신근영샘- 마이크로코스모스 2강 후기 (목성 2014-7-31) 

상호관계가 만들어 내는 세상

박 성 옥

생물이 에너지를 얻기 위한 첫 번째 활동은 발효다. 발효는 당을 ATP에너지로 전환하는 활동이다. 발효는 햇빛과 산소가 닿지 않는 밀폐된 곳에서 이루어진다. 오존층이 없어서 자외선이 차단되지 않으면 당이 파괴되므로 땅 속 깊이 들어가서 발효가 이루어졌다. 유기물이란 CHON(탄소,수소,산소,질소)으로 이루어진 구조를 말하며 이들 요소를 가지고 구성된 화합물을 유기화합물이라 한다. 생명체가 태어나려면 CHON이 반드시 있어야 한다. 미생물이 이 유기물을 직접 먹는 건 아니다. 효소로 분해해서 먹게 된다.

ATP는 생명체들의 연료, 즉 에너지화 시킬 수 있는 연료다. ATP는 아데노신에 세 개의 인산이 붙어있는 상태를 말하는데 (Adenosine Tri-Posphate/ 아데노신=아데닌+리보스) ATP는 잠재에너지 상태로 있다가 P(인산) 하나가 떨어질 때마다 에너지를 방출시킨다. 반대로 인산 하나씩 결합할 때마다 에너지를 충전시킨다.

음식물을 먹으면 포도당이라는 화학에너지 상태로 전환한다. 이것을 생체에너지로 바꾸는 작업이 ATP이다. 인간이 음식물을 먹으면 포도당이 되고, 이 포도당이 ATP로 만들어질 때 물과 산소가 필요하다. ATP가 만들어지면 물과 이산화탄소가 배출된다. 이 작업을 미토콘드리아가 가장 많이 한다. 식물은 이와 반대이다. 식물은 ATP에 물, 이산화탄소가 결합하여 포도당을 만들고, 이 때 산소와 물을 배출한다. 식물은 자기 안에서 포도당을 만들어서 녹말로 저장했다가 다시 포도당으로 쓴다. ATP는 햇빛에서 온다. 엽록체는 빛저장 탱크와 같이 나선형 원통인데 ATP를 스스로 합성한다. 버섯은 광합성을 하지 않고 동물처럼 외부로부터 영양분을 섭취한다. 단 인간과 차이점은 인간은 먹어서 소화를 시키지만 버섯은 위액을 내뿜어서 밖에서 당을 ATP로 만들어 소화시킨 후 흡수시킨다. RNA의 구성성분이 같아도 어떤 구조로 결합하느냐에 따라 기능이 달라진다. 생명체에게 운동은 결합방식의 변화를 의미한다. 구조와 기능이 따로 있는 게 아니다.

1. 진핵세포의 세포내 막 (plasma membrane)

생명의 시초는 막의 형성이다. 막이 형성됨으로써 내부와 외부가 생긴다. 막은 죽어 있거나 딱딱한 게 아니다. 생명이 생긴다는 의미는 이웃하는 경계를 가진다는 것이다.

막은 우리가 사는데 안정성을 준다. 고대에 바다에서 살던 생물이 육지로 가면서 가장 위험했던 것은 건조해지는 것이었다. 그래서 자기 안에 수분을 저장하는 방식을 고안했다. 바닷물과 내부의 체액을 같은 농도로 유지하게 된 것이다. 막에 의해 갇힌 물이라 할 수 있다. 이것을 보면 내부와 외부는 다르지 않다. 세포막에 엽록소가 들어가면 내부막을 또 형성하게 된다. 전체 막 관리와 층층이 막을 다르게 관리하고 있다.

처음에 원핵생물과 미토콘드리아의 공생을 발표했을 때 아무도 마굴리스의 말을 믿지 않았다. 원생생물이 운동성 박테리아와의 공생으로 산소호흡, 광합성이 가능하게 되고 능동적으로 자기 스스로를 움직이게 된 것이다. 우리 안의 핵은 감수분열을 하지만 미토콘드리아는 핵과 전혀 다른 자기만의 생활주기를 갖는다. 핵과 시간타임도 동일하게 가지 않는다. 이렇게 운동성을 만드는 박테리아와 핵이 공생을 시작하게 되었다.

2. 세포골격(cytoskeleton)

처음 전자현미경이 나왔을 때 세포를 보면 세포소기관들이 물 위에 둥둥 떠다니는 수동적인 기관으로 생각했다. 하지만 세포내에는 능동적 활동이 있었고 세포골격이 그 역할을 하고 있었다. 세포골격은 미세소관(microtubule), 미세섬유(microfilament), 중간섬유(Intermediate filament)의 세가지 분자구조로 되어 있다. 세포골격은 세포를 지지하여 모양을 유지한다. 미세소관은 신축적이어서 흩어졌다 모아졌다 하며 세포를 이동시키는 도로역할을 한다.(졸라맨처럼 생긴 세포막들이 서로 단단하게 고착되었나, 느슨하게 연결되었나, 벌어져서 못 움직이는 상태인가, 즉 어떻게 단백질에 반응하느냐에 따라 포화지방산과 불포화지방산, 또는 콜레스테롤이 된다. ) 또한 세포의 이동은 세포골격과 운동단백질의 상호작용으로 이루어진다. 미세소관은 외부환경을 내부에 전달해주는 전화선 같은 역할을 한다.

세포골격은 일종의 물리적 신호전달체계로서 힘이 전달되면 세포내 기관들의 정렬상태가 바뀐다. 힘이란 실체적으로 있지 않다. 힘을 주고받는다는 것은 결국 접촉의 효과이다. 양자역학에서는 고전역학에서의 힘의 개념이 없어지고 메신저(전령입자)가 주고받는 역할을 한다. 예를 들면 전자기력은 광자(빛입자)를 주고받으며, 쿼크는 글루온이라는 전령입자를 주고받는다. 힘이란 오직 주고받는 관계이다.

에너지도 마찬가지이다. 에너지는 양자역학의 시조인 막스플랑크에 의해 1900년에 등장한 개념이다. ATP도 연료, 에너지이지만 실체적인 무엇을 가지고 있지 않다. 무기인산이 결합해서 단백질 구조가 바뀌는 것뿐이다. 결합과 해체의 관계일 뿐 특정한 실체가 아니다. 결합할 때 에너지가 더 들고, 해체할 때 에너지가 방출된다.

ATP에 있던 무기인산(P)이 단백질에 달라붙으면 나트륨이 높은 상태가 되어 막의 안쪽 문이 닫히고 바깥문이 열리면서 나트륨(Na)을 밖으로 내보낸다. 그러다 다시 인산이 떨어져 나가면서 바깥문으로 칼륨(K)이 들어온다. 안에 칼륨이 높아지면 안쪽 문이 열리면서 칼륨을 내보낸다. 인산(p)이 붙었다 떨어졌다 하면서 단백질의 모양이 바뀐다. 모양(구조)이 바뀌면 자동으로 기능이 바뀐다. 에너지를 쓰는 방식이란 결합과 해체의 형태변화로 기능을 바꾸는 것이다. (2강 프린트 3쪽 하단그림 참조)

3. 미세소관(microtubule)

세포골격의 구성물질의 하나인 미세소관은 운동단백질을 가지고 있는 소기관이 이동할 수 있는 트랙을 제공한다. 중심체는 핵 근처에 있으면서 미세소관이 만들어지는 공장이다. 중심체는 중심립 2개가 항상 같이 있다. 각 중심립은 세 개의 미세소관이 한 쌍을 이루어 9세트가 동그랗게 배열해있다. 섬모와 편모는 9개의 이합체들이 링구조로 배열되어 있고 중간에 2개의 미세소관이 있다. (9+2패턴) 미세소관은 세포분열시 염색체를 분리시키는 운동을 한다(감수분열). 미세소관의 주요기능은 세포의 모양 유지, 세포의 이동(섬모, 편모), 세포분열시 염색체 이동, 세포소기관의 이동이다. 편모는 수평방향으로 운동하고, 섬모는 수직방향으로 운동한다.(예: 노젓기)

4, 스피로헤타와의 공생

그렇다면 미세소관은 어떻게 해서 생겼나? 목적론적 기원설은 염색체 분리를 위해 DNA가 스스로 미세소관을 창조했다라고 주장한다. 미세소관이 필요에 의해 발달했을 것이라는 설이다. 하지만 이런 논리는 진화의 무작위성에 위배된다고 마굴리스는 반박한다. 마굴리스는 미세소관은 외부에서 들어온 스피로헤타 박테리아와의 공생에서 만들어졌다고 주장한다. (스피로헤타의 접속능력)

예를 들어 뇌의 신경소관과 공명하는 뉴런을 보면 세 개 층으로 된 피부세포의 맨 위의 층이 말려 들어가서 안으로 쏙 들어가게 되면 신경세포가 된다. 위로 올라가면 뇌가 되고 아래로 내려가면 감각세포와 연결된다. 뉴런세포가 위로 이동하면서 뇌가 부푼다. 줄기가 뻗어나가 대뇌피질이 된다. 뉴런이 외부의 자극이나 정보와 접속하면서 뇌의 네트워크가 발생한다.

5. 성의 관점에서 본 공생

성이란 서로 다른 유전자가 합체하는 공생상태이다. 공생을 위해 반드시 생식이 필요한 것은 아니다. 성이 곧 생식이란 말은 아니다. 생식을 중심에 두고 성을 생각하니까 유성생식, 무성생식으로 나누게 된다. 무성생식은 죽음이 없다. 박테리아는 자기가 스스로 복제해서 두 개로 갈라지는 것이다. 유성생식은 복제를 안 하는 대신 다양성 (변이)를 생성한다. 그래서 하나의 차이는 원래 있던 것의 죽음을 가져온다. 정리하자면 박테리아는 무성생식을 하고 감수분열을 하지 않는다. 하지만 인간은 유성생식을 하고 감수분열을 한다. 이런 이분법적 구분은 옳지 않다. 마굴리스는 박테리아에게도 성은 없지만 감수분열의 기제가 있다고 했다. 감수분열의 기원을 보면 혹독한 환경에서 동족을 잡아먹은 박테리아는 배수체가 된다. 뚱뚱한 배수체가 원래의 염색체수를 회복하기 위해 반으로 줄이는 작업이 감수분열이다. 환경이 다시 좋아지면 감수분열을 해서 유성생식을 하게 된다. 인간은 박테리아로부터 왔다. 감수분열과 세포융합을 번갈아 하도록 진화되었고, 이 기능이 복합화된 것이 유성생식이다.

6. 마굴리스의 공생의 특징

마굴리스가 말하는 공생은 첫째, 아름답지 않다는 것이다. 둘째, 환경은 생명체에게 호의적인 적이 없었다. 공생은 잡아먹으려다 잡아먹히는 위험한 관계이다. 하지만 어떤 환경이든 살아가는 방식을 만들어 내는 게 생명체다. 공생은 서로의 스펙을 비교하고 맞아서 같이 사는 계약관계가 아니다. 암은 공생에서 비롯될 수밖에 없는 존재다. 계약을 파괴하겠다는 의도 없이 생긴다. 일단 공생을 하며 살다보면 에너지 생산이 되기도 하고, 암이 되기도 하는 것이다.

결론적으로 말하면 접속해서 살아가는 방식이 삶의 가능성을 열어준다. 그것만이 길을 낸다. 아무리 조건이 혹독해도 우리 몸은 역동적이다. 우리 신체가 이미 복합적인 구성체이다. 중앙제어장치가 없이, 미리 정해진 계약이 없이 미생물과 공생하여 오케스트라를 연주할 때 복합생명체가 된다.

다음 시간에 공부할 <몸의 인지과학>은 자연선택설이 아닌 방식으로 생명체를 이해할 수 있다. 생명체는 중앙통제장치가 없이 관계만으로 살아간다. 미토콘드리아가 중앙제어장치 없어도 서로의 관계를 통해 스스로 운동을 하듯이 말이다. 이것이 생명이 스스로를 보존하는 능력(autopoiesis)이다