Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы
Слуховой аппарат человека можно условно разделить на три основные части (рис. 7, 5, б).
рис. 7, 5, б
1. Ухо принимает звуковые колебания и предварительно сортирует их по частоте и по мощности. Здесь же составляется и отправляется в мозг шифрованная «телеграмма», формируются серии сложных электрохимических сигналов — нервных импульсов, которые несут подробное описание принятого звука.
2. Анализ нервных импульсов, то есть фактически анализ звука, осуществляют специально для этого приспособившиеся участки коры головного мозга, расположенные в височных частях обоих больших полушарий. Левый и правый слуховые участки сложным образом связаны, и звук, принятый, например, правым ухом, попадает не только в «свое», но и в левое полушарие. Сопоставляя сигналы, принятые правым и левым ухом, мозг вычисляет место расположения источника звуковых волн. Интересно, что звуки разных частот изучаются в разных районах слуховых участков мозга, а если раздражать эти участки слабым электрическим током, то у человека возникает ощущение услышанного звука.
3. Третьим элементом слухового аппарата можно считать линию связи ухо — мозг, основа которой — слуховой нерв — состоит из многих тысяч нервных волокон. На этой линии имеется несколько промежуточных узлов связи, где, по-видимому, происходит предварительная обработка нервных импульсов, идущих в мозг.
Из всех элементов слухового аппарата для нас сейчас наибольший интерес представляет само ухо, и с ним мы познакомимся несколько подробнее.
Всякий, кому приходилось бывать в метро, знает, что наземная станция — это лишь небольшая часть всего сооружения и что самое главное — прекрасные дворцы, могучие машины, бесконечные туннели — находится под землей. Подобно этому орган, который мы привыкли называть ухом, — это лишь своего рода наземная станция, получившая название «наружное (внешнее) ухо» (рис. 7, 5, а). Главные же части нашего звукоприемника — среднее и внутреннее ухо — нам не видны. Они спрятаны довольно глубоко и защищены костями черепа.
рис. 7, 5, а
Звуковые волны, попавшие в ушную раковину, пробегают через извилистый слуховой проход (его длина около 2,5 см) и приводят в движение барабанную перепонку. Она, в свою очередь, связана с системой миниатюрных косточек — молоточком, наковальней и стремечком, которые все вместе весят около 0,05 г. Слуховые косточки расположены так, что образуют рычаг — своего рода усилитель. Конец этого рычага раскачивает барабанная перепонка, а на другом конце получаются колебания с меньшей амплитудой, но зато действующие с большей силой. Эти колебания попадают в самый главный «цех» внутреннего уха — в улитку. Название «улитка» этот орган получил потому, что у млекопитающих он действительно похож на спиралевидный домик улитки. У животных, которые стоят на более низкой ступени развития, в частности у птиц, улитки еще нет, ее место занимает более простой орган, немного похожий на изогнутую луковицу.
Улитку внутреннего уха человека удобно представить себе как постепенно сужающуюся трубку длиной около 3 см и закрученную в спираль на три, точнее, на 23/4 витка.
Итак, улитке передаются звуковые колебания от слуховых косточек. Наряду с этим к ней подходят нервные волокна, связанные со слуховым нервом. Отсюда можно сделать только один вывод: именно в улитке находятся звукорецепторы, находится орган, преобразующий звуковые колебания в серии нервных импульсов. Этот орган, по имени одного из его первых исследователей — А. Корти, получил название кортиева органа (орган Корти).
Кортиев орган надежно укрыт — он находится в спиральном лабиринте улитки (рис. 7, 5, г, поперечный разрез витка улитки) и чем-то напоминает плоский и длинный слоеный пирог, также закрученный в спираль.
Нижний слой, основание «пирога», — лента основной мембраны, сотканная из 25 тысяч поперечных тонких нитей. Эти нити часто сравнивают со струнами рояля или арфы. В направлении от основания улитки к ее вершине основная мембрана расширяется, и нити-струны становятся длиннее. У основания улитки (овальное окно), куда примыкает третья слуховая косточка — стремечко, длина нитей составляет 100 мк, а у вершины улитки — 500 мк (рис. 7, 5, в).
рис. 7, 5, в
На основной мембране расположились ткани из нескольких типов клеток. В самом наружном слое имеется пять рядов так называемых волосковых клеток (кончик каждой из них покрыт десятками тончайших волосков), к которым подходят нервные волокна (рис. 7, 5, д).
рис. 7, 5, д
Изучение устройства и работы слухового аппарата началось давно, но еще сегодня в этой области существует очень много загадок. Так до сих пор не удалось проследить все стадии преобразования звука в нервный импульс. Неясно также, каким образом кортиев орган анализирует форму кривой звука, как разделяет сложный звук на синусоидальные составляющие. Существует несколько теорий слуха, но, пожалуй, ни одна из них полностью не объясняет принцип действия нашего звукоприемника.
Долгое время широким признанием пользовалась так называемая резонансная теория слуха, которую около ста лет назад разработал известный физик и врач Герман Гельмгольц. Как говорит само название, в основе этой теории лежит хорошо известное явление — резонанс.
Существует много опытов для иллюстрации резонанса, но один из этих опытов особенно хорошо поясняет резонансную теорию слуха. Откройте крышку рояля или пианино, нажмите правую педаль и с большими паузами спойте над струнами несколько коротких звуков. Вы услышите, как рояль вторит пению, причем после разных нот звучат и разные струны.
Происходит это потому, что каждая струна в основном резонирует лишь на одну из синусоидальных составляющих сложного звука. Поэтому для различных сложных звуков, то есть для разных спектров, набор откликающихся струн оказывается различным.
Гельмгольц считал, что наш слуховой аппарат определяет спектр сложных звуков примерно таким же способом. Роль резонирующих струн он отводил нитям основной мембраны, которые имеют разную длину, а значит, и разную частоту резонанса. Эксперименты, казалось бы, полностью подтверждали резонансную теорию слуха. Так, например, при повреждении вершины улитки, где находятся сравнительно длинные низкочастотные волокна, подопытные животные теряют слух в области низших частот, а повреждение основания улитки приводит к потере слуха на высших частотах. В пользу резонансной теории говорили и многие другие эксперименты.
И все же под давлением фактов, особенно полученных в самое последнее время, от простой и, казалось бы, понятной модели уха-рояля пришлось отказаться. Вот лишь одно из затруднений резонансной теории. Простейшие расчеты показывают, что для того, чтобы перекрыть весь диапазон слышимых частот (16 гц— 22 кгц), сила натяжения крайних «струн» должна отличаться в 10 тысяч раз. О такой большой разнице не может быть и речи. Для «струн» из живой ткани она недопустима.
Сейчас главное внимание исследователей приковано к волосковым клеткам, где звук преобразуется в нервный сигнал. Установлено, что этот процесс включает в себя целые комплексы химических реакций, с которыми, по-видимому, связано и разделение сложного звука на составляющие. Обнаружены интересные особенности поведения некоторых частей волосковой клетки при воздействии различных звуков. Одним словом, стало ясно, что важнейшие проблемы слуха нужно рассматривать с позиций молекулярной биологии, которая исследует самые тонкие биологические механизмы.
Изумительная биологическая машина
Несмотря на неясности в работе слухового аппарата, его главные характеристики изучены весьма подробно. Так, в частности, установлена чувствительность, или, иначе, порог слышимости, уха — сила самых тихих звуков, которые мы еще в состоянии услышать. Оказалось, что на разных частотах порог слышимости различен, и лучше всего мы слышим звуки с частотами от 1 до 5 кгц. На краях диапазона слышимых звуков чувствительность уха резко — во много миллионов раз — падает.
Сила звука на пороге слышимости (для частоты 1000 гц) составляет около 10-12 вт/м2, а звуковое давление — 0,00002 н/м2. Под действием таких слабых звуков давление на барабанную перепонку не превышает 0,0000003 г, и амплитуда ее колебаний измеряется тысячными долями микрона. Амплитуда звуковых колебаний на входе улитки еще в 50–60 раз меньше, а размах колебаний основной мембраны оказывается в несколько раз меньше, чем диаметр атома водорода. Уже одно это говорит о том, какие сложные и тонкие процессы обеспечивают высокую чувствительность уха.
