Текст книги "Детский университет. Исследователи объясняют загадки мира. Книга третья"

Хорошо ли спится в лаборатории?

Лаборатория сна – забавное название, но на самом деле это довольно обычное место. Как отдельная больничная палата с аппаратурой и мониторами. Неужели действительно есть приборы, которые можно подключить к мозгу, и на мониторах будет видно, какие мысли пробегают у человека в голове? Нет, таких не бывает. Приборы могут регистрировать электрические колебания нашего мозга. Ведь все, что мы делаем: думаем, смеемся, спим, – все вызывает колебания, и приборы зафиксируют ритм этих колебаний. В зависимости от частоты выделяется несколько ритмов. Так, альфа-ритм – это наш ритм в состоянии спокойного бодрствования. Дельта-ритм – медленные волны – чаще связан со сном.

По этим зигзагам специалисты могут прочесть многое о нашем состоянии. Исследования показали, что сон не всегда и везде одинаковый. Конечно, совершенно не обязательно попадать в лабораторию сна, чтобы установить, что в своей кровати, как правило, спится лучше, чем в школе на уроке. Но в лабораторных условиях удалось выяснить, например, что сон может быть и очень оживленным. Спящий может закатывать глаза, как какое-нибудь чудовище в старом немом кино, или двигать глазными яблоками туда и сюда, будто следя за движением ускоренного маятника. Хорошо еще, что веки при этом плотно прикрывают глаза, а то зрелище вышло бы страшноватое. Такие фазы энергичных движений глаз случаются у человека четыре-шесть раз за ночь, примерно через каждые полтора часа. И раз уж это явление обнаружили, нужно было его как-то назвать. Когда ученым нужно новое название и неохота долго ломать над ним голову, они берут первое попавшееся сокращение. Так что теперь эти фазы сна называются «фазы БДГ» – это сокращение от слов «быстрое движение глаз» – или «фазы быстрого сна», а иногда используется также сокращение REM – от английского термина Rapid Eye Movement. Периоды между этими активными фазами называются медленным сном.

А НЕЗРЯЧИМ ЛЮДЯМ СНЯТСЯ СНЫ?

Сны мы представляем себе похожими на фильмы. А как тогда будет выглядеть кино для незрячих? Ученые выяснили, что люди, потерявшие зрение примерно в школьном возрасте или позже, еще долго хранят зрительные образы и видят их во сне. Но и люди, слепые от рождения, рассказывают о своих снах почти точно так же, как зрячие. В их снах тоже важнее всего настроение, события и переживания, которые они ощутили с помощью всех остальных органов чувств.

Сновидение – дворник?

Исследования также показали, что во время фаз БДГ интенсивно снятся сны. Что еще интереснее, было установлено, что больше всего снов видят младенцы в утробе! Сон в материнской утробе имеет самую большую долю фаз БДГ. Но о снах младенцев известно не много: можно сказать только, что глаза у них энергично движутся и зубцы ЭЭГ подскакивают вверх и вниз. Что может присниться, если у человека еще нет зрительных образов и нет языка? Снится ли младенцам икота, плавание, сосание, а может быть, теснота и движения? Трудно представить себе, что может беспокоить еще не рожденного младенца. Он ведь не имеет ни малейшего понятия о том, что ждет его снаружи: плюшевые мишки, резиновые уточки, ясли и восхищенные возгласы окружающих.

ВРЕМЯ СНА

Даже очень энергичный и деловой человек примерно треть жизни проводит в бездействии. Это то время, которое требуется организму для сна. Впрочем, может быть, «бездействие» – неправильное слово, потому что, как показали недавние исследования, человек обязательно видит сны, когда спит. Интересные и интенсивные сны во время фазы БДГ составляют одну пятую часть всего времени сна, и за всю жизнь в среднем выходит пять лет снов.

Если разбудить спящего человека в конце фазы БДГ, он почти всегда сможет вспомнить и рассказать свой сон. В лабораториях сна так происходило с восемью из десяти испытуемых. Поэтому долгое время считалось, что во время фазы БДГ снятся сны, а во время фазы медленного сна – не снятся. Но в какой-то момент исследователей охватил «приступ побудки»: они стали будить испытуемых во время фазы самого глубокого, медленного сна. И что в результате? Большинство испытуемых тоже просыпались, помня свои сны.

Но, как установили исследователи, во время фазы глубокого сна снятся немного другие сны. Испытуемые, которых разбудили во время этой фазы, рассказывали сны, очень похожие на реальность или обычные мысли, какие бывают в состоянии бодрствования. А сны, в которых разыгрывается фантазия и бушуют эмоции, снятся во время фазы БДГ. Ухватившись за зубцы ЭЭГ как объективную основу исследования, ученые тут же начали развенчивать Зигмунда Фрейда – гениального толкователя сновидений. Та часть исследователей, которая доверяет только измерениям, заявила, что содержание снов вообще не должно ничего значить. По их мнению, сны составляются случайно, как ряды картинок в игровых автоматах. Другие исследователи говорили иначе: смысл у снов есть, причем один-единственный. Сны помогают очистить «жесткий диск» мозга. Сон – это, можно сказать, дворник нашего мозга. А третьи считают сновидения своего рода тренировками для мозга.

СОН НА ПОЛЬЗУ МАТЕМАТИКИ

Исследователи из Тюбингенского университета провели эксперименты, в которых участвовали 1100 учеников третьих классов, и обнаружили, что школьные оценки хуже у детей с увеличенными миндалинами. Школьные трудности, как оказалось, связаны не с тем, что ученик спит на уроке, а с тем, насколько хорошо удается спать ночью. Если ребенок постоянно храпит во сне, значит, сон уже не такой крепкий. Значит, днем таким детям труднее сконцентрироваться. В первую очередь это отражается на изучении математики. Так значит, кое-какие проблемы все-таки можно решить во сне!

Как поумнеть во сне?

Современные ученые всерьез изучали в первую очередь не сновидения, а само состояние сна. Во сне организм расходует в два раза меньше энергии, чем в состоянии бодрствования. Но при этом мозг лучше снабжается кровью и работает так же напряженно, как и тогда, когда ты занимаешься творческими задачами, например, рисуешь кому-то картину на день рождения, строишь дом из лего или изобретаешь новую модель автомобиля. Выходит, сон важен не столько для тела, сколько для мозга. Но получается, что мозг и во сне не может передохнуть? Всем известно, что во сне мы восстанавливаем силы. Но это еще далеко не все. Потому что на физическое восстановление нужно не так много времени. В 1965 году один семнадцатилетний подросток установил мировой рекорд бодрствования: он не спал одиннадцать суток, то есть 264 часа. На двенадцатые сутки он крепко уснул и проспал всего 15 часов. Проснувшись, он был в отличной физической форме.

Но если бы он продолжил эксперимент, возможно, столкнулся бы с серьезными проблемами. При длительном недостатке сна могут возникнуть психические расстройства, страхи, бред и депрессия. И есть предположения, что это связано с недостатком сновидений.

Точно установлено, что для отдыха мозга, в особенности для восстановления способности к обучению и концентрации очень важен сон во время фазы БДГ. А вот после марафонского забега или других физических нагрузок удлиняются фазы медленного сна. Они помогают организму восстановиться физически, а также усвоить то, что было выучено за день. Это известно из экспериментов на крысах. Во время лабораторных исследований мозгового кровообращения обнаружилось, что в какой-то момент во время глубокого сна клетки мозга приходят в то же самое возбужденное состояние, как и во время бодрствования. Постепенно возбуждение слабеет, но после фазы быстрого сна возобновляется с новой силой. Легко сделать вывод: фазы быстрого сна восстанавливают мозг. Существует гипотеза, что они также важны для роста мозговых клеток, что могло бы объяснить, почему у младенцев фазы быстрого сна повторяются чаще. Замечено еще, что люди, у которых нарушено нормальное чередование быстрого и медленного сна, часто бывают менее способны к обучению. Значит, сон действительно помогает в учебе. А разве мы не мечтаем, чтобы можно было учиться во сне?

Научный подход также нашел некоторое подтверждение идеям Фрейда о снах как исполнении желаний. Один британский врач-исследователь изучал пациентов с травмами мозга, среди которых были и те, кто перестал видеть сны. У них не действовали две части головного мозга: участок, отвечающий за зрительные представления, и другая часть, ответственная за желания. Как оказалось, при нарушении этих функций исчезают и сновидения. Так что сны – не случайный набор картинок.

Что снится девочкам, а что – мальчикам?

Если бы можно было собрать зоопарк животных из снов, то правильно было бы сделать в него два входа: для девочек и для мальчиков. Девочкам наверняка захочется в контактный зоопарк, гладить пушистых зверей, а мальчики сразу направились бы к диким зверям. Самыми частыми посетителями в таком зоопарке были бы десятилетние дети – позже животные становятся уже не так важны и снятся реже. Четырнадцатилетним подросткам чаще снятся друзья и подруги. Мальчики видят во сне в первую очередь мальчиков с девочками, то есть главным образом девочек. А с возрастом это может измениться.

Исследование сна в лабораторных условиях может дать и другие интересные результаты. В одном эксперименте детей и подростков будили во время фазы быстрого сна, просили рассказать сны и записывали их. Потом сны поделили на три категории – назовем их условно «Тигр спокойно ест в клетке», «Тигр чуть не съел меня» и «У тигрицы родился маленький зайчик». Иными словами, сны поделили на реалистичные, сны с выдуманными элементами и фантастические. Оказалось, что детские сны мало похожи на то, что думают о них взрослые. Взрослые часто думают, что детям ночью снятся кошмары, фантастические сказки, приключения – они-то и загоняют их иногда в кровать к родителям. Да, иногда с виду дети мирно спят, но в головах у них может развернуться настоящая комната страха…

Ничего подобного, товарищи взрослые! Детям снится, как они идут в школу, встречают по дороге подругу, вместе играют или едут в бассейн, в музыкальную школу – ну, может быть, иногда они во сне приводят туда еще зайчика или тигра на поводке. Но не более. Как правило, детские сны очень реалистичны. И они отличаются от снов взрослых. Девочки и мальчики видят себя во сне такими, каковы они в реальности. А днем, наоборот, они часто представляют себя такими, какими им хочется быть. То есть ночью это послушные посетители зоопарка, ученики такого-то класса, зато днем – укротители свирепых тигров и отважные наездницы в цирке-шапито.

Почему люди слышат?

Приве-е-ет! Ребя-а-ата!! Где вы? Вы вообще знаете, сколько времени? У вас что, бананы в ушах?

Слух у детей устроен весьма занятно. Фразы вроде «иди чистить зубы!» у многих из них вообще не достигают слухового центра. А, например, «я купил мармеладных мишек», они прекрасно слышат даже с большого расстояния.

Такие загадки слуха не может объяснить даже лучший профессор Детского университета, но многие другие учеными уже раскрыты. Почему ухо различает право и лево? Или почему в космосе царит полная тишина? И даже почему наши ушные раковины так странно изогнуты? Все это на сегодняшний день известно исследователям.

Какой первый звук в жизни слышит человек? Многие думают, что голос акушерки, которая кричит «ура!», «наконец-то!» или «здорово!», когда ты появляешься на свет. Но это не так. Первый звук, который мы слышим, – это сердцебиение матери.

Что происходит у нас в ушах? На этот вопрос в тюбингенском Детском университете отвечал профессор Ханс-Петер Ценнер, врач, специалист по ухо-горло-носу. Тюбингенский медик увлек детей в аудитории рок-музыкой и раскатами грома. А при создании этой главы он помогал нам своими знаниями и способностью просто объяснять сложные вещи.

Дело в том, что слух у человека развивается очень рано. В возрасте четырех месяцев, когда ребенок еще и не собирается покидать мамин живот, его уши уже способны воспринимать звуки. Впрочем, как эмбрион слышит только что сформировавшимися ушами, никто не знает. Видимо, звуки начинают восприниматься им постепенно. Сначала – биение маминого сердца. Потом – урчание ее желудка. Наконец, невнятные голоса снаружи. Хотя, честно говоря, эмбриону эти звуки еще не несут никакой информации. Он не знает ни откуда они, ни кто или что их производит; но они готовят его к погружению в большую жизнь и связывают его с миром, который ожидает его снаружи. Например, младенец узнаёт мелодии, которые он слышал, когда еще был у мамы в животе.

Все, что человек слышит, доносится до него в виде звуковых волн. Звуковые волны – это посланцы, приносящие в ухо сообщения о событиях, связанных с шумами. Поэтому, если мы хотим понять, как устроен слух, нам придется основательно разобраться с этими волнами. Помимо звуковых волн есть еще и другие посланцы внешнего мира. Например, ароматические вещества. Они разносятся по воздуху и рассказывают нашим носам истории о старых носках, мокрых собаках или жареной картошке с яичницей. И фотоны. Эти крошечные частицы попадают на сетчатку наших глаз и передают нам сообщения о зримых событиях в мире. О закате над морем, о мяче, летящем в ворота после удачного удара нападающего.

Можно долго спорить о том, какой из органов чувств для человека самый главный. Нам важно, чтобы нас гладили и ласкали? Однозначно да! Поэтому осязание играет большую роль в нашей жизни. Но хорошо чувствовать запах и вкус не менее важно. Или кто-нибудь хочет жить в мире без шоколада и мармеладных мишек? А что с глазами? От них-то уж точно никто отказаться не захочет. Ничего вообще не видеть – это же настоящий хоррор! Поэтому все сочувствуют слепым, а некоторые даже помогают им перейти через дорогу, когда те вовсе этого не хотят.

Иначе обстоит дело со слухом – здесь сочувствие странным образом не перехлестывает через край. «Ты что, глухой?» – нечто подобное говорят, когда сердятся на невнимательного собеседника, который начинает переспрашивать. Но только люди с нарушениями слуха знают, как на самом деле это горько – не слышать. В их жизни нет ни щебета птиц, ни гула волн. Они не слышат даже вопля радости, когда их футбольная команда забивает гол. Но прежде всего они живут без обычных бесед. Они не могут просто поговорить с другими людьми, когда им хочется.

КАК ПОМОГАЮТ СЛАБОСЛЫШАЩИМ ЛЮДЯМ?

Слабослышащие не могут хорошо отфильтровывать фоновые звуки и не воспринимают многие высокие тоны. Из длинных фраз они могут порой понять только часть слов, а остальное им приходится додумывать. Это довольно утомительно. Облегчить понимание таким людям можно, если выключить музыку, закрыть окно и следить за тем, чтобы несколько человек не говорили одновременно. Говорить громче не нужно, потому что за нужную громкость отвечает слуховой аппарат.

Обезьяноподобные предки человека умели объясняться и без слов, они использовали рычащие и шипящие звуки и подавали знаки телом. Но в ходе эволюции речь приобретала все большее значение. И сегодня даже дети могут рассуждать о греческих статуях, Солнечной системе и о том, почему у них есть свое «я». А это возможно, только если использовать много сложных слов и обладать слухом, который эти слова воспринимает и обрабатывает. Слабослышащим как раз трудно уловить тонкую разницу между «г» и «к» или «д» и «т», поэтому многие слова и фразы они просто не понимают. Если подумать, как часто мы разговариваем с друзьями по телефону, можно понять, насколько одинокой может сделаться жизнь, если слышишь плохо или вообще не слышишь.

Почему звук совсем не звучит?

Итак, чтобы что-то услышать, уху нужно уловить звуковые волны. Но что же это за волны? Их нельзя ни увидеть, ни потрогать – это совсем не то, что волны в море. Звуковые волны возникают и когда гонщик «Формулы-1» разгоняется на своем болиде, и когда филармонический оркестр в филармонии играет Пятую симфонию Бетховена, и когда учитель садится на подушку-пукалку. Но как эти странные волны оказываются в наших ушах и что они там делают?

Все становится еще загадочнее, если сказать, что звуки вообще-то совсем не звучат. То есть мы видим, как гонщик летит на своем болиде, и думаем, что это ужасно громко. Но на самом-то деле гоночная машина не громче велосипеда, только движется гораздо быстрее. А то, что мы называем ревом ее двигателя, возникает благодаря воздуху, нашим ушам и нашему мозгу.

Как это? Беззвучный звук? Быть такого не может! Звуки же прекрасно слышно! Когда подушка-пукалка начинает… э-э-э… клокотать, это же слышит весь класс, а учитель, если у него все в порядке с чувством юмора, специально садится на нее еще разок. И это что, по-вашему, не звук?

ТИННИТУС

Звук распространяется с помощью волн, но люди иногда слышат что-то и в совершенно звукоизолированном пространстве: тихое жужжание или свист – это шум, который появляется в самом организме, но у здоровых людей отфильтровывается мозгом. У людей, страдающих тиннитусом (это латинское слово означает «звон»), этот фильтр перестает работать, и они постоянно слышат свист, шипение, потрескивание или жужжание. К развитию тиннитуса приводят, по всей видимости, длительный стресс, различные травмы и заболевания. Но, к сожалению, может его вызвать и громкая музыка, поэтому сейчас шумом в ушах часто страдают и молодые люди.

Чтобы понять это, придется совершенно по-новому взглянуть на звуки. Лучше всего – в замедленной съемке. С ее помощью мы сможем увидеть, как отверстие подушки-пукалки ходит вверх-вниз, когда из него выходит воздух. Эти движения называются вибрациями, или колебаниями, и они играют решающую роль в распространении звука. Когда бьют в барабан, вибрирует его мембрана. Когда включают музыкальный центр, вибрирует мембрана динамиков. Когда играют на гитаре, вибрируют струны. А когда Арнольд Шварценеггер поет в душе, вибрируют его голосовые связки. Но сами вибрации – это пока только движение воздуха, а еще не сам звук. Звук появляется только тогда, когда эти вибрации достигают нашего мозга и там обрабатываются. Но их путь к мозгу не так-то прост, как кажется, хотя колебания проходят его с такой скоростью, что мы вообще этого не замечаем.

Как колебания попадают в ухо? Пешком? На такси? Или на поезде? Конечно, нет. Колебания передаются по воздуху, через это странное вещество, которое нас окружает, но которое мы не видим и не ощущаем (разве что при сильном ветре). Воздух передает в наши уши колебания голосовых связок другого человека, мембран, струн – словом, всего, что колеблется. Как это происходит, можно наглядно объяснить на примере все той же подушки-пукалки. Когда из ее отверстия выходит воздух, колеблется резина: она то сжимается, то разжимается, с разной силой давя на поток выходящего воздуха. Колебания подушки вызывают в воздухе волны, которые мы, к сожалению, увидеть не можем. Но если бы могли, то выглядели бы они примерно так же, как волны на море или на супе-пюре, если на него подуть. В нашем примере эти волны создает вибрирующая подушка, когда ритмично сдавливает воздух. Это ритмическое изменение давления и называют звуком, который расходится волнами во все стороны от источника.

Звуковые волны есть повсюду в мире. Практически всегда, когда высвобождается энергия, что-нибудь приходит в движение и тем самым вызывает колебания воздуха. Листья дерева, которые задевают друг о друга, двигатель машины, динамик мобильника. Информация об этих событиях достигает нас через звуковые волны. Только в звукоизолированных помещениях, например в студиях звукозаписи, мы в некоторой степени защищены от звуковых волн извне. Через очень толстые стены воздух не может передавать свою энергию – звуковые волны от них отскакивают.

ОПАСНЫЕ КОЛЕБАНИЯ

Чем могут быть чреваты колебания воздуха, строители моста через пролив Такома-Нэрроуз на собственном опыте узнали 7 ноября 1940 года. Мост в американском штате Вашингтон был одной из самых передовых конструкций своего времени, однако всего через несколько месяцев после завершения его строительства он вдруг обрушился. Причиной этого стали колебания воздуха, которые породили аналогичные колебания конструкции моста. Колебания моста усиливались, пока один из несущих тросов не оборвался и мост не рухнул в воду.

Количество волн, которые распространяет вокруг себя подушка-пукалка, может быть разным. Если подушка колеблется очень часто и, соответственно, часто сдавливает воздух, то волн возникнет много. Чем меньше будет колебаний, тем меньше будет волн. Так что волны можно сосчитать и измерить. Это называют частотой колебаний и измеряют в единицах под названием герц. Один герц (сокращенно Гц) – это одно колебание в секунду. 30 000 герц означает 30 000 колебаний в секунду. Впрочем, звук частотой в 30 000 герц или в 1 герц мы не услышим. Наше ухо способно слышать звуки только от 16 герц, то есть от 16 колебаний в секунду. А самые высокие звуки, которые мы можем услышать, имеют частоту около 20 000 колебаний в секунду.

Так, это новая загадка! Почему человек не слышит колебания с частотой 30 000 раз в секунду? Получается, что постоянно происходят события, о которых мы ничего не знаем. Вот сидишь ты и радуешься тому, как тихо в саду летним воскресным вечером. А на самом деле там вовсе не тихо, там ужасный шум! Кто-то засвистел с частотой 18 000 герц, и мы это услышим. А потом переходит на частоту 22 000 герц, и этого мы уже не слышим. И что это тогда? Считать это звуком или нет? Постепенно история с нашим слухом обрастает загадками.

ИНФРАЗВУК

Очень низкие звуки частотой менее 16 Гц, то есть инфразвук, человек слышать уже не способен. Но чувствовать, как звуковые волны из воздуха достигают его тела, может. Например, как вибрацию в животе. Некоторые животные с помощью инфразвука даже общаются. Вполне возможно, что тигры могут «переговариваться» на расстоянии многих километров низкочастотным рычанием.

Но кое-что мы все-таки знаем точно. Например, чем реже колебания в секунду, тем ниже звук мы слышим. И наоборот, чем чаще колебания, тем звук выше. Это можно легко самостоятельно проверить, ненадолго одолжив подушку-пукалку у учителя. Если потянуть резину у отверстия в стороны, чтобы получилась узкая щель, резина будет колебаться чаще, а звук получится выше. А если дать воздуху выходить спокойно, то звук получится очень низкий. Но все-таки почему некоторые колебания мы слышим, а некоторые – нет?

ОБЛАСТИ ВЫСОКОГО И НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Давление воздуха отвечает не только за звуки, но и за погоду. Так, в области высокого давления, которая приносит ясную погоду, в воздухе сравнительно много молекул, а в области низкого давления, наоборот, скорее мало. Поэтому воздух из областей высокого давления всегда стремится в область низкого давления и при этом всегда закручивается против часовой стрелки, как можно увидеть в прогнозах погоды по телевизору. Так как Земля вращается и нагревается неравномерно и выпадают осадки, области высокого и низкого давления существуют всегда.

До этого мы еще доберемся. Теперь мы, по крайней мере, знаем, что высота звука (если, конечно, мы его слышим) зависит от частоты звуковых волн. Чем звуковых волн больше, тем выше звук. Но еще мы должны выяснить, как быстро эти волны распространяются, то есть какова скорость звука.

На самом деле скорость эта всегда одинакова и довольно велика. Звуковые волны легко обгоняют автомобили «Формулы-1». Даже реактивные самолеты обычно летают медленнее, чем звук, только военные истребители бывают быстрее. Такие самолеты могут опередить звук собственных двигателей.