인간은 귀를 통해 소리를 들을 수 있습니다. 단순해 보이지만 귀의 구조는 꽤 복잡합니다. 세 부분으로 이루어진 귀의 구조에 대해 알아봅니다. 귀가 어떻게 소리를 인식하는지 알아봅니다. 그리고 소리의 크기와 높낮이를 구분할 수 있는지에 대해 알아봅니다.
귀의 구조와 각각의 역할
귀는 겉귀, 가운데귀, 속귀와 같이 세 부분으로 이루어져 있습니다. 겉귀는 날개처럼 생긴 귓바퀴와 귓속 통로로 음파를 모아 고막으로 전달합니다. 고막은 겉귀와 가운데귀를 분리하는 얇은 막 조직입니다. 음파가 고막을 치게 되면 고막이 진동합니다. 이 진동이 망치뼈, 모루뼈, 등자뼈로 전달됩니다. 이 진동은 등자뼈와 연결된 타원창을 통해 속귀로 들어갑니다. 가운데 귀는 유스타키오관으로 열려있습니다. 유스타키오관은 대기와 가운데귀 사이의 기압을 조절해줍니다. 갑자기 고도가 변하거나 잠수할 때 공기를 이동시켜 귀 내부의 기압을 유지시켜 주는 역할을 하는 것이 바로 유스타키오관입니다. 속귀는 머리뼈 안에 체액으로 채워진 통로입니다. 머리를 움직이거나 소리가 진동하면 이 체액이 움직입니다. 이 통로 중 하나가 달팽이관입니다. 달팽이관은 길게 돌돌 말려있는 관입니다. 달팽이관의 단면을 보면 내부에 3개의 관이 있습니다. 이 관은 각각 체액으로 채워져 있습니다. 청각기관인 코르티기관은 가운데 통로 안에 들어있습니다. 코르티기관에는 털세포가 나란히 배열되어 바닥막에 묻혀있는데 이 털세포가 귀의 감각 수용기입니다. 감각 뉴런은 털세포 아래쪽에서 시냅스를 이루어 청신경을 통해 활동 전위를 뇌로 전달합니다.
소리의 파장을 활동 전위로 바꿔서 소리를 인식하는 귀
이제 귀의 각 부분이 어떻게 청각기능을 나타내는지 알아보겠습니다. 음파는 겉귀의 귓바퀴와 귓속 통로에 의해 모인 공기의 압력파입니다. 이 압력파는 소리와 똑같은 진동수만큼 고막을 진동시킵니다. 매 초당 진동수는 Hz(헤르츠)로 표시합니다. 1Hz는 1초에 한번 진동한 것입니다. 고막의 진동은 가운데 귀의 망치뼈와 모루뼈와 등자뼈를 지나면서 증폭되어 타원창으로 보내집니다. 타원창의 진동은 달팽이관 위 통로에 있는 체액으로 전달됩니다. 압력파는 위 통로를 거쳐 코르티기관 끝에 도달하고 다시 아래 통로로 보내져 점차 사라집니다. 압력파가 달팽이관의 위 통로를 지날 대 아래쪽으로 가운데 통로를 누르면 바닥막이 진동합니다. 바닥막이 진동하게 되면 털세포 위에 있는 털 같은 돌기들은 덮개막에 스치듯 부딪치거나 끌어당기기를 되풀이합니다. 털세포의 돌기가 구부러질 때 원형질막의 이온 통로가 열리게 되는데 이때 양이온이 세포 내로 들어갑니다. 그러면 털세포는 수용기 전위를 만들어서 감각 뉴런의 시냅스로 더 많은 신경전달 물질을 분비합니다. 감각 뉴런은 더 많은 활동 전위로 청신경을 통해 뇌로 보내게 됩니다.
귀는 어떻게 소리의 크기와 높낮이를 구분하는가
뇌는 청신경에서 받은 활동 전위의 빈도수가 증가됨에 따라 소리를 감지합니다. 소리의 크기는 어떻게 감지할 수 있는 것일까요? 소리의 크기가 커지면 그 소리가 만들어내는 압력파의 진폭도 커지게 됩니다. 귀에서는 압력파의 진폭이 커지면 커질수록 달팽이관 내 체액의 진동이 더욱 심해집니다. 그 안의 털세포가 더 많이 구부러지면서 더 많은 활동 전위가 감각 뉴런에서 만들어집니다. 소리의 크기는 dB(데시벨)로 나타냅니다. 사람이 들을 수 있는 범위는 0~120dB까지입니다. 소리의 높낮이는 음파의 진동수에 따라 달라집니다. 소프라노의 높은음은 높은 진동수를 생성합니다. 낮은음은 낮은 진동수를 만들어냅니다. 달팽이관이 소리의 높낮이를 구분합니다. 달팽이관의 바닥막은 나선의 달팽이관 길이를 따라 고르지 않습니다. 타원창 끝은 좁고 딱딱하며 달팽이관 끝인 반대쪽은 더 넓고 유연합니다. 바닥막의 각 부분은 특정 진동수에 민감합니다. 어느 순간 가장 심하게 진동하는 부분이 가장 많은 활동 전위를 뇌의 청각 중추로 보냅니다. 인간의 뇌는 이 정보를 해석합니다. 그 결과 인간은 음의 높낮이를 느끼게 됩니다. 건강한 청력을 가진 사람은 20~20000Hz 범위의 소리를 들을 수 있습니다. 박쥐는 100000Hz까지의 높은 소리를 내고 들을 수 있습니다. 가운데 귀가 감염되거나 고막이 파괴되면 소리를 전달할 수 없게 되어 청각을 잃을 수 있습니다. 그리고 수용기 세포나 뉴런이 손상받은 경우에도 귀머거리가 될 수 있습니다. 신체 구조 중 코르티기관은 제일 민감한 구조를 가지고 있습니다. 90dB 이상의 소리에 오랫동안 노출된다면 털세포가 손상되거나 파괴됩니다. 이럴 경우 이 기능은 다시 회복될 수 없습니다. 그래서 90dB 이상의 소리를 들으며 작업을 해야 한다면 반드시 귀마개를 해야 합니다.
