생물은 모두 시계를 갖고 있다

  제3장. 다양한 생물 시계 (2/2)

    단세포 생물의 생물 시계
  몸집이 크고 다양하게 분화되어 있는 생물의 경우, 몸 속의 어느 부분에 생물 시계를 갖는다고 해도 그리 이상하게 여겨지지 않을 것이다. 하지만 하나의 세포로 이루어진 조그만 생물이 몸 속에 생물 시계를 갖고 있다면 어떨까? 여러분은 야광충이라는 이름을 들어 본 적이 있을지 모르겠다. 야광충은 편모를 하나 가진 한 개의 세포로 된 원생동물의 이름이다. 말 그대로 야광, 즉 밤에 빛을 내는 벌레로 바닷가에 산다. 야광충은 하나의 세포로 되어 있어서 상당히 작다. 그러니 보통 때에는 현미경을 통해서만 볼 수 있다. 현미경을 사용하지 않고 야광충을 볼 수 있는 경우는 밤 바닷가에서 철썩철썩 파도가 칠 때이다. 정확하게 이야기하면 야광충이 아니라 야광충이 내는 반짝반짝하는 빛을 볼 수 있다고 해야 한다.

  야광충이 밤 바다에서 반딧불(개똥벌레)처럼 아름다운 빛으로 반짝거리는 것을 보면 누구나 시인이 되어 시 한 수를 읊고 싶을 것이다. 하지만 이렇게 아름다운 정경을 펼치는 야광충도 너무 많아지면 큰일이 난다. 야광충은 적조 현상의 원인이 되기 때문이다. 적조 현상이란 말 그대로 바닷물이 붉게 물들어 보이는 것을 말하는데, 바닷물이 너무 오염되어 붉은색을 띤 플랑크톤이 많아지기 때문에 일어난다. 붉은색 플랑크톤이 너무 많아지게 되면 바닷물에 산소가 부족해지고 결국은 바닷물이 썩고 바닷물 속에 살고 있는 물고기와 조개 등이 죽는다. 적조 현상이 가장 문제가 되는 것은 양식장 근처에서 일어날 때이다. 먼 바다에 적조가 일어나도 큰 일이지만 조개 양식장 근처에서 적조가 일어나면 물이 맑은 곳으로 빨리 도망칠 수 없는 조개들은 모두 죽고 만다. 적조 현상이 자주 일어나면, 어민들은 커다란 손해를 보고 시름에 잠긴다. 요즘 들어서는 적조 현상이 자주 일어나고 있다고 한다. 그만큼 바닷물이 오염되었다는 이야기이다.

  여러분도 야광충이라는 이름은 들어보았겠지만 고니아울락스라는 이름은 처음 들을 것이다. 그런데 이 고니아울락스도 야광충과 가까운 친척으로 빛을내는 원생동물이다. 그리고 고니아울락스도 적조 현상의 원인이 된다.  고니아울락스가 빛을 내는 방법에는 두 가지가 있다. 하나는 섬광처럼 순간적으로 빛을 반짝하고 내는 것이고, 다른 하나는 등불을 켜 둔 것처럼 은은한 빛을 발하는 것이다. 고니아울락스가 섬광 같은 빛을 순간적으로 내는 것은 어떤 자극이 있을 때이다. 이 자극이란 보통 파도가 치면서 바위에 부서진 파도에 의해 생기는 물리적인 자극이다. 고니아울락스가 섬광 같은 빛을 발할 때에는 꽤 강렬한 빛이 반짝하고 빛난다. 등불을 켜 둔 것처럼 지속적으로 빛을 내는 것은 자극이 없을 때이다. 파도가 치면서 생기는 물리적인 자극이 없을 때에는 아주 약한 빛을 지속적으로 발한다. 고니아울락스가 자극이 없을 때 발하는 빛은 상당히 약하다. 무려 10만 마리의 고니아울락스가 이 방법으로 함께 발한 불빛의 세기가 단 한 마리의 고니아울락스가 섬광처럼 발하는 불빛의 세기에도 미치지 못한다고 하니, 어느 정도로 약한지 알 수 있을 것이다.  고니아울락스는 원생동물이지만 유글레나처럼 엽록소를 갖고 있다. 그래서 광합성을 하여 살아가면서 필요한 영양분을 스스로 얻는다. 그리고 세포 분열을 통해 무성 생식을 한다.

  미국 하버드 대학의 헤이싱스라는 과학자와 동료 연구자들은 고니아울락스의 행동과 빛을 내는 현상에 대한 연구를 했다. 물론 생물 시계와 관련된 연구였다. 헤이싱스는 여러 마리의 고니아울락스를 실험실에서 배양했다. 그리고 12시간은 밝은 조명을 비추고, 12시간은 조명을 끄고 어둡게 하기를 반복하면서 고니아울락스의 무리가 보이는 행동을 관찰했다. 고니아울락스의 광합성은 밝은 조명을 비추기 시작하고 6시간쯤 지났을 때 가장 많이 일어났다. 인위적인 낮의 중간쯤에 가장 많이 일어난 것이다. 그리고 섬광을 발하면서 빛을 내는 일은 조명을 끄고 어둡게 한 뒤 6시간쯤 지났을 때 가장 많이 일어났다. 이는 인위적인 밤의 중간 정도가 되는 시간이다. 또 등불처럼 약한 빛을 내는 일과 세포 분열은 어두운 시기(밤)에서 밝은 시기(낮)로 접어드는 경계가 되는 시점에 가장 많이 일어났다. 헤이싱스는 이런 결과를 얻은 뒤에, 인위적인 밤과 낮의 변화를 없애 버리고 아주 약한 불빛을 지속적으로 켜 둔 상태에서 고니아울락스들을 배양하면서 고니아울락스의 행동을 관찰했다. 그러자 그 조그만 고니아울락스들이 마치 시계를 차고 있는 것처럼 행동한다는 것을 알 수 있었다. 고니아울락스의 무리가 위에서 이야기한 네 가지 활동을 가장 활발하게 보인 시간대가 약 24시간의 주기로 자유 진행을 해 나갔던 것이다. 단 하나의 세포로 이루어진 고니아울락스의 몸 속에서도 훌륭한 생물 시계가 존재하고 있었던 것이다.


    사람의 생물 시계
  고니아울락스 같은 단 하나의 세포로 이루어진 간단한 생물도 멋진 생물 시계를 갖고 있었다. 그렇다면 이 생물계 전체에서 가장 뛰어난 구조를 갖고 있는 만물의 영장, 사람의 경우는 어떨까? 고니아울락스 같은 단세포 생물에서조차 4가지의 서로 다른 24시간 리듬이 있었다. 그러니 여러분도 이미 눈치를 챘겠지만 사람의 경우에는 헤아릴 수도 없는 많은 리듬이 있고, 그 각각의 리듬은 서로 복잡한 관계를 맺고 있다. 이제부터는 사람에게서 보이는 생물 시계의 리듬에 대한 몇몇 사례를 들어 보기로 한다. 자연적인 조건에서 살고 있는 때 매일 반복되는 24시간 리듬으로 가장 대표적인 것은 체온의 변화라고 할 수 있다. 우리 사람을 포함한 포유류와 조류는 체온이 항상 일정하게 유지되기 때문에 정온 동물이라고 한다. 체온이 일정하면 여러 가지 유리한 점이 있다. 가장 중요한 것은 온도의 변화에 관계없이 민첩하게 행동할 수 있다는 점이다. 파충류처럼 체온이 일정하지 않은 변온 동물은 온도가 낮을 때에는 활동이 둔해진다. 따라서 정온 동물과 경쟁할 때 상당히 불리하다. 따라서 몸집이 큰 동물 중 가장 고등하다고 여겨지는 포유류와 조류는 체온이 일정하게 유지되는 정온 동물인 것이다. 하지만 정온 동물의 체온이 일정하다고 해서, 항상 똑같은 온도로 체온이 유지되고 있다는 뜻은 아니다. 사람의 경우만 하더라도 각 사람에 따라 체온이 조금씩 차이가 나기도 하고, 또 몸이 아플 때라든지 급격한 운동을 했을 때에는 체온이 더 높아지기도 한다. 그리고 사람의 체온은 하루를 주기로 일정하게 변화하기도 한다. 하루를 주기로 해서 높아졌다가 낮아졌다가 하는 일을 반복한다는 것이다. 사람의 체온이 가장 낮을 때는 오전 2시에서 4시 사이이다. 이 시간은 사람의 활동을 중지하고 쉴 때이다. 사람의 체온이 가장 높을 때는 오후 2시에서 6시 사이이다. 가장 활발하게 활동하는 시간인 것이다.  그렇다면 어느 정도나 차이가 나는 것일까? 사람의 체온이 가장 낮을 때와 높을 때를 비교했을 때, 그 차이는 무려 0.5도에서 1도에 달한다고 한다. 정온 동물이지만, 하루를 주기로 체온이 이렇게 크게 변하는 것이다.

 사람의 몸에서 하루를 주기로 변화하는 다른 한 가지로 혈압을 들 수 있다. 혈압에 대해서 이야기하려면 혈압이 과연 무엇인가를 알아야 할 것이다. 병원에 가면 우리는 반드시 혈압을 잰다. 혈압이란 무엇일까? 사람이 가진 세포의 수는 약 60조 개나 된다. 사람이 건강하게 살아가기 위해서는 이 세포 모두에게 살아가는 데 필요한 영양분과 산소를 공급해 주어야만 한다. 그리고 각각의 세포에서 나오는 불필요한 노폐물을 제거해야만 한다. 이렇게 영양분이나, 산소, 노폐물을 곳곳으로 운반하는 일을 순환이라고 하는데, 순환을 담당하고 있는 것이 혈액이다. 혈액은 일정한 길을 따라 돌아다니는데 그 길이 바로 혈관이다. 혈액을 머리 끝에서 발끝까지 몸의 구석구석까지 보내기 위해서는 강력한 펌프가 필요하다. 우리 몸 속에서 혈액을 밀어올리는 펌프의 역할을 맡고 있는 것은 심장이다. 심장은 매일 잠시도 쉬지 않고 몸 전체로 혈액을 내보내고 있다. 심장이 잠시라도 정지하면 우리는 살아갈 수가 없게 된다. 혈압이란 심장으로부터 혈관에 보내지는 혈액의 압력을 말한다. 따라서 심장 가까운 곳의 동맥에서는 혈압이 가장 높고, 모세혈관으로 가면 더욱 낮아지며, 정맥으로 가면 더더욱 낮아진다. 이렇게 몸의 각 부위에 따라 혈압이 모두 다르지만, 우리가 보통 혈압이라고 하는 것은 위팔의 동맥에서 잰 것을 가리킨다.

  이 혈압은 너무 높아도 위험하고 너무 낮아도 위험하다. 그렇다면 혈압이 높낮이를 결정하는 요인은 무엇일까? 혈압의 높낮이를 결정하는 요소는 두 가지가 있다. 그 하나는 심장의 힘이 얼마나 센가 하는 것이다. 만일 심장의 힘이 세면 혈액의 흐름이 강해지고 혈압은 높아진다. 그러나 심장의 힘이 약하면 혈액의 흐름도 약해지고, 혈압은 낮아진다. 혈압의 크기를 결정해 주는 다른 하나의 요소는 혈관의 상태이다. 만일 혈관이 굳어져 있거나 좁아져 있거나 하면 혈액이 혈관을 잘 흐를 수가 없다. 따라서 혈압이 높아지게 된다. 이렇게 혈관의 상태가 좋지 않아, 혈압이 높아지는 것을 고혈압이라고 하는데, 아주 무서운 성인병으로 본다. 혈압은 나이가 많아질수록 높아지는 경향을 보인다. 심장이 혈액을 밀어내는 힘에 의해 혈압이 변한다는 사실에서 눈치챘겠지만 혈압의 크기는 심장이 박동하는 리듬에 의해서도 달라진다. 심장이 수축할 때에는 혈압이 높아지고 이완할 때에는 훨씬 낮아지기 때문에, 혈압을 잴 때에는 심장이 수축하고 이완하는 데 따라 구별해야 할 필요가 있다. 따라서 심장이 수축했을 때의 혈압을 최고 혈압, 이완했을 때의 혈압을 최저 혈압이라고 해서 구별한다. 어른의 경우 최고 혈압이 평균 120, 최저 혈압이 평균 80정도이다. 최고 혈압이 120, 최저 혈압이 80 정도라고 해서 언제나 120과 80이 유지된다는 것은 아니다. 혈압도 체온처럼 24시간 주기의 변동을 보이기 때문이다. 사람의 혈압도 낮에는 높고, 저녁부터 한밤중에는 낮아진다. 그래서 오전 10시에 120/80의 혈압을 나타내던 사람도 한밤중에는 95/55가 되는 게 보통이다. 고혈압인 사람들은 오전 9시에서 12시 사이의 혈압이 높은 것이 특징이다.

  24시간을 주기로 변하는 것이 한 가지 더 있다. 그것은 우리가 보는 소변의 양이다. 소변의 양은 낮 동안에는 많아진다. 하지만 밤에는 거의 소변을 보지 않는다. 낮에는 자주 소변을 보면서 밤에는 거의 소변을 보지 않는 이유가 무엇일까? 혹시 낮에는 물도 많이 마시고 음식도 많이 먹기 때문일까? 낮에 음식을 많이 먹는다는 것도 한 가지 이유가 될 것이다. 하지만 그 이유 때문만은 아니다. 가장 중요한 이유는 소변 보는 일을 억제하는 항이뇨 호르몬의 영향 말고도 또 이유가 있다. 그것은 우리가 낮에는 몸을 세우고 생활하지만, 밤에는 몸을 누이고 잔다는 것이다. 몸의 자세도 소변의 양에 영향을 주고 있다. 마침 소변 이야기를 하면서 항이뇨 호르몬 이야기가 나왔지만, 항이뇨 호르몬 말고도 다른 많은 호르몬의 분비가 1일 24시간을 주기로 해서 변화한다. 하루를 주기로 분비량이 변화하는 호르몬에는 여러 가지가 있다. 우선 신장의 위에 고깔모자 같은 모양을 하고 있는 부신이라는 기관에서 배출되는 부신피질 호르몬, 그리고 남성의 정소에서 분비되는 테스토스테론, 뇌하수체에서 분비되는 여러 가지 호르몬 등이 24시간의 리듬을 보이고 있다.

  24시간을 주기로 배출량이 변하는 것은 호르몬뿐만이 아니다. 우리 인체의 생리를 조절하고 있는 많은 생리 활성 물질도 하루를 주기로 배출량이 변하는 것이다. 예를 들어 뇌의 중심부에는 작은 솔방울 모양으로 생긴 송과선이라는 작은 기관이 있다.  이 송과선에서는 세로토닌과 멜라토닌이라는 생리 활성 물질이 들어 있다. 낮 동안 멜라토닌은 송과선 속에서 거의 검출되지 않을 정도로 그 양이 현저하게 줄어든다. 하지만 밤이 되면 상당히 많아진다.  세로토닌이 검출되는 양은 멜라토닌과 반대로 낮 동안에는 높고, 밤에는 3분의 1 이하로 줄어든다. 멜라토닌은 세로토닌으로부터 생합성되는 것인데 이 과정에 관여하는 한 가지 효소의 활성은 밤이 되면 낮의 50-100배로 증가한다는 것이다. 이 효소 활성의 리듬을 결정하는 요인은 단 한 가지, 바깥 세상의 밤과 낮이 변하는 주기뿐이다. 그리고 이 효소의 활성은 야행성 동물이냐 주행성 동물이냐에 관계없이 항상 밤에 높다고 한다. 사람도, 닭이나 다른 새들도, 또 쥐의 경우에도 모두 밤에 높은 것이다. 그러니 송과선과 생물 시계가 어떤 특별한 관련성이 있는 게 아닌가 하는 생각이 드는 것도 당연하다.  쥐를 대상으로 해서 이 효소의 활성도를 조사해 보았다. 그랬더니 쥐는 생후 1주일 사이, 즉 눈도 아직 뜨지 못하고 있는 시기에 이미 이 효소 활성의 리듬을 보이고 있었다고 한다.

  소변이나 혈액 속에 들어 있는 나트륨이나 칼륨 등의 전해질의 양에서도 24시간 리듬이라는 현상이 나타난다. 이렇게 인체에서 나타나는 서커디언 리듬은 일일이 열거할 수 없을 정도로 많았다. 우리는 혈압이나 체온, 맥박에 대해 이야기할 때, 어떤 범위까지는 '정상적이다'라고 이야기하고, 그 범위를 넘어서면 '비정상이다'라고 이야기한다. 대부분의 신체적 조건에 대해 정상을 나타내는 수치가 정해져 있다. 하지만 지금까지 사람의 서커디언 리듬에 대해 살펴본 것에 의하면 이런 정상의 범위도 재조정을 해야 할 것으로 보인다. 혈압을 예로 들어보자. 보통 최고 혈압의 정상적인 값은 그 사람의 나이에 90을 더한 것으로 이야기되고 있다. 하지만 이 수치가 언제나 정확하다고 할 수 있을까? 다음 놀부씨의 이야기를 보자.

  놀부씨가 하루는 뒷머리가 당기는 느낌이 들어 병원을 찾았다. 병원에 들어가자마자 간호사가 놀부씨에게 다가와 혈압을 쟀다. 의사 선생님은 놀부씨를 진찰해 보고는 이렇게 말했다.
  "놀부씨, 당신의 상태는 너무 위험하군요. 고혈압이예요. 최고 혈압이 180이나 나왔어요."
  놀부씨는 너무도 충격을 받아, 눈이 휘둥그래졌다. 지금까지 먹을 것 안 먹고, 입을 것 안 입고, 구두쇠 노릇을 하며 살아왔는데 갑자기 고혈압이라니, 마른 하늘에 날벼락은 이런 일을 가리키는 말인가!  의사는 고혈압 환자가 조심해야 할 여러 가지 사항을 알려주었다. 놀부씨는 집에 돌아오다 당장 혈압 측정기를 샀다.
  '이제부터는 자주자주 혈압을 재 보아야겠어. 고혈압으로 쓰러지게 생겼는데, 돈이 다 무슨 소용이람? 제일 좋은 혈압계를 사야지.'
  놀부씨는 제일 비싸고 품질도 좋다는 혈압기를 샀다. 그리고 집에 와서도 틈이 나는 대로 혈압을 쟀다. 놀부씨는 하도 놀란 탓에 잠이 오지 않았다. 그래서 한밤중에 다시 혈압을 재 보았다. 그런데 이게 웬 일인가? 놀부씨의 최고 혈압은 140으로 나타났다. 정상이었던 것이다. 놀부씨는 눈을 비비고 혈압계를 다시 들여다보았다. 정말이었다. 놀부씨는 뛸듯이 기뻤다. 벌써 고혈압이 다 나았다니, 믿어지지가 않았다. 놀부씨는 정말 고혈압이 다 나았던 것일까? 여러분은 그렇지 않다는 것을 알 수 있을 것이다. 사람의 혈압이 24시간을 주기로 해서 변한다는 것을 알기 때문이다.  보통 사람은 밤과 낮으로 혈압이 30 정도씩 차이가 난다. 고혈압 환자의 경우에는 그 차이가 더욱 커질 수도 있다. 놀부씨는 고혈압이 나았던 것이 아니라, 밤이 되어 혈압이 낮아진 것뿐이다. 그러니 우리는 밤과 낮으로 혈압이 변화한다는 것을 알아야만 놀부씨처럼 오해하는 일이 없을 것이다. 그리고 정상적인 혈압도 밤과 낮으로 따로 정해야만 할 것이다.
  또 고혈압을 앓는 환자에게 혈압 내리는 약을 아침, 점심, 저녁에 걸쳐 똑같은 양을 먹도록 하는 지금까지의 투약 방법을 다시 생각해 볼 필요가 있다. 저넉 때에는 혈압 내리는 약을 섭취하지 않아도 괜찮을 테니까. 생물 시계의 작용 중 가장 두드러지는 것은 하루를 주기로 변화하는 리듬이라 할 수 있다. 이제부터는 하루를 주기로 변하는 생물의 리듬에 대해 좀더 자세히 알아보기로 하자.