우리의 창조된 귀
(Our Creation Ear)
Andy McIntosh Ph.D., D.Sc.
“듣는 귀와 보는 눈은 다 여호와께서 지으신 것이니라” (잠언 20:12)
귀와 그 작동 방식을 살펴보면, 우리의 청각의 근원에는 매우 훌륭하고 복잡한 과정이 들어있음이 분명하다는 것을 즉시 알게 된다. 실제로 인간의 귀는 지구상에서 가장 작고 정교한 공학적 구조 중 하나이다.
저자의 전공은 음향공학에 적용되는 수학이며, 연소할 때 일어나는 압력파의 역할에 대한 연구를 수행하고 있다. 음향파(acoustic waves)는 말을 할 때, 공기를 통해 전파되는 매우 작은 변화된 압력의 파동을 말한다. 그것은 작지만, 가만있는 불꽃에도 영향을 줄 수 있다. 연구에는 제트 엔진의 안전성도 포함되는데, ‘공명(resonance)’이라 불리는 특정 현상(한 물체가 다른 물체와 진동이 일치할 때 발생)이 음향파를 증폭하여, 진동을 커지게 만들고, 심지어 회전자의 날개를 파괴하기도 한다. 앞으로 살펴보겠지만, 공명은 소리를 듣는 과정에서, 특히 사람의 목소리를 듣는데 있어서 한 중요한 속성이다.
어떻게 듣는가?
소리(sound)는 공기 속에서 압력의 교란이다. 공기를 통해 여행하는 맥동하는 압력의 작은 주기적 진동(‘음향파’라고 부르는)이 외이도(귓구멍)의 입구로 들어가 중이(‘고막’, 그림 1)에 도달한다.
그림 1. 인간 귀의 해부도. 내이의 반고리관(진한 파란색)은 평형과 관계되므로 여기서는 설명하지 않는다. [Stabilizing ligaments/안정 인대, Ossicles(three bones)/이소골(세 개의 뼈) : Malleus(hammer)/추골(망치뼈), Incus/침골(모루뼈), Stapes/등골(등자뼈), Vestibular nerve/전정신경, Cochlear nerve/와우신경, Cochlea/와우(달팽이관), Eustachian tube/유스타키오관, Middle ear(tympanic) cavity/중이강, Tympanic membrane(eardrum)/고막, External auditory ear canal/외이도]
결과적으로 고막의 작은 진동이 중이강에 있는 ‘이소골’이라 불리는 3개의 작은 뼈들을 통해 내이의 달팽이관(Cochlea, 와우)으로 전달된다. 이 시스템의 각 단계는 그 복잡성에 있어서 경이롭다. 모든 포유류에는 이러한 기본 기능을 갖춘 시스템들이 있다(그림 1을 보라). 그러나 포유류들 간에 큰 차이가 있고, 심지어 외이도에도 차이가 있다.
외이도(ear canal)는 소리를 전달하는 것뿐만 아니라, 공명으로 소리를 증폭시킨다. 공명하는 주파수는 길이, 모양 및 크기에 따라 다르다. (플루트(flute)에서 우리가 손가락으로 서로 다른 지점을 열어 길이를 바꿔줌으로 해서, 공기 기둥이 다른 주파수에서 진동하는 방식을 생각해 보라.)
인간의 외이도는 길이가 약 20mm(0.8 인치)인 반면, 고양이와 개는 길이가 더 길고, 거의 직각으로 구부러져 수평 및 수직으로 구성되어 있다. 그들은 우리와는 다른 주파수를 증폭하도록 설계되어 있다.
다른 가청 범위
인간은 약 20~20,000Hz까지 넓은 범위(9 옥타브)를 듣는다. 개는 약 65~44,000Hz(역시 9 옥타브 이상을 듣지만, 인간에 비해 위쪽으로 이동되어 있다)를 듣는 반면, 고양이는 55~77,000Hz까지(10 옥타브 이상)을 들어, 가장 넓은 가청범위 중 하나를 갖고 있다.
사람은 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 첫째 들려지는 범위를 넓히고, 각 개인의 목소리를 독특하게 해준다. 여기에는 모든 피조물이 복종하는 그리스도 자신의 음성이 포함된다. 이것은 창조주간에 모든 것이 존재하도록 명령하셨던 동일한 분이, 마가복음 4장에서 그분이 명령했을 때, 바람과 파도가 그분께 순종함으로서 입증되었다!
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 말할 때의 주파수와 공명하기에 딱 적합한 길이와 모양으로 되어 있다(즉, 외이도 공기 진동은 일반적인 ‘말하기’ 모드와 공명을 한다).
물의 소리
놀랍게도 최근 연구에서 또 다른 흥미로운 사실이 밝혀졌다. 물에서 나오는 모든 소리들은 물에 갇혀있던 아주 작은 기포들이 터짐으로써 생성되는 것으로 나타났다.[1] 각 기포는 그 크기에 따른 주파수에서 진동하므로, 물이 흐르면 다양한 범위의 가청 주파수가 생겨난다. 따라서 졸졸 흐르는 시냇물 소리, 큰 소리로 떨어지는 폭포 소리, 바닷가의 부서지는 파도 소리는 수십억 개의 매우 작은 기포들이 그것을 감싸는 물의 질량에 저항하여 진동함으로써 만들어내는 것이다. 이들 무수한 기포들은 모두 약간 다른 주파수를 갖고 있지만, 모두가 외이도에 의해 제공되는 음향 공명에 의해, 사람의 귀가 증폭하는 범위 내에 정확히 들어간다.
이것들과 같은 주파수는 사람의 말이 각각 차이를 나타내는 것과도 연관되어 있다. 하나님께서 그분의 말씀에서 “여호와의 소리가 물 위에 있도다 영광의 하나님이 우렛소리를 내시니 여호와는 많은 물 위에 계시도다(”시편 29:3)라고 말씀하신 것은 의미심장하다.
하나님은 성경을 통해 명확하고 정확하게 말씀하시지만, 또한 더욱 일반적인 방법으로 그분의 창조를 통해 말씀하신다. 활기 넘친 계곡물의 아름다운 소리, 위엄있는 파도 소리, 또는 쏟아지는 빗소리를 들었을 때, 우리 중 누가 감동을 받지 않을 수 있겠는가?
더욱이, 명금류(songbirds)가 사용하는 주파수도 역시 같은 범위에 있다! 우리의 외이도가 사람의 말과 노래, 흐르는 물의 소리, 지저귀는 새 소리의 주파수를 자연스럽게 공명하고 증폭시키는 놀라운 방법은 우리 몸이 설계되었다는 또 다른 내재적 증거이다.
중이에 있는 세 개의 이소골
음향 신호는 고막을 진동시킨다. 이것은 뒤에 붙어있는 추골(망치뼈)을 밀고, 그것은 침골(모루뼈)을 밀고, 이어서 수평적으로 등골(등자뼈)로 전달된다(그림 1을 보라). 이들 뼈의 처음 두 개는 길이가 약 5mm이며, 등골(우리 몸에서 가장 작은 뼈)은 더 작다. 실제로, 3개의 뼈 모두 직경 20mm인 영국의 1페니짜리 동전에 쉽게 들어간다(그림 2를 보라).
그림 2.
이것들은 태어난 이후로 크기가 자라지 않는 신체의 유일한 뼈이다. 진화론을 믿는 사람들은 파충류 턱뼈의 윗부분과 아랫부분이 이동하여 추골과 침골이 되었다고 주장하는데, 그것은 그러한 이야기의 가장 큰 장애물 중 하나를 조용히 무시하는 것이다. 즉, 파충류의 턱뼈는 결코 안자라지 않는다!
이소골의 뼈들은 신호를 증폭시켜야한다. 이제 신호가 내이의 액체 매질로 들어가야 하기 때문이다(액체는 압축될 수 없기 때문에 소리를 방해한다). 세 개의 뼈(이소골) 각각은 특수한 모양으로 되어 있어서, 지렛대 메커니즘을 형성하는데, 등골(와우의 난원창이라고 하는 막에 붙어있음)은 추골에 의해 이동되는 거리의 약 3배를 이동시킨다.(그림 3). 또한 중이의 고막과 비교하여, 난원창에서 10배 더 작은 면적이 진동하므로[2], 관련된 에너지 전달이 거의 100% 효율적이다.
그림 3. 사람의 귀가 작동되는 모식도. [Oval window/난원창(안뜰창), Round window/와우창(달팽이창), Bony cochlear wall/골질 와우벽, Scala vestibuli/전정계(전정계단), Cochlear duct/와우관(달팽이관), Tectorial membrane/덮개막, Organ of Corti/코르티기관, Basilar membrane/기저막(바닥막), Scala tympani/고실계(고실계단), Spiral ganglion/나선 신경절, Nerves/신경]
내이의 와우관
등골은 난원창의 막에서 펌프처럼 작동한다. 그리고 와우관 내부의 액체의 움직임을 보상하기 위해서 현명하게 와우창의 막이 팽창된다.(그림 3을 보라)
그림 4. 와우관(달팽이관)을 펼쳐놓는다면, 실로폰을 연상시키는 기저막이 보인다. [tympanic membrane/고막, stapes/등골, base/기저, scala vestibuli/전정계, scala tympani/고실계(고실계단), basilar membrane/기저막, uncoiled cochlea/풀린 달팽이관, apex/정점, helicotrema/와우공]
만약 와우관(달팽이관)을 길게 펼쳐놓는다면(그림 4를 보라), 와우관 내부에 더 높은 주파수로 갈수록 더 가늘어지는, 마치 실로폰처럼 생긴 독창적인 기저막을 보게 되는데, 난원창 진동에서 들어오는 결합된 주파수가 즉시로 각각의 성분 주파수로 분리되어, 각각의 주파수가 기저막의 서로 다른 부분을 진동시킨다. 이것은 사실상 일종의 순간 주파수 분석기(instantaneous frequency analyzer)로서, 모든 전자 공학자들을 경탄하게 만든다. 그것은 마치 당신의 내이에서 키보드를 연주하는 소형 그렘린(gremlin, 피아니스트의 연주 기술을 가진!)을 갖고 있는 것과 같다!
청각 시스템의 마지막 부분은 기저막의 상단을 따라 펴져있는 코르티기관(그림 3을 보라)과 관련이 있다. 이곳 위에는 아주 작은 털(stereocilia, 부동섬모, 입체섬모)들이 있는데(그림 5), 그것은 들어오는 신호에 의해 자극되는 각각의 주파수에 따라 전기신호를 내보낸다. 섬모(두께가 0.00025mm로써, 가장 얇은 인간 머리카락 두께의 1/70!)라고 불리는 각각의 작은 ‘털’들이 (섬모 바로 위에 닿아 있는) 덮개막(tectorial membrane)에 의해 교란될 때, 하나의 털 위에 부착된 문자 그대로의 기계적 스프링을 작동시킨다. 이것은 정말로 놀라운데, 이 스프링은 두께가 수 나노미터에 불과하며, 길이는 약 100나노미터이다. 나노미터(nanometres)는 백만 분의 1mm이며, 분자 스케일에서 많이 사용하고 있는 단위이다. 다른 쪽 끝은 인접한 섬모(그림 5)의 측면에 있는 한 작은 뚜껑문(trapdoor)을 끌어당긴다. 이것은 가장 작은 초소형 기계적 스프링 중 하나이다!
그림 5. 섬모는 인접한 섬모에 부착된 스프링으로 작동되는 일종의 뚜껑문(trapdoor)이 있다. 전하를 띤 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 뚜껑문이 열림, Hair cell within Organ of Corti/코르티기관 내에 있는 털세포, Spiral ganglion/나선신경절, Cochlear nerve/와우신경, Stereocilia/부동섬모]
그러면 이 뚜껑문은 열리고, 유체로 채워진 와우관 안의 전하를 띤 이온들이 신경절 신경을 자극하여, 그것이 음악 소리인지 음성인지에 따라, 뇌의 대뇌피질의 다른 부분으로 신호를 보낸다. 낮은 주파수의 경우 Hz가 하나씩 변화할 때마다 대략 하나의 신경이 있다. 위쪽 주파수 범위에서는 약 2~3Hz 당 신경 종말 하나가 있다.
소음 피해
특정 산업장에서와 같이 한 특정한 주파수의 소리를 반복적으로 듣게 될 때, 때로는 누군가 귀 보호 장비를 제공해 주지 않는다면, 청각 메커니즘이 손상되는 경우가 있다. 시끄러운 음악을 듣는 것도 이와 같을 수 있는데, 섬모 끝에 있는 스프링이 특정한 세트의 주파수에 대해서 문자 그대로 똑 부러질 수 있기 때문이다.
어떤 사람은 와우관 시스템이 작동하지 않는 등, 귀에 유전적 결함이 있는 사람들이 있다. 훌륭한 호주 외과의사인 그레임 클락(Graeme Clark)은 와우관 이식술(cochlear implant)을 개발했는데, 이것은 나선신경절의 신경에 마이크로폰을 부착시켜 와우관 시스템을 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 공학적 위업을 달성하려면 현명한 지성이 필요했다. 그 의미는 분명하다. 원래의 설계가 정말로 정말로 훌륭했다!
요약 및 결론
공기진동, 기계공학, 화학, 전자공학 등이 총망라된 귀의 정교한 청각 시스템은 솔직히 경이롭다. 이러한 초고도 복잡성의 귀는 무작위적인 돌연변이들에 의해서 우연히 생겨난 것이 아니라, 지적설계 된 것임을 확증해 준다. 분명 우리는 시편 기자와 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
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.
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Further Reading
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*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.
*이 글은 저자가 Stuart Burgess 박사, Brian Edwards와 공동 저술한 책 ‘Wonders of Creation: Design in a fallen world’에서 저자가 기여한 부분을 각색한 것이다.
*참조 : 당신의 귀에 달팽이관이 있는 이유
https://creation.kr/Human/?idx=1291481&bmode=view
내이는 생각보다 훨씬 더 복잡했다.
https://creation.kr/Human/?idx=1291487&bmode=view
사람 귀의 놀라운 설계적 특성 : ‘형편없는 설계’라는 주장이 반박되다.
https://creation.kr/Human/?idx=11270920&bmode=view
인간만이 음악을 즐길 수 있도록 독특하게 설계되어 있었다.
https://creation.kr/Human/?idx=1291518&bmode=view
포유류의 청각을 예민하게 하는 모터달린 귀
https://creation.kr/animals/?idx=1291017&bmode=view
출처 : Creation, Vol. 42(2020), No. 1 pp. 14-17.
주소 : https://creation.com/human-ear
번역 : 이종헌
우리의 창조된 귀
(Our Creation Ear)
Andy McIntosh Ph.D., D.Sc.
“듣는 귀와 보는 눈은 다 여호와께서 지으신 것이니라” (잠언 20:12)
귀와 그 작동 방식을 살펴보면, 우리의 청각의 근원에는 매우 훌륭하고 복잡한 과정이 들어있음이 분명하다는 것을 즉시 알게 된다. 실제로 인간의 귀는 지구상에서 가장 작고 정교한 공학적 구조 중 하나이다.
저자의 전공은 음향공학에 적용되는 수학이며, 연소할 때 일어나는 압력파의 역할에 대한 연구를 수행하고 있다. 음향파(acoustic waves)는 말을 할 때, 공기를 통해 전파되는 매우 작은 변화된 압력의 파동을 말한다. 그것은 작지만, 가만있는 불꽃에도 영향을 줄 수 있다. 연구에는 제트 엔진의 안전성도 포함되는데, ‘공명(resonance)’이라 불리는 특정 현상(한 물체가 다른 물체와 진동이 일치할 때 발생)이 음향파를 증폭하여, 진동을 커지게 만들고, 심지어 회전자의 날개를 파괴하기도 한다. 앞으로 살펴보겠지만, 공명은 소리를 듣는 과정에서, 특히 사람의 목소리를 듣는데 있어서 한 중요한 속성이다.
어떻게 듣는가?
소리(sound)는 공기 속에서 압력의 교란이다. 공기를 통해 여행하는 맥동하는 압력의 작은 주기적 진동(‘음향파’라고 부르는)이 외이도(귓구멍)의 입구로 들어가 중이(‘고막’, 그림 1)에 도달한다.
그림 1. 인간 귀의 해부도. 내이의 반고리관(진한 파란색)은 평형과 관계되므로 여기서는 설명하지 않는다. [Stabilizing ligaments/안정 인대, Ossicles(three bones)/이소골(세 개의 뼈) : Malleus(hammer)/추골(망치뼈), Incus/침골(모루뼈), Stapes/등골(등자뼈), Vestibular nerve/전정신경, Cochlear nerve/와우신경, Cochlea/와우(달팽이관), Eustachian tube/유스타키오관, Middle ear(tympanic) cavity/중이강, Tympanic membrane(eardrum)/고막, External auditory ear canal/외이도]
결과적으로 고막의 작은 진동이 중이강에 있는 ‘이소골’이라 불리는 3개의 작은 뼈들을 통해 내이의 달팽이관(Cochlea, 와우)으로 전달된다. 이 시스템의 각 단계는 그 복잡성에 있어서 경이롭다. 모든 포유류에는 이러한 기본 기능을 갖춘 시스템들이 있다(그림 1을 보라). 그러나 포유류들 간에 큰 차이가 있고, 심지어 외이도에도 차이가 있다.
외이도(ear canal)는 소리를 전달하는 것뿐만 아니라, 공명으로 소리를 증폭시킨다. 공명하는 주파수는 길이, 모양 및 크기에 따라 다르다. (플루트(flute)에서 우리가 손가락으로 서로 다른 지점을 열어 길이를 바꿔줌으로 해서, 공기 기둥이 다른 주파수에서 진동하는 방식을 생각해 보라.)
인간의 외이도는 길이가 약 20mm(0.8 인치)인 반면, 고양이와 개는 길이가 더 길고, 거의 직각으로 구부러져 수평 및 수직으로 구성되어 있다. 그들은 우리와는 다른 주파수를 증폭하도록 설계되어 있다.
다른 가청 범위
인간은 약 20~20,000Hz까지 넓은 범위(9 옥타브)를 듣는다. 개는 약 65~44,000Hz(역시 9 옥타브 이상을 듣지만, 인간에 비해 위쪽으로 이동되어 있다)를 듣는 반면, 고양이는 55~77,000Hz까지(10 옥타브 이상)을 들어, 가장 넓은 가청범위 중 하나를 갖고 있다.
사람은 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 첫째 들려지는 범위를 넓히고, 각 개인의 목소리를 독특하게 해준다. 여기에는 모든 피조물이 복종하는 그리스도 자신의 음성이 포함된다. 이것은 창조주간에 모든 것이 존재하도록 명령하셨던 동일한 분이, 마가복음 4장에서 그분이 명령했을 때, 바람과 파도가 그분께 순종함으로서 입증되었다!
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 말할 때의 주파수와 공명하기에 딱 적합한 길이와 모양으로 되어 있다(즉, 외이도 공기 진동은 일반적인 ‘말하기’ 모드와 공명을 한다).
물의 소리
놀랍게도 최근 연구에서 또 다른 흥미로운 사실이 밝혀졌다. 물에서 나오는 모든 소리들은 물에 갇혀있던 아주 작은 기포들이 터짐으로써 생성되는 것으로 나타났다.[1] 각 기포는 그 크기에 따른 주파수에서 진동하므로, 물이 흐르면 다양한 범위의 가청 주파수가 생겨난다. 따라서 졸졸 흐르는 시냇물 소리, 큰 소리로 떨어지는 폭포 소리, 바닷가의 부서지는 파도 소리는 수십억 개의 매우 작은 기포들이 그것을 감싸는 물의 질량에 저항하여 진동함으로써 만들어내는 것이다. 이들 무수한 기포들은 모두 약간 다른 주파수를 갖고 있지만, 모두가 외이도에 의해 제공되는 음향 공명에 의해, 사람의 귀가 증폭하는 범위 내에 정확히 들어간다.
이것들과 같은 주파수는 사람의 말이 각각 차이를 나타내는 것과도 연관되어 있다. 하나님께서 그분의 말씀에서 “여호와의 소리가 물 위에 있도다 영광의 하나님이 우렛소리를 내시니 여호와는 많은 물 위에 계시도다(”시편 29:3)라고 말씀하신 것은 의미심장하다.
하나님은 성경을 통해 명확하고 정확하게 말씀하시지만, 또한 더욱 일반적인 방법으로 그분의 창조를 통해 말씀하신다. 활기 넘친 계곡물의 아름다운 소리, 위엄있는 파도 소리, 또는 쏟아지는 빗소리를 들었을 때, 우리 중 누가 감동을 받지 않을 수 있겠는가?
더욱이, 명금류(songbirds)가 사용하는 주파수도 역시 같은 범위에 있다! 우리의 외이도가 사람의 말과 노래, 흐르는 물의 소리, 지저귀는 새 소리의 주파수를 자연스럽게 공명하고 증폭시키는 놀라운 방법은 우리 몸이 설계되었다는 또 다른 내재적 증거이다.
중이에 있는 세 개의 이소골
음향 신호는 고막을 진동시킨다. 이것은 뒤에 붙어있는 추골(망치뼈)을 밀고, 그것은 침골(모루뼈)을 밀고, 이어서 수평적으로 등골(등자뼈)로 전달된다(그림 1을 보라). 이들 뼈의 처음 두 개는 길이가 약 5mm이며, 등골(우리 몸에서 가장 작은 뼈)은 더 작다. 실제로, 3개의 뼈 모두 직경 20mm인 영국의 1페니짜리 동전에 쉽게 들어간다(그림 2를 보라).
그림 2.
이것들은 태어난 이후로 크기가 자라지 않는 신체의 유일한 뼈이다. 진화론을 믿는 사람들은 파충류 턱뼈의 윗부분과 아랫부분이 이동하여 추골과 침골이 되었다고 주장하는데, 그것은 그러한 이야기의 가장 큰 장애물 중 하나를 조용히 무시하는 것이다. 즉, 파충류의 턱뼈는 결코 안자라지 않는다!
이소골의 뼈들은 신호를 증폭시켜야한다. 이제 신호가 내이의 액체 매질로 들어가야 하기 때문이다(액체는 압축될 수 없기 때문에 소리를 방해한다). 세 개의 뼈(이소골) 각각은 특수한 모양으로 되어 있어서, 지렛대 메커니즘을 형성하는데, 등골(와우의 난원창이라고 하는 막에 붙어있음)은 추골에 의해 이동되는 거리의 약 3배를 이동시킨다.(그림 3). 또한 중이의 고막과 비교하여, 난원창에서 10배 더 작은 면적이 진동하므로[2], 관련된 에너지 전달이 거의 100% 효율적이다.
그림 3. 사람의 귀가 작동되는 모식도. [Oval window/난원창(안뜰창), Round window/와우창(달팽이창), Bony cochlear wall/골질 와우벽, Scala vestibuli/전정계(전정계단), Cochlear duct/와우관(달팽이관), Tectorial membrane/덮개막, Organ of Corti/코르티기관, Basilar membrane/기저막(바닥막), Scala tympani/고실계(고실계단), Spiral ganglion/나선 신경절, Nerves/신경]
내이의 와우관
등골은 난원창의 막에서 펌프처럼 작동한다. 그리고 와우관 내부의 액체의 움직임을 보상하기 위해서 현명하게 와우창의 막이 팽창된다.(그림 3을 보라)
그림 4. 와우관(달팽이관)을 펼쳐놓는다면, 실로폰을 연상시키는 기저막이 보인다. [tympanic membrane/고막, stapes/등골, base/기저, scala vestibuli/전정계, scala tympani/고실계(고실계단), basilar membrane/기저막, uncoiled cochlea/풀린 달팽이관, apex/정점, helicotrema/와우공]
만약 와우관(달팽이관)을 길게 펼쳐놓는다면(그림 4를 보라), 와우관 내부에 더 높은 주파수로 갈수록 더 가늘어지는, 마치 실로폰처럼 생긴 독창적인 기저막을 보게 되는데, 난원창 진동에서 들어오는 결합된 주파수가 즉시로 각각의 성분 주파수로 분리되어, 각각의 주파수가 기저막의 서로 다른 부분을 진동시킨다. 이것은 사실상 일종의 순간 주파수 분석기(instantaneous frequency analyzer)로서, 모든 전자 공학자들을 경탄하게 만든다. 그것은 마치 당신의 내이에서 키보드를 연주하는 소형 그렘린(gremlin, 피아니스트의 연주 기술을 가진!)을 갖고 있는 것과 같다!
청각 시스템의 마지막 부분은 기저막의 상단을 따라 펴져있는 코르티기관(그림 3을 보라)과 관련이 있다. 이곳 위에는 아주 작은 털(stereocilia, 부동섬모, 입체섬모)들이 있는데(그림 5), 그것은 들어오는 신호에 의해 자극되는 각각의 주파수에 따라 전기신호를 내보낸다. 섬모(두께가 0.00025mm로써, 가장 얇은 인간 머리카락 두께의 1/70!)라고 불리는 각각의 작은 ‘털’들이 (섬모 바로 위에 닿아 있는) 덮개막(tectorial membrane)에 의해 교란될 때, 하나의 털 위에 부착된 문자 그대로의 기계적 스프링을 작동시킨다. 이것은 정말로 놀라운데, 이 스프링은 두께가 수 나노미터에 불과하며, 길이는 약 100나노미터이다. 나노미터(nanometres)는 백만 분의 1mm이며, 분자 스케일에서 많이 사용하고 있는 단위이다. 다른 쪽 끝은 인접한 섬모(그림 5)의 측면에 있는 한 작은 뚜껑문(trapdoor)을 끌어당긴다. 이것은 가장 작은 초소형 기계적 스프링 중 하나이다!
그림 5. 섬모는 인접한 섬모에 부착된 스프링으로 작동되는 일종의 뚜껑문(trapdoor)이 있다. 전하를 띤 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 뚜껑문이 열림, Hair cell within Organ of Corti/코르티기관 내에 있는 털세포, Spiral ganglion/나선신경절, Cochlear nerve/와우신경, Stereocilia/부동섬모]
그러면 이 뚜껑문은 열리고, 유체로 채워진 와우관 안의 전하를 띤 이온들이 신경절 신경을 자극하여, 그것이 음악 소리인지 음성인지에 따라, 뇌의 대뇌피질의 다른 부분으로 신호를 보낸다. 낮은 주파수의 경우 Hz가 하나씩 변화할 때마다 대략 하나의 신경이 있다. 위쪽 주파수 범위에서는 약 2~3Hz 당 신경 종말 하나가 있다.
소음 피해
특정 산업장에서와 같이 한 특정한 주파수의 소리를 반복적으로 듣게 될 때, 때로는 누군가 귀 보호 장비를 제공해 주지 않는다면, 청각 메커니즘이 손상되는 경우가 있다. 시끄러운 음악을 듣는 것도 이와 같을 수 있는데, 섬모 끝에 있는 스프링이 특정한 세트의 주파수에 대해서 문자 그대로 똑 부러질 수 있기 때문이다.
어떤 사람은 와우관 시스템이 작동하지 않는 등, 귀에 유전적 결함이 있는 사람들이 있다. 훌륭한 호주 외과의사인 그레임 클락(Graeme Clark)은 와우관 이식술(cochlear implant)을 개발했는데, 이것은 나선신경절의 신경에 마이크로폰을 부착시켜 와우관 시스템을 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 공학적 위업을 달성하려면 현명한 지성이 필요했다. 그 의미는 분명하다. 원래의 설계가 정말로 정말로 훌륭했다!
요약 및 결론
공기진동, 기계공학, 화학, 전자공학 등이 총망라된 귀의 정교한 청각 시스템은 솔직히 경이롭다. 이러한 초고도 복잡성의 귀는 무작위적인 돌연변이들에 의해서 우연히 생겨난 것이 아니라, 지적설계 된 것임을 확증해 준다. 분명 우리는 시편 기자와 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
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.
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*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.
*이 글은 저자가 Stuart Burgess 박사, Brian Edwards와 공동 저술한 책 ‘Wonders of Creation: Design in a fallen world’에서 저자가 기여한 부분을 각색한 것이다.
*참조 : 당신의 귀에 달팽이관이 있는 이유
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출처 : Creation, Vol. 42(2020), No. 1 pp. 14-17.
주소 : https://creation.com/human-ear
번역 : 이종헌