궁금했었던 사람이 소리를 듣는 원리에 대해서 생물학적으로 알기 쉽게 정리했어요!

 

 소리는 일상의 모든 곳에서 발생한다. 하지만 뇌가 정말 놀라운 기관이라 할지라도, 에너지의 일종인 음파를 인지할 수 없습니다.

 

 

  우리는 정교한 청각기관인 귀를 달고 있어서, 태어날 때부터 죽을 때까지 너무나 익숙하고 당연하게도 소리를 듣고 소리를 감각으로 느낀다. 

 

 

소리는 파동에너지 전달 형태의 하나로서, 어떤 물체가 힘을 받아 진동하면 주변 공기에 진동이 전달돼 여러 곳으로 퍼져 나가가다 귀에 전달되는 현상을 의미한다.





 소리가 고막을 진동시켜 이소골을 통해 증폭되어 달팽이관으로 전달이 되고, 신경을 자극하여 따라 뇌에 신호가 전달되어 ‘소리’ 로 인식하게 된다. 

 

 

우리 귀는 외이, 중이, 내이로 구성되고, 이중 중이는 고막, 이소골 등을 포함하며 대표적인 역할은 소리의 증폭과 압축이다.

 

 

<고막>

 

(이소골의 실제 모습)

 

  고막은 반투명한 오목한 막이며 이소골과 바로 연결이 되어있으며 이소골은 추골, 침골, 등골 3개의 작은 뼈로 구성 되어있고 고막에서 달팽이관까지 관절과 근육으로 전체적으로 둘러싸여 연결 되어있다.

 

 

 고막과 이소골의 신비롭고 놀라운 점은 임피던스 매칭 (Impedance matching mechanism) 이다. 이는 다른 매질로 에너지 전달과정에 손실이 없다는 것을 뜻한다.

 

 

귓구멍과 고막 전까지의 소리의 매질은 공기이며, 고막을 통해 내이로 들어가게 되면 림프액으로 소리의 매질이 달라지게 된다.

 

 

소리의 매질이 달라지게 되면 빛, 전파와 같이 소리 또한 파동의 반사가 일어나서 100% 소리가 전달되지 않는다. 따라서 추가적인 소리의 증폭이 필요하다. 





이소골의 3가지 뼈는 지렛대의 원리를 이용하여 증폭을 하고, 고막은 연결되는 부위의 면적 비율로 인해 증폭이 된다. 

 

 

추골과 침골의 중심축을 기준으로 비율은 1.3: 1 이며, 이로 인해 고막에서 달팽이관에 전달되는 힘은 1.3배가 된다. 

 

 

 고막의 면적은 달팽이관의 소리 입구인 난원창(oval window)의 면적과 비교했을 때 약 20배 크다. 따라서 난원창에 가해지는 압력은 20배 커진다.

 

 

  이소골의 지렛대 원리로 인한 증폭과 고막의 면적에 의한 증폭분까지 곱해지만 26배 압력이 증가한다. 이를 데시벨 로 환산하면 거의 30dB가 증가이다.




  음파는 이론상으로 공기에서 액체로 이동할 때 30dB의 음량 손실이 있다. 




 이 30dB의 손실을 이소골과 고막의 증폭으로 거의 정확하게 보상해주는 것이다.

 

 

  중이염으로 인해 고막에 손상이 있거나 이소골이 손상되면 이로 인해 30db의 청력 손실이 있게 된다. 이것을 전음성 난청이라 하며 이것은 수술 치료가 가능하다

 

 

또한 추가적으로 이소골 주위에는 근육들 (등골근, 고막장근) 이 있는데 이들은 갑자기 큰 소리가 들어오면 수축하여 소리를 완충한다. 





 이러한 근육의 압축을 통해 큰 소리의 음량을 15db정도 감소시킬 수 있다. 

 

 

 구안와사같은 병으로 인해 안면 신경에 문제가 생기면, 이 근육의 압축 기능이 떨어져 항상 주변 소리가 무척이나 시끄럽게 들리는 청각 과민 상태가 되며 달팽이관이 손상이 쉽게 받는 상태가 된다. 





 보청기가 비싼 이유는 소리 증폭만 하는게 끝이 아니라, 이소골의 근육과 같은 큰 소리에 대응하는 압축 기능이 있기 때문이다.

 

 

  압축된 소리는 난원창을 통해 달팽이관의 림프액 속에 들어가게 된다. 

 

 

 달팽이관은 완두콩 정도의 크기로서 실제로 외부에서 보면 달팽이 껍질처럼 생겼다. 달팽이관을 풀면 3cm 정도 된다.

 

 

  달팽이관에는 2만개 이상의 신경세포(유모세포)가 존재한다. 이 세포들은 3cm의 달팽이관을 따라 분포하고 있고 신경세포마다 다른 소리를 인식한다.  





 이를 베케시(Von Békésy)의 위치이론이라 하며 3cm의 달팽이관이 총 10 옥타브 정도를 감지하며 이론상으로는 1Hz의 아주 작은 음 차이도 구분을 할 수 있다. 

 

 

 여담으로 이것을 처음 규명한 폰 베케시 박사는 1961년 이 업적으로 노벨생리의학상을 받았다

 

 

 사람은 20Hz에서 20000HZ의 주파수를 들을 수 있다.





 유모세포는 한번 없어지면 더 이상 만들어지지 않는다. 갓 태어난 아기는 20000Hz까지 들을 수 있고 청소년들은 18000Hz까지 들을 수 있으며 어른이 되면 자연스럽게 13000Hz까지 정도만 들을 수 있게 된다. 

 

 

  청소년이 들을 수 있고 어른들을 들을 수 없는 음역대를 모스키토음(Mosquitone)이라고 한다. 이를 이용하여 명탐정 코난에서도 한번 소개되었었다.





  하지만 실제로는 모기(mosquito)의 날개 짓 소리는 어른도 들을 수 있다. 귀에 거슬리는 것이 모기 같다는 것이지 모기 날개 짓 소리의 실제 주파수가 모스키토음은 아니다.  





   다양한 소리를 한 번에 듣고 이를 구별해내는 능력은 자연에서의 생존에서부터 의사소통 같은 일상생활에 매우 중요하다.

 

 

 우리가 고음과 저음이 섞인 다양한 소리를 한 번에 들어도 소리를 구별할 수 있는 이유는, 고음이면 고음, 저음이면 저음, 특정 주파수를 인지하는 유모세포가 정해진 위치에 있기 때문이다. (피아노처럼)

 

 

   달팽이관의 나선을 쭉 따라 달팽이관의 입구 쪽에는 높은 주파수의 소리(고음)를, 반대쪽에는 낮은 주파수의 소리(저음)를 듣도록 배치돼 있다. 

 

 

 이 정교한 배치는 태아 형성 과정에서 소닉헤지호그(Shh) 신호전달물질이 달팽이관의 위치에 따라 다른 농도로 분포하기 때문에 나타난다.

(퍼런 소닉을 따서 이름 지은것 맞다. 최초발견자인 로버트 리들(Robert Riddle) 박사는 딸이 보던 소닉 만화책에서 따왔다고 밝혔다. )




 소닉헤지호그 전달물질의 농도 차이가 각기 다른 유전자의 발현을 유도해 특정 위치에 따라 특정 주파수에 민감한 유모세포가 형성된다.





  실제로 실험결과 Shh 신호를 비정상적으로 활성화시키면 각 위치별로 인지할 수 있는 주파수 음역대가 바뀌어 저음과 고음의 감각 음역대가 바뀌게 된다.





  달팽이관속은 림프액으로 가득치 있으며 이 중간에는 길을 따라 길게 기저막(basilar membrane) 이 펼쳐져 있다.





 베케시의 장소 원칙에 의하면, 난원창을 통해 들어온 소리가 림프액을 진동시키면 기저막이 따라 진동하게 되고 진동한 기저막이 특정 주파수의 유모세포를 피아노 누르듯이 누르게 된다.

 

 

 하지만 소리는 단순한 반복되는 파형을 하고 있기 때문에, 특정 음의 특정 유모세포를 누르기 위해서는 원하는 유모세포 앞에서 딱 그 음만 누를 수 있게 증폭이 필요하다. 

 

 

 이를 해결하기 위해 달팽이관의 소리의 입구 쪽의 기저막은 짧고 뻣뻣하고, 끝 쪽은 길고 유연한 사다리꼴의 모습을 하고 있다. 

 

 

 주파수가 큰 고음은 뻣뻣한 부분을 진동시켜 달팽이관의 앞쪽에서 진행파의 정점을 찍고, 주파수가 작은 저음은 가장 먼 곳에서 진행파의 정점을 찍는다. 

 

 

   이로 인해 기저막은 모든 주파수에 반응하여 똑같은 진동을 하지 않으며 저음과 고음을 예민하게 분리하여 감지할 수 있다.  

 

 

  기저막이 흔들려 유모세포의 머리(hair)가 흔들리게 되면, 유모세포는 이 물리적 신호를 전기적 신호로 전달시킨다.  





 이 전기적 신호를 대뇌에서 해석한 것이 바로 결과적으로 “소리” 라는 신호입니다.

 

 
즐거운 생물시간 되셨나요? 긴글 읽어주셔서 감사드립니다


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