Последовательность прохождения звуковых волн через ухо. Как мы слышим? Психоакустика

Для нашей ориентации в окружающем мире слух играет такую же роль, как и зрение. Ухо позволяет нам общаться друг с другом при помощи звуков оно имеет специальную чувствительность к звуковым частотам речи. С помощью уха человек улавливает различные звуковые колебания воздуха. Вибрации, которые идут от предмета (источник звука), передаются через воздух играющий роль передатчика звука, улавливаются ухом. Человеческое ухо воспринимает колебания воздуха с частотой от 16 до 20 000 Гц. Вибрации с большей частотой относятся к ультразвуковым, но человеческое ухо их не воспринимает. Способность различать высокие тона с возрастом уменьшается. Способность улавливать звук двумя ушами даёт возможность определять, где он находится. В ухе колебания воздуха преобразуются в электрические импульсы, которые воспринимаются мозгом как звук.

В ухе расположен и орган восприятия движения и положения тела в пространстве - вестибулярный аппарат . Вестибулярная система играет большую роль в пространственной ориентации человека, анализирует и передаёт информацию об ускорениях и замедлениях прямолинейного и вращательного движения, а также при изменении положения головы в пространстве.

Строение уха

Исходя из внешнего строения ухо делится на три части. Первые две части уха, наружное (внешнее) и среднее, проводят звук. Третья часть - внутреннее ухо - содержит слуховые клетки, механизмы для восприятия всех трёх особенностей звука: высоты, силы и тембра.

Наружное ухо - выступающая часть наружного уха называется ушной раковиной , её основу составляет полужёсткая опорная ткань - хрящ. Передняя поверхность ушной раковины имеет сложное строение и непостоянную форму. Она состоит из хряща и фиброзной ткани, за исключением нижней части - дольки (ушной мочки) образованной жировой клетчаткой. В основании ушной раковины имеется передняя, верхняя и задняя ушные мышцы, движения которой ограничены.

Кроме акустической (звукоулавливающей) функции, ушная раковина выполняет защитную роль, предохраняя слуховой проход в барабанную перепонку от вредного воздействия окружающей среды (попадания воды, пыли, сильных воздушных потоков). Как форма, так и величина ушных раковин индивидуальны. Длина ушной раковины у мужчин 50–82 мм и ширина 32–52 мм, у женщин размеры несколько меньше. На маленькой площади ушной раковины представлена вся чувствительность тела и внутренних органов. Поэтому можно использовать её для получения биологически важной информации о состоянии любого органа. Ушная раковина концентрирует звуковые колебания и направляет их в наружное слуховое отверстие.

Наружный слуховой проход служит для проведения звуковых колебаний воздуха от ушной раковины к барабанной перепонке. Наружный слуховой проход имеет длину от 2 до 5 см. его наружная треть образована хрящевой тканью, а внутренние 2/3 - костной. Наружный слуховой проход дугообразно изогнут в верхнее-заднем направлении, и легко выпрямляется при оттягивании ушной раковины вверх и назад. В коже слухового прохода находятся особые железы, выделяющие секрет желтоватого цвета (ушная сера), функция которой: защита кожи от бактериальной инфекции и инородных частиц (попадание насекомых).

Наружный слуховой проход отделяется от среднего уха барабанной перепонкой, всегда втянутой внутрь. Это тонкая соединительно-тканная пластинка, покрытая снаружи многослойным эпителием, а изнутри - слизистой оболочкой. Наружный слуховой проход служит для проведения звуковых колебаний к барабанной перепонке, которая отделяет наружное ухо от барабанной полости (среднего уха).

Среднее ухо , или барабанная полость, представляет собой небольшую заполненную воздухом камеру, которая расположена в пирамиде височной кости и отделена от наружного слухового прохода барабанной перепонкой. Эта полость имеет костные и перепончатую (барабанная перепонка) стенки.

Барабанная перепонка - это малоподвижная мембрана толщиной 0,1 мкм, сплетённая из волокон, которые идут в различных направлениях и неравномерно натянуты в разных участках. Благодаря такому строению барабанная перепонка не имеет собственного периода колебаний, что приводило бы к усилению звуковых сигналов, совпадающих с частотой собственных колебаний. Она начинает колебаться при действии звуковых колебаний, проходящих через наружный слуховой проход. Через отверстие на задней стенке барабанная перепонка сообщается с сосцевидной пещерой.

Отверстие слуховой (евстахиевой) трубы расположено в передней стенке барабанной полости и ведёт в носовую часть глотки. Благодаря этому атмосферный воздух может попадать в барабанную полость. В норме отверстие евстахиевой трубы закрыто. Оно открывается во время глотательных движений или зевания, способствуя выравниванию давления воздуха на барабанную перепонку со стороны полости среднего уха и наружного слухового отверстия, тем самым она предохраняется от разрывов, приводящих к нарушению слуха.

В барабанной полости лежат слуховые косточки . Они имеют очень маленькие размеры и соединяются в цепочку, которая простирается от барабанной перепонки до внутренней стенки барабанной полости.

Самая наружная косточка - молоточек - своей рукояткой соединена с барабанной перепонкой. Головка молоточка соединяется с наковальней, которая подвижно сочленяется с головкой стремени .

Слуховые косточки получили такие названия из-за своей формы. Косточки покрыты слизистой оболочкой. Две мышцы регулируют движение косточек. Соединение косточек такое, что способствует усилению давления звуковых волн на мембрану овального окна в 22 раза, что даёт слабым звуковым волнам приводить в движение жидкость в улитке .

Внутреннее ухо заключено в височной кости и представляет собой систему полостей и каналов, расположенных в костном веществе каменистой части височной кости. В совокупности они формируют костный лабиринт, внутри которого находится перепончатый лабиринт. Костный лабиринт представляет собой костные полости различной формы и состоит из преддверия, трёх полукружных каналов и улитки. Перепончатый лабиринт состоит из сложной системы тончайших перепончатых образований, находящихся в костном лабиринте.

Все полости внутреннего уха заполнены жидкостью. Внутри перепончатого лабиринта - эндолимфа, а жидкость, омывающая перепончатый лабиринт снаружи - перелимфа и по составу схожа со спинно-мозговой жидкостью. Эндолимфа отличается от перелимфы (в ней больше ионов калия и меньше ионов натрия) - несёт положительный заряд по отношению к перелимфе.

Предверие - центральная часть костного лабиринта, которая сообщается со всеми его частями. Сзади от преддверия расположены три костных полукружных канала: верхний, задний и латеральный. Латеральный полукружный канал лежит горизонтально, два других - под прямым углом к нему. Каждый канал имеет расширенную часть - ампулу. Внутри его содержится перепончатая ампула, заполненная эндолимфой. При движении эндолимфы во время изменения положения головы в пространстве раздражаются нервные окончания. По волокнам нерва возбуждение передаётся в головной мозг.

Улитка представляет собой спиральную трубку, образующую два с половиной оборота вокруг конусовидного костного стержня. Она является центральной частью органа слуха. Внутри костного канала улитки располагается перепончатый лабиринт, или улитковый проток, к которому подходят окончания улитковой части восьмого черепного нерва Колебания перилимфы передаются эндолимфе улиткового протока и активизирует нервные окончания слуховой части восьмого черепного нерва.

Преддверно-улитковый нерв состоит из двух частей. Преддверная часть проводит нервные импульсы от преддверия и полукружных каналов к вестибулярным ядрам моста и продолговатого мозга и далее - к мозжечку. Улитковая часть передаёт информацию по волокнам, следующим от спирального (кортиева) органа к слуховым ядрам ствола и далее - через ряд переключений в подкорковых центрах - к коре верхнего отдела височной доли полушария большого мозга.

Механизм восприятия звуковых колебаний

Звуки возникают благодаря колебаниям воздуха и усиливаются в ушной раковиной. Затем звуковая волна проводится по наружному слуховому проходу к барабанной перепонке, вызывая её колебания. Вибрация барабанной перепонки передаётся на цепь слуховых косточек: молоточек, наковальню и стремя. Основание стремени при помощи эластичной связки фиксировано к окну преддверия, благодаря чему колебания передаются на перилимфу. В свою очередь, через перепончатую стенку улиткового протока эти колебания переходят на эндолимфу, перемещение которой вызывает раздражение рецепторных клеток спирального органа. Возникающий при этом нервный импульс следует по волокнам улитковой части преддверно-улиткового нерва в головной мозг.

Перевод воспринимаемых органом слуха звуков как приятных и неприятных ощущений осуществляется в головном мозге. Нерегулярные звуковые волны формируют ощущения шума, а регулярные, ритмичные волны воспринимаются как музыкальные тоны. Звуки распространяются со скоростью 343 км/с при температуре воздуха 15–16ºС.

Доктор Говард Гликсмен

Ухо и слух

Успокаивающий звук журчащего ручейка; счастливый смех смеющегося ребенка; нарастающий звук отряда марширующих солдат. Все эти и другие звуки каждый день наполняют наши жизни и являются результатом нашей способности слышать их. Но что же такое на самом деле звук и, каким образом мы можем слышать его? Читайте эту статью, и вы получите ответы на эти вопросы и более того вы поймете, какие логические выводы можно сделать относительно теории макроэволюции.

Звук! О чем речь?

Звук – это ощущение, которое мы испытываем, когда колеблющиеся молекулы окружающей среды (обычно это воздух), ударяются о нашу барабанную перепонку. При нанесении на график этих изменений в давлении воздуха, которые определяются с помощью измерения давления на барабанную перепонку (среднее ухо) по отношению ко времени, образуется форма волны. В общем, чем громче звук, тем больше энергии требуется для его образования, и тем больше диапазон изменения давления воздуха.

Громкость измеряется в децибелах , используя в качестве отправной точки пороговый уровень слуха (то есть такой уровень громкости, который иногда может лишь едва быть услышан человеческим ухом). Шкала измерения громкости логарифмическая, что означает, что любой скачок от одного абсолютного числа к следующему, при условии, что он делиться на десять (и не забывайте, что децибел – это всего лишь одна десятая часть бела), означает увеличение порядка на десять раз. Например, пороговый уровень слуха обозначен как 0, и нормальный разговор происходит приблизительно при 50 децибелах, итак разница громкости составляет 10, возведенная до степени 50, и разделенная на 10, что равно 10 в пятой степени, или сто тысяч раз громкости порогового уровня слуха. Или возьмем, к примеру, звук, который вызывает у вас сильное ощущение боли в ушах и фактически может повредить ухо. Такой звук обычно происходит при амплитуде колебаний приблизительно в 140 децибел; такой звук, как например, взрыв или реактивный самолет, означает такое колебание силы звука, которое в 100 триллион раз превышает пороговый уровень слуха.

Чем меньше расстояние между волнами, то есть чем больше волн вмещается в одной секунде времени, тем больше высота или тем выше частота слышимого звука. Она обычно измеряется в циклах в секунду или герцах (Гц) . Человеческое ухо обычно способно слышать звуки, частота которых колеблется от 20 Гц до 20,000 Гц. Обычный человеческий разговор включает звуки из частотного диапазона от 120 Гц для мужчин, до около 250 Гц для женщин. Нота ‘до’ средней громкости, взятая на пианино, имеет частоту 256 Гц, а нота ‘ля’, взятая на гобое для оркестра, имеет частоту 440 Гц. Человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам, которые имеют частоту между 1,000- 3,000 Гц.

Концерт в трех частях

Ухо состоит из трех основных отделов, которые называются внешнее, среднее и внутреннее ухо. Каждый из названных отделов выполняет свою уникальную функцию и является необходимым для того, чтобы мы могли слышать звуки.

Рисунок 2.

1. Наружная часть уха или ушная раковина внешнего уха действует, как ваша собственная антенна спутниковой связи, которая собирает и направляет звуковые волны в наружный слуховой проход (входящий в слуховой канал). Отсюда звуковые волны проходят дальше по каналу и достигают среднего уха, или барабанной перепонки, которая путем втягивания и выталкивания в ответ на эти изменения в давлении воздуха образует маршрут колебания источника звука.
2. Три косточки (слуховые косточки) среднего уха, называются молоточек , который непосредственно соединен с барабанной перепонкой, наковальня и стремя , которое соединено с овальным окном улитки внутреннего уха. Вместе эти косточки участвуют в передаче этих колебаний во внутренне ухо. Среднее ухо заполнено воздухом. С помощью евстахиевой трубы , которая находится сразу за носом, и открывается во время глотания, чтобы пропустить наружный воздух внутрь камеры среднего уха, оно способно поддерживать одинаковое давление воздуха с обеих сторон барабанной перепонки. Также, ухо имеет две скелетные мышцы: мышцы, напрягающие барабанную перепонку и стременные мышцы, которые предохраняют ухо от сильно громких звуков.
3. Во внутреннем ухе, которое состоит из улитки, эти передаваемые колебания проходят через овальное окно , что ведет к образованию волны во внутренних структурах улитки. Внутри улитки расположен Кортиев орган , который является основным органом уха, который способен преобразовывать эти колебания жидкости в нервный сигнал, который затем передается в мозг, где он и обрабатывается.

Итак, это общий обзор. А теперь давайте более подробно рассмотрим каждый из этих отделов.

Что вы говорите?

Очевидно, что механизм слуха начинается во внешнем ухе. Если бы в нашем черепе не было отверстия, которое позволяет звуковым волнам проходить далее к барабанной перепонке, мы бы не имели возможности говорить друг с другом. Может некоторые и хотели бы, чтобы это было именно так! Каким образом это отверстие в черепе, которое называется наружный слуховой проход, могло появиться в результате беспорядочной генетической мутации или случайного изменения? Этот вопрос остается без ответа.

Выявлено, что наружное ухо, или с вашего позволения ушная раковина, является важным отделом локализации звука. Лежащая в основе ткань, которая выстилает поверхность наружного уха и делает её такой эластичной, называется хрящевой и очень похожа на те хрящи, которые обнаруживаются в большинстве связок нашего организма. Если кто-то поддерживает макроэволюционную модель развития слуха, то для того, чтобы объяснить, каким образом клетки, которые способны образовывать хрящи приобрели эту способность, не говоря уже о том, как они после всего этого к несчастью для многих молодых девушек вытянулись из каждой стороны головы, требуется нечто вроде удовлетворительного объяснения.

Те из вас, у кого когда-нибудь была в ухе серная пробка могут оценить тот факт, что, несмотря на то, что они не знают какую пользу приносит эта ушная сера для ушного канала, они конечно рады, что это природное вещество не имеет консистенцию цемента. Более того, те, кто должны общаться с этими несчастными людьми ценят то, что имеют способность повышать громкость своего голоса для того, чтобы производить достаточную энергию звуковой волны, которая должна быть услышана.

Восковидный продукт, обычно называемая ушной серой , представляет собой смесь секретов из различных желез, и содержится во внешнем ушном канале и состоит из материала, в состав которого входят клетки, которые постоянно слущиваются. Этот материал простирается вдоль поверхности слухового канала и образует вещество белого, желтого или коричневого цвета. Ушная сера служит для смазывания наружного слухового прохода и в то же самое время защищает барабанную перепонку от пыли, грязи, насекомых, бактерий, грибков, и всего того, что может попасть в ухо из внешней среды.

Это очень интересно, что ухо имеет свой собственный механизм очищения. Клетки, которые выстилают наружный слуховой канал, расположены ближе к центру барабанной перепонки, далее простираются к стенкам слухового канала и выходят за пределы наружного слухового прохода. На всем пути своего расположения эти клетки покрыты ушным восковидным продуктом, количество которого уменьшается по мере продвижения к наружному каналу. Оказывается, движения челюсти усиливают этот процесс. В действительности вся эта схема похожа на одну большую конвейерную ленту, функцией которой является удаление ушной серы из слухового канала.

Очевидно, что для полного понимания процесса образования ушной серы, её консистенции, благодаря которой мы можем хорошо слышать, и которая одновременно выполняет достаточную защитную функцию, и того, как слуховой канал сам удаляет эту ушную серу, чтобы предотвратить потерю слуха, требуется некое логическое объяснение. Как могли простые постепенные эволюционные новообразования, появившиеся в результате генетической мутации или случайного изменения, быть причиной всех этих факторов и, несмотря на это обеспечить правильное функционирование этой системы на протяжении всего её существования?

Барабанная перепонка состоит из особой ткани, консистенция, форма, крепления, и точное расположение которой позволяют ей находиться в точном месте и выполнять точную функцию. Необходимо учитывать все эти факторы при объяснении того, каким образом барабанная перепонка способна резонировать в ответ на входящие звуковые волны, и таким образом запускать цепную реакцию, которая приводит к колебательной волне внутри улитки. И только потому, что другие организмы имеют отчасти подобные особенности строения, которые позволяют им слышать, само по себе не объясняет того, каким образом появились все эти особенности с помощью ненаправленных природных сил. Здесь мне вспоминается одно остроумное замечание, высказанное Г. K. Честертоном, где он сказал: “Для эволюциониста было бы абсурдно жаловаться и говорить, что для общепризнанно невообразимого Бога просто невероятно сотворить ‘все’ из ‘ничего’, а затем заявить, что то, что ‘ничто’ само превратилось во ‘все’ является более вероятным”. Впрочем, я отклонился от нашей темы.

Правильные колебания

Среднее ухо служит для передачи колебаний барабанной перепонки во внутреннее ухо, где , в которой находится Кортиев орган. Также как сетчатка является “органом глаза” Кортиев орган является настоящим “органом уха”. Поэтому среднее ухо на самом деле является “посредником”, который участвует в слуховом процессе. Как часто бывает в бизнесе, посредник всегда что-то имеет и таким образом уменьшает финансовую эффективность той сделки, которая заключается. Подобным образом, передача колебания барабанной перепонки через среднее ухо приводит к незначительной потере энергии, в результате чего через ухо проводится только 60 % энергии. Однако если бы не энергия, которая распространяется на более большую по размерам барабанную перепонку, которая установлена на более маленьком овальном окне с помощью трех слуховых косточек, вместе с их специфическим уравновешивающим действием, эта передача энергии была бы намного меньше, и нам было бы намного сложнее слышать.

Вырост части молоточка, (первая слуховая косточка), который называется рукоятка , прикреплен прямо к барабанной перепонке. Сам молоточек соединяется со второй слуховой косточкой, наковальней, которая в свою очередь прикреплена к стремечку. Стремечко имеет плоскую часть , которая прикреплена к овальному окну улитки. Как мы уже сказали, уравновешивающие действия этих трех соединенных между собой косточек позволяют передавать колебание в улитку среднего уха.

Обзор двух моих предыдущих разделов, а именно “Гамлет знаком с современной медициной, части I и II”, может позволить читателю увидеть, что необходимо понять относительно самого костеобразования. То, как эти три идеально образованные и взаимосвязанные косточки разместились в точном положении, благодаря которому происходит правильная передача колебания звуковой волны, требует еще одного “такого же” объяснения макроэволюции, на которую мы должны смотреть с недоверием.

Любопытно отметить, что внутри среднего уха расположены две скелетные мышцы, мышцы, напрягающие барабанную перепонку, и стременные мышцы. Мышца, напрягающая барабанную перепонку, прикреплена к рукоятке молоточка и при сокращении она оттягивает барабанную перепонку назад в среднее ухо, таким образом, ограничивая её способность резонировать. Связка стременной мышцы прикреплена к плоской части стремечка и при сокращении она оттягивается от овального окна, таким образом, снижая колебание, которое передается через улитку.

Вместе эти две мышцы рефлексивно пытаются защитить ухо от слишком громких звуков, которые могут вызывать боль и даже повредить его. Время, за которое нервно-мышечная система успевает отреагировать на громкий звук, составляет около 150 миллисекунд, что приблизительно равно 1/6 частям секунды. Поэтому ухо не настолько защищено от внезапных громких звуков, как например звуков артиллерийского огня или взрыва, по сравнению с длительными звуками или шумным окружением.

Опыт свидетельствует о том, что иногда звуки могут причинять боль, также как и слишком яркий свет. Функциональные составляющие части для слуха, такие как барабанная перепонка, слуховые косточки и Кортиев орган, выполняют свою функцию, приходя в движение в ответ на энергию звуковой волны. Слишком сильное движение может вызвать повреждение или боль, также как если вы перенапрягаете локтевые или коленные суставы. Поэтому создается такое впечатление, что ухо имеет своего рода защиту против самоповреждения, которое может произойти при длительных громких звуках.

Обзор трех моих предыдущих разделов, а именно “Не просто для проведения звука, части I, II и III”, в которых говорится о нервно-мышечной функции на бимолекулярном и электрофизиологическим уровнях, позволит читателю лучше понять специфическую сложность механизма, который является естественной защитой от потери слуха. Осталось лишь понять, как эти идеально расположенные мышцы оказались в среднем ухе и стали выполнять ту функцию, которую они выполняют и делают это рефлексивно. Что за генетическая мутация или случайные изменения произошли однажды во времени, которые привели к такому сложному развитию внутри височной кости черепа?

Те из вас, кто бывал на борту самолета и испытывал во время посадки чувство давления на уши, которое сопровождается снижением слуха и ощущением, что вы говорите в пустоту, на самом деле убедились в значимости Евстахиевой трубы (слуховой трубки), которая расположена между средним ухом и задней частью носа.

Среднее ухо представляет собой закрытую, заполненную воздухом камеру, в которой давление воздуха на все стороны барабанной перепонки должно быть равным для того, чтобы обеспечивать достаточную подвижность, которая называется растяжимостью барабанной перепонки . Растяжимость определяет, насколько легко двигается барабанная перепонка при раздражении звуковыми волнами. Чем выше растяжимость, тем легче барабанной перепонке резонировать в ответ на звук, и соответственно чем ниже растяжимость, тем труднее она движется назад и вперед и, следовательно, порог, при котором можно услышать звук повышается, то есть звуки должны быть громче для того, чтобы их можно было услышать.

Воздух в среднем ухе обычно поглощается телом, что приводит к снижению давления воздуха в среднем ухе и уменьшению растяжимости барабанной перепонки. Это происходит в результате того, что вместо того, чтобы оставаться в правильном положении, барабанная перепонка выталкивается в среднее ухо внешним давлением воздуха, которое действует на наружный слуховой канал. Все это является результатом того, что внешнее давление выше, чем давление в среднем ухе.

Евстахиева труба соединяет среднее ухо с задней частью носа и глоткой.

Во время глотания, зевания или жевания, усилиями действия связанных мышц Евстахиева труба открывается, благодаря чему внешний воздух входит и проходит в среднее ухо и замещает тот воздух, который был поглощен телом. Таким образом, барабанная перепонка может поддерживать свою оптимальную растяжимость, что обеспечивает нам достаточный слух.

Теперь давайте вернемся к самолету. Находясь на высоте 35,000 футов, давление воздуха с обеих сторон барабанной перепонки одинаковое, хотя абсолютный объем меньше, чем таковой был бы на уровне моря. Важным здесь является не само давление воздуха, которое действует на обе стороны барабанной перепонки, а то, что независимо от того, какое давление воздуха действует на барабанную перепонку, с обеих сторон оно одинаковое. Когда самолет начинает снижаться, внешнее давление воздуха в салоне начинает подниматься и сразу же действует на барабанную перепонку через внешний слуховой канал. Единственным способом исправить это неравновесие воздушного давления через барабанную перепонку является способность открывать Евстахиеву трубу для того, чтобы впустить новую порцию внешнего давления воздуха. Обычно это происходит при жевании жевательной резинки или сосании леденца, и глотании, именно тогда происходит действие усилия на трубу.

Скорость, при которой происходит снижение самолета, и быстро меняющиеся повышения давления воздуха, заставляют некоторых людей ощущать заложенность в ушах. Кроме того, если у пассажира простуда или он недавно переболел, если у него проблемы с горлом или насморк, их Евстахиева труба может не работать во время этих изменений давления и они могут ощущать сильную боль, длительную заложенность и изредка сильное кровоизлияние в среднее ухо!

Но на этом нарушение функционирования Евстахиевой трубы не заканчивается. Если кто-либо из пассажиров страдает хроническими заболеваниями, со временем эффект вакуума в среднем ухе может вывести жидкость из капилляров, что может привести (если не обратиться к врачу) к состоянию под названием экссудативный отит . Это заболевание можно предупредить и оно лечится с помощью миринготомии и введения трубок . Отоларинголог-хирург делает маленькую дырочку в барабанной перепонке и вставляет трубочки для того, чтобы жидкость, которая находиться в среднем ухе, могла вытекать наружу. Эти трубочки заменяют Евстахиеву трубу до тех пор, пока причина возникновения такого состояния не устранится. Таким образом, эта процедура сохраняет соответствующий слух и предотвращает повреждения внутренних структур среднего уха.

Это замечательно, что современная медицина способна решить некоторые из этих проблем при нарушении функционирования Евстахиевой трубы. Но сразу же всплывает вопрос: как изначально появилась эта труба, какие части среднего уха образовались первыми, и как эти части функционировали без всех остальных необходимых частей? Размышляя об этом разве можно думать о многоэтапном развитии на основе так доселе и не известных генетических мутаций или случайного изменения?

Внимательное рассмотрение составляющих частей среднего уха и их абсолютная необходимость для осуществления достаточно слуха, так необходимого для выживания, показывает, что перед нами система, которая представляет неснижаемую сложность. Но ничего из того, что мы до сих пор рассматривали, не может дать нам способность слышать. Во всей этой головоломке есть один основной компонент, который необходимо рассмотреть, и который сам по себе является примером неснижаемой сложности. Этот замечательный механизм берет колебания из среднего уха и преобразовывает их в нервный сигнал, который поступает в мозг, где затем и обрабатывается. Этим основным компонентом является сам звук.

Система проведения звука

Нервные клетки, которые отвечают за передачу сигнала к мозгу для слуха, расположены в “Кортиевом органе”, который находится в улитке. Улитка состоит из трех, связанных между собой трубчатых канала, которые приблизительно в два с половиной раза свернуты в катушку.

(смотрите рисунок 3). Верхние и нижние каналы улитки окружены костью и называются лестница преддверия (верхний канал) и соответственно барабанная лестница (нижний канал). В обоих этих каналах находится жидкость, называемая перилимфа. Состав ионов натрия (Na+) и калия (K+) этой жидкости очень напоминает состав других внеклеточных жидкостей (вне клеток), то есть они имеют высокую концентрацию ионов Na+ и низкую концентрацию ионов K+ в отличие от внутриклеточных жидкостей (внутри клеток).

Рисунок 3.

Каналы сообщаются между собой на верхушке улитки через маленькое отверстие, называемое геликотрема.

Средний канал, который входит в мембранную ткань, называется средняя лестница и состоит из жидкости, называемой эндолимфа. Эта жидкость имеет уникальное свойство, так как является единственной внеклеточной жидкостью организма с высокой концентрацией ионов K+ и низкой концентрацией ионов Na+. Средняя лестница не связана непосредственно с другими каналами и отделена от лестницы преддверия эластичной тканью, называемой мембрана Рейснера, и от барабанной лестницы эластичной базилярной мембраной (смотрите рисунок 4).

Кортиев орган находится в подвешенном состоянии, подобно мосту над Золотыми Воротами, на базилярной мембране, которая расположена между барабанной лестницей и средней лестницей. Нервные клетки, которые участвуют для образования слуха, называемые волосковые клетки (из-за своих выростов, похожих на волоски), расположены на базилярной мембране, что позволяет нижней части клеток соприкасаться с перилимфой барабанной лестницы (смотрите рисунок 4). Волосоподобные выросты волосковых клеток, известные как стереоцилия, располагаются на верхушке волосковых клеток и таким образом соприкасаются со средней лестницей и эндолимфой, которая содержится внутри ней. Важность этой структуры будет более понятна, когда мы будем обсуждать электрофизиологический механизм, который лежит в основе раздражения слухового нерва.

Рисунок 4.

Кортиев орган состоит примерно из 20,000 таких волосковых клеток, которые размещены на базилярной мембране, покрывающей всю закрученную улитку, и имеет длину 34 мм. Более того, толщина базилярной мембраны меняется от 0.1 мм в начале (в основании) приблизительно до 0.5 мм в конце (на верхушке) улитки. Мы поймем, насколько важна эта особенность, когда будем говорить о высоте или частоте звука.

Давайте вспомним: звуковые волны входят в наружный слуховой канал, где они вызывают резонирование барабанной перепонки при амплитуде и частоте, которые свойственны самому звуку. Внутреннее и внешнее движение барабанной перепонки позволяет колебательной энергии передаваться к молоточку, который соединен с наковальней, которая в свою очередь соединена со стремечком. В идеальных обстоятельствах, давление воздуха на любой стороне барабанной перепонки одинаковое. Благодаря этому, а также способности Евстахиевой трубы пропускать внешний воздух в среднее ухо из задней части носа и горла при зевании, жевании и глотании, барабанная перепонка имеет высокую растяжимость, которая так необходима для движения. Затем колебание передается через стремечко в улитку, проходя через овальное окно. И только после этого запускается слуховой механизм.

Передача колебательной энергии в улитку приводит к образованию волны жидкости, которая должна передаваться через перилимфу в лестницу преддверия улитки. Однако, вследствие того, что лестница преддверия защищена костью и отделена от средней лестницы, не плотной стенкой, а эластичной мембраной, эта колебательная волна также передается посредством мембраны Рейснера в эндолимфу средней лестницы. В результате волна жидкости средней лестницы также заставляет эластичную базилярную мембрану волнообразно колебаться. Эти волны быстро достигают своего максимума, а затем также быстро спадают в области базилярной мембраны в прямой зависимости от частоты звука, который мы слышим. Звуки более высокой частоты вызывают больше движения в основании или более толстой части базилярной мембраны, и более низкая частота звуков вызывает больше движения на вершине или более тонкой части базилярной мембраны, в геликтореме. В результате волна входит в барабанную лестницу через геликторему и рассеивается через круглое окно.

То есть сразу видно, что если базилярная мембрана качается в “бризе” эндолимфатического движения внутри средней лестницы, то подвешенный Кортиев орган, со своими волосковыми клетками, будет прыгать как на батуте в ответ на энергию этого движения волны. Итак, для того, чтобы оценить всю сложность и понять, что же на самом деле происходит для того, чтобы возник слух, читатель должен ознакомиться с функцией нейронов. Если вы еще не знаете, как функционируют нейроны, я рекомендую вам просмотреть мою статью “Не просто для проведения звука, части I и II”, где подробно говорится о функции нейронов.

В состоянии покоя волосковые клетки имеют мембранный потенциал приблизительно 60мВ. Из физиологии нейрона мы знаем, что мембранный потенциал в состоянии покоя существует благодаря тому, что когда клетка не возбуждается ионы K+ покидают клетку через каналы для ионов K+, а ионы Na+ не входят через Na+ ионные каналы. Однако это свойство основывается на том факте, что клеточная мембрана соприкасается с внеклеточной жидкостью, которая обычно имеет мало ионов K+ и насыщена ионами Na+, подобно перилимфе, с которой соприкасается основание волосковых клеток.

Когда действие волны вызывает движение стереоцилии, то есть волосоподобных выростов волосковых клеток, они начинают сгибаться. Движение стереоцилии приводит к тому, что определенные каналы , предназначенные для трансдукции сигналов , и которые очень хорошо пропускают ионы K+, начинают открываться. Поэтому когда на Кортиев орган оказывается скачкоподобное действие волны, которая возникает вследствие колебания при резонансе барабанной перепонки через три слуховые косточки, ионы K+ поступают в волосковую клетку, в результате чего она деполяризуется, то есть её мембранный потенциал становиться менее негативным.

“Но, подождите, – сказали бы вы. – Вы только что рассказали мне все о нейронах, и я понимаю так, что когда каналы для осуществления трансдукции открываются, ионы K+ должны выходить из клетки и вызывать гиперполяризацию, а не деполяризацию”. И вы были бы абсолютно правы, потому что при обычных обстоятельствах, когда определенные ионные каналы открываются для того, чтобы увеличить проходимость этого определенного иона через мембрану, ионы Na+ входят в клетку, а ионы K+ выходят. Это происходит благодаря градиентам относительной концентрации ионов Na+ и ионов K+ через мембрану.

Но нам следует помнить, что наши обстоятельства здесь несколько иные. Верхняя часть волосковой клетки соприкасается с эндолимфой средней лестницы улитки и не соприкасается с перилимфой барабанной лестницы. Перилимфа в свою очередь соприкасается с нижней частью волосковой клетки. Немного раньше в этой статье мы подчеркивали, что эндолимфа имеет уникальную особенность, которая заключается в том, что она является единственной жидкостью, которая находится за пределами клетки и имеет высокую концентрацию ионов K+. Эта концентрация настолько высокая, что когда каналы для осуществления трансдукции, которые пропускают ионы K+, открываются в ответ на движение сгибания стереоцилии, ионы K+ входят в клетку и, таким образом, вызывают её деполяризацию.

Деполяризация волосковой клетки приводит к тому, что в её нижней части потенциалозависимые каналы ионов кальция (Ca++) начинают открываться и пропускать ионы Ca++ в клетку. В результате этого выделяется нейромедиатор волосковой клетки (то есть химический передатчик импульсов между клетками) и раздражает близлежащий нейрон улитки, который в конечном итоге посылает сигнал в мозг.

Частота звука, при которой образуется волна в жидкости, определяет, где вдоль базилярной мембраны волна будет иметь наивысшие точки. Как мы уже говорили, это зависит от толщины базилярной мембраны, в которой более высокие звуки вызывают больше активности в более тонком основании мембраны, а звуки более низкой частоты вызывают больше активности в её более толстой верхней части.

Можно легко увидеть, что волосковые клетки, которые находятся ближе к основанию мембраны, будут максимально реагировать на очень высокие звуки верхней границы человеческого слуха (20,000 гц), а волосковые клетки, которые находятся на противоположной самой верхней части мембраны, будут максимально реагировать на звуки нижней границы человеческого слуха (20 гц).

Нервные волокна улитки иллюстрируют тонотопическую карту (то есть группирования нейронов с близкими частотными характеристиками) в том, что они более чувствительны к определенным частотам, которые в конечном итоге расшифровываются в мозгу. Это означает, что определенные нейроны улитки связаны с определенными волосковыми клетками, и их нервные сигналы в результате передаются в мозг, который затем определяет высоту звука в зависимости от того, на какие волосковые клетки оказывалось раздражение. Более того, было показано, что нервные волокна улитки имеют спонтанную активность, так что когда они раздражаются звуком определенной высоты с определенной амплитудой, это приводит к модуляции их активности, которая в конечном итоге анализируется мозгом и расшифровывается как определенный звук.

В заключение стоит отметить, что волосковые клетки, которые расположены в определенном месте базилярной мембраны, будут максимально сгибаться в ответ на определенную высоту звуковой волны, в результате чего это место на базилярной мембране получает гребень волны. Образовавшаяся в результате деполяризация этой волосковой клетки приводит к тому, что она выделяет нейромедиатор, которые в свою очередь раздражает близлежащий нейрон улитки. Затем нейрон посылает сигнал в мозг (где он расшифровывается) в виде звука, который был услышан при определенной амплитуде и частоте в зависимости от того, какой нейрон улитки послал сигнал.

Учеными было составлено много схем проводящих путей активности этих слуховых нейронов. Существует намного больше других нейронов, которые находятся в соединительных отделах, которые получают эти сигналы, а затем передают их к другим нейронам. В результате сигналы поступают в слуховую кору головного мозга для окончательного анализа. Но до сих пор не известно, каким образом мозг преобразовывает огромное количество этих нейрохимических сигналов в то, что известно нам, как слух.

Препятствия для решения этой проблемы могут быть такими же загадочными и таинственными, как и сама жизнь!

Представленный краткий обзор строения и функционирования улитки уха может помочь читателю подготовиться к вопросам, которые часто задают обожатели теории о том, что все живое на земле возникло в результате действия случайных сил природы без какого-либо разумного вмешательства. Но существуют ведущие факторы, развитие которых должно иметь какое-то правдоподобное объяснение, особенно если принять во внимание абсолютную необходимость этих факторов для функции слуха у людей.

Возможно ли, что эти факторы образовались поэтапно с помощью процессов генетической мутации или случайного изменения? А может быть, каждая из этих частей выполняла какую-то доселе не известную функцию у других многочисленных предков, которые позднее объединились и позволили человеку слышать?

И если предположить, что одно из этих объяснений верное, то, что именно представляли собой на самом деле эти изменения, и каким образом они позволили образоваться такой сложной системе, которая преобразовывает воздушные волны во что-то, что человеческий мозг воспринимает как звук?

1. Развитие трех трубчатых каналов, называемых: преддверие улитки, средняя лестница и барабанная лестница, которые вместе образуют улитку.
2. Наличие овального окна, через которое принимается колебание из стремечка, и круглого окна, которые позволяют действию волны рассеиваться.
3. Наличие мембраны Рейснера, благодаря которой колебательная волна передается в среднюю лестницу.
4. Базилярная мембрана, с её изменяемой толщиной и идеальным расположением между средней лестницей и барабанной лестницей, играет роль в функции слуха.
5. Кортиев орган имеет такое строение и положение на базилярной мембране, которое позволяет ему испытывать пружинный эффект, играющий очень важную роль для человеческого слуха.
6. Наличие волосковых клеток внутри Кортиевого органа, стереоцилия которого также очень важна для человеческого слуха и без которой его бы просто не существовало.
7. Наличие перилимфы в верхней и нижней лестнице и эндолимфы в средней лестнице.
8. Наличие нервных волокон улитки, которые располагаются близко к волосковым клеткам, находящимся в Кортиевом органе.

Заключительное слово

Перед тем, как приступить к написанию этой статьи я взглянул на тот учебник по медицинской физиологии, которым я пользовался ещё в медицинском колледже, 30 лет назад. В том учебнике авторы отмечали уникальное строение эндолимфы по сравнению со всеми другими внеклеточными жидкостями нашего организма. В то время ученые еще не “знали” точной причины этих необычных обстоятельств, и авторы свободно признавали, что хотя и известно, что потенциал действия, который образовывался слуховым нервом, был связан с движением волосковых клеток, как именно это происходило, так никто объяснить не мог. Итак, как же нам из всего этого лучше понять, как работает эта система? А очень просто:

Станет ли кто-нибудь думать во время прослушивания своего любимого музыкального произведения, что звучащие в определенном порядке звуки появились в результате случайного действия сил природы?

Конечно же, нет! Мы понимаем, что эта прекрасная музыка была написана композитором для того, чтобы слушатели смогли насладиться тем, что он создал и понять, какие чувства и эмоции он испытывал в тот момент. Для этого он подписывает авторские рукописи своего произведения, чтобы весь мир знал, кто именно написал его. Если кто-то думает по-другому он просто будет выставлен на посмешище.

Подобным образом, когда вы слушаете каденцию, которая исполняется на скрипках, придет ли кому-нибудь на ум, что звуки музыки, издаваемые на скрипке Страдивари, появились просто в результате случайных сил природы? Нет! Интуиция нам подсказывает, что перед нами талантливый виртуоз, который берет определенные ноты для того, чтобы создать звуки, которые должен услышать и которыми должен насладиться его слушатель. И его желание настолько велико, что его имя наносится на упаковки компакт-дисков, чтобы покупатели, которые знают этого музыканта, покупали их и наслаждались любимой музыкой.

Но как же мы вообще можем слышать музыку, которая исполняется? Неужели эта наша способность появилась с помощью ненаправленных сил природы, как полагают биологи-эволюционисты? А может быть однажды, один разумный Создатель решил явить Себя, и если так, то каким образом мы можем обнаружить Его? Подписал ли Он Свое творение и оставил ли в природе Свои имена, которые могут помочь обратить наше внимание на Него?

Существует множество примеров разумного дизайна внутри человеческого тела, которые были описаны мной за последний год в статьях. Но когда я начал понимать, что движение волосковой клетки приводит к открытию каналов для переноса ионов K+, в результате чего ионы K+ поступают в волосковую клетку и деполяризуют её, я был буквально ошеломлен. Я внезапно осознал, что это и есть такая “подпись”, которую оставил нам Создатель. Перед нами пример того, как разумный Творец открывает Себя людям. И когда человечество думает, что знает все тайны жизни и то, как все появилось, ему стоит остановиться и задуматься, так ли это на самом деле.

Помните, что почти универсальный механизм деполяризации нейронов происходит в результате поступления ионов Na+ из внеклеточной жидкости в нейрон через каналы ионов Na+ после того, как они были достаточно сильно раздражены. Биологи, которые придерживаются эволюционной теории, до сих пор не могут объяснить развитие этой системы. Однако вся система зависит от существования и раздражения каналов ионов Na+ в сочетании с тем, что концентрация ионов Na+ выше за пределами клетки, чем внутри. Так работают нейроны нашего организма.

Теперь мы должны понять, что существуют другие нейроны в нашем теле, которые работают с точностью до наоборот. Они требуют, чтобы в клетку для деполяризации входили не ионы Na+, а ионы K+. На первый взгляд может показаться, что это просто невозможно. Ведь все знают, что все внеклеточные жидкости нашего тела содержат небольшое количество ионов K+ по сравнению со внутренней средой нейрона, и поэтому для ионов K+ было бы физиологически невозможно входить в нейрон для того, чтобы вызвать деполяризацию так, как это делают ионы Na+.

То, что однажды считалось “неизвестным” теперь стало совершенно ясным и понятным. Теперь понятно, почему эндолимфа должна обладать таким уникальным свойством, являясь единственной внеклеточной жидкостью организма с высоким содержанием ионов K+ и низким содержанием ионов Na+. Более того она расположена именно в том месте, где и должна располагаться, так что когда канал, через который проходят ионы K+, открывается в мембрану волосковых клеток, происходит их деполяризация. Эволюционно настроенные биологи должны уметь объяснить, как могли появиться эти на вид противоположные условия, и как они могли появиться в определенном месте нашего организма, именно там, где они необходимы. Это также как композитор правильно располагает ноты, а затем музыкант правильно исполняет произведение из этих нот на скрипке. Для меня это – разумный Создатель, который говорит нам: “Видите ли вы ту красоту, которой Я наделил Свое творение?”

Несомненно, для человека, который смотрит на жизнь и на её функционирование через призму материализма и натурализма, идея существования разумного дизайнера является чем-то невозможным. Тот факт, что все вопросы, которые я задавал относительно макроэволюции в этой и других моих статьях, вряд ли будут иметь в будущем правдоподобные ответы, кажется, вовсе не пугает или даже не волнует защитников теории о том, что вся жизнь образовалась в результате естественного отбора, который влиял на случайные изменения.

Как искусно заметил Вильям Дембски в своей работе The Design Revolution : “Дарвинисты используют свое непонимание в работах о ‘невыявленном’ дизайнере не как поправимое заблуждение и не как доказательство того, что способности дизайнера намного превосходят наши способности, но как доказательство того, что нет никакого ‘невыявленного’ дизайнера” .

В следующий раз мы поговорим о том, как наше тело координирует свою мышечную деятельность для того, чтобы мы могли сидеть, стоять и оставаться подвижными: это будет последний выпуск, который посвящен нервно-мышечной функции.

К наружному уху относятся ушная раковина, слуховой проход и барабанная перепонка, которая закрывает внутренний конец слухового прохода. Слуховой проход имеет неправильную изогнутую форму. У взрослого человека длина его составляет около 2,5 см, а диаметр около 8 мм. Поверхность слухового прохода покрыта волосками и содержит железы, выделяющие ушную серу, которая необходима для поддержания влажности кожи. Слуховой проход обеспечивает также постоянную температуру и влажность барабанной перепонки.

• Среднее ухо

Среднее ухо – это заполненная воздухом полость за барабанной перепонкой. Эта полость соединяется с носоглоткой посредством евстахиевой трубы – узкого хрящевого канала, который обычно находится в закрытом состоянии. Глотательные движения открывают евстахиеву трубу, что обеспечивает поступление воздуха в полость и выравнивание давления по обе стороны барабанной перепонки для ее оптимальной подвижности. В полости среднего уха находятся три миниатюрные слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремя. Одним концом молоточек соединен с барабанной перепонкой, другой его конец связан с наковальней, которая, в свою очередь соединена со стременем, а стремя с улиткой внутреннего уха. Барабанная перепонка постоянно колеблется под действием улавливаемых ухом звуков, а слуховые косточки передают ее колебания во внутреннее ухо.

• Внутреннее ухо

Во внутреннем ухе содержится несколько структур, но к слуху отношение имеет только улитка, получившая свое название из-за спиральной формы. Улитка разделена на три канала, заполненные лимфатическими жидкостями. Жидкость в среднем канале отличается по составу от жидкости в двух других каналах. Орган, непосредственно ответственный за слух (Кортиев орган), находится в среднем канале. Кортиев орган содержит около 30000 волосковых клеток, которые улавливают колебания жидкости в канале, вызванные движением стремени, и генерируют электрические импульсы, которые по слуховому нерву передаются к слуховой зоне коры головного мозга. Каждая волосковая клетка реагирует на определенную звуковую частоту, причем высокие частоты улавливаются клетками нижней части улитки, а клетки, настроенные на низкие частоты, располагаются в верхней части улитки. Если волосковые клетки по каким-либо причинам гибнут, человек перестает воспринимать звуки соответствующих частот.

• Слуховые проводящие пути

Слуховые проводящие пути – это совокупность нервных волокон, проводящих нервные импульсы от улитки к слуховым центрам коры головного мозга, в результате чего возникает слуховое ощущение. Слуховые центры расположены в височных долях головного мозга. Время, потраченное на прохождение слухового сигнала от внешнего уха к слуховым центрам мозга, составляет около 10 миллисекунд.

Как устроено ухо человека (рисунок предоставлен фирмой Siemens)

Восприятие звука

Ухо последовательно преобразует звуки в механические колебания барабанной перепонки и слуховых косточек, затем в колебания жидкости в улитке и, наконец, в электрические импульсы, которые по проводящим путям центральной слуховой системы передаются в височные доли мозга для распознавания и обработки.
Мозг и промежуточные узлы слуховых проводящих путей извлекают не только информацию о высоте и громкости звука, но и другие характеристики звука, например, интервал времени между моментами улавливания звука правым и левым ухом – на этом основана способность человека определять направление, по которому приходит звук. При этом мозг оценивает как информацию, полученную от каждого уха в отдельности, так и объединяет всю полученную информацию в единое ощущение.

В нашем мозгу хранятся «шаблоны» окружающих нас звуков – знакомых голосов, музыки, опасных звуков и т.д. Это помогает мозгу в процессе обработки информации о звуке быстрее отличить знакомые звуки от незнакомых. При снижении слуха мозг начинает получать искаженную информацию (звуки становятся более тихими), что приводит к ошибкам в интерпретации звуков. С другой стороны, нарушения в работе мозга в результате старения, травмы головы или неврологических болезней и расстройств могут сопровождаться симптомами, похожими на симптомы снижения слуха, например, невнимательность, отрешенность от окружения, неадекватная реакция. Для того чтобы правильно слышать и понимать звуки, необходима согласованная работа слухового анализатора и мозга. Таким образом, без преувеличения можно сказать, что человек слышит не ушами, а мозгом!

Пение птиц, приятная мелодия, счастливый смех веселого ребенка… Какой была бы наша жизнь без звуков? Не многие задумываются о том, какие сложные механизмы мы носим в своем теле. Наша способность слышать зависит от чрезвычайно сложной, взаимосвязанной и детально спроектированной системы. «Ухо слышащее и глаз видящий - и то и другое создал Господь» (Притчи 20:12). Он не желает, чтобы по поводу авторства этой системы у нас были какие-либо сомнения. Совсем наоборот, Бог хочет, чтобы человек твердо ходил в осознании истинности Сотворения: «Познайте, что Господь есть Бог, и что Он сотворил нас, и мы принадлежим Ему» (Псалом 99:3).

Слух человека устроен так, чтобы улавливать широкий диапазон звуковых волн, превращать их в миллионы электрических импульсов, направляя их далее в мозг для глубокого и быстрого анализа. Все звуки на самом деле "слушаются" мозгом и потом представляются нам как поступающие от внешнего источника. Как же работает система слуха?

Процесс начинается со звука - колебательного движения воздуха - вибрации, при которой к слушателю распространяются импульсы давления воздуха, достигающие, в конце концов, барабанной перепонки. Наше ухо чрезвычайно чувствительно и способно воспринимать изменения давления всего в 0,0000000001 атмосфер.

Ухо состоит из 3-х частей: наружное, среднее и внутреннее. Звук достигает вначале внешнее ухо через воздух, ударяя потом барабанную перепонку. Перепонка передает вибрацию косточкам. Здесь происходит смена способа проведения звука - от воздуха к косточкам. Потом звук переходит к внутреннему уху, где он передается с помощью жидкости. Таким образом, в процессе слуха задействуются 3 способа передачи звука: воздух, кость, жидкость. Давайте детальней их рассмотрим.

Слух человека: путешествие звука

Вначале звук достигает ушных раковин, которые действуют как спутниковые тарелки. (Рис.1) Ушная раковина человека имеет свой неповторимый рельеф из выпуклостей, вогнутостей и канавок, благодаря чему звук поступает от ушной раковины к слуховому каналу по двум путям. Это необходимо для тончайшего акустического и трехмерного анализа, позволяя распознавать направление и источник звука, что важно для языкового общения.

Рис.1 Источник: APP, www.apologeticspress.org

Ушная раковина также усиливает звуковые волны, которые далее входят в слуховой канал - пространство от раковины к барабанной перепонке длиной около 2,5 см и диаметром около 0,7 см. Здесь уже напрямую виден дизайн Господа - наш палец толще слухового канала! В противном случае мы повредили бы слух еще в младенчестве. Этот проход имеет такую форму, что создает резонанс оптимального диапазона.

Еще одной его интересной характеристикой является наличие воска (ушной серы), который постоянно выделяется из 4000 желез. Он имеет антисептические свойства, защищая ухо от бактерий и насекомых. Но как же тогда этот узкий проход постоянно очищается? Господь побеспокоился и об этой детали, создав очистительный механизм.

Оказывается, внутри прохода любые частички двигаются спиралевидно, так как клетки на поверхности слухового канала выстраиваются в форме спирали, направленной наружу. Кроме этого эпидермис (верхний слой кожи) растет там в стороны, а не вверх, как обычно это происходит на коже. Отпадая, он движется спиралевидно наружу к ушной раковине, постоянно унося с собой воск. Без такой системы очистки наше ухо быстро забилось бы.

Слух человека: среднее ухо мастерски решает сложнейшую задачу физики

Вы пытались когда-либо докричаться до человека, находящегося под водой? Это практически невозможно, так как 99,9% звука, идущего по воздуху, отражается водой. Но в нашем ухе звук движется к чувствительным клеткам улитки через жидкость, так как эти клетки не могут находиться в воздухе. Как же решается в нашем ухе эта сложнейшая задача перехода звука от воздуха к жидкости? Нам необходимо согласующее устройство. Эту роль у нас выполняет среднее ухо, состоящее из мембраны, специальных косточек, мышц и нервов. (См. Рис. 2)

Достигнув барабанной перепонки, звук заставляет ее колебаться. Покачиваясь, она приводит в движение молоточек, чья рукоятка прикреплена к перепонке. Молоточек, в свою очередь, вынуждает двигаться следующую косточку, которая называется наковальней. Между ними находится хрящевой сустав, который, как и все остальные суставы, для поддержания работы должен постоянно смазываться. Господь позаботился и об этом - все делается автоматически без нашего участия, так что нам нечего беспокоиться.

Нижняя часть наковальни, выглядящая как ось, передает движение следующей косточке, называемой стремечко (по форме она напоминает стремя). В результате передачи движения, стремечко постоянно толкается. Нижнее овальное основание стремечка напоминает поршень и входит в овальное окно улитки. Этот поршень соединен с овальным окном специальным креплением, прочным, но при этом подвижным, так что поршень двигается взад и вперед в овальном окне.

Барабанная перепонка поразительно чувствительна. Она способна реагировать на вибрацию диаметром всего в один атом водорода! Еще удивительней есть то, что перепонка при этом является живой тканью с кровяными сосудами и нервами. Кровяные клетки в тысячи раз больше атома водорода и при движении в сосудах постоянно колеблют перепонку, но при этом она все равно способна уловить звуковое колебание размером в один атом водорода. Это возможно благодаря чрезвычайно эффективной системе фильтрации шума. После определения даже самого слабого колебания перепонка может вернуться в исходное положение за 5 тысячных секунды. Если бы она не смогла возвращаться в регулярное состояние так быстро, то каждый звук, попадающий в ухо, отдавался бы эхом.

Молоточек, наковальня и стремечко - самые крошечные косточки в нашем теле. И у этих косточек есть мышцы и нервы! Одна мышца прикрепляется сухожилием к рукоятке молоточка, другая - к стремечку. Что же они делают? При громком звуке нужно понижать чувствительность всей системы, чтобы ее не повредить. При резком громком звуке мозг реагирует гораздо быстрее, чем мы успеваем осознать услышанное, при этом он мгновенно вынуждает мышцы сокращаться и притуплять чувствительность. Время реагирования на громкий звук составляет всего лишь около 0,15 секунды.

Определенно, генетические мутации или случайные пошаговые изменения, предлагаемые эволюционистами, не могут быть ответственны за развитие такого сложного механизма. Давление воздуха внутри среднего уха должно быть таким же, как и давление вне барабанной перепонки. Проблема в том, что воздух внутри поглощается телом. Это приводит к понижению давления в среднем ухе и снижению чувствительности перепонки из-за того, что она вдавливается внутрь более высоким внешним давлением воздуха.

Для решения этой проблемы ухо оснащено специальным каналом, известным как евстахиева труба. Это пустая трубочка длиной в 3,5 см, идущая от внутреннего уха к задней части носа и глотки. Она обеспечивает обмен воздуха между средним ухом и окружающей средой. При глотании, зевании и жевании специальные мышцы открывают Евстихееву трубку, впуская внешний воздух. Так обеспечивается равновесие давлений. Нарушения работы трубки приводит к болям, затянувшейся закупорке и даже к кровотечению в ухе. Но как же она возникла изначально, и какие части среднего уха появились первыми? Как они функционировали один без другого? Анализ всех частей уха и важность каждого из них для слуха человека демонстрирует присутствие неснижаемой сложности (весь орган должен был возникнуть как одно целое, иначе он не смог бы функционировать), что мощно свидетельствует о сотворении.

Слух человека: внутреннее ухо: система невероятной сложности

Итак, звук прошел через воздух к барабанной перепонке, и в виде вибрации передался косточкам. Что же дальше? А дальше эти механические движения должны превратиться в электрические сигналы. Это чудо превращения происходит во внутреннем ухе. Внутреннее ухо состоит из улитки и присоединенных к ней нервов. Здесь мы так же наблюдаем очень сложную конструкцию.

Обладание двумя ушами помогает нам вычислять месторасположение звука. Разница во времени достижения звуком ушей может быть всего 20 миллионных секунды, но этого запаздывания достаточно для определения источника звука.

Улитка - это специальный орган внутреннего уха, который устроен в виде лабиринта и наполнен специальной жидкостью (перилимфой). Смотрите Рис.1 и Рис.3. тройное покрытие, которое обеспечивает прочность и герметичность. Это необходимо для тонких процессов, происходящих в ней. Мы помним, что последняя косточка (стремечко) входит в овальное окно улитки (Рис.2 и Рис.3). Получив вибрацию от барабанной перепонки, стремечко двигается в этом окне своим поршнем взад и вперед, создавая колебания давления внутри жидкости. Другими словами, стремечко передает звуковую вибрацию улитке.

Эта вибрация распространяется в жидкости улитки и достигает там специального органа слуха, Кортиева органа. Он и превращает вибрации жидкости в электрические сигналы, которые через нервы идут в мозг. Так как улитка полностью наполнена жидкостью, как же поршню удается входить в нее? Вспомните, как практически невозможно засунуть пробку в полностью наполненную бутылку. Из-за большой плотности жидкости ее трудно сжать.

Оказалось, что внизу улитки есть круглое окно (как задний выход), покрытое гибкой мембраной. Когда поршень стремечка входит в овальное окно, мембрана круглого окна внизу выпячивается под давлением в жидкости. Это похоже на то, если бы у бутылки было резиновое дно, прогибающееся каждый раз при вталкивании пробки. Благодаря такому гениальному устройству облегчения давления стремечко может передавать вибрацию звука к жидкости улитки.

Однако импульсы давления распространяются в жидкости не простым образом. Чтобы понять, как они распространяются, заглянем внутрь лабиринта улитки (См. Рис 3 и Рис. 4). Канал лабиринта состоит из трех каналов - верхний (вестибулярная лестница), нижний (барабанная лестница) и канал посередине (улитковый проток). Они не соединены между собой и идут в лабиринте параллельно.

От поршня давление идет вверх в лабиринте к вершине улитки только по верхнему каналу (а не по всем трем). Там, через специальное соединительное отверстие, давление переходит в нижний канал, который идет по лабиринту обратно вниз и выходит в круглом окне. На рисунке 3 красной стрелкой обозначен путь давления от овального окна вверх по кругу в лабиринте. На вершине давление переходит в другой канал, обозначенный синей стрелкой, и направляется по нему вниз к круглому окну. Но зачем все это? Как это помогает нам слышать?

Дело в том, что посередине двух каналов лабиринта есть третий канал (улитковый проток), также наполненный жидкостью, но отличающейся от жидкости в двух других каналах. Этот средний канал не соединен с двумя другими. Он отделен от верхнего гибкой пластинкой (Рейснерова мембрана), а от нижнего канала - эластичной пластинкой (базилярная мембрана). Проходя по верхнему каналу вверх лабиринта, звук в жидкости колеблет верхнюю пластинку. Идя обратно вниз улитки по нижнему каналу, звук в жидкости колеблет нижнюю пластинку. Таким образом, когда звук идет через жидкость лабиринта вверх улитки и обратно вниз, пластины среднего канала колеблются. После прохода звука их колебание постепенно угасает. Как же колебание пластинок среднего канала обеспечивает нам слух?

Между ними находится наиболее важная часть слуховой системы - Кортиев орган. Он чрезвычайно меленький, но без него мы были бы глухими. Нервные клетки Кортиевого органа превращают колебательные движения пластинок в электрические сигналы. Они называются волосковыми клетками и играют огромную роль. Как же волосковым клеткам Кортиевого органа удается превратить колебание пластинок в электрические сигналы?

Посмотрите на рисунок 4 и 5. Дело в том, что эти клетки находятся в контакте сверху со специальной покровной мембраной Кортиевого органа, которая похожа на твердое желе. На вершине волосковых клеток расположено от 50 до 200 ресничек, называемых стереоцилиями. Они входят в покровную мембрану.

Рис.7

Когда звук идет через лабиринт улитки, пластинки среднего канала колеблются, и это вызывает колебание желеподобной покровной мембраны. А ее движение вызывает колебание стериоцилий волосковых клеток. Колыхание стериоцилий вынуждает волосковые клетки производить электрические сигналы, которые посылаются далее в мозг. Потрясающе, не так ли? Кортиев орган имеет около 20 000 волосковых клеток, которые делятся на внутренние и внешние (Рис.5 и Рис.6). Но как колебание ресничек производит электрические сигналы?

Оказывается, движение стериоцилий вызывает открытие и закрытие специальных ионных каналов на их поверхности (Рис.7). Каналы, открываясь, впускают ионы во внутрь, что изменяет электрический заряд внутри волосковой клетки. Изменения электрического заряда дают возможность волосковой клетке посылать электрические сигналы в мозг. Эти сигналы трактуются мозгом как звук. Проблема в том, что мы должны открывать канал для ионов и закрывать его со скоростью вплоть до самой высокой улавливаемой нами частоты звука - до 20 000 раз в секунду. Что-то должно открывать и закрывать миллионы этих каналов на поверхности ресничек со скоростью до 20 000 раз в секунду. Ученые обнаружили, что для этого к поверхностям стериоцилий прикреплена молекулярная пружина!!! (Рис.7.) Быстро растягиваясь и сжимаясь при колебании ресничек, она и обеспечивает такую высокую скорость открытия и закрытия каналов. Гениальный дизайн!

Слух человека: слушаем на самом деле мозгом

Улитка способна уловить каждый инструмент в оркестре и заметить пропущенную ноту, слышать каждый вздох и разобрать шепот - все с поразительной скоростью дискретизации до 20 000 раз за секунду. Мозг интерпретирует сигналы и определяет частоту, силу и значение сигналов. В то время как большое фортепиано имеет 240 струн и 88 клавиш, внутренне ухо имеет 24 000 "струн" и 20 000 "клавиш", которые позволяют нам слышать невероятное количество и разнообразие звуков.

Описанное выше - это только половина пути, так как самое сложное происходит в мозге, которым мы в действительности и "слышим". Наши уши достаточно чувствительны, чтобы услышать, как перо скользит по одежде, но при этом мы не слышим, как кровь идет через капилляры в нескольких миллиметрах от ушей. Если бы мы постоянно слышали наше дыхание, глотание слюны, каждое сердцебиение, движение суставов и т.д., мы никогда не смогли бы ни на чем сфокусироваться. Наш мозг автоматически приглушает некоторые звуки, в некоторых случаях он их вообще блокирует. Вдохните воздух и посмотрите, сможете ли вы его услышать. Конечно же, сможете, но вы обычно не слышите. За последние 24 часа вы вдохнули примерно 21 000 раз. Слуховая часть мозга человека работает как служба безопасности, слушая каждый звук и говоря, что нам нужно слышать, а что нет. Звуки могут также вызывать воспоминания.

Вывод

Очевидным есть тот факт, что все части уха необходимы для обеспечения слуха человека. Например, если все компоненты будут на месте, но не будет барабанной перепонки, то как звук перейдет к косточкам и улитке? Какой смысл тогда в наличии лабиринта, Кортиевого органа и нервных клеток, если звук к ним даже не дойдет? Если будет все на месте, включая перепонку, но будет отсутствовать "всего лишь" овальное окно или, скажем, жидкость в улитке, то слуха не будет, так как звук не сможет дойти до нервных клеток.

Отсутствие малейшей детали сделает нас глухими, а наличие всей остальной системы - бесполезной. Мало того, каждая "малейшая деталь" в этой цепочка в действительности сама является системой из множества составляющих. Барабанная перепонка, например, состоит из специальной живой ткани, креплений к молоточку, нервов, сосудов и т.д. Улитка - это лабиринт, тройное покрытие, три отдельных канала, разные жидкости, гибкие пластины протока и т.д.

Глупо верить, что такая удивительная сложность произошла случайно в результате пошаговой эволюции. Наблюдаемая сложность системы слуха у человека указывает на историческую реальность сотворения Адама Богом, как об этом и говорит Слово Божье. «Ухо слышащее и глаз видящий - и то и другое создал Господь» (Притчи 20:12).

В следующих выпусках мы продолжим исследование Божьего дизайна человеческого тела. Надеюсь, данная статья помогла вам глубже осознать Его мудрость и Его любовь к вам. «Славлю Тебя, ибо я чудно устроен, и душа моя вполне осознает это» (Псалом 138:13). Воздайте Богу хвалу и благодарность, ведь Он достоин!

Органы слуха

Процесс включает в себя восприятие, передачу и интерпретацию звука. Ухо улавливает и превращает слуховые волны в нервные импульсы, которые получает и интерпретирует мозг.

В ухе есть много такого, что не видно глазу. То, что мы наблюдаем, только часть внешнего уха - мясисто-хрящевой вырост, иначе говоря, ушная раковина. Внешнее ухо состоит из раковины и ушного канала, заканчивающегося у барабанной перепонки, которая обеспечивает связь между наружным и средним ухом, где располагается слуховой механизм.

Ушная раковина направляет звуковые волны в слуховой канал, наподобие того, как старинная слуховая труба направляла звук в ушную раковину. Канал усиливает звуковые волны и направляет их на барабанную перепонку. Звуковые волны, ударяясь о барабанную перепонку, вызывают вибрацию, передающуюся дальше через три маленькие слуховые косточки: молоточек, наковальню и стремечко. Они вибрируют по очереди, предавая звуковые волны через среднее ухо. Самая внутренняя из этих косточек, стремечко, - самая маленькая кость в организме.

Стремечко, вибрируя, ударяет мембрану, называемую овальным окном. Звуковые волны через нее идут во внутреннее ухо.

Что происходит во внутреннем ухе?

Там идет сенсорная часть слухового процесса. Внутреннее ухо состоит их двух основных частей: лабиринта и улитки. Часть, начинающаяся у овального окна и изгибающаяся наподобие настоящей улитки, действует как переводчик, превращая звуковые колебания в электрические импульсы, которые можно передать в мозг.

Как устроена улитка?

Она заполнена жидкостью, в которой как бы подвешена базилярная (основная) мембрана, напоминающая резиновую ленту, прикрепленную концами к стенкам. Мембрана покрыта тысячами крошечных волосков. У основания этих волосков расположены маленькие нервные клетки. Когда вибрации стремечка задевают овальное окно, жидкость и волоски приходят в движение. Движение волосков стимулирует нервные клетки, которые посылают сообщение, уже в виде электроимпульса, в мозг через слуховой, или акустический, нерв.

Лабиринт - это группа трех взаимосвязанных полукружных каналов, контролирующих чувство равновесия. Каждый канал заполнен жидкостью и расположен под прямым углом к остальным двум. Так что, как бы вы ни двигали головой, один или больше каналов фиксируют это движение и передают информацию в мозг.

Если вам случалось застудить ухо или сильно высморкаться, так что в ухе "щелкает", то появляется догадка - ухо каким-то образом связано с горлом и носом. И это верно. Евстахиева труба напрямую соединяет среднее ухо с ротовой полостью. Ее роль - пропускать воздух внутрь среднего уха, уравновешивая давление по обе стороны барабанной перепонки.

Нарушения и расстройства в любой части уха могут ухудшить слух, если они влияют на прохождение и интерпретацию звуковых колебаний.

Давайте проследим путь звуковой волны. Она попадает в ухо через ушную раковину и направляется по слуховому каналу. Если раковина деформирована или канал перекрыт, затрудняется путь звука к барабанной перепонке и снижается слуховая способность. Если звуковая волна благополучно добралась до барабанной перепонки, а она повреждена, звук может не достичь слуховых косточек. Любое расстройство, не дающее косточкам вибрировать, помешает звуку попасть во внутреннее ухо. Во внутреннем ухе звуковые волны вызывают пульсацию жидкости, приводящую в движение крошечные волоски в улитке. Повреждение волосков или нервных клеток, с которыми они соединены, помешает превращению звуковых колебаний в электрические. Но, когда звук благополучно превратился в электрический импульс, он еще должен достичь мозга. Понятно, что повреждение слухового нерва или мозга скажется на способности слышать.

Отчего же случаются такие расстройства и повреждения?

Причин много, мы еще обсудим их. Но чаще всего виноваты посторонние предметы в ухе, инфекции, болезни ушей, другие болезни, дающие осложнения на уши, травмы головы, ототоксичные (т.е. ядовитые для уха) вещества, изменения атмосферного давления, шум, возрастная дегенерация. Все это вызывает два основных типа потери слуха.

Потеря слуха, причины, лечение, подробнее... http://www.medeffect.ru/lor/#hear

Как мы слышим

Итак, мы рассказали Вам о строении органов речи человека. Вы узнали, как с помощью голосовых связок речь наполняется звуком, а также познакомились с фонемной и дифонной моделями речи.

Наибольший объем информации об окружающем мире человек (и животные) получает через глаза и уши. Наличие пары ушей обеспечивает «стереофонический слух», с помощью которого человек может быстро определять направление на источник звука.

Уши воспринимают колебания воздуха и превращают их в электрические сигналы, поступающие в мозг. В результате обработки по неизвестным нам пока алгоритмам эти сигналы превращаются в образы. Создание таких алгоритмов для компьютеров и есть научная задача, решение которой необходимо для разработки по-настоящему хорошо работающих систем распознавания речи.

В оставшейся части первой главы нам предстоит узнать, как работают органы слуха человека, позволяющие ему слышать речь и различные звуки. Изучение внутреннего уха помогает исследователям понять механизмы, с помощью которых человек способен распознавать речь, хотя это и не так просто. Как мы уже говорили, многие изобретения человек подсматривает у природы. Такие попытки предпринимаются и специалистами в области синтеза и распознавания речи.

Читателей, интересующихся деталями анатомии, мы отправляем к . Там Вы найдете полное описание устройства уха и всевозможные медицинские подробности, далеко выходящие за рамки нашей книги.

Строение уха

Чтобы увидеть внутреннее строение человеческого уха, нужно обратиться к анатомическому атласу. На рис. рис. 1-6 мы показали в разрезе наиболее важные части человеческого уха.

Рис. 1-6. Внутренняя структура уха

Студенты-медики, изучавшие анатомию, хорошо знают, что анатомическое ухо делится на три части:

· наружное ухо;

· среднее ухо;

· внутреннее ухо.

Наружное ухо

Наружное ухо Вы можете изучить самостоятельно при помощи зеркала. Оно состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода.

Функционально наружное ухо предназначено, во-первых, для улавливания и фокусировки звуковых волн (что нужно для улучшения слуха), и, во-вторых, для защиты среднего и внутреннего уха от механических повреждений. Что же касается преобразования звуковых колебаний воздуха в электрические импульсы, то наружное ухо не имеет к этому процессу никакого отношения.

Среднее ухо

Внутреннее строение среднего уха показано на рис. 1-7. Среднее ухо герметично отделено от наружного уха барабанной перепонкой. Таким образом, когда вода попадает к Вам в ухо, она может залить только наружное ухо, но дальше она не пройдет.

Толщина барабанной перепонки всего 0.1 мм, и ее легко повредить. Поэтому относитесь серьезно к советам врачей, и никогда не вставляйте в уши посторонние предметы.

Рис. 1-7. Среднее ухо

Внутренняя область среднего уха, называемая барабанной полостью, соединена при помощи евстахиевой трубы с носоглоткой. Это позволяет поддерживать давление внутри барабанной полости, равному внешнему атмосферному давлению.

Воздух попадает в барабанную полость через евстахиеву трубу, когда человек глотает. Пре резком изменении внешнего давления (например, в самолете) появляется давящее ощущение в ушах. Однако стоит сделать несколько глотков - и проблем исчезнет, так как давление уровняется через евстахиеву трубу.

В барабанной полости находится система так называемых слуховых косточек, состоящая из молоточка, наковальни и стремени. Эти косточки связаны между собой в единую подвижную цепь, состоящую из рычагов.

Задача системы слуховых косточек заключается в передаче звуковых колебаний от барабанной перепонки в область внутреннего уха.

Внутреннее ухо

Внутреннее ухо представляет наибольший интерес для специалистов по распознаванию речи, так как именно оно ответственно за преобразование звуковых колебаний в электрические импульсы.

Внутреннее ухо заполнено жидкостью. Оно состоит из двух частей: вестибулярного аппарата и улитки. Свое название улитка получила из-за своей формы - улитка свернута спирально, наподобие раковины обычной улитки.

Механизм функционирования внутреннего уха достаточно сложен и описан в . Важно, что внутри улитки имеются чувствительные волоски, «подключенные» при помощи нервов к головному мозгу (рис. 1-8).

Рис. 1-8. Чувствительные волоски внутри улитки

Улитка разделена эластичной перегородкой на два канала, заполненных жидкостью. В этой перегородке и находятся упомянутые выше чувствительные волоски и нервы.

Частотный диапазон звуковых колебаний

Согласно , человеческое ухо воспринимает звуковые волны длиной примерно от 1,6 см до 20 м, что соответствует частотному диапазону 16-20 000 Гц. Животные могут слышать звуки более низкой или более высокой частоты. Так, например, дельфинам и летучим мышам доступно общение при помощи ультразвука, а китам - инфразвука. Поэтому человек не слышит весь частотный диапазон звуков, издаваемых этими и некоторыми другими животными.

Что же касается человеческой речи, то ее частотный диапазон 300-4000 Гц. Надо заметить, что разборчивость речи останется вполне удовлетворительной при ограничении этого диапазона до 300-2400 Гц. Когда мы занимались любительской радиосвязью, то добавляли в приемники соответствующие полосовые фильтры, улучшающие прием в условиях помех. Надо сказать, что частотный диапазон обычных телефонных каналов тоже не слишком широкий, однако это не сказывается заметным образом на разборчивость речи.

Сказанное означает, что для улучшения качества распознавания речи компьютерные системы могут исключить из анализа частоты, лежащие вне диапазона 300-4000 Гц или даже вне диапазона 300-2400 Гц.

В ЗДОРОВОЙ КОЖЕ - ЗДОРОВЫЙ СЛУХ.
"Слышал звон - да не знает где он..."