우리의 귀—위대한 소리 전달자

우리가 보고 싶지 않을 때는 눈을 감을 수 있다. 냄새를 맡고 싶지 않을 때는 숨을 죽일 수 있다. 그러나 듣고 싶지 않을 때 실제로 귀를 닫을 수는 없다. “귀를 기울이지 않다”라는 말은 은유에 불과하다. 우리의 듣는 기능은 심장의 박동처럼 잠을 잘 때에도 계속된다.

참으로, 귀는 우리가 바깥 세상과 접촉을 유지하도록 항상 동작한다. 귀는 듣는 것을 선별하고 분석하고 판독해서 뇌에 전달한다. 약 16입방 센티미터의 공간 내에서, 귀는 임무를 수행하기 위하여 음향학, 역학, 수력학, 전자 공학 및 고등 수학의 원리를 활용한다. 청각 작용이 손상을 받지 않은 경우 귀가 할 수 있는 일 몇 가지만 고려해 보자.

◻ 가장 낮게 속삭이는 소리로부터 이륙하는 제트 비행기의 우뢰 같은 폭음에 이르기까지, 우리의 귀는 음의 크기에 있어서 10,000,000,000,000배의 차이를 다룰 수 있다. 과학 용어로, 이것은 약 130데시벨의 범위다.

◻ 귀는 사람이 가득 찬 방안 저 끝에서 대화하는 소리를 포착하고 거기에 집중하거나, 백명으로 구성된 관현악단의 한 악기에서 음표 하나를 잘못 연주해도 감지해 낼 수 있다.

◻ 인간의 귀는 음원의 방향이 단지 2도만 변해도 그 차이를 감지할 수 있다. 두 귀에 도달하는 시간과 세기의 미소한 차이를 감지함으로써 그렇게 한다. 그 시간 차이가 수천만분의 일초에 불과할 수도 있지만 귀는 그것을 감지해서 뇌에 전달한다.

◻ 귀는 약 400,000가지의 음을 알아듣고 구분할 수 있다. 귀의 구조는 자동적으로 음파를 분석해서 우리의 기억 장치에 저장되어 있는 음과 일치 대조시키게 되어 있다. 그러한 이유로 우리는 어떤 음을 연주한 악기가 바이올린인지 플루트인지를, 또는 통화를 하고 있는 상대방이 누구인지를 분간하게 되는 것이다.

머리 옆으로 보이는 “귀”는 실은 우리의 귀에서 단지 한 부분, 가장 눈에 띄는 부분일 뿐이다. 아마 우리 대부분은 학교 다닐 때, 귀가 세 부분, 즉 보통 부르는 이름으로 겉귀, 가운데귀, 속귀로 구성되어 있음을 배워 아직도 기억할 것이다. 겉귀는, 보통 “귀”로 알고 있는 피부와 연골로 되어 있는 부분, 그리고 안쪽으로 고막과 연결되는 외이도(外耳道)로 구성된다. 가운데귀에서는, 인체에서 가장 작은 세개의 뼈—추골, 침골, 등골, 일반적인 명칭으로는 망치뼈, 모루뼈, 등자뼈—가 고막을 속귀의 입구인 난원창(卵圓窓)과 연결하는 다리를 이루고 있다. 그리고 속귀는 이상한 모양의 두 부분, 즉 세개의 반고리관의 복합체와 달팽이 모양의 와우각(蝸牛殼)으로 구성된다.

겉귀—동조된 수신기

분명히, 외이(外耳) 즉 겉귀는 공기 중의 음파를 모아서 귀의 내부로 전달하는 역할을 한다. 그러나 외이는 그런 일만 하는 것이 아니라 그보다 훨씬 더 많은 일을 한다.

외이의 둘둘 감긴 모양이 어떤 특정한 목적에 맞게 되어 있는 것은 아닐까 하고 생각해 본 적이 있는가? 과학자들은 외이 중앙에 있는 공동(空洞) 및 외이도의 모양이 특정 주파수 범위 안에서 음을 증가시키기에, 다시 말해서 공명(共鳴) 현상을 일으키기에 알맞다는 사실을 발견한다. 그것이 우리에게 어떻게 유익이 되는가? 공교롭게도 사람의 말소리 가운데 들어 있는 중요한 특징 대부분이 그와 거의 동일한 범위에 해당된다.a 말소리는 외이 및 외이도 속을 진행하면서 원래의 세기의 거의 두배로 증폭된다. 이것은 최고 수준의 음향 공학인 것이다!

겉귀는 또한 음원의 위치를 파악하는 능력을 갖는 데 중요한 역할을 수행한다. 이미 언급한 바와 같이, 소리가 들어오는 방향이 머리의 왼쪽이냐 오른쪽이냐 하는 것은 두 귀에 도달하는 시간과 세기의 차이에 의해 식별된다. 그렇다면 뒤쪽에서 오는 소리는 어떻게 되는가? 역시, 귀의 모양이 기능을 발휘한다. 우리 귀의 테두리는 뒤쪽에서 오는 소리와 상호 작용하여 3,000에서 6,000헤르츠까지의 범위 내에서 주파수가 떨어지는 식으로 모양을 갖추고 있다. 이로 인해 소리의 특성이 바뀌고, 뇌는 그 소리가 뒤쪽에서 오는 것으로 해석한다. 머리 위쪽에서 오는 소리 역시 바뀌는데, 이번에는 다른 주파수대에서 그렇게 된다.

가운데귀—기계공의 이상형

가운데귀가 하는 일은 음파의 음향 진동을 기계적 진동으로 변환시켜 그것을 속귀로 전달하는 것이다. 이 완두콩만한 크기의 실내에서 발생하는 일은 가히 기계공의 이상형(理想型)이라 하겠다.

강한 소리가 들어오면 고막이 상당히 움직일 것이라는 관념과는 판이하게도, 실제로 음파는 고막을 미량으로 움직일 뿐이다. 그처럼 미미한 움직임으로는 유체로 채워져 있는 속귀가 반응을 일으키게 하기에 결코 충분치 못하다. 이러한 장애가 어떻게 극복되는지 그 방법을 살펴보면 다시 한번 귀의 절묘한 설계가 여실히 드러난다.

가운데귀에 있는 세개의 작은 뼈는 서로 연쇄된 상태에서 민감하고도 효율적인 동작을 한다. 그 연쇄 상태는 지렛대 장치의 기능을 발휘하여 들어오는 모든 신호의 힘을 30퍼센트 가량 확대한다. 더 나아가, 고막의 면적은 등자뼈의 발판보다 약 20배나 넓다. 그리하여, 고막에 가해진 힘은 난원창에서 그보다 훨씬 작은 면적에 집중된다. 이 두 가지 요인이 함께 작용하여 고막의 진동 압력이 난원창에 왔을 때는 25 내지 30배로 증폭된다. 그 정도면 와우각 내에 있는 유체를 움직이는 데 적당한 압력이다.

코감기 때문에 때때로 청각에 영향을 받아 본 적이 있는가? 그렇게 되는 것은 고막이 제대로 작동하려면 고막 양쪽의 압력이 같아야 하기 때문이다. 정상인 경우 이 균형은 가운데귀와 비도(鼻道)의 뒷부분을 연결하는, 유스타키오관(管)이라고 하는 작은 관에 의해서 유지된다. 이 관은 우리가 침을 삼킬 때마다 열려서 가운데귀에 생긴 압력을 모두 제거한다.

속귀—실제로 결정적인 역할을 하는 부위

난원창으로부터 속귀가 시작된다. 반고리관이라고 하는 서로 직각을 이루는 세개의 고리는 우리가 평형 감각을 유지하고 근육 운동을 조정하게 해준다. 그렇지만, 청각 활동이 실제로 시작하는 곳은 와우각이다.

와우각(영어의 cochlea는 희랍어 ko·khliʹas[달팽이]에서 유래)은 기본적으로 유체가 들어 있는 세개의 관 즉 도관의 다발로서, 달팽이 껍데기처럼 나선형으로 둘둘 감겨 있다. 이 관들 중 두개는 나선형의 정점 부분에서 연결되어 있다. 나선형의 기부(基部)에 있는 난원창이 등자뼈에 의해 가동되면, 이 난원창은 피스톤처럼 왕복 운동을 하여 유체 내에 수압파(水壓波)를 일으킨다. 이들 파동은 그 정점까지 갔다 오면서 관들의 사이를 이루는 벽들을 진동시킨다.

이들 벽 중 하나인 기저막(基底膜)이라는 것을 따라서 감도가 높은 코르티 기관이 있는데, 그 명칭은 1851년에 청각의 이 실제 중심부를 발견한 사람인 알폰소 코르티에서 따온 것이다. 이 기관의 핵심은 감각을 전달하는 여러 줄의 유모(有毛) 세포로 구성되며, 그 수는 15,000개 이상에 이른다. 이들 유모 세포에서 나온 수천개의 신경 섬유는 소리의 주파수, 강도 및 음색에 관한 정보를 뇌로 가져가고, 뇌에서는 청각 작용이 일어난다.

신비가 풀림

코르티 기관이 어떤 방법으로 이 복잡한 정보를 뇌에 전달하는가 하는 점은 오랫동안 신비로 남아 있었다. 과학자들이 확실히 아는 것 한 가지는 뇌가 기계적 진동이 아니라 전기 화학적 변동에만 반응한다는 점이었다. 코르티 기관은 어떤 방법으로인가 기저막의 진동 운동을 그에 해당하는 전기적 충격으로 변환시켜서 뇌에 보내지 않으면 안 되는 것이다.

헝가리 과학자 게오르그 폰 베케시가 이 작은 기관의 신비를 푸는 데는 약 25년이 걸렸다. 그가 발견한 것 중 한 가지는 수압파가 와우각 내에 있는 관들을 따라 진행할 때 그 중간 어디쯤에서 최고치에 도달하여 기저막에 힘을 가한다는 사실이었다. 높은 주파수의 음에서 생기는 파동은 와우각의 기부 가까이 있는 막에 힘을 가하고, 낮은 주파수의 음에서 생기는 파동은 정점 가까이 있는 막에 힘을 가한다. 그래서, 베케시가 내린 결론은, 특정 주파수의 음은 특정 부위에서 기저막을 진동시키는 파동을 일으키고, 그 결과 그 부위의 유모 세포가 반응하여 뇌에 신호를 보낸다는 것이었다. 유모 세포의 위치는 주파수에 해당하고, 자극을 받는 유모 세포의 수는 세기에 해당하게 된다.

이러한 설명은 순음(純音)의 경우에는 적합하다. 그러나 실제로 생기는 음은 순음인 경우가 매우 드물다. 식용 개구리가 우는 소리와 북소리는 주파수가 같을지라도 전혀 다르다. 그 이유는 모든 음은 기본음과 여러 상음(上音)으로 구성되기 때문이다. 상음의 수와 그 상대적인 크기에 따라서 각 음은 그 나름의 독특한 음색 즉 특색을 갖게 된다. 바로 그와 같은 방법으로 우리는 소리를 듣고 분간하는 것이다.

기저막은 음이 가지고 있는 모든 상음에 동시에 반응하여 어떤 상음이 얼마나 들어 있는지를 감지하고, 그 결과 음을 식별한다. 수학자들은 이러한 과정을 푸리에 해석(解析)이라고 하는데, 그 명칭은 19세기 프랑스의 뛰어난 수학자 장-밥티스트-조제프 푸리에에서 따온 것이다. 그런데, 귀는 그 고도의 수학적 기법을 내내 사용해서 듣는 음을 분석하고 정보를 뇌에 전달해 오고 있다.

현재까지도, 과학자들은 속귀가 어떤 종류의 신호를 뇌에 보내는지 확실히 모른다. 조사 결과를 보면 모든 유모 세포가 보내는 신호는 길이와 세기가 거의 같다. 그래서, 과학자들은 뇌에 메시지를 전달하는 주체가 신호의 내용이 아니라 단순한 신호 그 자체라고 믿는다.

이것이 얼마나 의미 심장한 것인지를 인식하기 위하여, 한 어린이가 다음 어린이에게로 어떤 이야기를 줄을 따라 전달하는 어린이 놀이를 생각해 보자. 맨 끝에 있는 어린이가 듣게 되는 이야기는 처음과는 전혀 딴 이야기가 되는 경우가 흔히 있다. 만약 복잡한 이야기 대신에 어떤 숫자와 같은 부호를 전달한다면, 아마도 왜곡되는 일은 없을 것이다. 속귀가 하는 일이 바로 그와 같은 것임이 분명하다.

흥미롭게도, 오늘날 진보된 통신 시스템에서 사용하는 펄스 부호 변조라는 기법에 그와 동일한 원리가 적용된다. 어떤 현상을 세부점 그대로 송신하는 것이 아니라, 그 현상을 나타내는 부호로 송신하는 것이다. 바로 이런 방식으로 화성 사진이 지구에 송신되었는데, 그것은 이진법의 비트 방식으로서, 녹음 재생시 음을 비트로 변환시킬 때 쓰는 방식이기도 하다. 그러나 다시 말하거니와, 귀가 먼저 그런 일을 한 것이다!

창조의 걸작

우리의 귀는 모든 귀 중에서 가장 예민하거나 감도가 가장 높지는 않을지라도, 우리에게 가장 필요한 일 중의 한 가지인 의사 소통의 필요를 충족시키는 데는 대단히 적합하게 되어 있다. 우리의 귀는 사람의 말소리 특징에 특히 적절하게 반응하도록 설계되어 있다. 갓난아기가 잘 자라려면 엄마의 목소리를 들을 필요가 있다. 그리고 아기가 자라감에 따라, 말하는 기능을 발전시키려면 다른 사람들의 말소리도 들을 필요가 있다. 아기는 언어마다 가지고 있는 미묘한 억양을 귀로 매우 정확하게 분간할 수 있게 되어, 성장하면서 그 고장 사람 특유의 말투로 말을 하게 된다.

이 모든 것은 맹목적인 진화의 결과가 아니다. 그와는 반대로, 우리가 경탄스러운 청각 기관을 가지게 된 것은 인자하신 창조주 여호와 덕분이다. (잠언 20:12) 우리의 귀는 참으로 창조의 걸작이자 우리를 지으신 분의 지혜와 사랑의 표현이다. 귀를 사용해서 우리는 같은 사람들과 의사 소통을 할 수 있다. 그러나 무엇보다도, 우리는 하늘에 계신 우리 아버지 여호와 하나님으로부터 배우기 위하여, 하나님의 말씀에서 나오는 지혜에 귀를 기울이도록 하자.

[각주]

[19면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

겉귀

귀

외이도

고막

가운데귀

망치뼈

모루뼈

등자뼈

유스타키오관

속귀

반고리관

난원창

와우각

[20면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

세 관을 펼쳐 보인 구조도

와우각

전정관(前庭管)

와우관

고실관(鼓室管)