생물은 모두 시계를 갖고 있다
제4장 - 하루를 주기로 변하는 생물 시계(1/2)
사막의 동물
캥거루쥐 등 사막에 사는 포유류 쥐목의 작은 동물 중에는 씨앗이나 마른 풀 등을 먹고 살아가는 것이 많다. 한데 이들은 대부분 야행성이기 때문에 낮에는 구멍 속에 가만히 숨어서 지낸다. 이런 생활 방식은 더운 사막에서 사는 동물에게는 참으로 중요하다. 낮의 더위 속에서는 체온을 조절하기 위해 땀을 흘리게 마련이고, 그러면 몸 속의 수분을 낭비하게 될 것이기 때문이다. 구멍 속에 숨어서 사막의 무서운 더위를 피했다가 밤이 되면 이리저리 돌아다니는 습성은 사막이나 사바나(열대의 초원)에 사는 동물의 특징이다. 그런데 이런 사막 동물의 생활 방식은 서커디언 생물 시계의 작용과 관계가 깊다. 즉 구멍으로부터 나와 먹을 것을 찾기 시작하는 시간을 알려 주는 것은 생물 시계이고 이 시계가 없으면 캄캄한 동굴 속에서 밖의 사막이 언제 밤이 되는지 알 수가 없기 때문이다. 캥거루쥐 뿐만 아니라 다람쥐 등 많은 작은 동물이 사막에 서식하고 있는 것은 이들이 야행성을 나타내기 때문이다. 사막에서 사는 다른 동물, 즉 지네, 노래기, 거미, 전갈, 그리고 진딧물, 개미, 투구벌레 등의 곤충, 달팽이, 도마뱀, 거북, 뱀 등도 낮에는 더위나 건조한 공기, 강한 자외선 등을 피하기 위해 바위 그늘이나, 돌 밑, 그리고 땅의 갈라진 틈 속에 몸을 숨기고 있다가 서편으로 붉은 노을이 질 때쯤이면 밖으로 어슬렁어슬렁 기어나오는 것이다. 작은 새들도 낮에는 야자나무의 잎새가 만들어 주는 그늘이나 여린 순이 빽빽하게 있는 곳, 혹은 덤불 나무나 동굴 속에 숨어든다. 일반적인 조건에서 주행성을 나타내는 동물까지도 사막에서는 새벽이나 해질녘에만 활동을 한다. 사막의 생활이란 그만큼 가혹한 조건을 견디며 살아가야 하는 것이다. 사막의 동물은 살아가면서 실로 다양한 어려움을 겪는다. 이런 어려움은 본질적으로 아주 오래 전, 물 속에서만 살던 생물들이 뭍에서 살아가도록 진화하는 과정에서 겪었던 것과 똑같은 것이라 할 것이다.
덥고 건조한 기후에서 살아 남기 위해서 가장 중요한 것은 주변에 물을 빼앗기지 않아야 한다는 점이다. 따라서 사막에서 사는 동물들은 어떻게 해서든지 몸을 식혀야 한다는 것(이 일을 하려면 땀을 흘려 물을 잃어야 한다)과, 살아남기 위해서는 일정량 이상의 수분을 반드시 갖고 있어야 한다는 두 가지 모순을 피할 수 없다. 작은 동물의 경우 특히 수분을 발산해서 몸을 식혀서는 안 된다. 그 이유는 몸이 작을수록 물을 담을 수 있는 몸의 부피에 비해 몸의 표면적이 크기 때문이다. 어떤 생물이든 몸이 커질수록 몸의 부피에 대한 표면적의 비가 작아진다. 이 사실은 정육면체를 예로 들어 생각하면 쉽게 알 수 있다. 한 변의 길이가 각각 1, 2, 3인 정육면체 3개를 생각해 보자. 한 변의 길이가 1인 정육면체(편의상 #1번 정육면체라고 하자)의 부피는 1이고, 표면적은 6이다. 또한 한 변의 길이가 2인 정육면체(#2번 정육면체)의 부피는 8이고, 표면적은 24이다. 한 변의 길이가 3인 정육면체(#3번 정육면체)의 부피는 27이고, 표면적은 54이다. #1번 정육면체에서 #2번 정육면체가 되면서 부피는 8배가 늘어났지만, 표면적은 4배가 늘어났을 뿐이다. 또 #1번 정육면체에서 #3번 정육면체가 될 때, 부피는 27배가 늘어났지만 표면적은 9배가 늘어났을 뿐이다. 결국 어떤 물체가 커질 때에는 표면적에 비해 부피가 훨씬 더 많이 늘어난다는 것을 알 수 있다. 이런 이유로 작은 동물들은 땀을 흘려 몸을 식힐 수 없다. 따라서 몸을 식히기 위해서는 다른 방법을 찾아야만 한다. 몸이 작은 동물은 야행성이 되든가, 활동 범위를 최소한으로 줄이지 않는 한 사막에서 살아 남을 수 없는 것이다. 물론 몸이 커다란 동물이라고 해서 사막에 적응하기에 나으란 법은 없다. 하지만 몸이 큰 동물들은 작은 동물에 비해 몸 속에 들어 있는 물의 양이 몸의 표면에서 발산되는 물의 양보다 많기 때문에 어느 정도까지는 수분을 증발시켜 몸의 열을 빼앗아가도록 해도 좋다. 땀을 흘려 체온 조절을 해도 괜찮다는 것이다.
실제적인 예를 들어 보자. 벼룩은 체표면 1제곱센티미터에서 1시간에 5밀리그램의 물을 발산한다. 따라서 15분이면 몸 속에 있는 물의 10분의 1이 없어져 버린다. 하지만 우리 사람은 그 4백 배나 5백 배가 되는 시간이 흘러도 몸 속에 있는 수분의 10분의 1을 잃는 경우란 없다. 따라서 상대적으로 몸이 작은 동물들은 몸 속의 물을 잃지 않으려고 많은 노력을 기울이게 된다. 그렇지만 사막의 더위와 건조한 공기는 어찌나 지독한지 낙타나 가젤, 커다란 영양처럼 사막에서 사는 동물 중 가장 커다란 것들도 한낮에는 직사광선을 피해 숨을 곳을 찾아다닌다. 따라서 뜨거운 사막에서 살아가는 동물에게 있어서는 매일의 행동 리듬이 아주 중요한 것을 알 수 있다. 사막의 동물에게 있어서는 서커디언 리듬을 나타내는 생물 시계가 다른 어느 곳에서 사는 동물보다도 살아가는 데 있어서 커다란 역할을 하고 있는 것이다.
[캥거루쥐]
지렁이의 활동 리듬
그렇다면 땅 속에서만 살아가는 동물의 경우는 어떨까? 땅 속은 가장 안정 된 환경이라고 할 수 있다. 온도가 거의 일정할 뿐만 아니라, 습도도 거의 일정하고, 빛의 영향까지도 거의 없기 때문이다. 따라서 땅 속에서만 살아가는 동물에게는 서커디언 리듬이 필요 없을 것으로 생각된다. 하지만 놀랍게도 땅속에서 살아가는 동물도 하루를 주기로 변화하는 행동 리듬을 갖고 있다는 것이 알려졌다. 여러분은 '찰스 다윈'이라는 이름을 들으면 금방 '진화론' 혹은 '종의 기원'을 떠올릴 것이다. 찰스 다윈은 자연 도태에 의한 진화론을 주장한 (종의 기원)이라는 책을 쓴 사람으로 유명하다. 하지만 여러분 중에서 찰스 다윈이 지렁이에 대해 연구했다는 이야기를 들어 본 사람은 거의 없을 것이다. 그러나 다윈은 지렁이의 생태에 대해서 상당히 많은 연구를 했다. 다윈은 지렁이의 행동을 연구하여 지렁이의 활동에는 내적 요인에 의한 리듬이 나타난다는 것을 알아냈다. 다윈은 지렁이를 흙이 담긴 화분에서 키웠다. 그 화분을 빛이 차단된 자신의 서재에 놓아 두고, 암흑 속에서 지렁이가 어떻게 활동하는가를 정기적으로 관찰했다. 다윈은 불면증에 시달리고 있었다고 한다. 재미있는 것은 그의 불면증이 지렁이의 행동을 관찰하는 데에는 상당한 도움이 되었다는 점이다. 다윈이 관찰한 바에 의하면 지렁이들은 낮에는 흙을 파고 들어간 구멍 속에서 꼼짝도 않고 있다가, 밤이 되면 흙 밖으로 나와 먹이도 먹고, 짝짓기도 하고, 이리저리 돌아다니기도 했다. 하지만 애석하게도 다윈은 그렇게 상세하게 관찰한 결과, 즉 지렁이가 분명한 활동 주기를 갖는다는 점이 지렁이가 살아가는 데 있어서 어떤 도움을 주는가에 대해서는 조금도 언급하지 않았다.
지렁이의 활동 주기가 갖는 의의에 관심을 쏟은 사람은 밀리엄 베네트였다. 그는 지렁이의 리듬에 대해 몇 년간이나 연구를 한 끝에 이렇게 지적했다. 뭍에서 살아가는 벌레는 항상 물을 빼앗길 위협 속에서 살아가고 있다. 따뜻하고 건조한 공기에 몸을 드러내면 습기를 머금고 있는 피부에서 순식간에 수분이 증발해 버린다. 하지만 다행히도 지렁이가 가진 생물 시계가 특별한 작용을 해서 낮에는 습기가 많은 진흙 속에 몸을 숨기고, 낮에 비해서 습도가 높고, 온도는 낮은 밤에만 그 구멍을 나갈 수 있도록 해준다. 지렁이의 활동 리듬은 분명 산소의 소비 리듬과 일치하고 있다. 밤에 많은 양의 산소를 소비하는 것이다. 또 지렁이를 T자 모양의 미로에서 학습시켜 보면 그 능률은 24시간 리듬에 따라 영향을 받고 있음을 확실히 알 수 있다. T자 모양 미로 학습이란 다음과 같은 것이다. 우선 T자 모양으로 미로를 만들어서, 왼쪽과 오른쪽의 어느 한 쪽을 옳은 방향으로 다른 한 쪽을 틀린 방향으로 정한 다음 지렁이를 이 T자 모양의 미로에 집어 넣었을 때, 만일 지렁이가 올바른 방향을 찾아가면 축축한 이끼가 기분 좋게 덮인 흙이 나오도록 장치를 한다. 그러나 지렁이가 잘못된 방향으로 찾아가면 그 미로의 끝에서 까끌까끌한 사포를 붙인 관 속으로 들어가게 되고, 그뿐만 아니라 전기 충격까지 가해지게 된다. 지렁이를 대상으로 해서 하루의 여러 시간을 택해서, 이 학습을 시켜 보았다. 결과는 분명히 서커디언 리듬에 의해 영향을 받고 있다는 것이었다. 지렁이들은 저녁 8시부터 밤 12시까지 학습을 시켰을 때에는 3번만 연습하면, 어느 쪽으로 가야 할지 분명하게 알게 되었다. 하지만 아침 8시에서 낮 12시 사이에 훈련을 시켰을 때에는 45번 이상 연습을 해야, 겨우 확실한 방향을 찾아 갈 수 있었다.
지렁이를 대상으로 한 실험이 한 가지 더 있었다. 이는 지렁이에게 타원형의 강한 불빛을 비추는 실험이었다. 이 실험은 캄캄한 어둠 속에 있는 지렁이에게 타원형의 스포트라이트를 비추었을 때, 지렁이가 그 불빛이 들어오는 부분으로부터 몸의 전반부를 도피시키는 데 걸리는 시간을 알아보는 방법으로 진행되었다. 여러분도 이미 알았겠지만, 이때에도 역시 지렁이는 낮보다는 밤에 더 빨리 도망칠 수 있었다. 밤에는 평균 7.13초가 걸렸고, 낮에는 평균 9.93초가 걸렸던 것이다. 지렁이를 대상으로 진행된 이 모든 관찰 결과는 지렁이의 활동이 분명 생물 시계가 지시하는 리듬과 관련되어 있음을 가르쳐 준다. 지렁이가 자연적인 환경에서 살아갈 때, 흙 속에서 밖으로 나오는 일이 많이 일어나는 밤에 지렁이의 활동 능력이 가장 커지는 것이다 그렇다면 그 원인은 빛을 감지하는 감각 기관의 기능이 밤에 더 효율적이기 때문일까? 아니면 근육의 운동성이 밤에 더 좋기 때문일까? 그것도 아니면 신경을 전달하는 속도가 밤에 더 커지기 때문일까? 애석하게도 그 이유는 아직도 밝혀지지 않았다. 하지만 지렁이가 낮보다는 아침에 더 빨리 움직인다는 점으로 미루어 볼 때, 반응 속도의 변화는 단순히 일정한 동작에 얼마나 잘 적응하는가 하는 데서 나타나는 것일 수도 있다. 지렁이의 생활을 잘 관찰해 보면, 지렁이는 하루 주기의 생활 리듬뿐만 아니라, 1년 주기의 생물 시계도 갖고 있는 것처럼 보인다. 알로보포라 롱가나, 에인세니아 로세아라는 두 종류 지렁이는 계절에 따라 생활하는 방식이 달라진다. 이들은 여름이 되면 흙 속 깊은 곳으로 파고들어, 마치 다람쥐의 겨울잠과 같은 상태로 여름잠을 잔다. 한편 다른 지렁이들은 습기가 많은 여름 저녁을 골라 짝짓기를 한다. 서커디언 리듬에 의해 몸 속의 수분이 최대한도에 가까울 때 나가 돌아다니는 것이다.
밤의 활동과 수분의 유지
이렇게 항상 땅 속에서 생활하는 지렁이가 살아가는 데 있어서도 서커디언 리듬이 중요한 역할을 하고 있는 것을 보면, 지렁이 보다 훨씬 건조한 환경에서 살아가는 많은 생물에게 있어서는 서커디언 리듬이 훨씬 중요한 것임을 알 수 있다. 작은 무척추동물, 예를 들어 쥐며느리나 지네, 노래기처럼 흙 속에 사는 벌레들은 몸이 건조하는 것을 막기 위해 반사적인 행동 양식에 따라 거의 항상 흙탕물 속이나 습지에서만 살아가고 있다. 이런 벌레들은 밤이 되어 이슬이 내리고 대기의 상대 습도가 올라갈 때에만 활발한 활동을 보인다. 이런 동물의 몸은 딱딱한 껍질에 둘러싸여 있기는 하지만, 완벽한 왁스층을 갖고 있지 않기 때문에 피부로부터 수분을 조금씩 조금씩 발산시키고 있다. 따라서 밤이 아니면 축축한 집 밖으로 나와 돌아다니지 않는 것이다. 이와 대조적으로 곤충이나 거미류의 대부분은 몸의 표면이 얇은 왁스층으로 덮여 있다. 따라서 왁스층이 몸 속의 수분이 증발하는 것을 막아 수분의 발산을 최소한으로 한다. 물론 이 왁스층은 산소나 탄소 기체도 통과시키지 않는다. 따라서 곤충이나 거미, 전갈 등에서는 가스 교환을 하고, 동시에 수분의 손실을 가능한 한 줄이기 위해 호흡 장치가 잘 발달되어 있다. 예를 들어 곤충의 기문(곤충의 호흡기관)이나 거미의 폐서(거미의 호흡기관)는 평소에는 특별한 근육으로 덮여 있다. 그리고 몸 속에 이산화탄소가 축적될 때에만 호흡을 위해 열리는 것이다. 이런 사실은 곤충이나 거미의 체중을 건조 작용의 전후로 나누어 계산해 보면 실험적으로 분명하게 밝힐 수 있다. 대기 중의 이산화탄소 농도는 보통 0.03%이다. 그런데 공기 중의 이산화탄소의 농도가 갑자기 증가하면 곤충과 거미는 호흡을 위해 기문이나 폐서를 열어 놓을 수 밖에 없고, 따라서 많은 양의 수분을 잃게 되는 것이다. 실험에서 공기 중의 이산화탄소의 농도를 5%로 높이고 그 속에서 곤충을 살게 했더니, 이 곤충은 상당히 많은 양의 수분을 잃고 말았다. 따라서 지금으로부터 아주 오래 전 다양한 무척추동물의 무리가 물 속에서만 살다가 서서히 뭍의 생활로 이행하던 때에는, 호흡 때문에 몸의 수분을 잃지 않도록 하기 위하여 먼저 흙 속에서 생활을 하고, 그후 차차 진화해서 공기 중에 몸을 드러내고 살아갈 수 있게 되었을 것이다. 그러므로 진화의 측면에서 보았을 때, 환형동물(지렁이, 거머리 등), 쥐며느리나 다족류, 곤충류와 거미류는 각기 물 속, 흙, 공기 중이라는 생활 환경의 변화 과정에 따라 진화해 왔다고도 생각해 볼 수 있다.
어떤 날개가 없는 곤충의 무리는 다른 곤충이나 거미처럼 왁스층으로 덮인 표피를 갖고 있지 않기 때문에 흙 속에서만 생활을 한다. 이 무리는 물 속에서 살던 무척추동물이 육지에서 살아가도록 진화해 온 단계를 나타내 주는 것 같다. 또, 곤충류 애벌레의 거의 대부분은 흙 속에서 살고 있다. 또 야행성을 보이며, 만일 건조한 공기에 노출되면 많은 양의 수분을 잃게 된다. 하지만 일단 엄지벌레가 되기만 하면 공기 중에서도 수분을 잃지 않고 살아갈 수 있도록 적응해서, 주행성이 되는 것이 많다. 이런 일은 '하나의 생물체가 성체로 자라나는 과정(개체 발생)은 그 생물이 오랜 시일에 걸쳐 진화해 온 과정(계통 발생)을 되풀이한다'고 하는 헤켈의 법칙을 다시 한 번 확인시켜 주는 흥미로운 현상이라고 하겠다. 뭍에서의 생활에 적응하기 위한 요소들은 서로서로 복잡한 영향을 미치고 있다.곤충의 표피와 탈피를 예로 들어 보자. 곤충은 수분을 잃지 않도록 하기 위해서 왁스층으로 덮인 단단한 표피를 갖고 있다. 이렇게 단단한 껍질을 갖고 있으면 몸이 차츰차츰 커 나가는 것이 불가능하다. 따라서 곤충이 성장하기 위해서는 꼭 탈피라는 방법을 사용해야만 하는 것이다. 하지만 탈피를 해서 성장하는 데에는 일정한 한계가 있을 수밖에 없다. 따라서 곤충은 엄지벌레라고 해도 별로 크지 않은 것이다. 게다가 곤충은 기문에 연결된 기관이라는 호흡 기관으로 호흡을 한다. 그리고 식사를 하고 배설을 하는 것이 몸 속의 수분을 유지하는 일에 밀접하게 관련되어 있다. 이 모든 것이 곤충의 몸집이 지금 보이는 것들보다 훨씬 더 커질 수 없는 이유이다. 작은 동물은 뭍의 생활에 적응하면서 이렇게 형태학적이고 생리학적인 제약만을 받은 것이 아니다. 뭍에서의 생활은 그들의 행동 양식에도 무수히 많은 다른 결과를 낳았다. 왜냐하면 어떤 동물이 뭍의 환경에 정착하기 위해서는 영양분의 섭취나 짝짓기 등 종의 보존을 위해 꼭 필요한 기능이 하루 중에서 가장 좋은 시간대에 발달해야 하기 때문이다. 따라서 뭍에서 사는 동물들은 바깥 세상의 환경에 대응해서 행동하게끔 진화해 왔던 것이다. 그리고 그렇게 진화해 온 결과물의 하나가 바로 서커디언 리듬이다.
