Ученые разгадали загадку направленного слуха под водой
Люди под водой не могут определить направление на источник звука. Звук распространяется там примерно в пять раз быстрее, чем на суше. Это делает направленный слух, или локализацию звука, почти невозможной, так как человеческий мозг определяет источник звука, анализируя разницу во времени его прихода к одному уху по сравнению с другим.
В то же время поведенческие исследования показали, что рыбы могут определять местоположение источников звука, таких как добыча или хищники. Но как они это делают? Нейробиологи из Charité—Universitätsmedizin Berlin решили эту загадку, описав слуховой механизм крошечной рыбки в журнале Nature.
Объект исследования — Danionella cerebrum, рыбка размером около 12 мм, почти полностью прозрачная на протяжении всей жизни, обитающая в ручьях южной Мьянмы. У Danionella самый маленький известный мозг среди позвоночных, но она демонстрирует ряд сложных форм поведения, включая общение с помощью звука. Это, а также возможность напрямую наблюдать за ее мозгом из-за прозрачности, делают ее ценным объектом для исследований.
Акустический мир над и под водой
Звук распространяется как колебания движения и давления. Есть колебания частиц (скорость частиц) и изменение их плотности (звуковое давление).
Наземные позвоночные, включая человека, определяют направление звука в основном сравнивая громкость и время прихода звукового давления к двум ушам. Эта стратегия не работает под водой: звук распространяется намного быстрее и не ослабляется черепом, поэтому разницы в громкости и времени прибытия между ушами практически нет.
Как слышат рыбы
Рыбы воспринимают не только звуковое давление, но и скорость частиц. В эксперименте ученые использовали специальные подводные динамики и метод отслеживания положения рыбок Danionella cerebrum с помощью камеры.
Механизм слуха у рыб иной:
- Частицы воды рядом с динамиком движутся вперед-назад вдоль оси, направленной к динамику и от него.
- Рыба движется вместе с водой, но крошечные камешки во внутреннем ухе (отолиты) из-за инерции движутся медленнее.
- Это крошечное движение улавливается сенсорными клетками уха.
Проблема в том, что так рыба может обнаружить только ось, вдоль которой движется звук, но не направление, откуда он пришел, так как звук — это колебание, непрерывное движение вперед-назад.
Решение загадки
Проблема решается путем анализа скорости частиц в зависимости от текущего звукового давления. Звуковое давление приводит в движение сжимаемый плавательный пузырь, что, в свою очередь, регистрируется волосковыми клетками внутреннего уха. Через этот второй, косвенный слуховой канал, звуковое давление дает рыбе необходимую точку отсчета для направленного слуха.
"Именно это предсказывала одна модель пространственного слуха 1970-х годов — и теперь мы подтвердили ее экспериментально", — говорит профессор Бенджамин Джадкевиц.
Команда также показала, что направленный слух можно обмануть, изменив акустическое давление на противоположное. В этом случае рыба плыла в противоположном направлении, то есть к источнику звука.
Микро-КТ-изображения слухового аппарата Danionella показывают, что он похож на сенсорный орган примерно двух третей всех пресноводных рыб, или около 15% всех видов позвоночных. Это позволяет предположить, что подтвержденная стратегия направленного слуха, включающая комбинированный анализ звукового давления и скорости частиц, может быть широко распространена.