Расплетая радугу. Наука, заблуждения и потребность изумляться

Звук — это волны колеблющихся изменений локального давления. Давление, скажем, в герметизированной комнате определяется общим числом находящихся в ней молекул и температурой, а эти параметры в краткосрочной перспективе неизменны. Каждый кубический сантиметр объема данной комнаты будет в среднем содержать столько же молекул, сколько и любой другой, и, следовательно, иметь такое же давление. Но это не мешает возникновению локальных колебаний. В кубическом сантиметре А может произойти кратковременное повышение давления за счет кубического сантиметра Б, если тот ненадолго поделится с ним частью своих молекул. Возросшее давление внутри А будет способствовать выталкиванию молекул обратно в Б, что приведет к восстановлению равновесия. Ветер представляет собой ровно то же самое — поток воздуха из области с высоким давлением в область низкого, — только в гораздо более крупном, географическом, масштабе. А в меньшем масштабе подобным образом возникают звуки, но в отличие от ветра их колебания туда-обратно совершаются очень быстро.

Если посреди комнаты ударить по камертону, то его вибрация потревожит ближайшие молекулы воздуха, заставляя их ударяться о своих соседок. Камертон колеблется с определенной частотой, распространяя вокруг себя волны возмущения — череду расширяющихся сфер. Каждый волновой фронт представляет собой область повышенного давления, вслед за которой располагается зона разреженного воздуха. Затем, через промежуток времени, определяемый частотой колебаний камертона, надвигается новый волновой фронт. Если где-нибудь в комнате установить крошечный и необычайно быстродействующий барометр, то при прохождении каждого волнового фронта измерительная стрелка будет взлетать, а затем падать. Частота колебаний стрелки такого барометра равнялась бы частоте звука. Ухо позвоночных представляет собой не что иное, как быстродействующий барометр. Барабанная перепонка отклоняется туда-сюда под воздействием достигающих ее колебаний давления. Она соединена (посредством трех крохотных косточек — знаменитых молоточка, наковальни и стремечка, — обособившихся в процессе эволюции из костей задней части челюсти рептилий) со своеобразной миниатюрной «арфой наоборот», которая называется улиткой. Как и у арфы, «струны» улитки располагаются поперек каркаса, сужающегося к одному из концов. На узком конце «струны» вибрируют в резонанс с высокими звуками, а на широком — с низкими. От улитки на всем ее протяжении отходят нервы, направляющиеся к головному мозгу в строго определенном порядке, — мозг, таким образом, может различить, какой звук — высокий или низкий — колеблет барабанную перепонку.

В противоположность этому органы слуха у насекомых — не маленькие барометры, а маленькие флюгера. Они в самом деле воспринимают молекулярный поток как ветер, пусть и очень странный ветер, который, едва лишь преодолеет очень небольшое расстояние, меняет свое направление на противоположное. Расширяющийся волновой фронт, который мы ощущаем благодаря изменениям давления, представляет собой также и волну локальных перемещений молекул: они перемещаются внутрь некой конкретной области, когда давление в ней повышается, и уходят обратно, когда оно снова падает. В то время как наши с вами уши-барометры снабжены перепонкой, ограничивающей замкнутое пространство, у «ушей»-флюгеров насекомых есть либо волосок, либо же мембрана, которая отгораживает камеру, имеющую отверстие. И тот, и другая в буквальном смысле колышутся на ветру, представляющем собой ритмичное перемещение молекул туда-сюда.

Выходит, для насекомых чувствовать направление звука — обычное дело. Как любой дурак, у которого имеется флюгер, в состоянии отличить северный ветер от восточного, так и один-единственный орган слуха насекомого легко отличает колебания в направлении север — юг от колебаний по оси восток — запад. Определение направленности «встроено» в метод, используемый насекомыми для улавливания звуков. Барометры же так не умеют. Повышение давления — это просто повышение давления, с какой бы стороны молекулы ни приходили. И потому нам, позвоночным, с нашими ушами-барометрами, приходится вычислять направление звука, сопоставляя информацию, получаемую от каждого уха, — примерно так же, как мы вычисляем цвет, сопоставляя сигналы от разных типов колбочек. Мозг сравнивает громкость в одном и в другом ухе, а также отдельно — время прибытия к ним звуков (особенно отрывистых). Некоторые звуки поддаются такому сопоставлению легче, чем другие. Высота и длительность трелей сверчка подобраны так искусно, что слуху позвоночных трудно определить, откуда они исходят, однако самки сверчков, с их «ушами»-флюгерами, летят на зов прямой наводкой. Порой стрекотание сверчков даже создает иллюзию (по крайней мере, в моем мозгу позвоночного), что сверчок — в действительности сидящий неподвижно — скачет вокруг, будто зажженная петарда.