22.03.2006 · Im Innenohr befindet sich eine der erstaunlichsten Knochenformen des Körpers: die Hörschnecke oder Cochlea. Ihre Spiralform hat man bislang vor allem mit Platzgründen erklärt. Dabei spielt auch die Physik des Basses eine Rolle.
Von Markus Breidenich
© picture-alliance / dpa
Modell des menschlichen Ohres
Im Innenohr befindet sich eine der erstaunlichsten Knochenformen des Körpers: die Hörschnecke oder Cochlea. Diese in den Schädel eingelassene Struktur verdankt ihren Namen dem spiralförmigen, an ein Schneckenhaus erinnernden Aufbau. Schon seit längerem ist bekannt, nach welchem Prinzip der Schall innerhalb der Windungen wahrgenommen wird.
Die Spiralform hat man bislang vor allem damit erklärt, der gewundene Aufbau sei besonders platzsparend für den mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraum im Schneckeninneren, der ansonsten als länglicher Kanal im Schädel angelegt sein müßte. Nun liefern Physiker der Vanderbilt University in Nashville und des National Institute of Health in Bethesda eine tiefergehende Begründung. Dank aufwendiger Rechnungen haben Daphne Manoussaki, Emilios Dimitriadis und Richard Chadwick nachgewiesen, daß die Schneckenform besonders tiefe Töne verstärkt, die sonst nicht mehr wahrnehmbar wären.
An ihrem Ort wird die Frequenz erkannt
Damit die Flüssigkeit, die sich im Inneren der Hörschnecke befindet, durch den Schall zu Schwingungen angeregt wird, müssen die Vibrationen des Trommelfells zunächst über winzige Gehörknöchelchen auf das äußere Ende der Hörschnecke übertragen werden. Die Schallwelle pflanzt sich anschließend innerhalb des spiralförmigen Ganges als Druckunterschied in der Flüssigkeit fort, bis sie das spitze Ende der Schnecke, den sogenannten Apex, erreicht. Entlang ihres Weges regt die Welle eine Membran zu Schwingungen an, die wie eine Zwischendecke innerhalb des gewundenen Schneckenganges eingespannt ist und diesen in eine obere und eine untere Hälfte unterteilt.
Da sich der Gang allmählich bis zum Ende des Schneckengehäuses verjüngt, ändert sich entlang der Windungen auch das Schwingungsverhalten der Membran: Am Eingang der Schnecke wird die Membran von hohen Tönen in Resonanz versetzt, am Ende der Schnecke von den tiefen Tönen. Auf diese Weise kann das Ohr die verschiedenen Frequenzen anhand des Ortes unterscheiden, an dem sie innerhalb der Hörschnecke detektiert werden. Winzige haarförmige Zellen auf der Membran wandeln die Drucksignale der Schwingungen schließlich in elektrische Impulse um und geben sie an die Hörnerven weiter.
Viele Umdrehungen für die Tiefen
Die Forscher um Chadwick haben nun ihr Augenmerk auf die Fortpflanzung der tiefen Töne innerhalb der Schnecke gelegt. Die Ergebnisse älterer Experimente hatten bereits nahegelegt, daß für verschiedene Tierarten ein Zusammenhang existiert zwischen einer hohen Zahl von Windungen der Hörschnecke und der Fähigkeit, besonders tiefe Töne zu hören. Es fehlte allerdings der stichhaltige Beweis. Diesen haben nun offenkundig die Forscher erbracht, wie sie in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ (Bd.96, Nr.088701) berichten.
Danach belegen die Rechnungen, daß die immer enger werdenden Windungen der Hörschnecke dazu führen, daß die Energie der Schallwellen allmählich zum äußeren Rand des Spiralganges hin gebündelt und dadurch verstärkt wird. Dabei entsteht gegen Ende der Spirale - also dort, wo die tiefen Töne wahrgenommen werden - ein zunehmendes Druckgefälle zwischen der inneren und äußeren Wand des Schneckenganges. Da die Haarzellen der Membran auf solche Druckdifferenzen besonders empfindlich reagieren, werden die dort gemessenen tiefen Frequenzen deutlicher wahrgenommen.
Verstärkung von rund zwanzig Dezibel
Daß sich Schallwellen entlang von gekrümmten Wänden verdichten und so ausbreiten können, ist übrigens auch in einem anderem Zusammenhang bekannt - bei den sogenannten Flüstergalerien, wie man sie in den Kuppeln großer Kirchen antrifft, etwa der St.-Paul's-Kathedrale in London. Ein Geräusch, das im Rundgang auf einer Seite der Kuppel entsteht, breitet sich durch Totalreflexion entlang der gleichförmig gekrümmten Wand bis zur gegenüberliegenden Seite aus, so daß selbst leise gesprochene Worte über die große Entfernung der Kuppel hörbar sind.
Innerhalb der Hörschnecke wird dieser Effekt durch die nach innen zunehmende Krümmung noch verstärkt. Wie die Wissenschaftler berechnet haben, führt der Radius des Schneckeninneren, der nur ein Zehntel desjenigen des äußeren Randes mißt, zu einer beachtlichen Schallverstärkung von rund zwanzig Dezibel.
