듣는 것에 대한 아름답고 신비한 과학

여러분의 귀가 어떻게 작동하는지 궁금한 적이 있으신가요? 이 유쾌하고 매력적인 강연에서 생물물리학자 짐 허즈페스는 듣는 것을 가능하게 해주는 미세한 집단인 유모세포들의 아주 간단하지만 놀랍게도 강력한 메커니즘에 대해 설명합니다. 그리고 정말 조용할 때, 여러분의 귀가 여러분에게 어떻게 독특한 소리들을 보내기 시작할 것인지 알려줍니다.

제 말소리가 들리시나요?

청중: 네.

좋습니다. 들을 수 있다는 건
정말 놀라운 일이지요.

왜냐하면 제 목소리는 여러분이
계신 곳 주변의 기압을

불과 대기압의 몇 십억분의 1 정도만
변화를 시키고 있거든요.

우리는 당연하게 생각하지만

여러분의 귀는 그 미미한
변화를 감지하고

뇌로 신호를 보냄으로써
청각적 경험을 가능케 하는 것입니다.

인간의 목소리, 음악, 자연계의
모든 소리들에 대해 말이죠.

우리 귀가 어떻게 그런 일을 할까요?

그리고 그 해답은

오늘 발표의 진정한 주인공인
세포들 덕분입니다.

바로 귀의 감각 수용기들 덕분이죠.

"유모세포" 라고 하는데요.

유모세포는 안타깝게도
적절한 이름이 아니에요.

그들은 털과 아무런 관련이 없거든요.

저는 별로 없는 이런 거요.

이 세포들의 이름을 처음 지은 이들은
초창기 현미경 사용자들이었습니다.

세포의 한쪽 끝부분에서
아주 작은 송이의 털들이

발현되는 것을 관찰했기 때문이죠.

현대의 전자 현미경으로
훨씬 선명하게 관찰해보면

유모세포라는 이름을 갖게 된
고유의 특별한 특징을 볼 수 있습니다.

그것은 모속(털다발) 입니다.

수십에서 수백 개의 촘촘한
원통형 간상세포 20개의 무리로

세포의 위쪽에 곧게 서 있습니다.

이 기관이 지금 여러분이
제 목소리를 듣는 역할을 맡고 있죠.

이제 저는 약간 이 세포와
사랑에 빠졌다고 말해야겠습니다.

이 세포들과 무려 45년을 함께하였고

(웃음)

그리고 그 세포들이
정말 아름답기 때문입니다.

세포에는 미적인 요소가 있습니다.

예를 들어 여기 이 세포들은

평범한 닭의 청각 세포들입니다.

이것들은 박쥐의 초음파를
감지하는 세포들이죠.

저희는 많은 실험들에 개구리의
커다란 유모세포를 사용합니다.

유모세포는 가장 원시적인
어류에서도 발견되고

파충류들에게서도 종종 발견됩니다.

이런 식의 정말 아름답고,
거의 결정체 같은 모습으로 말이죠.

그러나 이런 외형적 아름다움 이상으로

이 모속은 안테나 역할을 합니다.

모속은 소리의 진동을 전기적 신호로
전환하는 기계로서 작동하여

뇌가 이해할 수 있게 해줍니다.

이 사진에서 보실 수 있듯이
각 모속의 끝 부분에는

작은 털들을 연결하는
미세한 섬유가 있습니다.

이를 부동섬모라고 하는데요.

여기 작은 빨간 삼각형으로
표시된 것입니다.

이 가는 섬유에는 기본적으로
두 종류의 이온 통로가 있습니다.

이온 통로는 이 세포막에
분포하고 있는 단백질들인데요.

이것이 어떻게 작동하는지
보여드리겠습니다.

이 쥐덫을 이온 통로라고 합시다.

이온 통로에는 나트륨 이온과
칼슘 이온이 통과하는 구멍이 있습니다.

분자로 된 작은 문이 있어서
열고 닫을 수도 있죠.

그리고 이 문에 달린 고무줄이
앞서 말한 미세 단백질 섬유입니다.

이 팔이 하나의 부동섬모라고
상상해봅시다.

그리고 이 팔은 인접한 더 짧은 섬모이고

두 섬모의 사이를 고무줄이
연결하고 있죠.

모속에 소리 에너지가 가해지면

높은 방향으로 섬모를 밀게 됩니다.

부동섬모의 기울어짐으로
연결 섬유가 당겨져 이온 통로가 열리고

이온들이 세포 안으로 유입됩니다.

모속이 반대 방향으로 밀리면

이온 통로가 닫힙니다.

그리고 가장 중요한 점은

모속의 앞뒤로 움직이는 동작은

청각적 파동이 가해지는 동안 계속되고

통로가 열리고 닫히는 걸 반복하면서

각 통로로 수 백만개의 이온들이
세포 내로 유입되도록 합니다.

세포 내로 유입된 이온들은
전류를 생성하여 세포를 자극하죠.

이 자극은 신경섬유를 통하여

뇌로 전파됩니다.

잘 보면 소리의 세기는

이러한 반응의 규모에
해당됨을 알 수 있습니다.

더 큰 소리는 모속을 더 밀어주어

통로를 더 오래 열어주고,

더 많은 이온을 들여보내고,

더 큰 반응을 일으키게 됩니다.

이런 작동 방식은 속도면에서
엄청난 이점이 있습니다.

시각과 같은 우리 감각 중 몇몇은

시간이 걸리는 화학 반응을 사용합니다.

그리고 그 때문에

제가 일련의 그림들을
초당 20-30 장씩 보여드린다면

여러분은 연속적인 이미지로
느끼실 것입니다.

청각에는 그런 화학 반응이 없기 때문에

유모세포는 다른 감각들보다
무려 1,000배 더 빠릅니다.

우리는 최대 초당 20,000 회의
진동 주파수 소리를 들을 수 있고,

몇몇 동물들은 훨씬 더
빠른 청각을 갖고 있죠.

예컨대 박쥐와 고래의 청각은
그들의 초음파에 반응할 수 있습니다.

초당 15만회의 진동 주파수를요.

그러나 이 속도만으로 청각의 훌륭함을
완전히 설명할 수는 없습니다.

우리의 청각은 어떤 증폭 장치로부터
혜택을 누리고 있었는데

이는 "활성 프로세스"라고 불립니다.

활성 프로세스는 청력을 강화하고

이미 언급했던 청각의 놀라운 특징들을
모두 가능하게 합니다.

어떻게 작동하는지 설명드리겠습니다.

먼저 활성 프로세스가
소리를 증폭시키면

아주 작은 소리도 들을 수 있습니다.

모속의 움직임이 0.3 나노미터도
안 되는 작은 소리도 들을 수 있죠.

겨우 물분자 1개의 지름에
해당되는 길이입니다.

정말 놀라운 일이죠.

또한 이 활성 프로세스의 작동 범위는

대단히 광범위하고 다양합니다.

왜 이러한 증폭이 필요할까요?

고대시대에는 증폭이 생존에 유용했죠.

호랑이가 우리 소리를 듣기 전에
호랑이 소리를 들어야 했으니까요.

오늘날에도 장거리 조기경보에
필수적 수단이 됩니다.

화재 경보를 알리는 소리를 듣거나

달려오는 소방차나 경찰차들이 울리는
위험 경보를 듣는 것은 중요하니까요.

이런 증폭 기능이 상실되면
청각의 민감도는 급격히 낮아지고,

개개인은 전자 보청기의 도움을 받아

손상된 생물학적 청력을
대신해야 합니다.

활동 프로세스는 또한
주파수 선택도를 강화합니다.

일반인들은 2개의 음색을
구별해낼 수 있는데

불과 0.2% 정도의 차이라도 말이죠.

0.2%라 함은 인접한 피아노 건반
소리 차이의 30분의 1 정도입니다.

물론 훈련된 음악가들은
훨씬 더 잘할 수 있겠죠.

이런 미세한 구별 능력은

다른 목소리를 구별하는 능력과

그리고 말의 뉘앙스를
이해하는 데에 유용합니다.

그래서 만일 활동 프로세스의
기능이 떨어지면

음성 대화를 하는 것이
더 어려워지게 됩니다.

마지막으로 활동 프로세스의
또 다른 장점은

우리가 들을 수 있는 소리 강도의
범위를 매우 넓혀 준다는 것입니다.

펜이 떨어지는 소리 같이
매우 희미한 소리부터

참을 수 있는 가장 큰 소리까지

예컨대 핸드드릴이나 제트기 같은 거요.

그런 소리들의 진폭 범위는
100만 배까지 차이가 나는데

제가 알고 있는 한 어떤 다른 감각이나

또는 사람이 만든 장치 중에서
이 범위를 능가하는 것은 없습니다.

만일 활성 프로세스가 악화된다면

아주 미세한 소리를 듣기 힘들거나

감청 영역 밖의 매우 큰 소리들을
참느라 고생하게 될 것입니다.

유모세포가 어떻게 작동하는지
알기 위해서는

먼저 유모세포를 귀 안의 기관 내에
위치 시켜야 합니다.

학교에서 배운 청각기관에는

나선형의 달팽이 모양의
달팽이관이 있습니다.

대략 병아리콩 크기의 기관입니다.

두개골 양측 뼈에 박혀 있어요.

또한 우리는 광학 프리즘으로

백색광선을 고유 주파수의
구성분들로 분리할 수 있고

그것이 각각의 색으로
나타난다고 배우죠.

이와 유사한 방법으로

달팽이관은 일종의
음향 프리즘으로서 작동하여

복잡한 소리를 그것을 구성하는
여러 주파수로 나눠줍니다.

피아노 소리를 들으면

서로 다른 음들이 섞여 화음을 이루죠.

달팽이관은 그 과정을 역으로 수행하여

화음을 분리하고
다른 위치에서 각각 나타냅니다.

이 그림에서 3개의 음이 보이실 텐데

피아노 가운데의 도 음과
양 끝의 두 개의 음이

달팽이관 내에 표시되어 있죠.

가장 낮은 주파수의 음은
달팽이관의 위쪽으로 올라가게 됩니다.

최고 20,000 Hz 까지
가장 높은 주파수의 음은

달팽이관의 아래로 내려가고

모든 다른 주파수의 음들은
그 사이에 어딘가에 나타납니다.

그리고 사진에서 보이듯이

연속적인 음색이 수십 개의
유모세포들에 분리되어 표현됩니다.

달팽이관 표면을 따라서요.

이러한 주파수의 분리는

다른 소리들을 식별하는
우리 능력에서 정말 중요합니다.

왜냐하면 아주 음악적인 기관인
모든 사람들의 목소리는

여러 음이 무리를 이루면서
구별되는 소리를 내기 때문입니다.

달팽이관은 이러한 주파수들을 분리하고

16,000개의 유모세포들이
뇌에 알려줍니다

각 주파수가 얼마나 나타나는지 말이죠.

그제서야 뇌는 모든 신경 신호를 비교하고

어떤 음이 들리는지 판단합니다.

하지만 이들만으로는 모든 걸
설명하기엔 부족합니다.

어떤 마법이 작용한 걸까요?

저는 이미 유모세포가 할 수 있는
놀라운 일을 말씀드렸습니다.

어떻게 유모세포가
활동 프로세스를 수행하고

제가 처음부터 언급했던
모든 놀라운 특징들을 가질까요?

그 답은 불안정성에 있습니다.

우리는 모속이 수동적인
물체였다고 생각하는데

자극되었을 때를 제외하고는
그곳에만 머물러 있어서였죠.

그러나 사실 모속은
활동적인 기계였습니다.

그것은 기계적인 작업을 위해
끊임없이 내부 에너지를 사용하여

우리 청력을 강화시킵니다.

그래서 휴식할 때조차
어떠한 자극이 없더라도

활성화된 모속은 끊임없이
흔들리고 있습니다.

앞뒤로 계속 당겨지고 있는 거죠.

하지만 매우 약한 소리가 났을 때는

그 소리를 감지하고
딱 알맞게 흔들리기 시작합니다.

소리와 함께 일대일 방식으로요.

그렇게 하면서 신호를
수천 배로 증폭합니다.

또한 이 같은 불안정성은
주파수 선택도를 강화합니다.

특정 유모세포에 자극이 없을 때
정상적으로 떨리는 주파수에서

가장 잘 진동하기 쉽게 해주죠.

그래서 이 기관은 우리에게
매우 정확한 청력을 줄 뿐 아니라

매우 예리한 세부 조정을
가능하게 해줍니다.

간단한 시연을 해보려고 하는데요.

이와 관계있는 현상입니다.

음향장치를 작동하는 분들에게 요청해서

하나의 특정 주파수에 대해서
감도를 키워달라고 할 겁니다.

하나의 유모세포가 하나의 주파수에
맞춰져 있는 것처럼

증폭기는 지금 제 목소리에서
특정 주파수만을 강화시킬 것입니다.

나머지 소리들로부터 어떻게 그 음만
더 선명하게 들리는지 주목해주세요.

이것이 바로 유모세포의 역할입니다.

각 유모세포는 하나의 특정한
주파수만 증폭하고 전달해주며

다른 것들은 모두 무시합니다.

그리고 전체 유모세포들이
집단적으로 기능하여

주어진 소리에 정확히 어떤 주파수가
포함되었는지를 뇌에 알릴 수 있습니다.

그 덕에 뇌는 무슨 노래가
들리는지 인식하고

무슨 말인지 알아들을 수 있는 것이죠.

지금 장내 방송 설비와 같은 증폭기는

문제를 일으킬 수도 있습니다.

증폭이 너무 지나치면

음이 불안정해지고

웅웅 울리기 시작하거나
소음을 내게 됩니다.

그러나 활동 프로세스는
왜 안 그러는지가 궁금했죠.

왜 우리의 귀에서는 그런
소음이 안 생길까요?

그 답은 유모세포들도
소음을 낸다는 것입니다.

적절히 조용한 환경에서
정상인의 70%는

자신의 귀에서 하나 이상의
소리들을 냅니다.

(웃음)

예를 하나 들어보겠습니다.

여러분에게 2개의 고주파음을
들려드릴건데요.

정상인의 귀에서 나오는 소리입니다.

배경 소음도 들을 수 있을 거예요.

마이크의 삐익 하는 소리,

복부의 쏴 하는 소리, 심장소리,
바스락거리는 옷소리처럼요.

(웅웅거리는 소리, 마이크의 삑소리,
톡톡 두드리는 소리, 바스락거리는 옷소리)

이것은 전형적입니다.

대부분의 귀는 몇 안되는 음을 내지만,

일부는 30개까지 낼 수도 있습니다.

모든 귀는 유일무이하고
제 오른쪽 귀와 왼쪽 귀도 다르며

제 귀와 여러분의 귀도 다르지만,

귀에 문제가 없는 한

같은 주파수대의 소리를 계속 냅니다.

몇년에서 10년 이상을 말이죠.

대체 왜 그럴까요?

밝혀진 바에 따르면

귀는 각자 고유의 감도와
증폭을 조절할 수 있습니다.

그래서 스포츠 행사나
음악 콘서트와 같은

매우 시끄러운 곳에 있다면,

어떤 증폭도 필요 없을 것이고

그 체계는 내내 작동되지 않습니다.

이 강연장 같은 방에 있다면

약간의 증폭이 있을지도 모릅니다

물론 장내 방송 설비가
대부분을 도와주겠지만요.

핀이 떨어지는 소리까지 들릴 정도로
정말 조용한 방에 있다면

증폭 체계가 거의 항상 작동하겠죠.

그러나 방음실처럼
극도로 조용한 방에 간다면

그 체계는 11까지 올라가고

불안정해지고,

소음을 내기 시작합니다.

그리고 이러한 방출은 유모세포가
얼마나 활성화할 수 있는지를

매우 강력히 증명해줍니다.

마지막으로 혹시나 나올 수 있는
다른 질문을 드려보고 싶은데요.

앞으로 더 밝혀내야 할
것들은 무엇일까요?

세 가지 쟁점이 있다고 여겨지는데

제가 미래에 정말 발표하고
싶은 것이기도 합니다.

첫째 유모세포의 증폭을 담당하는
분자 모터는 무엇일까요?

왜 그런지 모르겠지만
자연계가 우연히 갖게 된 이 체계는

20,000 Hz 혹은 그 이상의 소리에까지
진동하거나 증폭할 수 있는 시스템입니다.

그 어떤 다른 생물학적 진동보다
훨씬 더 빠른 진동이죠.

우리는 그것이 어디에서 왔는지
이해하고 싶습니다.

두 번째 쟁점은 유모세포가
음향 환경에 따라 증폭 정도를

조정하는 방법입니다.

누가 다이얼을 돌려서 증폭을
증가시키거나 감소시키는 걸까요?

조용하거나 큰 소리가 나는
환경에 따라서요.

그리고 세번째 쟁점은
우리 모두가 걱정하는 것으로

청력의 악화에 대한 대처 방안 입니다.

3천만명의 미국인들

그리고 세계적으로
4억 명 이상의 사람들이

시끄러운 환경이나 전화 통화를 할 때
말을 알아듣는 데에 심각한 어려움을

일상적으로 겪고 있습니다.

훨씬 더 심각한 사람들도 많구요.

게다가 이런 청력손상은
시간이 지날수록 더 악화되는 편인데

인간의 유모세포는 죽었을 때

세포분열을 통해 대체되지
않기 때문입니다.

하지만 포유류가 아닌 동물들은
세포를 대체할 수 있고

세포가 죽어도 일생 동안 대체 되어서

정상적인 청각을 유지할 수
있다는 게 밝혀졌습니다.

여기 작은 제브라피시의 사례를 보시면

상단부의 세포는 분열을 진행할 것입니다.

두 개의 새로운 유모세포를
만들기 위해서 말이죠.

그들은 아주 잠깐 춤추듯 흔들리고

자리를 잡은 후에 작동하게 됩니다.

저희는 다른 동물들이
유모세포를 재생하는 데에

사용되고 있는 분자신호를
이해할 수 있다면

사람에게도 같은 일을
할 수 있다고 믿습니다.

저희 연구진과 다른 많은 연구진들이
현재 연구 중에 있습니다.

이러한 놀라운 유모세포들을
부활시키기 위한 연구를요.

경청해 주셔서 감사합니다.

(박수)