория современного Китая в глубокой древности. Заболоченная местность в пойме реки. Здесь растут молодые сочные травы и пасется стадо завролофов. За бульканьем и плеском почти не слышно, как к ним приближается тарбозавр. Сначала он слышит их и чувствует их запах. Он очень плохо видит. Его глазки кажутся совсем крошечными на массивной голове. Зато поражают размеры его зубов – сантиметров по десять каждый. Внезапно одиннадцатиметровый гигант срывается с места и бежит, его массивные ноги с силой отталкиваются от земли, так что она содрогается от каждого толчка. Он не издает ни звука, слышен только его равномерный топот и плеск воды. Стадо обращается в бегство – на долю секунды позже необходимого. Одна из самок поскальзывается в иле и падает. Тарбозавр бросается на нее. Раздается пронзительный вопль, потом характерный предсмертный хрип. И вновь тишина. Лишь на следующий день, на рассвете, ее снова нарушает звук, в последнее время обычный для этих мест: низкое рычание, затем пронзительный, будто чаячий, крик – и так три раза подряд. Этой ночью тарбозавр спарится с самкой.