Диапазон высот, создаваемый голосовыми связками

Человеческий голос, как и фортепиано, — динамичный инструмент. Но если пианино создаёт музыку с помощью вибрации 88 струн, то певец использует всего две — голосовые связки.

Согласно И́нго Ти́тце, директору Национального центра голоса и речи Университета Юты, голосовые связки способны производить широкий диапазон звуковых частот благодаря способности гортани растягивать их и особой молекулярной структуре самих связок. В новой статье, опубликованной в PLOS Computational Biology, Титце и его коллеги показывают, как эти две характеристики гортани разных видов могут точно предсказать диапазон частот, который каждый вид способен производить. Результаты, по словам Титце, раскрывают эволюционные корни возникновения голоса.

«Поразительно, как природа создала сложную ламинированную струну, чтобы покрыть диапазон высот, который одной струной покрыть невероятно сложно», — говорит Титце.

Связки как струны

При рождении голосовые связки состоят из однородного гелеобразного материала. По мере созревания в геле развиваются волокна, в конечном итоге образуя многослойную ламинированную структуру, подобную набору гитарных струн, склеенных гелем.

Волокна в слоях связаны между собой, поэтому, хотя некоторые слои могут находиться под разным натяжением, они не вибрируют независимо друг от друга. Мышцы гортани дополнительно модулируют звук, удлиняя и укорачивая связки для изменения высоты тона.

Хор животных

Титце и его коллеги собрали измерения характеристик гортани для 16 видов — от мышей до слонов и человека. Как и ожидалось, размер тела хорошо коррелировал со средней частотой, которую может производить животное.

Но размер тела не мог предсказать диапазон возможных частот. Команда обнаружила, что гораздо лучше с этим справляются два фактора:

1. Степень возможного изменения длины голосовой связки (её растяжимость).
2. Жёсткость связки, обусловленная её волокнистой структурой.

Создание искусственного инструмента с такими же свойствами было бы технически сложной задачей, отмечает Титце, поскольку необходимо не только создать ламинированную струну, но и научиться распределять натяжение между её слоями.

Приобретение и сохранение диапазона

Результаты могут помочь хирургам в восстановлении повреждённых голосовых связок. Поскольку на диапазон влияют и растяжимость, и жёсткость, у врачей появляется больше вариантов для лечения. Выводы также важны для вокальной тренировки: певцы могут увеличить свой диапазон, либо растягивая связки, либо выполняя упражнения, влияющие на жёсткость.

Исследования Титце показывают, что вокализация эволюционировала, чтобы помочь приматам общаться на больших расстояниях с помощью высоких и громких calls. Однако современная человеческая речь мало использует весь диапазон высоты и громкости, заложенный в млекопитающей гортани.

«Если вы никогда не растягиваете голосовые связки и не берёте высокие ноты или громкие звуки, в конечном итоге связка атрофируется до более простой структуры, и этот диапазон станет для вас недоступен», — предупреждает Титце.

Простая струна

Несмотря на сложность структуры голосовых связок, Титце был удивлён, насколько хорошо их диапазон объясняется моделью простой вибрирующей струны.

«Модель струны делает невероятно хорошую работу, объясняя этот диапазон частот», — заключает он.