互动科普

据说人能够听到的最小声音是0分贝，这大概是树叶相互摩擦声音的1/10、图书馆内声音的1/100左右。

鼓膜振动的增幅约为20倍

声音（音波）就是空气的振动。振动被外耳的耳廓汇集后，通过外耳道令鼓膜振动。鼓膜内侧的锤骨会接收到振动，然后依次传导给砧骨、镫骨，最后，位于镫骨底端、内耳中名为卵圆窗的洞会接收到振动，从而将镫骨的振动传导至内耳。

鼓膜的振动之所以需要经过这样复杂的线路进行传导，是因为锤骨、砧骨和镫骨起着振幅增大的作用。锤骨和砧骨的原理类似杠杆，能将鼓膜的振幅增大约1.3倍。镫骨的底面积大约是鼓膜面积的1/17，因为将鼓膜全部的振动汇集于很小的面积上，所以振幅能够增大约17倍。杠杆的效果加上底面积的效果，能够将鼓膜的振幅增大约20倍（1.3倍×17倍）。

如果没有锤骨、砧骨和镫骨，也许人类连树叶摩擦的声音都听不见。

图1. 从头上方观察右耳的中耳和内耳

振动通过螺旋状的通道

内耳是在骨迷路中嵌入膜迷路所形成的构造。骨迷路是颅骨中的复杂空洞，其中填满了名为外淋巴液的体液；而膜迷路是不与骨迷路相连的封闭管道，其中填满了内淋巴液。

从镫骨传导至骨迷路外淋巴液的振动会通过名为耳蜗的一个形似蜗牛壳的螺旋结构。振动传导至耳蜗顶部的路径名为前庭阶，从耳蜗顶部传导至底部的路径名为鼓室阶。此外在耳蜗中除前庭阶和鼓室阶以外，还有名为耳蜗管的管道。

耳蜗管是膜迷路的一部分，其中充满了内淋巴液。内淋巴液是由耳蜗管的细胞分泌出来的液体，而外淋巴液是与脑脊液相通的液体，两者成分不同。

观察耳蜗的截面能够发现，耳蜗管是被夹在前庭阶和鼓室阶之间的，前庭阶是第三层，耳蜗管是第二层，鼓室阶是第一层。振动在通过鼓室阶之后，会传导至耳蜗管底面的基底膜，就好像1楼的振动传导至2楼的地板那样。

图2. 沿耳蜗中心切开的截面图

耳蜗管的基底膜上长有螺旋器。螺旋器上部排列有毛细胞，其上长有感觉纤毛。螺旋器上还有一层果冻状的盖膜，覆盖着毛细胞的感觉纤毛。

耳蜗管的基底膜（相当于“2楼的地板”）上下振动后，螺旋器会随之上下振动，因此毛细胞的感觉纤毛会时而靠近盖膜，时而远离盖膜，摇摆不定。此时，感觉纤毛前端的离子通道会开启，令内淋巴液中的钾离子流入毛细胞中。钾离子的流入会转化为传递至大脑的电信号，形成听觉。也就是说我们听到声音其实就是钾离子流入毛细胞的结果。

由声音频率决定振动的基底膜

耳蜗管的基底膜越靠近耳蜗底部就越窄小而坚硬，越靠近耳蜗顶部则越宽大而柔软。因此，耳蜗底部附近的基底膜会在高频率下振动，耳蜗顶部附近的基底膜会在低频率下振动。人类之所以能够区分从2万赫兹的高音到20赫兹的低音，就是因为随着声音的频率不同，基底膜振动的位置也不同。

但是，包括人类在内的哺乳类动物的耳蜗都呈螺旋状振动的原因仍是一个谜。就算耳蜗不是螺旋状的，按理说也应该能够区分声音的高低，实际上鸟类的耳蜗就是香蕉型的。有研究认为，为了能够听到更大频率范围的声音，基底膜在进化过程中不断变长，但受空间限制而形成了螺旋状。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）