Тем временем прогресс в изучении электрофонного слуха полностью застопорился. Некоторые исследователи микроволнового слуха еще продолжали работу примерно лет десять, но затем и у них все заглохло. Для микроволнового слуха, судя по всему, необходима такая большая пиковая мощность, что он вряд ли может служить источником звуков, которые беспокоят большинство людей сегодня. Явление, открытое Пухаричем и Лоуренсом, – куда более вероятный кандидат. Чтобы понять, почему это так, нам потребуется экскурсия в анатомию одной из самых сложных и наименее изученных частей тела.
Электромодель слуха
В здоровом ухе барабанная перепонка принимает звуки и передает вибрации на три маленьких косточки в среднем ухе: молоточек, наковальню и стремечко, которые так назвали, потому что они напоминают по виду соответствующие предметы. Стремечко, последняя кость в этой цепи, размером не больше половины зернышка риса, но именно она передает все вибрации, созданные звуком, улитке, спиральной структуре, которая сама по себе – настоящее чудо миниатюризации. Улитка размером примерно с лесной орех, но тем не менее она может воспринять рык льва, песню соловья или писк мыши и с идеальной точностью преобразовать их в электрические сигналы, которые идут в мозг. Даже по сей день никто точно не знает, как это происходит. А то немногое, что известно, скорее всего, неверно.
«Очень жаль, – писал Август Польман, профессор анатомии и декан школы медицины Университета Южной Дакоты, – что не существует никакой машины, которая могла бы разом удалить из литературы интерпретации, которые оказались неверными». Польман писал это в 1933 г., оглядываясь на семьдесят лет исследований, которые так и не смогли избавить нас от фундаментально неверного, по его мнению, предположения о работе заполненной жидкостью улитки. Впрочем, следующие восемьдесят лет исследований тоже нас от него не избавили.
Маленькая спираль улитки разделена по всей длине на верхний и нижний канал; разделитель называется базилярной мембраной. На этой мембране сидит кортиев орган, содержащий тысячи волосковых клеток с прикрепленными к ними нервными волокнами. В 1863 г. великий немецкий физик Герман Гельмгольц предположил, что улитка – это своеобразное подводное фортепиано, а резонансные «струны» уха – волокна основной мембраны разной длины. Мембрана, оборачиваясь вокруг улитки, увеличивается в ширину. Самые длинные волокна на вершине, утверждал он, подобно длинным басовым струнам фортепиано, резонируют с самыми глубокими звуками, а самые короткие волокна в основании вибрируют, встречаясь с самыми высокими нотами.
Гельмгольц предполагал, что передача звука – это простой вопрос механики и рычагов, и последующие исследования в течение полутораста лет просто развивали исходную теорию, практически ничего в ней не меняя. Согласно этой модели, стремечко, подобно крохотному поршню, накачивает жидкость в два канала улитки, заставляя мембрану, разделяющую их, колебаться. Эти колебания стимулируют волосковые клетки, а они отправляют нервные импульсы в мозг. Колеблются только те части мембраны, которые настроены на входящие звуки, и, соответственно, только те волосковые клетки, которые находятся на этих частях мембраны, отправляют сигналы в мозг.
Но эта модель не объясняет электрический слух. Кроме того, она не объясняет и некоторые самые очевидные свойства внутреннего уха. Почему, например, улитка имеет форму раковины? Почему тысячи волосковых клеток расположены четырьмя идеальными рядами, словно мануалы церковного орга́на? Почему улитка находится внутри самой твердой кости человеческого тела, височной? Почему улитка формируется на шестом месяце жизни зародыша в утробе и остается такой навсегда? Почему улитка в ухе кита лишь чуть больше, чем в ухе мыши? Как возможно уместить целый набор резонаторов, которые вибрируют в большем музыкальном диапазоне, чем лучшие орга́ны, на пространстве размером с кончик мизинца?
Польман считал, что стандартная модель слуха противоречит современной физике, и ряд смелых ученых после него соглашались с этим. Включив электричество в свою модель слуха, они сумели добиться прогресса в объяснении основных свойств уха. Но они наткнулись на культурный барьер, который до сих пор не позволяет электричеству играть фундаментальную роль в биологии.
Ухо слишком чувствительно, чтобы быть только системой механизмов и рычагов, и Польман был первым, кто указал на этот очевидный факт. Настоящими резонаторами в ухе – «струнами фортепиано» – должны быть тысячи волосковых клеток, которые расположены рядами и меняют свой размер от нижней до верхней части улитки, а не волокна мембраны, на которых они находятся. А еще волосковые клетки – это детекторы давления, а не движения. Это очевидно хотя бы по невероятной чувствительности уха. Кроме того, это объясняет, почему же улитка прячется внутри самой плотной кости человеческого тела. Это звуконепроницаемая камера, а функция уха – передавать звук, а не движение, чутким волосковым клеткам.
Следующим ученым, который поставил на место часть этой мозаики, стал английский врач и биохимик Лайонел Нафталин, который умер в марте 2011 г. в возрасте 96 лет, проработав над этой проблемой полвека. Он начал с выполнения точных вычислений, которые убедительно доказали, что ухо слишком чувствительно, чтобы работать по общепринятой модели. Известно, что самый тихий звук, который может услышать человек, имеет удельную мощность меньше 10–16 ватта (одна десятитысячная от одной триллионной доли ватта) на квадратный сантиметр, а это, по подсчетам Нафталина, создает на барабанную перепонку давление лишь чуть-чуть большее, чем случайно перемещающиеся молекулы воздуха. Нафталин без обиняков заявил, что общепринятая теория слуха просто невозможна. Настолько крохотная энергия не может сдвинуть базилярную мембрану. Она даже кости внутреннего уха не сдвинула бы, если бы рычажный механизм действительно работал.
Абсурдность стандартной теории была очевидна. На нижней слуховой границе барабанная перепонка якобы вибрирует с амплитудой 0,1 ангстрема – в десять раз меньше диаметра атома водорода. А движение базилярной мембраны, по подсчетам, составляет десять триллионных частей сантиметра – лишь чуть больше, чем диаметр атомного ядра, и намного меньше, чем случайные движения молекул, из которых состоит мембрана. Это «движение» субатомных размеров якобы заставляет волосковые клетки «сгибаться», вызывая электрическую деполяризацию волосковых клеток и передачу импульса по прикрепленным к ним нервным волокнам.
Недавно некоторые ученые, осознав всю глупость подобной идеи, ввели разнообразные поправки, которые увеличивают амплитуду колебаний базилярной мембраны с субатомных до всего лишь атомных расстояний, что по-прежнему не решает фундаментальной проблемы. Нафталин указал, что внутри улитки содержатся не твердые металлические предметы, а жидкости, гели и гибкие мембраны, и подобные бесконечно малые расстояния просто не могут иметь под собой физической основы. Затем он рассчитал: чтобы сдвинуть резонансную часть базилярной мембраны всего на один ангстрем – на расстояние, которое сейчас считается необходимым, чтобы вызвать реакцию волосковых клеток
[453], – потребуется более чем в 10 000 раз больше энергии, чем содержится в звуковой волне, которая ударяет в барабанную перепонку на пределе слышимости.
