생명의 신비 (17) 귀의 구조와 음파의 수용
정계헌 (순천향대학교 생명과학부 명예교수, 전 한국창조과학회 회장)
이번 호에서는 우리의 귀와 관련된 이야기를 말씀드리고자 합니다.
사람과 동물, 특히 절지동물과 척추동물에서는 훌륭한 음파수용(phonoreception) 기능과 발음기능을 가지고 있습니다. 일부 동물에서는 발음기능이 수컷에만 있는 경우가 있는데, 이 경우 수컷이 암컷을 유인하거나 세력권을 지키는데 이용합니다.
곤충의 중요 청각기는 고막기관(tympanic organ)이며, 이것이 있는 부위는 종에 따라 다릅니다. 즉, 메뚜기는 다리에, 나비와 매미 등은 흉부나 복부에, 파리는 촉각에 고막기관을 가지고 있습니다. 이것들의 고막기관은 소리의 주파수 즉, 소리의 고저를 식별하지는 못하고, 소리의 강도, 지속시간, 파형 등에만 민감하게 반응합니다.
일부 어류는 아가미의 마찰, 부레의 진동 등의 방법으로 1,000 Hz 이하의 저음을 내어 간단한 통신 수단으로 이용하기도 합니다. 그러나 이것들은 내이와 와우각이 없어서 소낭이 청각에 관여하는 것으로 알려져 있습니다.
양서류는 수컷만이 소리를 내어 암컷을 유인하는데, 내이의 기저막이 미약하게 발달하여 주파수가 3,000-4,000 Hz 정도의 저음에만 민감하게 반응합니다.
파충류는 내이의 기저막이 좀더 발달하였으나, 대부분 수백 Hz의 저음에만 반응합니다만, 악어나 도마뱀은 10,000 Hz의 소리도 들을 수 있습니다.
새들은 귀의 구조가 포유류와 많이 다르지만, 가청범위와 능력이 사람과 비슷합니다. 청각을 가진 동물 가운데 박쥐나 돌고래 같은 일부 포유동물들은 전파 탐지기(sonar system)와 같은 청각기관을 가지고 있어서, 초음파를 발사하고, 그것이 주위의 장애물이나 먹이에 부딪쳐서 되돌아오는 반향음을 분석하여 물체의 위치와 형태 및 거리를 파악하는 능력을 가지고 있습니다.
예를 들어 박쥐는 야간에 사람의 가정범위를 훨씬 넘는 20,000-100,000 Hz의 초음파를 단속적으로 발사하여 모기 크기만한 작은 곤충까지도 정확하게 식별하여 잡을 수 있습니다.
돌고래가 생소한 곳을 갈 때는 위치파와 성분파를 다 발사하여 주위 환경에 대하여 최대한 긴장된 정서로 진입하지만, 이미 익숙해진 곳을 갈 때는 위치파만 발사하여 진행하는 것으로 알려졌습니다. 최근 밝혀진 바에 의하면 돌고래의 공간인지 능력은 원숭이보다도 우수한 것으로 알려졌습니다.
우리 사람들의 귀의 구조와 능력의 일부에 대하여 알아보겠습니다. 귀는 주변으로부터의 소리를 듣기 위한 청각기관이자 몸의 균형정도를 감지하는 평형감각기입니다. 외이 즉 귀바퀴는 주로 집음장치로서 소리를 고막 쪽으로 모으는 역할을 합니다. 외이(外耳)는 약 2.5cm 깊이의 연골판으로 되어 있고, 외이도 즉 귓구멍은 고막을 향해 약간 위쪽으로 굽어져 있으며, 큰 땀샘과 귀지선이 있습니다. 고막(鼓膜)은 외이와 중이(中耳) 사이를 가로막고 있는 엷은 막으로서 면적이 약 70 mm2, 두께가 0.1 mm, 지름이 8 mm 정도입니다.
외이도에 나 있는 털과 약 4,000개의 피지선은 먼지나 벌레 등이 고막 쪽으로 들어오지 못하도록 방어작용을 합니다. 또한 외이도는 귓속의 공기상태를 일정하게 조절하는 능력이 있어서, 외부의 기후조건이 어떠하던지 고막에 와 닿는 공기의 온도와 습도는 항상 일정한 수준으로 유지해 줍니다. 그래서, 아무리 추운 겨울에도 고막이 시린 경우는 없습니다.
중이 속의 공간은 매우 좁아서 몇 방울의 물이 떨어져도 가득찰 정도의 공간인데, 공기로 채워져 있습니다. 여기에는 세 개의 이소골(耳小骨)들이 끝에서 끝으로 서로 이어져 있는데, 이들의 크기는 합쳐서 압정 하나의 크기 정도이며, 그 생김새에 따라 추골, 침골, 등골이라고 부릅니다. 이들은 고막의 진동을 전달받아서 그 진폭(amplitude)을 약간 줄이고, 그 대신 압력을 크게 증폭하는 역할을 합니다.
이소골 중 맨 안쪽에 있는 등골이 내이에 있는 달팽이 껍질 모양의 와우각관에 닿는 부위인 난원창의 넓이는 약 3.2 mm2 로서, 고막 넓이(50-90 mm2)의 약 1/25 밖에 되지 않기 때문에 넓은 넓이의 고막에 전달된 소리 에너지가 좁은 면적의 난원창에 집중될 때 단위 면적에 작용하는 힘 즉. 압력이 고막에서보다 15배 이상 증가하게 됩니다. 이렇게 증폭되면 공기의 진동을 에너지 손실 없이 공기의 관성보다 훨씬 큰 액체 즉, 내이의 공간을 채우고 있는 림프의 진동으로 바꾸는 데 매우 중요한 구실을 합니다. 이렇게 전달된 진동은 그 정도에 따라 감각세포로 된 마치 피아노의 건반과 흡사한 “20,000여 개의 건반”의 여러 부위를 자극합니다. 말하자면 귓속의 건반으로 다시 연주하는 것입니다.
감각세포는 진동을 받아 신경의 파장을 일으키며, 청신경은 이를 뇌로 전달합니다. 그러면 뇌는 모든 진동을 소리로 번역하여 결국 사람은 진동이 아니라 소리를 듣게 되는 것입니다.
여기서, 또 하나 신기한 것은 사람의 중이에 있는 3개의 이소골 즉, 추골, 침골, 등골은 신생아 때의 것이나, 성인이 되고, 노인이 되어 일생을 마칠 때까지 그 크기가 일정하다는 것입니다. 우리 몸의 모든 뼈는 자라게 되어 있는데, 이소골 만은 절대 자라지를 않습니다. 여기에는 엄청난 비밀이 숨어 있습니다. 만약에 어린 아기가 자라면서 이소골도 조금씩 자라는 것이라면, 어릴 때 처음 들은 부모와 형제들의 목소리는 물론 주변의 모든 소리가 항상 새로운 소리로만 들려서 낮익은 소리라는 것이 없게 될 것입니다. 그래서, 한참 자라는 자녀가 객지에 가서 지내다가 집으로 전화를 한다면 이미 다 성장한 부모는 괜찮지만, 자녀는 부모의 목소리가 달리 들리는 까닭에 한참동안의 신분확인과정을 거쳐야 “엄마구나, 아빠구나” 할 수 있을 것입니다. 얼마나 큰 사건들이겠습니까? 이런 혼란을 막기 위하여 누가 이소골들의 크기를 평생동안 같도록 고정시켰을까요?
사람의 가청 범위는 20-20,000 Hz이지만, 가장 민감하게 느낄 수 있는 최적 주파수는 1,000-4,000 Hz 이며, 일상생활에서 남자가 말할 때의 음성주파수는 약 120 Hz 이고, 여자의 경우는 약 250 Hz입니다. 사람은 60-3,000 Hz 범위에서는 2-3 Hz 정도의 차이도 식별하지만, 이 범위를 벗어나면 식별 능력이 떨어집니다.
누가 이 모든 것을 설계하고 한계를 정했을까요? 진화론에서 말하는 시간이겠습니까?
[기도] 사람과 모든 동물에게 소리를 내고 들을 수 있도록 하신 전능하신 하나님, 감사합니다. 아멘.
처: 한국창조과학회
