ЭНЦИКЛОПЕДИЯ

Звук и организмы

Звук почти всегда сопутствует жизни. Для растений, животных и человека это один из факторов внешней среды. Звуком называются такие механические колебания внешней среды, которые воспринимаются слуховым аппаратом человека (от 16 до 20 000 колебаний в секунду). Колебания большей частоты называются ультразвуком, меньшей — инфразвуком.

Источники колебательных движений в природе самые разнообразные. Инфразвуки издают море, осыпающиеся горные породы, работающие тормоза, некоторые моллюски, рыбы; инфразвуки возникают при полете птиц. Звуки рождаются в разнообразных природных процессах, при работе машин и механизмов, их издают животные, произвольно и непроизвольно. Ультразвуки возникают при ветре, морском прибое, в лабораторных условиях, их издают бабочки, цикады, дельфины и др. Грозовой разряд и землетрясение — почти универсальные природные источники звуковых колебаний от инфразвука до ультразвука.

Звук для живого организма — это прежде всего сигнал о происходящих вокруг него событиях. В основе действия звука (будем так для краткости называть весь диапазон колебаний) на организм лежит поглощение им энергии звуковой волны. Если при поглощении энергии звуковой волны в организме за счет этой энергии происходят изменения, мы говорим об энергетическом действии звука. Таково, например, действие мощного потока ультразвуковых волн на клетку: под влиянием поглощенной энергии клетка как бы взрывается и разваливается на части. Если же поглощенная звуковая энергия очень мала по сравнению с энергией и характером ответного действия живого объекта, мы говорим об информационном действии звука. Например, шорох от пробегающей мыши, достигнув уха кошки, вызовет с ее стороны целый ряд ответных реакций: она настораживается, потягивается, подкрадывается и т. д. Все эти действия совершаются, конечно, не за счет ничтожной в данном случае энергии звука.

Однако дело не всегда обстоит так просто. Например, воздействие музыки на организм имеет далеко еще не выясненную биофизическую основу. Чаще всего в природе встречается информационное действие звука. Оно возможно для тех существ, у которых в процессе эволюции выработалась способность к образованию рефлекторных или условно-рефлекторных связей. У растений нет нервной системы. Поэтому способность к образованию таких связей у них лишь в зачатке. Однако росянка и мимоза, например, реагируют на сильный звук, направленный на их лист. Мимоза реагирует на звук вследствие сотрясения воздуха и вслед за ним листа (см. ст. «Движения растений»), насекомоядное растение росянка — по другой причине. Под действием сильного звука, направленного на лист, она складывает его, как если бы там находилось насекомое. Причина такой реакции листа — давление, производимое сильным звуком. В этом случае основа его действия почти та же, что и на специализированные слуховые устройства у животных.

В жизни животных информационное действие звука играет огромную роль. Звук — это сигнал и об опасности, и о состоянии организма, и о характере его деятельности, и о направлении поиска, сигнал угрозы, призыв о помощи и т. д. Ультразвуковой диапазон успешно используют летучие мыши и дельфины как средство локации. Непрерывно посылая в пространство ультразвуковые волны и ловя их отражение, они устанавливают положение своего тела в пространстве относительно окружающих предметов и находят пищу. Узнавая сигналы животных, человек иногда использует их в своих целях. Например, с помощью магнитофона, на ленте которого записан сигнал грачей «Опасность!», удается очистить от них территорию вблизи аэродромов, где скопление этих птиц создает угрозу для взлетающих и садящихся самолетов. Если их засосет в сопла реактивных двигателей, произойдет авария.

Однако во многих случаях неясно, имеем мы дело с информационным или энергетическим действием звука. Слуховой аппарат животных приспособлен, как правило, к восприятию сравнительно тихих звуков. Ведь в природе громкие звуки редки, шум относительно слаб или непродолжителен, внезапно появляющийся новый звук чаще всего слаб. Такое сочетание звуковых раздражителей дает животному время, необходимое для оценки их характера и формирования ответной реакции. Поэтому звуки большой мощности, обычно неестественные и изредка естественные (например, при падении метеорита, разряде молнии, извержении вулкана), поражают слуховой аппарат и нервные центры животных. Следствием этого может быть глухота, общий шок. Если громкость звука достаточно велика, он может вызвать у животного болевые ощущения. Внезапно возникший звук, если он достаточно силен по сравнению с окружающим звуковым фоном, может привести к самым неожиданным на первый взгляд последствиям. Так, например, у оленей и антилоп, живущих в условиях повышенной опасности, внезапно возникший звук может вызвать даже разрыв сердца или паралич конечностей.

Длительный шум неблагоприятно влияет на орган слуха, понижая чувствительность к звуку. Он приводит к расстройству деятельности сердца, печени, к истощению и перенапряжению мозговых клеток. Ослабленные клетки коры головного мозга не могут достаточно четко координировать работу различных систем организма. Отсюда возникают нарушения их деятельности.

Таким образом, необычность звуковой информации, к переработке которой организм не подготовлен в процессе эволюции, приводит к расстройству органов слуха и связанных с ним нервных центров. Для организмов с пониженным слуховым восприятием и невысоким уровнем развития нервных связей (глухих животных, низших насекомых и т. д.) последствия звукового воздействия незначительны.

Прямое энергетическое воздействие звука в природе почти не встречается. Изучать его очень сложно из-за повышенной чувствительности слухового аппарата к определенному диапазону звуковых волн. Выяснить его непосредственное действие на организм можно, только отключив или изолировав орган слуха. Поэтому ученым удалось сделать лишь разрозненные наблюдения, как действуют инфразвук и звук большой мощности (ватты и десятки ватт на квадратный сантиметр). Это действие, как правило, крайне неблагоприятно: прорастание семян задерживается, у животных нарушается работа кроветворных органов, развитие микроорганизмов тормозится.

Лучше изучено действие ультразвуковых колебаний, особенно больших частот (порядка десятков и сотен тысяч герц). В зависимости от мощности звукового потока, частоты колебаний, длительности воздействия, природы и состояния организма оно может быть стимулирующим, тормозящим, смертельным.

Так, при действии ультразвука интенсивностью 5—6 Вт/см², частотой 380 кГц в течение 2 мин в воде из отстойного бассейна погибали почти все растения и животные — циклопы, дафнии, диатомовые водоросли, коловратки, -мелкие пиявки, крупные водоросли. При этом раковины оказывались продырявленными, содержимое клеток раздробленным, а сами клетки разорванными. Это свойство ультразвука применяется иногда для стерилизации воды, для очистки подводных сооружений в портах и подводной части кораблей от водорослей и ракушек. Однако некоторые организмы, например сформировавшиеся⁴ яйца аскарид, удивительно устойчивы к воздействию ультразвука. Это объясняется тем, что газовая прослойка в скорлупе яйца почти полностью отражает звуковую энергию.

На семена некоторых растений ультразвук оказывает стимулирующее действие. Сухие семена кукурузы облучали ультразвуком частотой 710 кГц, интенсивностью 12 Вт/см² и затем проращивали. Оказалось, что энергия прорастания у таких семян много выше, чем у контрольных, они быстрее набухают. Как и в случае с другими организмами, прочная оболочка семян снижает степень стимулирующего и угнетающего действия ультразвука. Можно подобрать такие ультрачастоты, которые будут поглощаться почти полностью оболочкой семени. В этом случае, если плотная оболочка является основным препятствием для прорастания семян (у вишни, бересклета), действие ультразвука приводит к ускоренному прорастанию семян.

Механизмы действия ультразвука на живые организмы крайне многообразны. Это и мгновенное образование пузырьков газа в жидкой фазе клетки, обладающих взрывным действием, и произвольные разрывы полимерных молекул белков и нуклеиновых кислот, и образование вихревых потоков, в которые вовлекаются клеточные органеллы, и разрушение ферментов. Нужно изучать действие ультразвука на живые организмы, чтобы направленно использовать его в народном хозяйстве и чтобы применение ультразвука в технике было безопасным для человека.