Бінауральні бієства - явище, яке добре вивчене з практичної точки зору, але погано пояснене теорією. Широко відомий ефект їх впливу на психічний стан людини, який проте не підтверджений, оскільки проявляється нестабільно, що не заважає великій кількості народу відчувати їх на собі за допомогою mind-machines. Однак саме по собі це явище здається неймовірно перспективним як з точки зору його поширеності в Природі, так і щодо його технічного застосування в майбутньому, про що і йдеться в цій статті.
Бінауральні бієння
Суть бінауральних явищ в тому, що при подачі двох монозвуків на близьких один до одного частотах на різні вуха, виникають чіткі і тихі пульсаційні загасання і посилення загального звуку, в який ці два монозвуки зливаються. Їх відмінність від монауральних бієнь в тому, що монауральну пульсацію можна почути і одним вухом, оскільки вони являють собою інтерференцію двох хвиль від двох джерел, тоді як бінауральні бієння є артефактом мозку, оскільки інтерференція відбувається вже після того, як монозвуки були розпізнані різними вухами (рецепторами) і оброблені мозком. Тобто, бінауральні бієння генеруються безпосередньо в мозку, і «чує» їх тільки мозок! І на даний момент не існує чіткої теорії про те, як саме це відбувається. [1]
Ризи.1 Існує так звана нейрофізіологічна гіпотеза, яка полягає в тому, що кількість нервових імпульсів від кожного вуха і маршрут, по якому вони йдуть в мозок, визначаються частотою падаючого звуку, і десь в мозку ці два нервових сигнали взаємодіють.
Бінауральні бієння мають цікаві особливості. По-перше, найкраще вони проявляються в низькому діапазоні частот при різниці між частотами 12 Герц. Найкраща частота для чутливості - 440 Гц. Хоча є люди, слух яких дозволяє чути їх до 1000 Гц, але не вище.
Причому, що важливо, бінауральні бієння мають пару істотних особливостей. [2]
По-перше, якщо монауральні бієння, отримані накладенням двох звуків однакової інтенсивності, будуть пульсувати за гучністю від максимуму до повної тиші, як і слід було б очікувати за формою результуючої хвилі, то бінауральні ж бієння являють собою тільки слабку за гучністю модуляцію фону. Найчастіше для того, щоб їх чути, необхідно сфокусувати увагу. У міру збільшення різниці амплітуд, бієння будуть ставати все менш різними.
По-друге, бінауральні бієння мають, за відчуттями, приблизно однакову інтенсивність, незалежно від відносної інтенсивності обох тонів. Це дуже важлива властивість, тому що бінауральні бієння відчуваються навіть коли один з сигналів нижче порогу чутливості. У разі тонів у районі 200 Гц бієння відчуваються, коли один сигнал має гучність (40 Дб), а інший (- 20 Дб), або одну соту гучності чутного звуку. Очевидно, мозок здатний виявляти і обробляти сигнали навіть коли один з них свідомо слабкий для свідомого сприйняття.
Мабуть, даному ефекту споріднений ефект взаємодії бінауральних бієнь з шумом. Зазвичай шум маскує звуки, які ми хочемо почути. Наприклад, він пригнічує слабкий радіосигнал. Однак, сприйняття бінауральних бієнь за допомогою шуму покращується!
Рис.2. На схемі зліва представлені монауральні умови виникнення бієнь. Коли сигнали однієї і тієї ж інтенсивності (однакової амплітуди) накладаються, бієння змінюються від тиші до максимальної гучності. У разі сигналів різної гучності (нерівної амплітуди) інтенсивність бієнь падає. Якщо тони супроводжуються досить гучним шумом, щоб приховати їх, бієня чутні не будуть. Схема справа представляє випадок бінауральних сигналів, форми хвилі ліворуч ті ж, що і вище, але вони подаються в кожне вухо окремо. За цих умов бієння чути як у випадку рівних, так і нерівних амплітуд сигналів, і навіть у разі якщо один з них підпороговий. Якщо сигнали приховані шумом, бінауральні бієння все одно чутні, у вигляді модуляцій шуму.
І по-третє, існують гендерні і складні відмінності сприйняття бінауральних бієнь. При проведенні експериментів на добровольцях, з'ясувалося, що верхня межа несучих частот у чоловіків вища, ніж у жінок. При цьому при тривалій перевірці (півтора місяці) сприйнятливості жінок до бінауральних явищ, виявилося, що жінки сприймають спектр тонів в області більш високих частот на початку менструації і під час овуляції, коли жінка найбільш життєздатна. У чоловіка, з іншого боку, немає ніяких змін чутності бінауральних бієнь протягом місяця. [2]
Це дуже важливі властивості, які далі зіграють роль непрямих доказів на користь наступних гіпотез і висновків.
Вони, власне, прості.
Гіпотеза існування бінарецепторного мозкового артефакту
Оскільки природа бінауральних бієнь лежить в області функціонування мозку, логічно припустити, що при виконанні тих же умов схоже явище може спостерігатися і для інших органів почуттів, зокрема, для зору. І більше того, може цілком розвиватися в процесі природного відбору як перевага у виживанні на увазі своїх дивовижних якостей.
Імовірно, таке явище для зору буде засноване на тому, що будь-яке око буде складатися не з однакових фоторецепторів, а з двох (або більше) різних джерел, чутливих до близьких довжин хвиль. Назвемо такий зір бінарецепторним, за аналогією з бінауральним.
Можна припустити, що обробка мозком двох близьких сигналів (звукових або світлових, можливо, навіть тактильних!) викликає ефект інтерференції всередині мозку при ритмічній активності нейронних мереж, задіяних в обробці цих сигналів. У такому випадку, візуально такий ефект «бієнь» міг би проявлятися для такого ока у вигляді мерехтіння областей простору, що мають близьку колірну якість.
І такі очі існують в Природі! І не просто існують, а процвітають в достатку, і досі неясно було, навіщо цим істотам такий зір. А саме, носіям п'яти-, шести-, і навіть 16-тихроматорного зору. Тобто коли в оці багато видів фоторецепторів, оскільки, як показує практика, більшості живих істот досить трихроматорного зору, такого, як у людини.
Stomatopod-ы
Розгляньмо відразу екстремальний випадок, оскільки він досить добре вивчений. А саме, раку-богомолу, виду Stomatopod. У цього маленького рачка, що мешкає у водах теплого океану біля коралових рифів просто неймовірно дивовижне око.
У стоматоподів в оці за останніми даними в оці працює 16 видів фоторецепторів, 12 з яких охоплюють колірний спектр від 300 до 700 нм і ділять його спектральний світ на шість дихроматичних вікон, кожне з яких використовує тонку спектральну дискримінацію. Плюс також є 4 види фоторецепторів, чутливих до УФ-спектру в двох близьких областях. [3]
Рис.3. Око Stomatopod-а розділений на три смуги: дві периферичні, зверху і знизу, дистальна і вентральна, а також центральна смуга, в якій, в свою чергу, є 6 омматидіальних рядів, кожен з яких володіє своєю чутливістю і містить різні родопсини. УФ-клітини 4-х видів «» розкидані «» рівномірно по всьому оку, хоча всередині центральної смуги тільки 1 вид, а 3 інших - в периферичних зонах. Нижні два ряди центральної смуги пов'язані з поляризаційним зором. А верхні 4 визначають зір кольору в діапазоні 400-630 нм.
Що цікаво, деякі ряди омматидій (структурний зоровий елемент рівний окремому оку) ще й влаштовані за ярусним типом, коли дистальні яруси відрізняються від проксимальних на 25 нм за чутливістю, що дозволяє їм здійснювати деяке додаткове налаштування на колір і контрастність. [4]
Дивно, навіщо таким простим істотам такий складний зір? Це ще не враховуючи те, що у всіх тканинах цього ракоподібного був знайдений зоровий пігмент, родоспин, навіть на животі, так що цей рачок бачить букватно всім тілом! Мабуть, коли боги давали здібності всім тваринам, рак-богомол стояв перший у черзі і попросив собі найкльовіший зір і супер-клешні (це взагалі окрема тема).
Раніше вчені вже робили припущення про те, що сприйняття близьких частот якось проявляється у взаємодії, що давало б рачкам-богомолам еволюційну перевагу. [5] і навіть була спроба перевірити цю здогадку з негативним результатом [3]. Насправді, результат був негативний тому, що експеримент проводився, з точки зору гіпотези, описуваної в цій статті, неправильно.
Експеримент проводився так. Вчені використовували спеціальний тест з кольоровими картами, подібних тим, які були розроблені Карлом фон Фрішем для бджіл і тепер широко використовуються для ряду тварин. У рамках тесту тварин дресирували реагувати на колір певних довжин хвиль, заохочуючи їх їжею. Рачків натаскали на довжини хвиль 400, 425, 450, 470, 500, 525, 570, 578, 628 і 650 нм. І потім вже навчених рачків-богомолів стимулювали двома квітами з близькими довжинами хвиль, що подаються на кінцях оптоволоконних проводів, на один з яких тварина була віддресирована як на кнопку подачі їжі. Відповідно, рачок намагався вибрати колірне рішення, коли дивні велетні давали йому їжу. Поступово різницю між довжинами хвиль зменшували до 25-12 нм, і тоді відсоток успішного вибору рачком «» харчового «» рішення падав з 80% до 50%. Тому вчені вирішили, що це якраз той колірний інтервал, коли рачок перестає розрізняти запропоновані кольори.
Рис.4. Фото з експерименту з дресированим на колір раком-богомолом [3].
З цієї причини вчені зробили висновок, що їх гіпотеза про наявність другого альтернативного механізму обробки колірної інформації у стоматопод, а саме про систему множинних дихроматичних колірних опонентів, не вірна. А справедлива їх інша гіпотеза про монохроматичне 12-канальне сприйняття кольору. Тобто вони вирішили, що діхроматичний поділ 12-ти колірних каналів біля рачків було створено Природою просто так, від балди, взаємодії між каналами немає, і вони працюють окремо.
Рис.5. Основні канали колірного спектру сприйняття рачків-богомолів, представлені різними ретунулярними клітинами.
Однак в рамках поточної гіпотези, якщо зір у рачків-богомолів бінарецепторний, то зниження результату відбувалося тому, що при одночасній подачі двох сигналів менше 25 нм, зорова система рачка-богомола починала сприймати мерехтіння, яке в звичайному середовищі пов'язано не стільки з харчуванням, скільки з самовизначенням у просторі, наявності небезпек і комунікаціями, про що написано нижче. Тому рачки в експерименті просто губилися, коли вивчена навичка, пов'язана з харчуванням, виходила за межі області їх світорозуміння.
Тим не менш, експеримент мав все-таки позитивний результат в тому, що він визначив діапазон включення бінарецепторних ефектів: від 25 до 12 нм.
І цей результат якраз добре лягає в дані про різницю між чутливістю до довжин хвиль, отриманими в цій же роботі. Довжини хвиль УФ-спектру, до яких чутливі очі стоматопод: 315, 330 та 340, 380 нм. Інші колірні канали чутливості у видимому діапазоні різняться від 12 до 50 нм. З урахуванням ярусного налаштування чутливості в 25 нм, за певних умов цілком ймовірна поява бінарецепторного мерехтіння.
Чому бінарецепторний зір є перевагою
Рачки-богомоли живуть в океані, в умовах, коли просторова орієнтація життєво важлива. Для людини з її моноканальним трихроматичним зором підводні глибини виглядають однаково: навколо все просто синє, поступово темніє до глибин. Ми не бачимо, що потоки води мають різну температуру або щільність, або солоність. Для трихроматичного зору це все виглядає однаково, тому що відтінки кольорів ми не бачимо, а розпізнаємо через поєднання основних кольорів. Тоді як у випадку бінарецепторного зору все це побачити не становить труднощів, адже потоки з різною близькою температурою мають різний коефіцієнт заломлення і мають злегка різний відтінок, і завдяки бінарецепторному ефекту, рачок бачить, як вони починають мерехтіти особливим чином. І для рачка з його дуже маленьким мозком такий зір би не потребував великих мозкових потужностей для обробки інформації, оскільки сама його природа рефлекторна.
Крім того, згадаємо 2-ю і 3-ю властивість бінауральних бієнь, які, безсумнівно, можна перенести і на мерехтіння бінарецепторного зору, і які критично важливі.
Бінарецепторне мерехтіння напевно також вагомо відчувається рачком, коли один з несучих сигналів знаходиться нижче порогу чутливості його ока. Тобто, наприклад, звідкись наближається хижак, і колір води в цьому місці вже змінив свою освітленість, але сам об'єкт знаходиться нижче порога видимості. Однак для рачка ця область наповниться характерним мерехтінням, і він буде знати про небезпеку заздалегідь. Так само вимірювати глибину і дальність предметів у воді набагато простіше, якщо у тебе в очах видно спектр «» знайомих з яйця «» мерехтінь. Завдяки бінауральному слуху тварини добре орієнтуються в просторі, і бінарецепторний зір може бути сильним аналогом в умовах проживання під водою.
Рис.6. Забарвлення одного з видів раків-богомолів
А третя властивість бінауральних бієнь про те, що існує різниця гендерної взагалі і складової чутливості для самок, у разі бінарецепторго зору взагалі являє собою основу комунікацій і шлюбних ігор для рачків-богомолів. Адже їх панцирі розфарбовані саме в ті кольори, до яких чутливі їхні очі [3]. Ймовірно, у жінок ця залежність від менструального циклу - всього лише релікт, що залишився від найдавніших часів зародження зору. І тут можна вже багато фантазувати про те, яким барвистим і мерехтливим стає світ для самок рачків-богомолів у шлюбний період, але цікавіше було б це все відкрити експериментально.
Технічні перспективи
Звичайно, всі ці гіпотези потрібно перевіряти і, напевно, знайдеться дуже багато важливих нюансів і відкриттів щодо бінарецепторного зору.
Однак як політ фантазії хочу розвинути ідею бінарецепторного зору щодо його гіпотетичного технічного застосування. Якби можна було створити такий прилад, здатний до відтворення бінарецепторного сприйняття, аналогічно тому, як це відбувається в мозку, то метеорологія і спостережна астрономія, медицина і океанологія (разом з гідродинамікою) відкрилися б нам з нового боку. Адже одна справа моделювати потоки в середовищах, і інша - їх «бачити»!
І ідеї про те, як гіпотетично можна реалізувати такий прилад, є, про що я можу розповісти в наступній статті, якщо тема виявиться цікавою.
Література:
[1] - Ірина Алдошина, «Основи психоакустики», архів журналу «Звукорежисер», 1999р.
[2] - Oster, G. (1973). Auditory beats in the brain. Scientific American, 229, pp. 94-102
[3] - Thoen, H. H.; How, M. J.; Chiou, T.-H.; Marshall, J. (2014). A Different Form of Color Vision in Mantis Shrimp. Science, 343(6169), 411–413.
[4] - Cronin, Thomas W.; Marshall, N. Justin (1989). A retina with at least ten spectral types of photoreceptors in a mantis shrimp. 339(6220), 137–140.
[5] - Marshall, Justin; Oberwinkler, Johannes (1999). Nature, 401(6756), 873–874.
