Напыление кристаллического серебра на различные элементы среднего уха, их подкрашивание и маркировка позволили заснять на пленку весь процесс движений, в том числе и рычажных звукопередающей системы. Эти же процессы повторились на увеличенной, модели среднего уха птиц, пропорционально увеличенной во всех звеньях.
Таким образом, было доказано, что среднее ухо птиц, иначе, чем у млекопитающих, устроенное, работает по тем же законам и решает аналогичные задачи.
И улитка другая
Еще в начале прошлого века биологи спорили (в этих спорах участвовал и великий Кювье) — есть или нет улитка у птиц. Так отличается она от улитки млекопитающих. Укороченная, расширенная, напоминающая сардельку (рис. 6), половина которой занята широкими затянутыми перепонкой окнами — овальным и круглым, она очень мало походила на привычную спираль улитки млекопитающих. И внутреннее строение ее также было необычным (рис. 7). Вестибулярный проток почти отсутствует, вытесненный рыхлой сосудистой покрышкой. Под покрышкой эндолимфа — вязкая жидкость, заполняющая кохлеарный проток, дно которого представлено базилярной мембраной с опорными и рецепторными клетками, прикрытыми покровной мембраной. У млекопитающих такой покрышки нет и оба протока разделены реснеровой мембраной. На базилярной мембране сложнейшее образование — кортиев орган с рецепторными клетками двух типов — наружными и внутренними, бесклеточным пространством между ними — туннелем, разнообразными опорными клетками. Каждая рецепторная клетка с выростами на верхнем конце — «волосками» (числом до 60), отсюда название клетки — волосковая. На нижнем конце клетки — контакты с отростками нейронов слухового нерва.
Рецепторные клетки внутреннего уха птиц в отличие от млекопитающих имеют другие модификации, так же как и опорные. Исследования Т. Б. Голубевой, Г. В. Ямаловой и Л. И. Прокофьевой выявили три такие модификации — высокие волосковые клетки, скошенные клетки и низкие волосковые клетки, отличающиеся формой, размерами, характером иннервации, деталями строения (рис. 8). Общее число волосковых клеток у вороны составляет около 14 000, у голубя значительно меньше (около 9000). В улитке птиц нет туннеля и вообще расположение рецепторных клеток представлено плотной упаковкой с многими рядами, продольными и поперечными (у млекопитающих только продольные ряды — один ряд внутренних волосковых клеток и три ряда — наружных). Кроме обычных прямых волосков — стереоцилий, присущих и млекопитающим, рецепторная клетка птиц песет по одному извитому волоску особого строения, который называется киноцилией.
Рис. 6, Улитка «говорящей» птицы (серая ворона, правое ухо) (Голубева, Ямалова, 1980) 1 — костная капсула улитки; 2 — слуховой столбик (columella); 3 — основание слуховой косточки; 4 — вестибулярное (овальное) окно; 5 — кохлеарное (круглое) окно; 6 — мембрана кохлеарного окна; 7 — лагена; 8 — отолит; 9 — macula lagenae; 10 — передний хрящ; 11 — задний хрящ 12 — базилярная мембрана; 13 — рецепторный эпителий; 14 — текториальная мембрана; 15 — сосудистая обкладка; 16 — вестибулярная лестница; 17 — тимпанальная лестница; 18 — recessus scalae tympani; 19 — кохлеарный проток; 20 — кохлеарный ганглий; 21 — латеральная ампула горизонтального полукружного канала; 22 — sacculus; 23 — задняя ампула заднего полукружного канала Рис. 7. Микроструктуры улитки птицы (Takasaka, Smith, 1971) Рецепторный эпителий, состоящий из чувствительных и опорных клеток, располагается на базилярной мембране (ВМ). Скошенные (кувшиновидные) волосковые клетки (SHC) лежат на свободной базилярной мембране, высокие волосковые клетки (THC) — на переднем хряще (SFP). Текториальная мембрана (ТМ), часть которой удалена, чтобы показать поверхность рецепторного эпителия, прикрепляется к передним гомогенным клеткам и покрывает поверхность рецепторного эпителия. На задней зоне базилярной мембраны расположены задние гиалиновые клетки (Н), от рецепторного эпителия они отделены кубическими клетками. Сосудистая обкладка (TV), прикрепляясь к переднему и заднему (IFP) хрящам, отделяет кохлеарный проток (ScM) от вестибулярной лестницы (ScV), которая на рисунке (вверху справа) открыта. Показаны периферические отростки нейронов кохлеарного ганглия (Сс), проникающие в рецепторный эпителий через habenula perforata (HP). Под базилярной мембраной — тимпанальная лестница (ScT)Базилярная мембрана птиц подложена широкими пластинами хрящей, оставляющими свободной только самую центральную ее часть в виде узкой продольной полоски. При этом длина базилярной мембраны и длина рецепторного эпителия в улитке серой вороны значительно превышают таковые голубя (соответственно 4,4 и 3,3 мм). Конец улитки заполнен особым образованием — лагеной. Лагена представлена группой волосковых клеток, прикрытых студенистой макулой с кристаллическими образованиями. Внешне это напоминает рецепторы вестибулярного аппарата и эту функцию лагене долго приписывали. В последние годы, однако, выяснилось, что нервные волокна, идущие от лагены, направляются далее в слуховые ядра мозга (как и в вестибулярные), и, следовательно, лагена может воспринимать звуки. У млекопитающих улитка не имеет лагены вовсе.
Рис. 8. Типы волосковых клеток и их иннервации у птиц (Голубева, Ямалова, 1980) А — иннервация высоких волосковых клеток, В — скошенных клеток, В — низких волосковых клеток. Сплошной линией обозначены афферентные нервные волокна, пунктирной — эфферентныеОдин из вопросов, который стоит в связи с изучением улитки птиц, заключается в следующем. Что она представляет собой как звено слуховой системы? Нечто вроде «проходного двора», пропускающего наверх все, что к ней приходит, или она принимает участие в обработке звука, в анализе слуховой информации?
Например, одной из важнейших функций улитки млекопитающих является ее участие в анализе частоты звука. Базилярная мембрана узка в начальной части улитки и широка в конечной. Это обеспечивает настройку на разные частоты различных участков мембраны… Звук в виде механических колебаний передается слуховыми косточками на жидкость внутреннего уха и через нее на базилярную мембрану. На мембране возникает бегущая изгибная волна, распространяющаяся от основания улитки к ее вершине. В определенном участке улитки, настроенном на данную частоту, волна достигает максимума, деформируя в этом участке покровную мембрану и возбуждая волосковые клетки. Возбуждение последних через отростки нейронов передается на кохлеарные ядра продолговатого мозга и направляется вверх к слуховой коре. Такова сильно упрощенная схема. Но можно ли ее перенести на улитку птиц? Только с очень большой осторожностью. Базилярная мембрана здесь много короче и относительно шире, однако большая ее часть подостлана хрящом и не свободна. Рецепторные клетки не имеют строго продольной ориентации. Большая рыхлая сосудистая покрышка имеется у птиц и отсутствует у млекопитающих. Различия, как мы видим, достаточно велики.
Вместе с тем имеются данные, доказывающие, что улитка птиц также принимает участие в анализе частоты.
Советский ученый О. III. Гогниашвили показал, что действие звука разных частот возбуждает рецепторы строго определенных участков базилярной мембраны, что особенно интересно, — продольных, а не поперечных рядов. Как будто бы волна распространяется не вдоль мембраны, а поперек ее. Эти работы были выполнены с помощью гистохимических методик. А профессор И. Шварцкопф из Рурского университета и профессор М. Конинга из Принстонского показали, что хотя слуховые нейроны продолговатого мозга настроены на определенные частоты, каждый на свою, но таким образом, чтобы охватить достаточно широкий диапазон воспринимаемых частот.
У птиц, особенно нуждающихся в тонком различении частот, улитка оказалась длиннее, число нейронов в нерве и слуховых ядрах больше. Сотрудница Московского университета Л. И. Барсова обратила внимание на особое расположение нейронов некоторых ядер, непосредственно связанных с улиткой. Именно в этих ядрах скандинавский гистолог Р. Бурд нашел отчетливые проекции строго определенных участков улитки. А работы Л. И. Барсовой показали, что нейроны в таких ядрах у видов, особенно нуждающихся в тонком частотном анализе (совы), располагаются в виде плотных колонок, разделенных широкими интервалами. Колончатое распределение нейронов отражает четко фиксированные связи определенных участков ядра и определенных участков улитки. Не отражает ли это способность улитки птиц анализировать частоту?
Изучая развитие слуха и голоса птенцовых птиц в онтогенезе (к этой категории принадлежат и воробьиные, и попугаи), Т. Б. Голубева установила, что слух появляется перед вылуплепием и первоначально характеризуется чувствительностью к звукам низкой и средней частоты до 2 кГц, в последующем происходит расширение воспринимаемого диапазона одновременно с появлением собственной интенсивной вокализации, на последнем этапе происходит дозревание слуховой функции. В соответствии с развитием слуха первыми дифференцируются и развиваются скошенные волосковые клетки, затем низкие и, наконец, высокие. Созревание скошенных клеток завершается к концу интенсивного этапа развития слуха, низких и высоких — на окончательном этапе. Таким образом, по крайней мере у птенцовых птиц развитие слуха в определенном смысле коррелирует с развитием голосообразования, хотя такая корреляция и не является жесткой.
