Любой звук, достигший нашего уха, легко изобразить графически, превратив его в тоненькую кривую, висящую на осях координат. А можно придать ему магическую силу, точно выразившуюся в стихах Владимира Высоцкого: «Сквозь меня, многократно просеясь, чистый звук в ваши души летел...» Поразительно, как эта безликая и в то же время загадочная морзянка доходит до человеческого сознания, обращается в слова, музыку, заставляет нас смеяться, сжимает сердце, бередит душу.
Человек воспринимает звук через 35—175 миллисекунд после того, как он дошел до ушной раковины. Еще 180—500 миллисекунд нужно уху, чтобы «настроиться» на его прием, достичь максимальной чувствительности и послать сигналы в кору головного мозга.
Так ли важна для слуха ушная раковина — хрящевая пластинка, обтянутая с обеих сторон кожей?
Низшие животные довольствуются защитными кожными складками, прикрывающими слуховой проход. Крокодилам они помогают во время погружения в воду: ими удобно «затыкать уши». У аиста, утки, воробья аналогичную роль выполняет пленка. Собака, прислушиваясь, «играет ушами», поднимая, опуская или отводя их в стороны. Определяя направление шума, шевелят ушами лошадь и еж, олень и кролик, у которого они бывают длиной более 60 сантиметров. А воронкообразные уши африканского носорога действуют независимо друг от друга: стараясь распознать шорохи спереди и сзади, он одновременно отводит одно ухо вперед, а другое назад.
Ушную раковину человека долгое время считали рудиментом. От травм она особо не защищает, рупорная функция слабая: чтобы обострить слух, лучше приставить к уху ладонь
или рожок. Да и двигать ушами, как многие животные, человек почти не может. Значит, естественный отбор способен на излишества и абсурды? Но природа лишнюю клетку не потерпит в организме, если та утратила свои функции.
В процессе эволюции нервной системы от низших позвоночных к высшим головной мозг постепенно завоевывал первенство, развиваясь, по-видимому, в основном для «обслуживания» органов чувств. Ведь сенсорные сигналы должны вызывать реакцию через какой-то единый контролирующий орган. Соответственно с этим непрестанно перемещались рецепторные аппараты и совершенствовались регулируемые ими функции. Благодаря чему мобильное наружное ухо животного сменяется у человека неподвижной ушной раковиной.
Ухо не ограничивается только передачей звуковых раздражений. Ученые считают, что оно служит (пока малоизвестно, каким образом) пространственной ориентации. Если исключить ушную раковину из системы звукопроведения, вставив в слуховой проход трубочку, выступающую за пределы уха, человек полностью лишится способности различать источник звука в вертикальной плоскости. Насколько это важно, мы еще расскажем. Добавим лишь: на эту способность влияет также изменение угла, под каким раковины расположены относительно головы, что бывает при косметологических операциях, когда реконструируют оттопыренные уши.
Среди замысловатых бугорков наружного уха, напоминающих зыбучие холмы пустыни, особо выделяется козелок (именно он становится очень болезненным при воспалении уха). От козелка углубляется в височную кость овальный слуховой проход. Длина его 2,7 сантиметра, что на 15 миллиметров меньше спички, которой иногда ковыряют в ушах. Он выстлан нежной кожей, а перепончато-хрящевая часть, переходящая затем в костную и занимающая примерно одну треть длины, снабжена волосами, сальными и серными железами.
Слуховой проход «знаменит» не только выработкой серы. Он прекрасно усиливает звуковые волны, из-за чего интенсивность звука у барабанной перепонки повышается. С физической точки зрения это объясняется резонансными свойствами прохода, прежде всего низкой жесткостью его стенок, что обусловливает малое отражение и большое поглощение всепроникающего звука.
Барабанная перепонка замыкает собой туннель слухового прохода. Несмотря на то что толщина ее всего одна десятая миллиметра, она довольно многослойна и включает в себя эпидермис, слизистую оболочку и различные волокна. Все эти наслоения придают ей перламутрово-серый цвет, хорошо различимый через увеличительное стекло. Перепонка имеет такую же форму, что и слуховой проход: большой ее диаметр равен 9,5 — 10 миллиметрам, а малый — 8,5 — 9. И она всегда, если, конечно, здорова, чуть прогибаясь, вибрирует в звуковом потоке, словно клавиша музыкального инструмента под гибкими, тонкими пальцами виртуозного мастера.
Перепонка — непроницаемый барьер между ухом наружным и ухом средним, или, как еще говорят, барабанной полостью, которая весьма мала — объемом около 1 кубического сантиметра: здесь едва поместится ягодка черной смородины. Полость встроена в височную кость и с одной стороны сообщается с сосцевидным отростком, а с другой (через слуховую, или евстахиеву, трубу) — с носоглоткой.
Сосцевидный отросток начинает развиваться на втором году человеческой жизни в результате расплавления эпителием костномозговой ткани. Процесс продолжается до тех пор, пока растет кость. Задержка может возникнуть из-за нарушения питания и обмена веществ в раннем детском возрасте. Сосцевидный отросток и входящие в него воздухоносные клетки, самая крупная из которых — пещера, или антрум, полезной функции как будто не имеют. От пещеры, например, пытались избавиться, забивая ее хрящем или костью. Слух не становился хуже, но проходило время, и полость образовывалась вновь. Явление так и не разгадано до сих пор.
В сосцевидном отростке довольно много различных пустот, наполненных воздухом. Некоторые из них близко прилегают к твердой мозговой оболочке, находясь от нее буквально в миллиметре. У новорожденных в одном месте даже есть незакрытая щель, чем объясняются нередко мозговые симптомы при остром воспалении среднего уха.
Вентилирует воздухоносные клетки слуховая труба длиной около 3,5 сантиметра. Она служит своеобразной «форточкой» для барабанной полости и открывается в момент глотания. Если 2—3 дня не глотать, возникает отрицательное давление, и слизь, несмотря на то что реснички эпителия трубы движутся в сторону носоглотки, может проникнуть в стерильное среднее ухо, вызвав нежелательные процессы.
Труба помогает и во время полета на самолете. При посадке резкое повышение внешнего давления действует на перепонку, болезненно втягивая ее в барабанную полость, где давление меньше. Чтобы выравнить его, человек усиленно глотает...
Однако мы совсем забыли о звуке, потеряв его где-то в тканях барабанной перепонки. Чтобы провести звук дальше, природа создала цепочку из трех элегантных косточек, названия которых больше говорят о хорошем воображении их авторов, чем о существе дела. Ибо молоточек, прикрепленный к перепонке, вовсе не стучит но наковальне, а та, в свою очередь, не терзает ударами стремя. Скорее всего эта система походит на идеальный механизм, где молоточек и наковальня — рычаги, а стремя — своеобразный поршень, перемещающийся в следующем разделе уха — улитке.
Все эти косточки связаны между собой прочными сочленениями и поддерживаются на весу двумя мышцами. Одна соединена с барабанной перепонкой, другая — со стременем.
При громких звуках, перегружающих улитку или внутреннее ухо, мышцы натягивают косточки, мешая им свободно колебаться, что сдерживает силу волны, защищая слуховой аппарат от травмы. Когда же звуки тихие, мышцы раскачивают косточки и тем самым усиливают сигналы. Примерно так же реагирует на свет наш зрачок: при слабом освещении он расширяется, при ярком — сужается.
Интенсивность звука повышается примерно в 22 раза еще благодаря разнице площадей между барабанной перепонкой (90 квадратных миллиметров) и основанием стремени (3 квадратных миллиметра). Это легко проверить, если выключить ухо из звуковой игры, плотно закупорив слуховой проход. Острота слуха снизится на ту же цифру. Такова, можно сказать, «звуковая цена» среднему уху. Но и без него не наступает полной глухоты. Если приспособить за ушной раковиной слуховой аппарат, то звук достигнет рецепторных зон улитки через ткани и кости. Внешне она похожа на знакомую всем речную или морскую улитку. Только в ушной спиральная полость (два с половиной оборота) разделена перепончатой мембраной на два несообщающихся канала, заполненных жидкостью — перелимфой.
Трудолюбивое стремя, колеблющееся в овальном окне одного из каналов, вызывает звуковые волны, они в свою очередь заставляют вибрировать мембрану. А чтобы такие движения были свободны (ведь жидкость не сжимается, а улитка не растягивается), в другом канале есть круглое окно, закрытое гибкой перепонкой.
Заманчиво, конечно, представить эластичные волокна мембраны в виде струн Эоловой арфы, колеблющихся в такт звуковым волнам. Но все сложнее.
Вдоль мембраны, ширина которой постепенно сужается от нижнего спирального завитка к верхнему, расположено около 30 тысяч чувствительных рецепторов — отростков волосковых клеток. Они объединены под общим названием — кортиев орган. Тут представлен весь звуковой регистр: от высоких у овального окна до низких на верхушке улитки. Именно в этом анализаторе звуков, обладающих несомненным «интеллектом», происходит первое осмысление механических колебаний.
При движении мембраны вибрирует и кортиев орган, а вместе с ним отростки волосковых клеток. Существует предположение, что они задевают еще одну мембрану, как бы покрывающую основную. И такое касание превращает физическую энергию в нервный импульс. Внутреннее ухо, следовательно, играет роль живого микрофона, трансформирующего звуковые колебания в электрические. Если отвести от него токи, возникающие при воздействии звука, к телефону, то он воспроизведет сигналы с большой точностью.
Каждая клеточка кортиева органа, очевидно, обладает определенной частотой и передает свой биоток на покровную мембрану, а от нее по отдельным волокнам слухового нерва — в ядро слухового анализатора, который находится в коре височных долей больших полушарий мозга. Здесь осуществляется высший анализ и синтез звуковых раздражений.
Остается удивляться, почему природа «сконструировала» млекопитающим (и человеку в том числе) такой сложный механизм для проведения звука. У птиц он состоит всего лишь из одной косточки — «колумеллы». А у кузнечика воздушные колебания переходят в электрические импульсы сразу через чувствительные клетки, расположенные у основания перепонки. И тем не менее такой простой слуховой аппарат облегчает насекомому жизнь. Уши его находятся в голенях передних ног. Когда он движется по направлению к источнику звука, ноги совершают дугообразные движения, слуховые органы как бы сканируют пространство по обе стороны от кузнечика. Нервная система анализирует поступающую информацию и точно указывает путь.
Гибкая акустическая система у лягушки. На воздухе она слышит при помощи барабанной перепонки. Под водой звуковые волны в ее внутреннее ухо проводит жидкая среда организма.
Когда-то примерно так воспринимали сигналы древние бесчелюстные рыбы, от которых человек «получил» слуховой аппарат. У них «в ухе» не было ничего, кроме органа равновесия. Эта изогнутая полость в черепе, наполненная жидкостью, всего лишь помогала рыбам не переворачиваться. Потом появились рыбы с воздушным плавательным пузырем. Крутизна его стенок способствовала наибольшему резонированию волн сверхнизких частот, орган равновесия стал, наверное, обладать и слухом.
Когда предки земноводных выбрались на сушу, они столкнулись с проблемой, которую инженеры называют «несогласованием сопротивлений». Теперь реакцию в слуховом механизме начали вызывать воздушные звуковые волны, что привело к развитию из жаберной щели специальной (барабанной) полости. В ней из костей рыбьей челюсти образовалась сначала одна, а затем три звуковые косточки. У млекопитающих они сделались частью так называемого среднего уха. Взаимодействуя с новым приспособлением — барабанной перепонкой, косточки соединились с улиткой. Слуховой аппарат человека завершил собой цепочку превращений.
А что же орган равновесия, или, как его еще называют, вестибулярный аппарат? Он прекрасно служит человеку. Три полуокружных канала, из которых состоит аппарат, заполнены жидкостью, по составу близкой к спинномозговой. Эти петли, объединенные общей емкостью (преддверием), расположены в разных плоскостях: одна — в горизонтальной, другая — во фронтальной, поперек черепа, и последняя — в сагиттальной, вдоль черепа.
Как только человек меняет положение тела в пространстве, жидкость тут же перемещается, причем в том канале, в плоскости которого возникло движение. Его чувствительные рецепторы моментально реагируют на такое изменение и «телеграфируют» в мозг.
Орган равновесия позволяет четко воспринимать любые угловые и прямолинейные ускорения нашего тела при подъеме и спуске. В момент вращения первыми приходят в движение стенки каналов, а жидкость запаздывает. После остановки она в отличие от других тканей продолжает движение по инерции.
Мы ощущаем это каждый раз, переставая вращаться: все вокруг еще некоторое время кружится.
В нормальных условиях рецепторы каналов посылают импульсы одинаковой силы к ядрам вестибулярного и глазодвигательных нервов, к мозжечку, спинному мозгу и в кору головного. Уравновешивая друг друга, они поддерживают эти центры в стабильном тонусе. При раздражении одного из каналов сигналы, идущие от него, усиливаются и берут верх над другими. В результате нарушается равновесие.
Нарушение функции органа равновесия происходит при заболевании внутреннего уха, мозжечка и других. Человек не может ни стоять, ни сидеть. Пытаясь встать с постели, он обязательно упадет. Естественно, пройтись по бревну и тем более по проволоке он не в состоянии.
Проверьте себя. Если вы устояли минуту с закрытыми глазами:
— на ровном месте, поставив ступни друг за другом,
— на наклонной плоскости,
— или прошли, не отклоняясь, по прямой линии вперед и назад, значит, ваш орган равновесия в порядке.