우리의 창조된 귀 - Andy McIntosh 글, 이종헌 역

우리의 창조된 귀

(OUR CREATED EAR)

듣는 귀와 보는 눈은 다 여호와께서 지으신 것이니라(잠언 20:12)

(“The hearing ear and the seeing eye, the Lord has made them both”(Proverbs 20:12).)

 

Andy McIntosh 글, 이종헌 역

출처: creation magazine Vol. 42(2020), No. 1 pp. 14-17

 

 

 

 

  

 

<이 기사는 저자가 Stuart Burgess 박사와 Brian Edwards와 공동 저술한 책 Wonders of Creation: Design in a fallen world에서 저자가 기여한 부분을 각색한 것이다. creation.com/wocfw>

 

귀와 그 작동 방식을 살펴보면, 우리의 청각의 근원에는 매우 훌륭하고 복잡한 과정이 있음이 분명하다는 것을 즉시 알게 된다. 실제로 인간의 귀는 지구상에서 가장 작고 정교한 공학의 가장 복잡한 예 중 하나이다.

 

나의 배경은 음향 공학에 적용되는 수학이며, 연소할 때 일어나는 압력 파의 역할에 대한 연구를 수행하고 있다. 여기에는 말할 때 공기를 통해 이동하는 음향파라고 하는 매우 작은 압력 변화가 포함된다. 그것들은 작지만 가만있는 불꽃에도 영향을 줄 수 있다. 이 작업에는 제트 엔진의 안전성이 포함되는데, 이는 ‘공명(resonance)’이라는 특정 현상(한 물체가 다른 물체와 일치하게 진동 할 때)이 음향파를 증폭하여 진동이 커져서 심지어 회전자의 날개를 파괴하기까지 하는 것이다. 앞으로 살펴보겠지만, 공명은 듣기, 특히 사람의 목소리를 듣는 데 있어서 중요한 속성이다.

 

 

How we hear(어떻게 듣는가?)

 

소리는 공기 속에서의 압력 교란이다. 공기를 통해 이동하는 맥동 압력의 작은 주기적 진동(‘음향파’라고 부르는)이 외이도(귓구멍)의 입구로 들어가 중이(‘고막’ - 그림 1을 보라)에 도달한다.

 

    

그림 1. 인간 귀의 작동 다이어그램. 내이의 반고리관(진한 파란색)은 균형과 관계되므로 여기서는 설명하지 않는다.

[Stabilizing ligaments/안정 인대, Malleus(hammer)/추골(망치뼈), Ossicles(three bones)/소골(세개의 뼈), Incus/침골(모루뼈), Stapes(stirrup—attached to oval window)/등골(등자뼈-난원창에 붙어있다), Vestibular nerve/전정신경, Cochlear nerve/와우신경(달팽이신경), Cochlea/달팽이관, Eustachian tube/유스타키오관, Middle ear(tympanic) cavity/중이의 고실, Tympanic membrane(ear drum)/고막, External auditory ear canal/외청귀관]

 

결과적인 고막의 작은 진동이 중이강에 있는 ‘소골’이라는 3개의 작은 뼈들을 통해 내이의 달팽이관으로 전달된다. 이 시스템의 각 단계는 그 복잡성에 있어서 경이롭다. 모든 포유류에는 이러한 기본 기능을 갖춘 시스템이 있다(그림 1을 보라). 그러나 심지어 외이도에 있어서도 포유류들 간에 큰 차이가 있다.

 

외이도는 소리를 전달하는 것뿐 아니라 공명으로 이를 증폭시킨다. 공명하는 주파수는 길이, 모양 및 크기에 따라 다르다. (플루트에서 우리가 서로 다른 지점에서 그것을 여는 것에 의해 그 길이를 바꿔줌으로 해서 공기 기둥이 다른 주파수에서 진동하는 방식을 고려해 보라.)

 

인간의 외이도는 길이가 약 20mm(0.8 인치)인 반면, 고양이와 개는 길이가 더 길고 거의 직각으로 구부러져 수평 및 수직으로 구성되어 있다. 그것들은 우리와는 다른 주파수를 증폭하도록 설계되어 있다.

 

 

Different hearing range(다른 가청 범위)

 

인간은 초당 약 20 싸이클(Hertz = Hz)에서 거의 20,000Hz까지 넓은 범위(9 옥타브)를 듣는다. 개는 약 65에서 44,000Hz(역시 9 옥타브 이상이지만 인간에 비해 위쪽으로 이동되어 있다)까지 듣는 반면, 고양이는 10 옥타브 이상 55에서 77,000Hz까지로 가장 넓은 범위 중 하나이다.

 

우리는 심지어 20대에서도 매우 높은 주파수(약 12,000Hz 이상)를 들을 수 있는 능력을 잃기 시작한다. 사람의 목소리는 다량의 ‘배음(harmonics)’(일반적으로 125 ~ 400Hz에서 방출하는 여러 기본 주파수들)을 동반하는데, 이 소리는 먼저 들리는 범위를 넓히고 각 개인의 목소리를 독특하게 해준다. 여기에는 모든 피조물이 복종하는 그리스도 자신의 음성이 포함된다. 이것은 창조 주간에 모든 것이 존재하도록 말씀하셨던 동일한 분이 마가복음 4 장에서 바람과 파도가 그분께 순종하도록 그분이 명령했을 때 증명되었다!

 

사람 목소리의 배음은 2,000Hz와 5,000Hz 사이에서 특히 중요한데 이는 그 영역이 다른 모음 소리가 구별되는 영역이기 때문이다. 더 높은 주파수는 특히 음악에서 소리의 품질을 풍부하게 한다. 외이도는 ‘말하기’ 주파수와 공명하기에 딱 적합한 길이와 모양으로 되어 있다(즉, 외이도 공기 진동은 일반적인 말하기 모드와 공명을 한다).

 

 

The sound of water(물의 소리)

놀랍게도 최근 연구에서 또 다른 흥미로운 사실이 드러났다. 물에서 나오는 모든 소리는 물에 갇힌 아주 작은 기포가 터짐으로써 생성되는 것으로 나타났다.(1) 각 기포는 그 크기에 따른 주파수에서 진동하므로 물이 흐르면 다양한 범위의 가청 주파수가 생성된다. 따라서 졸졸 흐르는 시냇물 소리, 흐르는 폭포와 바닷가의 부서지는 파도는 수십억 개의 매우 작은 기포가 그것을 감싸는 물의 질량에 저항하여 진동함으로써 만들어내는 것이다. 이들 무수한 기포는 모두 약간 다른 주파수를 갖지만, 모두가 외이도에 의해 제공되는 음향 공명에 의해 사람의 귀가 증폭하는 범위 내에 정확히 들어 있다.

 

이들과 같은 주파수는 사람의 말이 각각 차이를 나타내는 것과도 연관이 있다. 하나님께서 그분의 말씀에서 “여호와의 소리가 물 위에 있도다 영광의 하나님이 우렛소리를 내시니 여호와는 많은 물 위에 계시도다(시편 29:3)”라고 말씀하시는 것은 의미심장하다.

 

하나님은 성경을 통해 명확하고 정확하게 말씀하시지만, 또한 더욱 일반적인 방법으로 그분의 창조를 통해 말씀 하신다. 반짝이는 개울의 아름다움, 파도의 위엄, 또는 비바람의 놀라운 힘을 들었을 때 우리 중 누가 감동을 받지 않을 수 있는가?

 

더욱이, 명금(songbirds)이 사용하는 주파수도 역시 같은 범위에 있다! 우리의 외이도가 인간의 말과 노래, 흐르는 물, 새의 노래의 주파수를 자연스럽게 공명하고 증폭시키는 놀라운 방법은 우리 몸에 내재된 설계의 또 다른 증거이다.

 

 

The middle ear’s three ossicle bones(중이의 세 개의 소골)

 

음향 신호는 고막을 진동시킨다. 이것은 뒤에 붙어있는 추골(망치뼈)을 밀고, 그 자체가 침골(모루뼈)을 밀고, 이어서 수평적으로 등골(등자뼈)로 이동한다(그림 1을 보라). 이들 뼈의 처음 두 개는 길이가 약 5mm(0.2 인치)이며, 등골(우리 몸에서 가장 작은 뼈)은 더 작다. 실제로, 3 개의 뼈 모두 직경 20mm인 영국의 1페니짜리 동전에 쉽게 들어간다(그림 2를 보라).

 

 

  

 

이것들은 태어난 이후로 크기가 자라지 않는 신체의 유일한 뼈이다. 진화론을 믿는 사람들은 파충류 턱뼈의 윗부분과 아랫부분이 이동하여 추골과 침골이 되었다고 주장하려 하는데, 그것은 그러한 이야기의 가장 큰 장애물 중 하나를 조용히 무시하는 것이다. 즉, 파충류의 턱뼈는 결코 안자라지 않는다!

 

소골 뼈들은 신호를 증폭시켜야한다. 신호가 이제 내이의 액체 매체로 들어가야 하기 때문이다(액체는 압축 할 수 없기 때문에 소리를 방해한다). 세 개의 뼈 각각은 특수한 모양으로 되어 있어서 지렛대 메커니즘을 형성하는데, 등자뼈(달팽이관에 있는 난원창이라고 하는 막에 붙어있다 - 그림 3을 보라)는 추골에 의해 이동하는 거리의 약 3배를 이동시킨다. 또한 중이의 고막과 비교하여 난원창에서 10 배 더 작은 면적이 진동하므로,(2) 관련된 에너지 전달이 거의 100% 효율적이다.

 

 

The cochlea of the inner ear(내이의 달팽이관)

 

등골은 난원창의 막에서 펌프처럼 작동하며, 솜씨 있게 와우창의 막(그림 3을 보라)이 달팽이관 내부의 액체의 움직임을 보상하기 위해 팽창된다.

 

달팽이관을 펼치면(그림 4를 보라) 달팽이관 내부에 더 높은 주파수로 갈수록 더 가늘어지는 독창적인 기저막이 마치 실로폰처럼 생긴 것을 보게 되는데, 난원창 진동에서 들어오는 결합된 주파수가 즉시로 각각의 성분 주파수로 분리되어, 각각의 주파수가 기저막의 서로 다른 부분을 진동시킨다. 이것은 사실상 순간 주파수 분석기로서, 모든 전기 엔지니어를 경탄하게 한다. 그것은 마치 당신의 내이에서 키보드를 연주하는 작은 그렘린(콘서트 피아니스트의 기술을 가진!)을 갖고 있는 것과 같다!

 

  

그림 3. 인간 귀의 작동 도표

그림 4. 달팽이관을 펼치면 실로폰을 연상시키는 기저막이 보인다.

[Oval window/난원창, Round window/와우창, Bony cochlear wall/골질 달팽이벽, Scala vestibuli/전정계, Cochlear duct/달팽이관, Tectorial membrane/덮개막, Organ of Corti/코르티 기관, Basilar membrane/기저막, Scala tympani/고실계, Spiral ganglion/나선 신경절, Nerves/신경]

[tympanic membrane/고막, stapes/등자뼈, base/기저, scala vestibuli/전정계, scala tympani/고실계, basilar membrane/기저막, uncoiled cochlea/풀린 달팽이관, apex/정점, helicotrema/달팽이구멍]

 

 

청각 시스템의 마지막 부분은 기저막의 상단을 따라 펴져있는 코르티 기관(그림 3을 보라)과 관련이 있다. 이곳 위에는 아주 작은 털(부동섬모)이 있는데(그림 5), 그것은 들어오는 신호에 의해 자극되는 각각의 주파수에 따라 전기 신호를 보낸다. 섬모(두께가 0.00025mm로써, 가장 얇은 (담황갈색의) 인간 머리털 두께의 1/70!)라고 불리는 각각의 작은 ‘털’이 (섬모 바로 위에 닿아 있는) 덮개막에 의해 교란될 때 하나의 털 위에 부착된 문자 그대로의 기계적 스프링을 작동시킨다는 것이 놀랍다. 이 스프링은 두께가 수 나노 미터에 불과하며 길이는 약 100 나노 미터이다. 나노 미터는 백만 분의 1mm이며, 분자 규모에 많이 사용하고 있다. 다른 쪽 끝은 인접한 섬모(그림 5)의 측면에 있는 작은 함정문을 끌어당긴다. 이것은 가장 작은 기계적 스프링 중의 하나이다!

 

 

  

그림 5. 섬모에는 인접한 섬모에 부착된 스프링으로 작동되는 함정문이 있다. 그러면 충전된 이온이 섬모 아래로 이동하여 신경을 자극하여 뇌로 보낸다.

[Tectorial membrane (not shown) is above Stereocilia and disturbing them/덮개막(여기서는 보이지 않음)이 부동섬모 위에 있어서 그것들을 교란시킨다. Tip link/끝부분 연결, Stimulation opens trap door/자극으로 함정문이 열림, Hair cell within Organ of Corti/코르티 기관 내에 있는 모발 세포, Spiral ganglion/나선 신경절, Cochlear nerve/와우신경, Stereocilia/부동섬모]

 

 

그러면 이 열린 함정문은 유체로 채워진 달팽이관의 하전된 이온이 신경절 신경을 자극하여 그것이 음악인지 음성인지에 따라 뇌의 대뇌피질의 다른 부분으로 신호를 보내게 한다. 낮은 주파수의 경우 Hz가 하나씩 변화할 때마다 대략 하나의 신경이 있다. 위의 범위에서는 신경 종말 당 약 2 ~ 3Hz이다.

 

 

Noise damage(소음 피해)

 

때로는 누군가 귀 보호 장비를 제공해 주지 않는 경우 특정 산업에서와 같이 하나의 특정한 주파수의 반복적인 소리를 들으면 청각 메커니즘이 손상되는 경우가 있다. 시끄러운 음악을 듣는 것도 이와 같을 수 있는데, 섬모 끝에 있는 스프링이 특정한 세트의 주파수에 대해 문자 그대로 똑 부러질 수 있기 때문이다.

 

어떤 사람은 달팽이관 시스템이 작동하지 않는 등의 귀에 유전적 결함이 있는 사람들이 있다. 훌륭한 호주 외과의사인 Graeme Clark은 달팽이관 이식을 개발했는데, 이것은 달팽이관 시스템을 나선신경절 신경에 부착된 마이크로 우회시키는 것이다. 처음에 이것은 최소한의 기본적인 음성만을 들을 수 있었는데, 이후의 개발로 인해 심지어 음악도 들을 수 있도록 주파수 해상도가 높은 이식이 가능하게 되었다. 이러한 절묘한 엔지니어링의 위업을 달성하려면 영리한 지성이 필요했다. 그 의미는 분명하다. 원래의 설계가 정말 훌륭했다!

 

 

Summary and conclusion(요약 및 결론)

 

공기 진동, 기계, 화학 및 전기 공학을 포함하는 그러한 정교한 시스템은 솔직히 놀랍고 귀에 대한 지능적인 설계를 확증해 준다. 분명히 우리는 시편 가자와 같이 말할 수 있다. “내가 주께 감사하옴은 나를 지으심이 심히 기묘하심이라 주께서 하시는 일이 기이함을 내 영혼이 잘 아나이다”(시편 139:14).

 

 

References and notes(참고문헌과 주석)

 

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

2. Areal ratio of tympanic membrane to stapes. See tinyurl.com/yyv5gay5.

 

 

ANDY McINTOSH Ph.D., D.Sc.

Dr McIntosh is Emeritus Professor of Thermo dynamics at the University of Leeds, UK where he has lectured and researched in combustion theory, aerodynamics, mathematics and engineering. In particular his work on the bombardier beetle has inspired a patented novel spray technology and he has investigated the fundamental link between thermodynamics and information. He speaks and writes widely on origins and has authored or co-authored several creationist books. For more: creation.com/andy-mcintosh.