Слышать — значит касаться: как ваше ухо превращает вибрацию в мысль

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Статья | Наука и космос

Что делает нас живыми? Во многом — наша способность ощущать мир. Мы постоянно улавливаем сигналы извне: свет, запахи, прикосновения, звуки. Из этих сигналов наш мозг строит картину реальности. Чтобы понять, как это работает, не нужно сразу штурмовать проблему сознания. Достаточно разобрать один из самых точных механизмов восприятия — наш слух. Окажется, что слышать — значит осязать мир на молекулярном уровне.

Жест, знакомый каждому. Но как простое колебание воздуха превращается в мысль? Ответ скрыт в сложнейшем молекулярном механизме внутри нашего уха.
Автор: JoanDragonfly Источник: commons.wikimedia.org

Что такое звук? Просто вибрация

Звук — это механическая волна, которая бежит по воздуху. Когда вибрирует струна гитары, она толкает молекулы воздуха, создавая волны сжатия и разрежения. Эти волны расходятся от источника. Их главная черта — частота, или количество колебаний в секунду. Частота и определяет высоту звука.

Мы измеряем её в герцах (Гц). Например, нота «Ля» первой октавы (A4), по которой настраивают оркестры, имеет частоту 440 Гц. Значит, воздух рядом с вашим ухом колеблется 440 раз в секунду. Высокие звуки создаются быстрыми колебаниями, низкие — медленными.

Путь звука в голову

Как эти колебания воздуха становятся сигналом для мозга? Звук проходит три этапа:

  • Снаружи. Ушная раковина ловит звуковую волну и направляет её в слуховой проход. В конце прохода волна ударяет в барабанную перепонку и заставляет её вибрировать.
  • В середине. За барабанной перепонкой работает система усиления, состоящая из трех самых маленьких костей в теле человека: молоточка, наковальни и стремечка. Они работают как рычаги, усиливая слабые вибрации воздуха примерно в 20 раз. Это нужно, чтобы передать сигнал из воздуха в жидкость, которая находится дальше.
  • Внутри. Стремечко толкает мембрану улитки — спирального костного канала, заполненного жидкостью. Именно здесь механическое движение превращается в электрический сигнал.
Анатомический путь звука. Именно в этом механизме, от барабанной перепонки до улитки (фиолетовая спираль), механическое колебание воздуха превращается в сигнал, который мозг сможет «понять».
Автор: Lars Chittka; Axel Brockmann Источник: commons.wikimedia.org

Клетки, которые слышат

Внутри улитки на гибкой мембране сидят ряды особых клеток — волосковых. Это главные рецепторы слуха. На верхушке каждой клетки растет пучок «волосков» разной высоты, которые называются стереоцилиями.

Когда жидкость в улитке колеблется от звука, она заставляет стереоцилии отклоняться. Это физическое движение запускает всю цепочку дальнейших событий. Как именно, стало понятно благодаря исследованиям А. Дж. Хадспета, который в 1970-х смог детально изучить эти клетки. Но главный секрет скрывался в молекулах, связывающих волоски.

Молекулярное рукопожатие

Верхушка каждого короткого волоска соединена с боком соседнего, более высокого, тоненькой белковой нитью. Эта нить называется концевой связью. Без неё слух невозможен.

Разгадка пришла из генетики. Учёные заметили, что мутации в генах, кодирующих белки протокадгерин 15 (PCDH15) и кадгерин 23 (CDH23), вызывают тяжелые формы наследственной глухоты, например, синдром Ашера. Стало ясно: эти два белка и формируют ту самую концевую связь. Они цепляются друг за друга, создавая прочное и гибкое «рукопожатие» между волосками.

Процесс механотрансдукции в волосковой клетке. 1. В состоянии покоя концевая связь (Tip link) не натянута, и ионный канал закрыт. 2. Связь состоит из белков (включая Кадгерин 23), которые соединяют соседние стереоцилии. 3. Отклонение пучка волосков в сторону самого высокого натягивает концевую связь, физически открывая ионный канал. 4. Ионы калия (K⁺) и кальция (Ca²⁺) устремляются в клетку, вызывая её деполяризацию — электрический сдвиг, который и запускает нервный импульс.
Автор: Cochleae Источник: commons.wikimedia.org

Как движение становится сигналом

Когда звуковая волна отклоняет пучок стереоцилий, концевые связи натягиваются. Это натяжение — крошечная физическая сила — тянет за собой мембрану клетки в точке крепления. Прямо там находится белок-канал TMC1.

Натяжение буквально оттягивает «дверцу» этого канала. Внутреннее ухо заполнено особой жидкостью, эндолимфой, в которой очень много ионов калия (K⁺). Как только канал открывается, ионы калия лавиной устремляются внутрь клетки, где их концентрация гораздо ниже.

Приток положительных зарядов мгновенно меняет электрический потенциал клетки. В ответ клетка выбрасывает химические вещества — нейромедиаторы, которые активируют прикреплённый к ней нейрон. Так рождается нервный импульс, который по слуховому нерву отправляется в мозг.

Слух — это осязание

В итоге слух перестаёт быть чем-то абстрактным. Мы буквально осязаем вибрации мира на уровне отдельных молекул. Каждая волосковая клетка — это сверхчувствительный тактильный датчик, настроенный на свою частоту.

Каждый звук, от шёпота до раската грома, — это физическое прикосновение, которое наш мозг расшифровывает благодаря элегантному молекулярному механизму. И понимание этого делает обыденный процесс слуха ещё более впечатляющим.

Изображение в превью:
Автор: JoanDragonfly
Источник: commons.wikimedia.org
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
О разном интересном.

4 комментария

Добавить комментарий

A
Существуют еще уникальные гуманитарии, которые слышат запахи.
a
— Слышишь, цветы пахнут?
— Слышу, не глухой.
BehemothCat
Трэш какой-то 🤦‍♂️

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему в России между столицами, Москвой и Санкт-Петербургом, такая низкая плотность населения

Вопрос о неравномерном распределении населения в России — всегда одна из актуальных тем, вызывающих дискуссии и споры. Особенно заметно (без учета влияния климата) это на примере...

От LUCA до человека: как механизм выживания первых клеток Земли управляет метаболизмом сегодня

Синтез белка — самый ресурсоемкий биохимический процесс в любой живой клетке. Когда питательные вещества во внешней среде заканчиваются, клетка сталкивается с физической необходимостью...

Почему нельзя держать рыб в круглом аквариуме? 5 причин выбрать другую форму

Круглый аквариум выглядит эффектно: прозрачный шар, минимализм, «золотая рыбка из детства». Он часто появляется в фильмах, рекламе и интерьерах как символ стиля и простоты. Но за этой эстетикой...

В Музее Времени и Часов открылась «секретная» выставка: здесь показывают опытные образцы легендарного НИИ Часпром

Несмотря на то, что фактически НИИ Часпром существует и в наши дни, аббревиатура для многих даже часовых любителей - загадка. Мало кто знает или помнит, что научно исследовали...

Если магнитный щит Земли снова упадет до 5%: как повторение магнитной аномалии Лашамп повысит облучение экипажей самолетов в 75 раз

На высотах от 10 до 12 километров, где пролегают маршруты современных коммерческих авиалайнеров, плотность атмосферы значительно ниже, чем на уровне моря. Из-за этого самолеты и их пассажиры...