О неслышимых звуках

Глава 3. УЛЬТРАЗВУК И ЖИВЫЕ СУЩЕСТВА

Сами того не подозревая, мы в повседневной жизни постоянно сталкиваемся с неслышимыми звуками.

Сконструировав чувствительные приемники ультразвука, ученые обнаружили, что даже привычные для нас звуки, как, например, телефонный звонок, тикание часов, шум самолета, содержат наряду с обычными слышимыми звуками также и неслышимые ультразвуки.

Расположив в лесу специальные приборы, исследователи обнаружили, что погруженный в ночную тишину как бы уснувший лес в действительности наполнен не воспринимаемыми человеческим ухом писком и криками его многочисленных обитателей.

Хорошо воспринимают, «слышат» ультразвуки некоторые домашние животные.

Ультразвуки не очень большой частоты «слышат» кошки. На самых различных языках кошек подзывают своеобразным сочетанием звуков — «кс, кс». Как оказалось, это сочетание содержит не только воспринимаемые ухом колебания, но и ультразвуки.

Недавно удалось обнаружить, что белые мыши также издают ультразвуковые сигналы, не слышимые человеческим ухом. Предполагают, что этот неслышимый писк мыши используют для общения между собой.

Чувствительны к ультразвукам некоторые виды птиц. Было даже предложено использовать ультразвуковые установки для отпугивания чаек, загрязняющих водоемы с пресной водой.

Особенно обстоятельно изучена роль ультразвуков в жизни летучих мышей. Летучие мыши обладают очень плохим зрением, но это не мешает им прекрасно ориентироваться и без промаха ловить на лету мелких насекомых, которыми они питаются.

Можно было предположить, что при поисках пищи мыши руководствуются не зрением, а прекрасно развитым слухом, однако оставалось совершенно непонятным, каким образом летучая мышь обнаруживает в темноте даже такие небольшие препятствия, как тонкие ветки деревьев или телеграфные провода, расположенные на ее пути.

Еще двести пятьдесят лет назад итальянский ученый Спалланцани впервые внимательно изучил эти особенности летучих мышей. Стремясь выяснить, какой именно из органов чувств помогает летучей мыши находить направление в полете, он поочередно лишал ее зрения, вкуса, обоняния и осязания. Оказалось, что слепая мышь так же хорошо летает, как и зрячая. Лишение ее обоняния, вкуса и осязания тоже ничего не изменило. Оставалось предположить, что мышь ориентируется по слуху. И действительно, достаточно было заткнуть ей уши, чтобы мышь начала беспомощно метаться из стороны в сторону, натыкаясь на различные предметы.

Эти опыты наглядно показали, что из всех органов чувств именно слух дает возможность мыши определять путь своего полета. Но ведь правильно ориентироваться с помощью слышимых звуков, распространяющихся сразу во всех направлениях, нельзя! Так эта загадка летучих мышей и оставалась неразрешенной до наших дней.

Когда была установлена способность неслышимых звуков распространяться узким лучиком, позволяющим обнаруживать предметы на его пути, у ученых возникла мысль: не ультразвук ли заменяет летучей мыши зрение?

С помощью специальных пьезоэлектрических приемников удалось доказать, что летучая мышь во время полета издает через определенные промежутки времени короткие ультразвуковые сигналы. Эти сигналы удалось даже записать на пленку. Остроумными опытами ученые убедились и в том, что летучая мышь слышит издаваемые ею ультразвуки.

Соотношение длины волны и размеров открытого рта летучей мыши, который является излучателем ультразвука, таково, что делает сигнал, посылаемый ею, направленным подобно сигналам гидролокатора.

Когда мышь неподвижна, она посылает 5–10 сигналов в секунду. В полете же кричит чаще, издавая в среднем 30 сигналов в секунду.

Послав на разведку ультразвуковой сигнал, мышь чутко прислушивается, улавливая своими огромными ушами приход эха посланного ею сигнала. Как только эхо доходит до нее, она издает следующий сигнал. Чем ближе препятствие, тем быстрее возвращается эхо и, следовательно, тем чаще кричит мышь. На расстоянии 20 метров от препятствия она издает около 8 сигналов в секунду и увеличивает их число до 60, подлетая к препятствию на расстояние в 1 метр. Внимательное наблюдение за поведением летучих мышей убедило ученых в том, что мыши пользуются для ориентировки не только оценкой времени, которое требуется для возвращения эхо-сигналов, возникших при отражении от препятствия, как это делается в гидролокаторах, но и усилением сигналов по мере приближения к препятствию. Чем ближе подлетает мышь к препятствию, тем более интенсивными делаются приходящие от него эхо-сигналы.

В последние годы было обнаружено, что некоторые породы летучих мышей пользуются одновременно обоими способами ориентировки.

Однако ультразвуки в воздухе быстро затухают, и это сильно ограничивает способность летучих мышей ориентироваться, сужает их «горизонт». Вероятно, они не могут обнаруживать предметы, удаленные больше чем на 20 метров.

Ослабление ультразвука с расстоянием увеличивается при увеличении частоты колебаний. Поэтому чем выше частота колебаний ультразвукового сигнала, посылаемого летучей мышью, тем ỳже ее «горизонт». Вот почему некоторые мыши для ориентировки издают два вида сигналов: сигналы относительно низкой частоты, примерно до 50–70 тысяч колебаний в секунду, для грубой ориентировки на большом расстоянии, и сигналы в два раза большей частоты для детального обследования предметов, расположенных в непосредственной близости.

Воспроизведя специальными излучателями сигналы, какие обычно посылает летучая мышь, исследователи обнаружили, что ночные бабочки и некоторые другие насекомые, которыми питаются летучие мыши, также воспринимают, «слышат» ультразвуки. Когда на бабочек, например, направили ультразвуковой луч, поведение их резко изменилось: спокойно летящая бабочка бросилась в сторону, как бы обращаясь в бегство, другая, неожиданно сложив крылышки, как мертвая, упала на землю.

Несомненно, такая чувствительность к ультразвуку является защитным приспособлением этих насекомых.

Разнообразные исследования, имевшие целью выяснить роль ультразвука в живой природе, подсказали человеку идею удивительного изобретения, в котором он попытался использовать то, что подметил в природе.

Один из самых тяжелых недугов, который может постигнуть человека, — это потеря зрения. В многочисленных легендах и сказках человек выразил свою мечту: научиться побеждать слепоту. В сказке Лермонтова «Ашик-Кериб» могущественный волшебник, дав Ашику кусок земли, говорит: «Если не станут верить истине слов твоих, то вели к себе привести слепую, которая семь лет уж в этом положении, помажь ей глаза — и она увидит». Это должно было явиться таким чудом, которое доказало бы всемогущество волшебника и истинность слов Ашика.

Советская медицина сумела осуществить вековую мечту. Возвращение зрения в наши дни — случай далеко не редкий. Наши врачи произвели не одну тысячу таких операций. Однако иногда врачи бывают бессильны.

То, что летучая мышь прекрасно ориентируется в пространстве с помощью ультразвука, навело ученых на мысль: почему бы и человеку, потерявшему зрение, не дать возможность таким же образом обнаруживать препятствия на своем пути, ходить по улицам города, не прибегая к посторонней помощи?

В одном из аппаратов, который был построен для того, чтобы дать человеку возможность ориентироваться с помощью ультразвука, излучатель посылал каждую секунду приблизительно десять коротких, не слышимых человеческим ухом сигналов. Спустя несколько мгновений после посылки сигнала аппарат автоматически переключался на прием и в течение некоторого времени слушал, не придет ли эхо-сигнал. Специальное устройство превращало эхо-сигнал в слышимый звук, воспринимаемый человеком.

По силе эхо-сигнала человек определял расстояние до предмета, отразившего его: с уменьшением расстояния сила эхо-сигнала возрастала.

В другом аппарате промежуток времени между посылкой сигнала и включением приемника можно менять по своему желанию, вращая особый регулятор. Если этот промежуток увеличить, то эхо придет до включения приемника и не будет услышано. Плавно изменяя время включения приемника, можно, подражая летучей мыши, сделать так, что приемник будет включаться как раз в тот момент, когда приходит эхо. В этом случае положение ручки регулятора позволит оценить расстояние до препятствия, отразившего посланный сигнал: чем больше запаздывание сигнала, тем дальше находится препятствие.

Опытные образцы приборов позволяют различать предметы, отстоящие на расстоянии в несколько метров. Следует отметить, что ультразвуковые приборы обладают весьма «острым зрением»: они различают даже веревку, натянутую на расстоянии 30 сантиметров.

Эти опыты являются лишь первой попыткой приблизиться к еще далекой цели. Но мы можем с уверенностью сказать, что смелая мысль, настойчивость и целеустремленность ученых преодолеют все трудности и в конце концов такой прибор будет создан.

Конечно, не надо порождать напрасных надежд. Когда подобный прибор будет создан, с его помощью все же нельзя будет ориентироваться на людной городской улице, по которой непрерывным потоком спешат пешеходы, проносятся автомобили, троллейбусы, трамваи…

Каждое мгновение прибор зарегистрирует так много эхо-сигналов, что разобраться в них будет практически невозможно. Однако в квартире или в сельской местности, где движение не столь велико, ультразвуковой локатор сможет принести большое облегчение человеку, лишенному зрения.

Уже в первых опытах с мощным ультразвуковым излучением было обнаружено, что простейшие живые существа быстро гибнут при озвучивании.

Советские ученые Г. Б. Доливо-Добровольский и С. И. Кузнецов установили, что инфузории, живущие почти во всех водоемах, при озвучивании чрезвычайно быстро погибают.

Исследуя озвученную воду под микроскопом, ученые не могли обнаружить в ней ни одной уцелевшей инфузории.

Если присоединить к микроскопу специальный аппарат, делающий 1200 снимков в секунду, можно заснять все этапы разрушения микроорганизмов под влиянием ультразвуковых колебаний.

Опыт показал, что для разрыва отдельной клетки необходимо время, меньшее ¹/₁₂₀₀ доли секунды: на первом кадре можно было видеть неповрежденную клетку, а на следующем она была уже полностью разрушена.

Причина гибели простейших организмов под влиянием ультразвука точно не установлена, но все же некоторые предположения сделать можно.

Мы знаем, что ультразвуковая волна состоит из чередующихся сжатий и разряжений. При мощной ультразвуковой волне, распространяющейся в воде, разряжения могут быть настолько значительны, что вода не выдержит возникших напряжений и разорвется. В местах разрыва образуются мельчайшие пузырьки, наполненные парами жидкости и растворенными в ней газами.

Образование таких микроскопических разрывов называют кавитацией. Чем больше мощность ультразвука, тем интенсивнее происходит кавитация. Возникший пузырек существует очень недолго, затем захлопывается и исчезает.

При захлопывании кавитационных пузырьков возникают огромные давления, измеряемые тысячами атмосфер, которые, несомненно, оказывают большое влияние на биологические действия ультразвука.

Роль кавитации ясно видна на таком примере: стоило в некоторых случаях повысить внешнее давление и тем прекратить возникновение кавитационных пузырьков, как ультразвук уже не вызывал гибели клеток.

Большой интерес представляет уничтожение различных болезнетворных бактерий под действием мощного ультразвука. Выделенные из больного организма и помещенные в сосуд с питательной средой бактерии при озвучивании быстро погибают; погибают даже такие стойкие бактерии, какими являются туберкулезные палочки. В течение нескольких минут полностью разрушается яд дифтерийных бактерий.

Исследуя озвученные препараты различных бактерий с помощью электронного микроскопа, позволяющего получать увеличение в десятки тысяч раз, удалось выяснить, какие именно изменения вызывают в них ультразвуковые колебания.

На рис. II, а и б воспроизведены фотографии туберкулезных бацилл. На рисунке а мы видим неповрежденную туберкулезную палочку, увеличенную в 30 100 раз. На рисунке б видно разрушение туберкулезных палочек под действием ультразвука. Следует заметить, что достигнуть полного уничтожения всех без исключения туберкулезных палочек даже при длительном озвучивании не удалось.

На рис. II, ж и з приведены фотографии одного из видов бактерий при увеличении в 10 850 раз. Рисунок ж — микроорганизмы до озвучивания, рисунок з — после десятиминутного озвучивания ультразвуком с частотою 700 тысяч колебаний в секунду. Как можно убедиться, в результате озвучивания бактерии потеряли четкие очертания и приобрели как бы «атмосферу» с неправильными и расплывчатыми границами.

Разрушительное действие ультразвуков распространяется также и на различные вирусы.

На рис. II, в и г приведены фотографии вируса кошачьей пневмонии, увеличенные в 13 570 раз, до и после озвучивания.

После озвучивания вирус уже не вызывает заболевания.

На рис. II, д и е показаны изменения, претерпеваемые одним из опаснейших врагов человека — гриппозным вирусом — под действием ультразвуковых колебаний. Хотя здесь изменения не так ярко выражены, все-таки после часового озвучивания активность вируса уменьшается в тысячи раз.

Действуя ультразвуком в течение всего 30 секунд, удалось ослабить вирус сыпного тифа.

Способность ультразвука убивать микроорганизмы вызвала попытки использовать его для стерилизации воды, молока и различных пищевых продуктов.

Возможно, что уничтожением под действием ультразвука микроорганизмов, вызывающих ферментативные процессы в веществе, объясняется своеобразное действие озвучивания на пчелиный мед. Всем известно, что мед при стоянии засахаривается, или, как скажут физики, кристаллизуется. При засахаривании вкусовые качества меда ухудшаются. Было обнаружено, что достаточно подвергнуть мед всего 30-минутному озвучиванию, как он приобретает способность не засахариваться в течение месяца, а вкусовые качества его повышаются.

Но, пожалуй, наиболее интересны попытки применить ультразвуки для выделения из микроорганизмов различных важных биологических веществ: токсинов, ферментов и т. п. В настоящее время с помощью ультразвуков уже удалось приготовить различные сыворотки.

Озвучивая бактерии коклюша, ученые выделили яд, вырабатываемый ими, так называемый эндотоксин. Если выдержать полученный эндотоксин на холоде, то он теряет токсические свойства, делается безвредным, но сохраняет способность сообщать животному иммунитет, то есть невосприимчивость к заболеванию. Преимущества ультразвукового получения токсинов, ферментов и других биологических веществ заключаются в том, что за тот короткий промежуток времени, в который происходит разрушение клетки, содержимое ее не успевает химически измениться и в неизмененном виде поступает в окружающую среду.

Несомненно, что в ближайшем будущем ультразвуки будут широко применяться для приготовления различных биологических препаратов.

Перед нами сосуд с водой, в котором весело плавают маленькие юркие рыбки.

Но вдруг что-то произошло.

Почему движения рыбок потеряли былую уверенность, почему они беспомощно всплывают животами кверху, тщетно пытаясь принять нормальное положение?

Причиной этого являются ультразвуковые колебания, возникшие в воде. Достаточно выключить источник ультразвука, и рыбки снова будут весело плавать, как будто с ними ничего не приключилось. Но стоит усилить мощность ультразвука, и рыбки будут убиты.

Сходно действует ультразвук и на головастиков. Правда, в отличие от рыбок, которые при озвучивании все же пытаются принять естественное положение, головастики совершенно теряют способность к движению.

Наряду с разрушением живых организмов ультразвуки могут в некоторых случаях стимулировать жизненные процессы. Так, например, озвучивание семян гороха приводит к бурному их прорастанию. Очень интересные результаты наблюдались при озвучивании семян сахарной свеклы. Семена замачивались в воде, после чего некоторая часть их оставлялась для контроля, а остальные озвучивались. Контрольные и озвученные семена одновременно высаживались в почву типа глинистого чернозема. Как показало наблюдение, озвученные семена росли быстрее контрольных. Урожай от озвученных семян значительно превосходил одновременно снятый урожай от контрольных семян. Прирост урожая зависел от времени озвучивания и мощности ультразвука. Особенно благоприятные результаты получились в этой работе при 4-минутном озвучивании, когда прирост урожая по сравнению с контрольным достиг 50 процентов. Сходные результаты наблюдались при озвучивании зерен ячменя. Растения из озвученных семян развиваются более быстро и превосходят контрольные по содержанию сухого вещества и золы. Способность к ускоренному прорастанию сохраняется семенами в течение нескольких месяцев после озвучивания. Механизм действия ультразвука, стимулирующего рост растения, еще точно не выяснен. Предполагают, что ускорение роста связано с вызываемым ультразвуком изменением проницаемости оболочки семян, а также с изменением химических веществ, входящих в их состав. Ультразвуковым воздействием, однако, надо пользоваться осторожно: в тех же самых опытах удлинение озвучивания до 12 минут привело к гибели всех семян.

Озвучивание мощным ультразвуком оказывает очень сильное воздействие и на сложные организмы животных и людей. Работники, имеющие дело с мощными звуковыми сиренами, отмечали, что когда их руки попадали в звуковой луч, через несколько секунд нагрев пальцев делался непереносимым. Объясняется это, вероятно, тем, что тепло при озвучивании возникает непосредственно в тканях организма, а не распространяется в результате теплопередачи, как при обычном нагреве.

Когда на пути звукового луча мощной сирены всего на несколько мгновений случайно оказывался работник, то несмотря на то, что на его уши были надеты специальные поглотители, которые не допускали проникновения звука, он ощущал дурноту и терял способность сохранять равновесие.

Иначе ведут себя ультразвуки не столь большой мощности. Их действие на человеческий организм может быть и благотворным. В этом отношении ультразвук можно сравнить с солнечным светом, который при неумеренном пользовании вызывает ожог, при правильном же применении восстанавливает здоровье человека.

В последние годы ученые разработали различные способы лечения ультразвуком. В одном из них источник ультразвука плотно прижимается к тому участку человеческого тела, который нужно подвергнуть действию высокочастотных колебаний. В другом из них излучатель скользит по поверхности кожи, подвергающейся озвучиванию. Для лучшей передачи звуковых колебаний кожа предварительно смазывается вазелиновым маслом.

Одним из основных затруднений при применении ультразвуковых колебаний в медицине является недостаточная еще разработанность способов их дозировки.

На рис. 25 изображен один из применяемых в наше время в медицине приборов, определяющих мощность ультразвукового луча. Излучатель ультразвука прижимается к отверстию в верхней части камеры, внутри которой установлены легкие весы, напоминающие ультразвуковой радиометр. Давление ультразвука заставляет чашку весов опуститься. При этом специальная передача приводит в движение стрелку прибора, положение которой и указывает мощность ультразвука.

Ученые настойчиво изучают процессы, которые протекают в живом организме под действием ультразвука.

Несомненно, что наряду с кавитацией, вызывающей разрыв клеток, необходимо считаться с химическим действием ультразвука на сложные органические вещества, присутствующие в живых клетках.

Под действием мощных ультразвуковых колебаний большие молекулы белковых веществ разламываются, образуя частицы меньших размеров.

Ультразвуки способны изменять химические и биохимические свойства молекул и не таких сложных и непрочных, как белковая молекула.

Существует химическое соединение, называемое бензопиреном, которое обладает способностью вызывать у животных возникновение злокачественной опухоли. После озвучивания бензопирен это свойство теряет.

Изучение химических действий ультразвука будет способствовать дальнейшему использованию неслышимых звуков в биологии и медицине.