В центре ушной раковины человека находится устье трубки, уходящей в кости черепа на глубину около одного дюйма. Эта трубка диаметром около четверти дюйма имеет прямую форму и почти округлое сечение. Это слуховой проход. Вместе с ушной раковиной слуховой проход образует наружное ухо. Звуковые волны, попавшие в ушную раковину, по слуховому проходу проводятся к преддверию. Слуховой проход ограничен самыми твердыми частями черепа, и функционально значимая часть уха (слуховые рецепторы), таким образом, находится вдали от поверхности тела и надежно защищена костями. У птиц и рептилий, вовсе лишенных ушных раковин, есть короткие слуховые проходы. Таким образом, у этих животных тоже есть наружное ухо.
Внутренний конец наружного слухового прохода заканчивается фиброзной мембраной овальной формы толщиной около одной десятой миллиметра. Это барабанная перепонка. Барабанная перепонка фиксирована к костям, ограничивающим окончание наружного слухового прохода только своими краями. Центральная часть перепонки втягивается внутрь при повышении давления в наружном слуховом проходе и выпячивается наружу при его снижении. Так как звуковые волны представляют собой последовательность повышения и понижения давления воздуха, то барабанная перепонка впячивается и выпячивается в такт с этими изменениями давления. В результате паттерн звуковых воли (будь то звучание камертона, пение скрипки, колебания голосовых связок человека или шум движущегося по гравию грузовика) точно воспроизводится колебаниями барабанной перепонки. Как подразумевает само название, барабанная перепонка колеблется, как кожа, натянутая на барабан.
Вдоль наружного края барабанной перепонки расположены железы, вырабатывающие мягкий, похожий на воск, материал, который называется ушной серой. Это вещество, смазывая перепонку, придает ей эластичность и служит средством механической защиты ее нежной ткани. Запах и вкус ушной серы отпугивает мелких насекомых, которые в противном случае часто забирались бы в наружный слуховой проход. Секреция серы увеличивается при раздражении тканей слухового прохода и может достичь такой степени, что сера блокирует слуховой проход, что приводит к существенному снижению слуха. В таких случаях серные пробки приходится вымывать из уха сильной струей воды.
С внутренней стороны барабанной перепонки находится небольшая воздухоносная полость, которая называется барабанной полостью. Внутри этой полости находятся три мелкие косточки, которые передают колебания барабанной перепонки в преддверие. Все вместе эти косточки называются слуховыми. Ближе всего к барабанной перепонке находится прикрепленная к ней одна из косточек, которая движется вместе с перепонкой. Так как она во время своих движений постоянно ударяет по другой косточке, то ее называют молоточком. Вторую же косточку с полным основанием называют наковальней.
Движущаяся в такт с молоточком наковальня передает колебания третьей косточке, которая имеет па конце небольшое расширение с отверстием, не превышающим отверстие игольного ушка. По своей форме эта третья косточка называется стремечком. (Молоточек и наковальня являются остатками костей, которые входили в состав челюстей наших предков-пресмыкающихся, как я уже писал. У млекопитающих эти кости находятся только в ухе. Стремечко образуется из жаберной пластинки и находится в ухе не только млекопитающих, но также птиц и рептилий.) Внутренний конец стремечка входит, точно соответствуя по форме, в отверстие, называемое овальным окном, которое ведет в следующий отдел уха. Вся анатомическая структура от барабанной перепонки до этого маленького отверстия, включая барабанную полость, называется средним ухом.
Функция косточек заключается не только в передаче звуковых колебаний барабанной перепонки. Косточки также контролируют силу колебаний. Они усиливают слабые колебания, потому что площадь овального окна в 20 раз меньше площади барабанной перепонки и фронт звуковой волны, вследствие этого, еще раз суживается на своем пути, одновременно усиливаясь. Кроме того, рычажное устройство системы слуховых косточек способствует концентрации энергии звуковых колебаний. Все это приводит к тому, что при прохождении от барабанной перепонки к овальному окну звук усиливается более чем в 50 раз.
Кроме того, косточки ослабляют слишком громкие звуки. Мельчайшие мышцы, прикрепляющие молоточек к костям черепа, натягивают барабанную перепонку, предохраняя ее от слишком резких колебаний. Еще более тонкие мышцы, соединяющие наковальню со стремечком, не дают последнему слишком сильно надавливать на овальное окно. Такое действие ослабления и усиления звуков позволяет нам слышать в большем диапазоне громкости. Самый громкий звук, который мы способны воспринять без разрушения структур внутреннего уха, почти в 100 триллионов раз превосходит по силе самый тихий звук, который мы еще способны различить. Эти тихие звуки вызывают колебания барабанной перепонки амплитудой две миллиардные доли дюйма, и энергия такого колебания намного меньше энергии самого тусклого света, который мы можем видеть. Следовательно, в том, что касается преобразования энергии, ухо по чувствительности намного превосходит глаз.
Звуковые волны проводятся к уху также по костям черепа, но слуховые косточки менее чувствительны к таким колебаниям, чем к колебаниям барабанной перепонки, и это различение приносит нам большую пользу. Если бы чувствительность косточек к этим звукам была такой же высокой, то мы потеряли бы покой от постоянных непрестанных шумов тока крови по сосудам головы в непосредственной близости от уха. Мы действительно можем воспринимать эти шумы, когда находимся в полной тишине и внимательно прислушиваемся. Этот шум можно усилить, если приложить к уху сложенную лодочкой ладонь или морскую раковину. Дети утверждают, что слышат в таких раковинах отдаленный шум морского прибоя.
Фильтрация внутренних звуков помогает нам не оглохнуть от звуков собственного голоса, так как мы слышим его не с помощью костной проводимости, а воспринимая звуковые волны, распространяющиеся по воздуху ото рта к ушам. Тем не менее, костная проводимость добавляет собственному голосу резонанс и звучность, которую мы не слышим, воспринимая речь других людей. Когда мы слышим запись собственного голоса, то нас всегда поражает, насколько он хуже того голоса, который мы слышим сами, когда говорим. Мы даже склонны не доверять тем людям, которые утверждают, что запись очень точно передает характеристики нашего голоса.
Функция косточек может иногда нарушаться и становиться несовершенной. При повреждении мелких мышц, которыми они крепятся к черепу и друг к другу, или при повреждениях их нервов движения косточек становятся хаотичными и неупорядоченными. В таких случаях они могут совершать постоянные ненужные колебания (подобно тому, как вибрирует корпус автомобиля, если где-то оказался незакрепленный болт). Мы в этих случаях слышим в ушах постоянный звон, который невероятно нас раздражает.
Из среднего уха в глотку ведет узкий проход, тонкая трубка. Эта трубка в анатомии называется евстахиевой трубой. Евстахиева труба развивается из первой жаберной щели предковых форм рыб. Это образование названо по имени итальянского анатома Бартоломео Евстахия, впервые описавшего его в 1563 году. Среднее ухо, таким образом, не изолировано в полости черепа, но связано с внешней средой через глотку. Это очень важно, потому что барабанная перепонка становится более чувствительной к звуковым волнам, если давление одинаково по обе ее стороны. Если бы давление г одной стороны было хотя бы не намного больше или меньше, то перепонка была бы выпячена либо внутрь, либо наружу. В любом случае она была бы в той или иной степени напряжена и чрезмерно натянута и двигалась бы с меньшей амплитудой в ответ на воздействие звуковых волн.
Уровень атмосферного давления постоянно колеблется в пределах 5% величины, и если бы среднее ухо было герметично изолировано, то давление в нем редко было бы равно давлению в наружном слуховом проходе. Как бы то ни было, мы имеем то, что имеем, и давление в полости среднего уха с помощью евстахиевой трубы поддерживается на уровне, равном атмосферному. Когда давление в наружном ухе изменяется слишком быстро, узкий просвет евстахиевой трубы оказывается недостаточным для такого же быстрого изменения давления в среднем ухе. Разность давлений по обе стороны барабанной перепонки приводит к избыточному давлению на нее, что может вызвать неприятное ощущение и даже боль. Это ощущение знакомо каждому, кто хотя бы раз в жизни ездил в скоростном лифте. Зевота или глотание заставляют воздух быстрее двигаться по евстахиевой трубе в любом направлении и устраняют неприятные ощущения.
Если евстахиевы трубы закупориваются вследствие воспаления при простуде, то вышеописанный дискомфорт не удается устранить такими простыми действиями, и боль в ушах становится еще одним неприятным симптомом простудного заболевания. Евстахиевы трубы являются, кроме того, открытым путем, по которому бактерии могут беспрепятственно пробираться в пазухи черепных костей и находить там надежный приют. Такие воспаления среднего уха чаще встречаются у детей, чем у взрослых. Эти воспаления очень болезненны, плохо поддаются лечению (правда, после введения в клиническую практику антибиотиков эта задача упростилась) и иногда представляют большую опасность.
По другую сторону овального окна, за подножием стремечка, расположено преддверие. Преддверие и образования, находящиеся внутри его, заполнены жидкостью, которая по консистенции напоминает спинно-мозговую жидкость. Здесь звуковые волны, наконец, преобразуются из колебаний воздуха в колебания жидкости. Именно к жидкой среде были приспособлены органы слуха примитивных позвоночных, и, собственно говоря, вся сложная система наружного и внутреннего уха предназначена не для чего другого, как для преобразования колебаний воздуха в колебания жидкости с максимальной эффективностью и с минимальными потерями энергии.