XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Не все люди одинаково реагируют на различные звуковые частоты. Это зависит от множества индивидуальных факторов: возраста, пола, наследственности, наличия слуховой патологии и проч. Процент людей, у которых верхняя граница частотного диапазона слуха лежит выше 20 кГц, довольно велик. Значения диапазона слышимости человека лежат в пределах 16 Гц – 20 кГц. В исследованиях [1] верхняя частотная граница слуха может составлять 23 кГц, что превышает норму на 3 кГц и попадает в диапазон ультразвуковых частот. А может ли человек слышать ультразвук и будет ли ему полезна такая способность? Ответ на этот вопрос стал целью данной исследовательской работы. Способом решения стало проведение сравнительного анализа анатомического строения слухового аппарата человека и животных, использующих в своей жизни ультразвук. Для сравнения были выбраны группы животных: которые могут слышать ультразвук (собака); слышать и издавать ультразвук (птицы): животные (наземные), использующие систему эхолокации (летучие мыши); животные (подводные) использующие систему гидролокации (китообразные).

Вначале необходимо разобрать анатомию слухового аппарата человека, который состоит из трех частей: наружной; средней; внутренней Рис.1 (справа) (термины на всех рисунках переведены на латинский язык).

Рис. 1. Аналитическое сравнение анатомического строения слухового аппарата человека (справа) и собаки (слева): 1 – ушная раковина (auricula); 2 – наружный слуховой проход (meatusacusticusexternus); 3 – барабанная перепонка (membranatympani); 4 – барабанная полость (cavitastympanica); 5 – евстахиева труба (tubaauditiva (Eustachii)); 6 – барабанный пузырь (bullatympanica); 7 – молоточек (malleus); 8 – наковальня (incus); 9 – стремя (stapes); 10 – улитка (cochlea); 11 – слуховой нерв (nervusacusticus).

Наружная часть уха: состоит из внешнего слухового прохода и ушной раковины. Ушная раковина представляет собой очень упругий и эластичный хрящ, который покрыт кожей. Основные элементы ушной раковины – козелок и противокозелок, завиток, его ножка и противозавиток. Ее главная функция – прием различных звуковых колебаний и дальнейшая их передача в среднее, а потом во внутреннее ухо человека и затем в мозг. Благодаря специальным завиткам ушной раковины звук воспринимается в том виде, в котором он издается изначально. Далее волны попадают во внутреннюю часть раковины, то есть в наружный слуховой проход. Наружный слуховой проход выстлан кожей, покрытой огромным количеством сальных и серных желез, помогающих защищать человеческое ухо от разного рода механических, термических и химических воздействий. Слуховой проход заканчивается барьером - барабанной перепонкой. Когда ушная раковина улавливает звуковые волны они ударяются о барабанную перепонку и она совершает колебания. Так сигнал поступает в среднее ухо [2].

Среднее ухо: состоит из крохотной барабанной полости. Внутри полости располагаются три важные косточки: молоточек, стремечко и наковальня. Молоточек имеет крохотную рукоятку, с ее помощью он сообщается с барабанной перепонкой. Его головка соединяется с наковальней, которая связана со стремечком. Стремечко закрывает овальное окошко во внутренне ухо. С помощью этих трех косточек, самых мелких во всем скелете, и передаются звуковые сигналы от барабанной перепонки к улитке во внутреннем ухе. Данные элементы немного усиливают звук, чтобы он звучал четче и насыщенней. С помощью евстахиевой трубы среднее ухо соединяется с носоглоткой. Главной функцией данной трубы является поддержание равновесия между атмосферным давления и тем, которое возникает в барабанной полости. Это позволяет более точно передавать звуки [2].

Внутренняя часть уха: Строение внутреннего уха человека самое сложное во всем слуховом аппарате, и этот отдел играет самую важную роль. Находится он в каменистой части височной кости. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов. Небольшая полость неправильной формы является преддверием. Его латеральная стенка имеет два окна. Одно – овальной формы, открывается в преддверие, а второе, имеющее круглую форму, в спиральный канал улитки. Сама улитка, представляющая собой трубочку в виде спирали, имеет длину 3 см и ширину 1 см. Внутренняя ее часть заполнена жидкостью. На стенках улитки находятся волосковые клетки повышенной чувствительности. Они могут иметь вид цилиндров или колбочек. Внутреннее ухо включает в себя полукружные каналы. Они представляют собой три трубки, изогнутые в форме дуги, и начинаются и заканчиваются в маточке. Находятся они в трех плоскостях, их ширина – 2 мм. Каналы имеют названия: сагиттальный; фронтальный; горизонтальный. Преддверие и каналы являются частью вестибулярного аппарата, позволяющего нам держать равновесие и определять положение тела в пространстве.  В жидкость, находящуюся в полукружных каналах, погружены волосковые клетки. При малейшем перемещении тела или головы жидкость движется, надавливая на волоски, благодаря чему в окончаниях вестибулярного нерва образовываются импульсы, которые мгновенно попадают в мозг. Энергия звука, который попал во внутреннее ухо и ограничен стенкой костной улитки и основной мембраны, начинает преобразовываться в импульсы. Для волокон характерны резонансные частота и длина. Короткие волны имеют 20000 Гц, а самые длинные – 16 Гц. Поэтому каждая волосковая клетка настроена на определенную частоту. Есть некая особенность в том, что на низкие частоты настроены клетки верхней части улитки, а на высокие – клетки нижней части улитки. Звуковые колебания распространяются мгновенно. Этому способствуют особенности строения человеческого уха. В результате возникает гидростатическое давление. Оно способствует тому, что покровная пластинка кортиева органа, расположенного в спиральном канале внутреннего уха, сдвигается, из-за чего нити стереоцилии, которые и дали название волосковым клеткам, начинают деформироваться. Они возбуждаются и передают информацию с помощью первичных сенсорных нейронов. Ионный состав эндолимфы и перилимфы, особых жидкостей в кортиевом органе, образует разницу потенциалов, которая достигает 0,15 В. Благодаря этому мы можем расслышать даже небольшие звуковые колебания [2].

Слуховой анализатор в ходе эволюции приобрел массу вариаций внешнего и внутреннего строения, в зависимости от степени потребности в восприятии ультразвука, то важно будет рассмотреть несколько живых организмов с различной организацией органа слуха и выделить их отличительные особенности.

Основные характеристики слуховой способности у собаки

Ухо собаки в состоянии воспринимать звуки в четыре раза быстрее, чем ухо человека и благодаря своей структуре, способно улавливать ультразвук, до 40 000 Гц. Различаясь по толщине, размеру и морфологии ушного хряща, существуют различные формы ушей, характерные для отдельных пород собак. Различают наружное, среднее и внутреннее ухо Рис. 1(слева).

Внутреннее ухо: ухо включает в себя костный и перепончатые лабиринты. Именно они являются рецепторами слуха. Костный лабиринт по своему строению напоминает совокупность полостей в области висков. Перепончатый лабиринт состоит из мембран и находится внутри костного лабиринта [3].

Среднее ухо: состоит из барабанной перепонки и барабанной полости, где расположены три важных слуховых элемента: молоточек, стремечко и наковальня. Они выполняют функцию рычагов в слуховом механизме передачи звуков. Три элемента соединены друг с другом так, что при попадании звука в ушную раковину, они производят вибрации, переходящие затем в барабанную перепонку [3].

Наружное ухо: представляет ушная раковина. Она выполняет функцию звукового локатора и имеет хрящевидную структуру, покрытую кожей и мышцами. Внутри наружного слухового прохода температура и влажность стабильны. Так, собаки слышат частоты от 18 до 80 000 Герц. Кроме того, они способны дифференцировать до 9 000 различных по высоте звуков и ощущать силу звука от 0,1 до 120 децибел. Собаки слышат звуки средней силы на расстоянии до 40 - 50 м (человек 6 - 10 м), а в ночной тишине различают шорохи на расстоянии до 150 метров [3].

В целом собачий слуховой аппарат сходен по своему строению с человеческим, но имеет некоторые отличия при восприятии ультразвука:

- длина слухового канала, которая намного больше, чем у человека;

- значительно больше (чем у человека) барабанная полость, что позволяет максимально защитить барабанную перепонку и обеспечить уникальную остроту слуха у собаки;

- размер ушей влияет на качество восприятия звуков: чем длиннее и шире ухо, тем лучше у собаки слух;

- собака отлично управляет ушными мышцами, тогда как для людей это рудимент;

- собака, прислушиваясь, поворачивает не только голову, но и ушные раковины в сторону звука. Это позволяет ей определять направление с точностью до 3 градусов.

Слух птиц

Наружных ушных раковин, в отличие от млекопитающих, у птиц нет. Правда, у сов и луней есть особые складки кожи, покрытые перьями, заменяющую им наружную ушную раковину – лицевой диск, причем перья диска подвижны, что позволяет регулировать режим приема звуковых сигналов. Ушные отверстия птиц расположены по бокам головы, а у некоторых видов сов слуховые проходы расположены ассиметрично, что улучшает лоцирование высокочастотных звуков. Сверху слуховой проход прикрыт перьями особой структуры. В среднем ухе птиц, как и у рептилий, есть одна слуховая косточка (в отличие от млекопитающих, у которых их три), примечательно, что у сов слуховая косточка расположена несколько эксцентрично – это усиливает давление. Она передает колебания звука от барабанной перепонки во внутреннее ухо – к овальному окну, в жидкость, которая заполняет улитку. Такая «поршневая» передача кажется неэффективной по сравнению с человеческим средним ухом, где косточки соединяются, как рычаги, но только на первый взгляд. Слух у птиц не хуже благодаря множеству мелких преобразований. Слуховой проход обычно шире, чем у млекопитающих сходного размера, имеет большой объем и сложный рельеф, а барабанная перепонка обширнее. Отношение площадей барабанной перепонки и основания стремечка составляет 30 - 40 (у человека 14 - 18) – это усиливает звуковое давление и способствует различению звуков по высоте (Рис. 2). Далее звуковые колебания распространяются в жидкости, заполняющей внутреннее ухо, и воспринимаются чувствительными волосковыми клетками – они превращают механические колебания жидкости в электрические сигналы, которые по слуховому нерву отправляются в мозг. Улитка внутреннего уха птиц, в отличие от свернутой в спираль улитки млекопитающих, представляет собой короткую слегка изогнутую трубку, то же, как у пресмыкающихся. Однако улитка птиц устроена сложнее, чем у рептилий. Рецепторные клетки имеют различное строение, и это, обеспечивает настройку каждой клетки на определенный диапазон частот. В конце улитки находится образование – лагена [3].

Рис. 2. Среднее и внутреннее ухо птицы: 1 – слуховойнерв (nervusacusticus); 2 – улитка (cochlea); 3 – стремя (stapes); 4 – барабаннаяперепонка (membranatympani); 5 – барабаннаяполость (cavitastympanica); 6 – евстахиеватруба (tubaauditiva (Eustachii)); 7 – наружныйслуховойпроход (meatusacusticusexternus); 8 – переднеушная птерилия (pterylaauricularisanterior); 9 – заднеушная птерилия (pterylaauricularisposteriar); 10 – кожная складка оперкульм (picacutaneaoperculorum).

У млекопитающих его нет. Нервные волокна от нее идут как в вестибулярные, так и в слуховые центры, следовательно, лагена может воспринимать звуки (также ответственна за восприятие магнитного поля).

В Ольденбургском университете выяснили, что молодые и старые птицы (сипухи, скворцы) одинаково успешно распознают звуки в диапазоне 0,5-12 кГц. У людей в старости слух ухудшается из-за отмирания волосковых клеток, но у сипух эти клетки способны восстанавливаться [4].

Животные, использующие ультразвук, как систему гидролокации. Морские млекопитающие (дельфины, касатки, киты) издают высокочастотные звуки двух типов: короткие, длящиеся по полсекунды, свисты частотой от 7 до 15 кГц. Эти свисты и составляют основу дельфиньего языка. Звуки второго типа — неслышимые человеческим ухом щелчки частота от 20 до 250 кГц - для поиска пищи, координации действий группы и обнаружения препятствий с помощью эхолокации, а иногда и для того, чтобы оглушать (убивать) своих жертв. У дельфинов ультразвуки помогает издавать жировой лобный бугор - он фокусирует пучок издаваемых животным ультразвуковых волн (Рис. 3). Направленный вперед ультразвук отражается от находящихся на их пути объектов и возвращаются к органам слуха дельфина, помогая ему обнаруживать рыбу и препятствия. Восприятие этих звуков осуществляется с помощью нижней челюсти, задняя часть которой связана с внутренним ухом. Органы слуха передают информацию об отраженном ультразвуке в мозг, который ее анализирует [5].

Рис. 3. Орган слуха китообразных: 1 – жировой канал и нижняя челюсть – (canalisadiposus et mandibula); 2 – акустическое окно (fenestra acustica); 3 – дыхало (spinamentum); 4 – эхо (echo); 5 –издаваемые звуки (soni); 6 – мелон (pulvinarfrontalisadiposum).

Летучие мыши издают звуки высотой в 50 000-60 000 Гц и воспринимают их, короткими сериями от 20 до 80 ультразвуков в секунду. Ультразвуки у летучих мышей возникает в гортани, которая по устройству напоминает обычный свисток: выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через особого строения нос и с высоким давлением вырывается наружу. Издаваемые звуки очень громкие: если бы мы их улавливали, то воспринимали бы, как рев двигателя реактивного истребителя с близкого расстояния. Не глохнут летучие мыши потому, что у них есть мышцы, закрывающие уши в момент испускания разведывательных ультразвуков: при максимальной частоте следования зондирующих импульсов - 250 в секунду - заслонка в ухе летучей мыши успевает открываться и закрываться 500 раз в секунду. По данным исследованиям инженерного отдела Политехнического университета Виргинии (Virginia Tech) за одну десятую секунды (100 миллисекунд) летучая мышь может «значительно изменить свою форму уха так, чтобы оно воспринимало различные звуковые частоты». Для сравнения, у человека уходит в три раза больше времени на то, чтобы моргнуть, чем у подковоносой летучей мыши на то, чтобы изменить форму своего уха так, чтобы настроиться на восприятие специфических эхо». Уши летучих мышей являются суперантеннами. Они могут не только двигать своими ушами на молниеносных скоростях, но также могут «обрабатывать перекрывающие друг друга эхо, поступающие с разницей всего лишь в 2 миллионных секунды. Они также могут различать предметы, находящиеся всего в 0,3 миллиметра друг от друга» (ширина человеческого волоса равна 0,3миллиметра). В результате изучения и обобщения данных анатомического строения ушей и носоглотки летучих мышей в работе предложен наглядный рисунок внутреннего строения уха летучей мыши (Рис.4) [6].

Рис. 4. Строение уха летучей мыши: 1 – ушная раковина (auricula); 2 – наружный слуховой проход (meatusасusticusexternus); 3 – козелок (tragus); 4 – полулунный бугорок (tuberculumlunatum); 5 – барабанная перепонка (membranatympani); 6 – молоточек (malleus); 7 – наковальня (incus); 8 – стремечко (stapes); 9 – барабанная полость (cavitastympanicа); 10 – евстахиева труба (tubaauditiva (Eustachii)); 11 – улитка (cochlea); 12 – слуховой нерв (Nervusacusticus).

Звуковые волны высокой частоты ощущаются человеком как неприятный писк, непереносимость которого увеличивается по мере увеличения его интенсивности, непрерывности и продолжительности действия. Данный факт подтверждают так называемые люди-хаммеры, которые из-за развившихся патологий, приобретают удивительную остроту слуха, позволяющую им воспринимать колебания, выходящие за рамки диапазона слышимости. Такие люди постоянно слышат пульсирующий шум, что, по их словам, часто похоже на пытку, и соответственно губительно сказывается на их психическом здоровье [7].

А можно было бы создать устройство, которое основываясь на принципах действия анатомических структур в ушах животных, могло усовершенствовать способности слухового анализатора человека? Ученые активно ведут исследования о воздействии ультразвуковых колебаний на конкретные участки слухового аппарата. Специалисты в области физики в своих исследованиях на лягушках, кошках использовали фокусированный ультразвук, по типу, который способны издавать дельфины и летучие мыши на все структуры уха. Наиболее интересный результат показал ушной лабиринт. Для безопасности исследований применялся фокусированный ультразвук, т.к. он имеет малый радиус действия звукового пучка, что позволяет снизить нежелательное воздействие на близлежащие зоны [8]. Полученные в экспериментах на животных данные о безопасности ультразвуковой стимуляции органа слуха стали основанием для проведения подобных исследований на человеке. Была собрана установка, состоящая из генератора, связанного с ним фокусированного излучателя, который поместили в заполненный дистиллированной водой звукопрозрачный мешок. Испытуемый во время опытов находился в горизонтальном положении, а сверху на его ухо устанавливался данный мешочек с излучателем. Ультразвук фокусировали на место нахождения ушного лабиринта включали установку. Ультразвуковой генератор работал в разных режимах: импульсном, амплитудно-модулированных колебаний; амплитудно-импульсной модуляции. При воздействии на лабиринт фокусированным ультразвуком в непрерывном режиме облучения у всех испытуемых не возникало каких-либо слуховых ощущений. При использовании фокусированного ультразвука, модулированного по амплитуде колебаниями сложной формы (сигнал с микрофона), обследуемые слышали передаваемую слуховую информацию (речь, музыку) и оценивали акустическое качество как весьма высокое. По окончании эксперимента был предложен ультразвуковой способ введения слуховой информации, который бы позволил доставлять ее в обход привычному слуховому ходу [9].

Оценивая итог эксперимента, можно сказать, что в предложенном методе остается множество нерешенных вопросов: громоздкость установки, не до конца изученные побочные эффекты длительного воздействия на орган слуха, основным из которых является нагревание близлежащих тканей, находящихся в непосредственной близости от головного мозга. Физические процессы, обусловленные воздействием ультразвука на биологические объекты, вызывают эффекты: микровибраций на клеточном и субклеточном уровне; разрушение биомакромолекул, клеток и микроорганизмов; перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран; тепловое действие. Преимуществом устройства является возможность передавать информацию о звуке напрямую рецепторам слуха, минуя наружное ухо. Однако сама возможность решения проблем утраты слуха, несомненно, делает перспективными дальнейшие исследования в данной области.

Выводы:

Проведенный анализ анатомического строения уха человека и животного выявил схожесть строения (собака), но особенностью, позволяющей животным слышать ультразвук, являются отличия: кармашек над внешним слуховым проходом, размер и расположение наружного слухового прохода, размер барабанной перепонки, наличие барабанного пузыря, рудиментарность височно-теменной мышцы, больший размер улитки. У птиц за счет отсутствия наружной ушной раковины слуховой проход шире и имеет большой объем и сложный рельеф, барабанная перепонка обширнее, наличие лагены. Отношение площадей барабанной перепонки и основания стремечка позволяет усиливать звуковое давление и способствует различению звуков по высоте, присутствует ассиметрия расположения слуховых проходов для улучшения лоцирования высокочастотных звуков. У птиц при старении волосковые клетки (стереоцилии) внутреннего уха способны восстанавливаться, в отличие от людей у которых слух ухудшается из-за отмирания стереоцилий.

Рассмотрено общее сходство у животных использующих ультразвук в системе и гидро- эхолокации в отличие от человека и птиц. Орган слуха имеет более сложное строение и состоит из: источника - жировой лобный бугор (китообразные) или гортань - нос (летучие мыши) и приемника ультразвука - нижняя челюсть, задняя часть которой связана с внутренним ухом.

Учитывая все преимущества и недостатки приобретения человеком способности слышать ультразвук, преобладают больше недостатки. Проблема изучения возможности создания и применения устройств, позволяющих человеку слышать в ультразвуковом диапазоне частот, связана исключительно с необходимостью искусственного совершенствования слуха. С целью оказания помощи больным с нарушениями звукопроводящего аппарата среднего уха или же рецепторного аппарата внутреннего уха, при условии, что в нем еще сохранились чувствительные клетки, на которые мог бы оказать стимулирующее действие ультразвук.

Список литературы:

1. Рогов И.Е., Аржановский А.Ю., Варсан Е.В., Зубова Т.А., Ткаченко А.С. Иследование биофизических характеристик слуха студентов ДГТУ // Молодой исследователь Дона. - 2018. - № 2(11). - С.69 - 76.

2. Анатомия человека. Т.2: Спланхология. Железы внутренней секреции. Ангиология. Неврология система. Органы чувств. Особенности анатомии домашних птиц / Ю.Ф. Юдичев, В.В. Дегтярев, А.Г. Гончаров; под ред. Л.Л. Колесникова – Оренбург.: ГЭОТАР-Медиа, 2013.

3. Анатомия животных. Т.3: Нервная система. Органы чувств / И.В. Гайаоронский, Л.Л. Колесников, Г.И. Ничипорук и др.; под ред. Л.Л. Колесникова – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015.

4. Нестеренко О. Что слышат птицы // Химия и жизнь. - 2019. - № 5. - С.69 - 76.

5. Валов Г. Г. О новом подходе к изучению крика дельфина // Молодой учёный. - 2017. - №9. - С.138-142.

6. Danilo Russo, Leonardo Ancillotto, Luca Cistrone, Carmi Korine. The Buzz of Drinking on the Wing in Echolocating Bats // Ethology. 2016. V. 122. P. 226-235.

7. Люди хаммеры, которые слышат то, чего не слышат другие.: https://russian7.ru/post/khamery-lyudi-kotorye-slyshat-to-chego-ne/

8. Гаврилов Л.Р., Цирульников Е.М. Фокусированный ультразвук как средство введения человеку сенсорной информации // Акустический журнал. - 2012. - том 58 - № 1. - С. 3-27

9.Действие ультразвука на организм. ШевченкоЕ.В., Хлопенко Н.А. // Сибирский медицинский журнал. - 2006. - № 2. - С. 96-99.

Код для цитирования: Скопировать