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只改变了大气压几十亿分之一的声音能量,怎么就被你听见了? ...

2020-6-27 21:57| 发布者: 游手好懒| 查看: 365| 评论: 0

摘要: 原创小菌趣科普来自专辑身体の小秘密如果有两个人正在面对面聊天,他们之间相隔距离不远,说话声音也适中。那么有个小问题考考大家:“他们是怎么听见对方说话的呢?”或许大家觉得这不是理所应当吗?除非他俩是聋子 ...
原创 小菌 趣科普 来自专辑身体の小秘密
如果有两个人正在面对面聊天,他们之间相隔距离不远,说话声音也适中。那么有个小问题考考大家:“他们是怎么听见对方说话的呢?”
或许大家觉得这不是理所应当吗?除非他俩是聋子。然而实际上,从正常人的角度来看,这其实是一件非常令人惊讶的过程,因为人所发出的声音虽然包含能量,但这股能量只足以改变大气压的几十亿分之一。
而神奇的是,我们的耳朵居然可以捕捉到如此微小的气压变化信号,并向我们的大脑传递所有这些听觉信号。不光是人的声音,动物的声音、自然的声音、汽车的鸣笛声、音乐声等声音全都能被耳朵所接收。
➤耳朵是如何做到的?
别看耳朵长得挺别致,像个小喇叭,其实它最多只能算个“小保安”,真正的核心技术掌握在耳朵内听觉感受器手中,其中包含了大量的“毛细胞(hair cells)”,这些细胞正是收集声音信号的主角。
电镜下的毛细胞
虽然被叫做毛细胞,但是它和我们日渐稀疏的头发可没有啥关系,之所以叫这个名字是由于当初最早发现这些细胞的时候,它们有一端是一撮毛发状的纤维体,这些细胞也因此而得名。
随着近代电子显微镜的发展,我们得以更好地观察到这些纤维体,也就是毛纤维束(hair bundle)。它是由生长在细胞顶部的二十至几百根细圆柱丝组成的簇状物。正是这个结构的存在让我们能够听见声音。
电镜下的毛纤维束
不光是人类,几乎所有具有听觉的生物都有这个结构。
比如鸡的听觉细胞。
这是蝙蝠用于它们声呐的毛细胞。
还有来自青蛙的毛细胞,个头挺大。
就连最简单的鱼类都有听觉细胞。
爬行动物的毛细胞则像排列地整整齐齐的晶体结构一般,非常漂亮。
而除了这种“类莫西干头”的发型之外,这些毛纤维束最大的特点是能把声音震动的信号转换为大脑所能识别的电信号,说白了,就是一种“天线接收器。”
其具体实现过程是这样的。在这些毛纤维束顶部位置,每一根毛纤维之间都有一条细丝连接着,也叫作静纤毛(stereocilia)。
图中红色小三角所指位置
别看静纤毛好像弱不禁风的亚子,但是当声波的能量撞击纤维束时,静纤毛会拉住纤维束让它们不至于倒下,与此同时,具有弹性的蛋白质纤维又会把纤维束重新拉回原位。(别晃了!别晃了....)
静纤毛工作原理演示
在毛纤维束来回交替运动地过程中,细胞膜上的离子通道(实际上离子通道就位于静纤毛底部)就会打开,紧接着数以百万计的离子将进入到细胞。
这些离子由于细胞膜内外电位差的原因,会形成一段刺激细胞的电流,并通过神经纤维传递给大脑,于是我们就听见了声音。
❂“最强”的感官系统——听觉
得益于毛纤维束这种工作模式,它也成为了我们人体内感知最快的感官。为什么这么说呢?因为我们的大部分感官,比如视觉,都会花费一点时间处理化学反应。(视色素在光照射下发生光化学反应)
而毛细胞则没有化学反应这个步骤,它们完全是机械式运动,所以听觉的反应速度要比其他感觉快上1000倍。
而随着声音震动频率的增加,毛纤维束来回运动的程度也更加剧烈。目前来说,我们最高可以听到每秒20000次震动(频率)的声音,一些动物的听觉甚至更强,比如蝙蝠和鲸鱼可以听到每秒震动150000次的超声波。
除了快,我们听觉还有一个独特的“有源放大机制”,简单来说,当声波经过层层传递已经变得非常弱的时候,这个放大机制会主动增强我们的听觉,让我们依然可以听到相应的声音。
虽然不太清楚这种机制具体是怎么来的,但是有研究表明,当人类还处于远古时代时,这种放大机制就已经存在了,因为这样我们人类就能在野兽听见我们之前听见它们的声音。
而现在,这也是一个非常重要的远程预警系统,它可以让我们听到远处火灾警报或者其它危险信号,如消防车或警车的警报等等。
并且这玩意还挺智能,能够自主调节声音放大倍数。如果你处在一个相对嘈杂的环境中,像是集市或者比赛现场,这时候是不需要放大声音的,放大系统也会一直关闭;如果你身处比较安静的室内环境,那么放大系统会将比较小的声音选择性放大;如果你身处一个静的连针掉在地上都能听见的环境中,放大系统就会一直开启着。
这种机制让我们拥有了一个非常广的声音强度范围,从轻微的呼吸声到喷气式飞机起飞的气流声,声音强度跨越了一百万倍,这种可耐受范围超过了所有其他的感觉,将其称之为最强可谓实至名归了。
✔逐渐退化的听力该如何拯救?
由于环境、年龄等因素的影响,全球目前有大约4亿人在日常生活中有听力障碍,究其原因则是由于我们人体内的毛细胞数量有限,当毛细胞死亡后,无法通过细胞分裂再产生,这样随着时间的推移,我们的听力会变得越来越差。
不过幸好,目前已经知道一些非哺乳类动物有毛细胞再生的能力,比如小斑马鱼,在它们的一生中,毛细胞会不断死亡又再生,因此它的一生都有着正常的听力。
小石斑鱼毛细胞分裂
如果可以解码出它们再生所需要的分子信号,或许可以让人类的毛细胞也重获新生,从而拯救我们在这个世界上越来越“脆弱”的听力。
特别声明
本文参考资料来源于
TED——The beautiful, mysterious science of how you hear | Jim Hudspeth
图片来源于
Google图片
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原标题:《只改变了大气压几十亿分之一的声音能量,怎么就被你听见了?》
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