По словам Инго Титце, директора Национального центра голоса и речи Университета штата Юта, голосовые связки способны воспроизводить широкий диапазон звуковых частот из-за способности гортани растягивать голосовые связки и молекулярного состава связок. В новой статье, опубликованной в PLOS Computational Biology, Титце и его коллеги показывают, как эти две характеристики гортани различных видов могут точно предсказать диапазон частот, который может воспроизводить каждый вид. Результаты, по словам Титце, раскрывают эволюционные корни того, как и почему возник голос.«Совершенно удивительно, как природа создала составную многослойную струну, чтобы покрыть диапазон высоты тона, который трудно охватить любой натяжкой воображения», — говорит Титце.
Складки и связки Хотя большинство людей знают структуры в нашем горле, которые производят речь, как «голосовые связки», этот термин не используется повсеместно среди исследователей голоса. Некоторые предпочитают «голосовые связки» с середины 1970-х годов, когда исследования анатомии голоса показали складывание голосовой связки (связки) во время вибрации. Титце говорит, что для целей этого обсуждения «голосовая связка» может быть более подходящей из-за рассмотрения струнных свойств шнура.
При рождении голосовые связки состоят из однородного гелеобразного материала. По мере созревания голосовых связок внутри геля развиваются волокна, в конечном итоге формируя многослойную многослойную струну. Представьте себе набор гитарных струн, склеенных желатином.
Волокна в слоях голосовых связок связаны друг с другом, поэтому, хотя некоторые слои могут находиться под разным напряжением, чем другие, слои не вибрируют независимо друг от друга. Возвращаясь к нашей аналогии с гитарными струнами в желатине, когда выщипываете одну струну, весь набор гелевых волокон трясется вместе с ней. Мышцы гортани дополнительно модулируют звук, производимый шнурами, удлиняя и укорачивая шнуры, чтобы изменить высоту звука.
Хор животныхТитце и его коллеги, Тобиас Рид из Университета Среднего Запада в Глендейле, Аризона, и Тед Мау из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета, собрали измерения характеристик гортани для 16 видов, включая людей и животных, от мышей до слонов.
Как и ожидалось, у более крупных животных была более крупная гортань, и размер тела хорошо коррелировал со средней частотой, которую животное могло производить.Но размер тела не мог предсказать диапазон возможных частот животного. «Итак, кто-то спрашивает, что происходит внутри гортани, что позволяет получить совершенно разные результаты для диапазона высоты звука у разных видов, где средний шаг так хорошо коррелирует с размером?» — говорит Титце.Команда обнаружила, что два фактора намного лучше предсказывали диапазон: фактор, измеряющий величину возможного изменения длины голосовой связки или насколько она может растягиваться, и фактор, измеряющий жесткость шнура из-за структуры волокон внутри.Титце говорит, что создание рукотворного инструмента с теми же свойствами, что и голосовая связка, может оказаться технически сложной задачей.
Первым шагом, по его словам, будет создание многослойной струны, в которой слои будут сшиты вместе и поддерживаться жидкостью. «Но тогда нам нужно было бы выяснить, как его растянуть, удлинить и как распределить натяжение между одним слоем по сравнению с другим слоем по сравнению с другим слоем», — говорит он. «Природа догадалась, как буквально играть на доминирующем слое для данного поля».Получение и сохранение вокального диапазонаРезультаты могут помочь хирургам восстановить поврежденные голосовые связки. Поскольку и растяжение, и жесткость пуповины входят в диапазон, у врачей может быть больше возможностей для разработки методов лечения, чтобы восстановить большую часть диапазона пациента.
Полученные данные также имеют значение для тренировки вокала и предполагают, что певцы могут расширить свой диапазон, либо растягивая голосовые связки, либо выполняя упражнения, влияющие на расстояние между волокнами и жесткость шнуров — опять же, больше возможностей для достижения той же цели.Но исследования структуры голосовых связок Титце открывают и нечто более примитивное. Титце говорит, что вокализация эволюционировала, чтобы помочь приматам общаться на больших расстояниях с помощью высоких и громких звуков. Однако современное человеческое речевое общение не использует широкий диапазон высоты звука и громкости, свойственный гортани млекопитающих.
По его словам, эта способность по-прежнему присуща нашим голосовым связкам, но большая часть нашего общения модулируется и усиливается с помощью электроники, причем даже профессиональные певцы используют микрофоны, что наши голосовые связки редко используются в полной мере.«Если вы никогда не растягиваете свои голосовые связки и никогда не используете высокие или громкие голоса, в конечном итоге связка атрофируется, превращаясь в более простую структуру, и у вас не будет такого диапазона», — говорит Титце.Простая строка
Несмотря на сложность структуры голосовых связок, Титц говорит, что был удивлен тем, насколько хорошо модель простой вибрирующей струны объясняет диапазон действия шнура. «Большинство людей посмеются над использованием простой модели вибрирующей струны для чего-то столь же сложного, как трехмерная неоднородная структура ткани», — говорит он. «Но струнная модель невероятно хорошо объясняет этот диапазон частот».