星期四, 13 4月 2023 00:52

我们受造奇妙的耳朵

本文摘自《创造》杂志中文版第42卷第1期

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能听的耳,能看的眼,都是耶和华所造的。【箴言20:12】

本文改编自作者与Stuart Burgess博士和Brian Edwards合著《创造的奇迹:堕落的世界中的设计》

当我们仔细研究耳朵及其工作原理时,就可以很明显地看出,我们的听觉是一个令人敬畏且非常复杂的系统。事实上,人类的耳朵是地球上最复杂的一项微型精细工程。

我的专业背景是声学工程的数学应用,曾经研究过压力波对燃烧过程的影响,包括压力变化非常小的压力波,称为声波,当我们说话时就有声波在空气中传播。声波虽然很小,但它们可以影响火焰的燃烧。这种影响甚至牵涉到喷气式飞机发动机的安全性,发动机在 “共振”(一个物体与另一个物体同时振动)的情况下会放大声波,使振动增大,甚至能毁坏转子上的涡轮叶片。我们将会看到,利用共振作用是听觉的一个重要属性,在听人的说话声音时尤为重要。

 

我们如何听到声音

声音是空气中的压力波动。在空气中传播的、脉冲压的微小周期性振动称为“声波”,声波进入耳道的开口,然后到达耳膜(也称为“鼓膜”)。

 半根管
图1.人耳的工作原理图。内耳中的半圆形管(深蓝色)关系平衡,这里不再讨论。

随后,鼓膜产生的微小振动通过中耳腔内称为“听小骨”的三块小骨头(锤骨、砧骨、镫骨)传递到内耳的耳蜗。此过程的各个阶段都有惊人的复杂性。所有哺乳动物都有一个具有这些基本特征的听觉系统(见图 1)。然而,即使是耳道,在不同的哺乳动物之间也存在很大的差异。

耳道不但传输声音,还能通过共振将声音放大。耳道产生共振的频率取决于其长度、形状和体积。(想一下长笛内的空气柱,通过在长笛的不同位置打开气孔,来改变空气柱的长度,就能改变气柱的振动频率,发出不同的声音。)

人类的耳道大约有 20 毫米长,而猫和狗的耳道更长,并几乎弯成直角,使其有水平和垂直的两部分;它们的耳道设计所放大的频率与我们的不同。


不同的听觉范围

进化论者试图争辩说,爬行动物的颚骨的上部和下部变成了槌骨和砧骨,但悄悄地忽略了这个故事的最大障碍之一,即爬行动物的颚骨永远不会停止生长!

人类的听觉范围很广,能听到9个八度音阶(1 个八度音阶就是音乐中低音 do 和中音 do 的音高差别),即能听到从约 20 赫兹到近20000 赫兹(每秒振动 1 次就是 1赫兹,赫兹可以表示为“Hz”)。狗的听觉范围约为 65~44000Hz(同样超过9个八度,但所在频率范围比人类的更高);而猫的听觉范围最广,超过10个八度,55~77000Hz。

人从20多岁开始,就会逐渐丧失听到高频率声音(约≥ 12000Hz)的能力。人类的声音带有大量的“谐波”(通常在125~400Hz 范围内频率的叠加),这能扩大听觉的范围,并且也确保每个人的声音都是独一无二的,包括主基督的声音,这声音是所有受造物都听从的。在马可福音第 4 章,祂命令风和海浪平静时,就证明了这一点——同样,祂在创世周通过祂的话语创造了一切!

人类声音的谐波在2000~5000Hz 尤为重要,因为这是区分不同元音的区域。更高的频率丰富了声音的质量,尤其是音乐。人类耳道的长度和形状恰好与“说话”的频率共振(也就是说,耳道空气振动与一般说话的频率一致)。


水的声音

一便士
图2。

值得注意的是,最近的研究还发现另一个有趣的事实:水流所有的声音都是由困在水中的微小气泡爆裂时产生的。1 每个气泡的振动频率取决于它的大小,所以流动的水会产生一定范围的可听见的声音频率。例如,潺潺的流水、轰鸣的瀑布和海浪拍岸的涛声都是由数十亿个很小的气泡振动碰撞包裹它们的水而发出的。这些无数的气泡的频率都略有不同,但都恰好在人的耳道能共振和放大的范围内。

人类说话声的独特频率也在这个范围内。神在祂的话语中说:

“耶和华的声音发在水上;荣耀的神打雷,耶和华打雷在大水之上。”(诗篇 29:3)这句诗或许有着重要的意义:

神通过圣经以清楚准确的方式向人说话,同时也藉着祂的创造物以更普遍的方式向人说话。当听到小溪潺潺流水的音韵、波涛汹涌时的浩大声浪以及暴风雨令人畏惧的威势时,谁不为之震撼呢?

此外,鸟儿鸣叫的频率也在这个范围内。我们的耳道能够奇妙地与人类说话声、歌声、水声和鸟鸣的频率产生共振并将其声音放大,这进一步见证了我们身体具有特别的设计。


中耳的三块听小骨

声音信号使鼓膜振动,这会推动附着在鼓膜后面的锤骨,锤骨又推动砧骨,砧骨再水平移动镫骨(见图 1)。前两块骨头大约只有 5毫米长,镫骨更小(是我们身体中最小的骨头)。事实上,所有这三块骨头都可以轻松地放在一枚直径约 20 毫米的硬币上(见图 2)。

这些是人体内仅有的在出生后不会长大的骨头。坚持进化论的人试图争辩说,爬行动物颌骨的上下部分逐渐移动(演化)形成了锤骨和砧骨,但却悄悄地掩盖了这个故事的一个最大的问题,即在爬行动物出生后其颌骨不会像听小骨那样停止生长!

人耳的工作原理
图3.人耳的工作原理图。

听小骨的作用是将声音信号放大,因为信号要进入内耳的液体介质(由于液体不可压缩,会阻碍声音的传播)。三块听小骨都是特殊设计的杠杆结构,使镫骨(附着在耳蜗中称为卵圆窗的薄膜上,见图 4)移动的距离大约是锤骨的三倍,而卵圆窗振动的面积比鼓膜要小 10 倍 2,所以此过程中的能量传递效率几乎是 100%。


内耳的耳蜗

镫骨就像卵圆窗膜上的一个泵(见图 4),并且圆窗的膜能巧妙地膨胀来补偿耳蜗内液体的流动。

内耳的耳蜗
图4.耳蜗松开,可见基底膜,让人联想到木琴。

如果把卷绕的耳蜗展开成一条笔直的管(见图 5),我们会看到一个巧妙的基底膜,它逐渐变细的结构用于分析传入耳蜗更高频率的声音,这就像木琴(见图 3)一样,由卵圆窗输入耳蜗的组合振动频率就能立即被分解开,每个频率都会引起基底膜不同部位的振动。所以基底膜实际上是一个即时频率分析仪,让任何电子工程师为之惊叹。这就像是有一个精通乐器的微型小精灵(根据外界的声波振动)在我们的内耳里弹奏木琴一样。

纤毛
图5纤毛具有活板门,活板门由连接到相邻纤毛的弹簧操作。带电的离子然后沿着纤毛向下移动,并激发神经进入大脑。

听力系统的最后部分是位于基底膜顶部的螺旋器(见图 4),上面有微小的毛发(称为:静纤毛),它们根据输入信号所激发的各个频率来发送电信号。令人惊讶的是,每一根纤毛(只有 0.00025 毫米粗,不到人类最细头发的 1/70),当顶盖膜振动而触碰到上面的纤毛时,就会拉动附着在纤毛顶部的机械弹簧,此弹簧只有几纳米粗,其伸展长度约为 100 纳米(最小的机械弹簧之一,1 纳米是 1 毫米的百万分之一,接近分子尺度)。弹簧另一端拉开相邻纤毛一侧的小活动门(图 6)。

这个打开的活动门可以让充满液体的耳蜗中的带电离子激发神经节将不同信号发送到大脑皮层的不同区域,具体哪个区域取决于听到的声音是音乐还是语言。对于较低的声音频率,每 1Hz 的变化都对应一条神经;在较高频率的范围内,每条神经对应 2~3Hz 的声音频率。


噪声损害听力

有时,听力机制会因重复听某个特定频率的声音而受损,例如在某些行业中,如果不佩戴护耳器,从业人员的听力就会受损。听太大声的音乐也会损害听力,因为一些特定的频率会使纤毛顶端的弹簧突然断裂。

个别人的耳朵有遗传缺陷,以致耳蜗系统无法正常工作。澳大利亚一位杰出的外科医生格雷姆·克拉克(Graeme Clark)发明了一种人工耳蜗,这种辅助耳蜗系统是连接在螺旋神经节上的麦克风。最初的人工耳蜗只能听基本的说话声,后来改进的耳蜗对频率有更高的分辨率,甚至可以听音乐。要发明这一精巧的人工耳蜗,需要非凡的智慧。这清晰地表明我们原初的耳朵设计更是精妙超凡。


总结与结论

这样一个包含了空气振动、机械、化学和电气工程设计的精密系统实在令人惊叹,也证实了耳朵是智能设计的产物。我们应该与诗篇的作者一起颂赞:“我要称谢你,因我受造奇妙可畏。你的作为奇妙,这是我心深知道的。”。(诗篇139:14)  

 


    

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参考文献和注释

1. Leighton, T., The acoustic bubble: Oceanic bubble acoustics and ultrasonic cleaning,Proceedings of Meetings on Acoustics
24:070006, 2015.

2. 鼓膜与镫骨的面积比。参见 tinyurl.com/yyv5gay5.

    

本文原英文链接见:https://creation.com/human-ear.

 

 

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