생명체의 기초단위(세포) - 사비나가 북경에서 살아 가는 이야기

1683년 레벤후크(네덜란드)에 의해 세균이 발견되었지만, 현미경기술의 한계 때문에 그로부터 150년이 가도록 그 이상의 아무런 진전이 없었다. 1831년이 되어서야 세포의 핵을 처음 볼 수 있게 되었는데 과학사에 유령처럼 자주 등장하는 스코트랜드의 식물학자 로버트 브라운의 성과였다. 그는 자신이 관찰한 것을 작은 밤 또는 씨앗을 뜻하는 라틴어 “ nucula” 로부터 따와서 “ nucleus(핵)이라고 불렀다. 그러나 살아있는 것은 모두 세포를 가지고 있다는 사실을 알아낸 것은 1839년의 일이었다. 그런 사실을 밝혀낸 사람은 독일의 테오도르 슈반이었는데 그의 성과는 처음에는 인정을 받지 못했다. 생명은 저절로 날 수가 없고, 이미 존재하는 세포로부터 시작되어야 한다는 사실이 밝혀진 것은 1860년대에 루이 파스퇴르의 기념비적인 업적에 의해서였다. 그런 주장은 “ 세포설”이라고 하며 현대생물학의 기반이 되었다.

세포는 복잡한 화학 정유공장(물리학자, 제임스 트리필에 의하면)에서 거대하고 비옥한 도시(생화학자 가이 브라운에 의하면)에 이르기까지 여러 가지에 비유되어 왔다. 세포는 그런 모든 것이기도 하고, 그렇지 않기도 하다.
세포는 거대한 규모로 화학활동에 몰두하고 있다는 점에서는 정유공장과 비슷하고, 매우 바쁘고 복잡하며 혼란스럽고 무질서한 것처럼 보이기도 하지만 그 속에 어떤 체계가 존재한다는 점에서는 대도시와 비슷하다. 그러나 세포는 어떤 도시나 공장보다 더 악몽 같은 곳이기도 하다. 우선 세포 규모에서는 중력이 별 효과가 없기 때문에 위아래가 없고, 원자크기의 공간이라도 그냥 버려지는 곳이 없다. 세포 속의 모든 곳에서 움직임이 계속되고 있고, 전기에너지가 끊임없이 날아다니고 있다. 전기의 존재를 느끼지는 못하지만, 사실은 그렇지 않다. 우리가 먹는 음식과 호흡하는 산소가 세포속에서 결합되면서 전기가 발생한다. 우리가 서로 엄청난 충격을 주거나 앉아있는 소파를 태우지 않는 것은 전기가 아주 작은 규모로 만들어지기 때문이다. 0.1볼트로서 나노미터 정도의 거리를 움직일 뿐이다. 하지만 움직이는 거리를 1미터 정도로 확대해보면, 뇌우와 비슷한 2천만 볼트 정도에 해당한다.
세포 속의 모습은 그렇게 아름답지 않다. 세포를 구성하는 원자를 팥알 정도의 크기로 확대한다면, 세포자체는 대략 지름이 800미터 정도되고, 세포 골격이라 부르는 받침대들이 복잡하게 얽혀있다. 그 속에서는 농구공이나 혹은 자동차만한 온갖 크기를 가진 수백만 개의 수백만 배에 해당하는 물체들이 총알처럼 날아다닌다. 모든 방향에서 매초 수천 번씩 얻어맞지 않고 안전하게 서있을 수 있는 곳은 어디에도 없다. 세포 속에 언제나 존재하는 것에게도 위험한 것이다. DNA 사슬은 평균적으로 8.4초마다 갑자기 날아와서 아무렇게나 칼질을 하고 지나가버리는 화학물질들에 의해서 공격을 당하거나 손상을 입는다. 하루에 1만 번씩이나 그런 일이 일어나는 셈이다. 세포가 죽지 않고 살아남으려면, 신속하게 그런 부상에서 회복할 수 있어야만 한다.

단백질은 특히 활동적이어서, 회전하고, 맥박치고, 매초 수십억 번까지 서로 충돌하는데 단백질의 일종인 효소는 아무 곳이나 돌아다니면서 매초 천여 번에 이르는 임무를 수행한다. 그들은 엄청난 속도로 움직이는 일개미처럼 분자를 만들고 또 만든다. 이 분자에서 조각을 떼어내서 다른 분자에 붙여주기도 하며 지나가는 단백질을 살펴보면서, 고치지 못할 정도로 손상을 입거나 잘못된 단백질에는 화학적인 표식을 붙이기도 한다. 그렇게 선별되고 나면, 운이 나쁜 단백질은 프로테아솜이라는 곳으로 옮겨져서 분해되고, 그 구성성분은 새로운 단백질을 만드는데 사용된다. 30분도 견디지 못하는 단백질도 있고, 몇 주 동안 존재하는 단백질도 있다. 그러나 모든 단백질은 상상할 수 없을 정도로 바쁜 일생을 보내게 된다.

하지만 분자들 사이의 상호작용을 관찰할 수 있을 정도의 속도에서 살펴보면, 그렇게 놀랄 곳도 아니다. 세포는 온갖 크기와 모양을 가진 수백만 종의 단백질들이 역시 수백만 종의 다른 것들에 충돌하면서, 영양분에서 에너지를 추출하거나, 구조를 만들거나, 노폐물은 제거하거나, 침입자를 몰아내거나, 신호를 주고 받거나, 수선을 하는 등의 평범한 일들을 수행하는 곳이다. 보통 하나의 세포에는 약 2만종의 단백질이 있고, 그 중2,000정도는 적어도 5만 개씩이나 존재한다. 5만 개 이상씩 존재하는 분자들만 세더라도 하나의 세포 속에 들어있는 단백질의 수는 아무리 적어도 1억 개가 넘는다는 뜻이다. 그 정도로 놀라운 숫자를 보면 우리 몸 속에서 일어나는 생화학적 작용이 얼마나 굉장한가를 짐작 할 수 있다. 모든 것이 엄청나게 힘이 드는 일이다. 심장은 모든 세포에게 충분한 양의 산소를 공급하기 위해서 한 시간에 284리터, 하루에 6,816리터, 1년에 248만8,000리터의 혈액을 퍼내야만 한다. 그 정도면 올림픽 경기장 규모의 수영장을 채울 수 있는 양이다. 그것도 쉬고 있을 경우에 그렇다. 운동을 하는 동안에는 그 속도가 최대 여섯 배까지 늘어날 수도 있다.

ATP에 대해 들어 본적이 없을 수도 있겠지만, 당신을 살아 움직이게 하는 것이 바로 그것이다. 세포 속을 돌아다니면서 세포 내에서 일어나는 모든 일에 필요한 에너지를 공급하는 작은 배터리가 되는 셈인데 당신은 엄청나게 많은 ATP를 필요로 한다. 어느 한 순간 보통 세포에 들어있는 수는 10억 개 정도이지만, 2분 정도면 하나도 남김없이 사라져 버리고, 다시 10억 개가 만들어지는 만큼 하루에 만들어지는 ATP의 양은 몸무게의 절반에 해당할 정도이다. 피부가 따뜻하게 느껴지면, 그것이 바로 ATP가 작동하고 있는 증거이다. 매일 수십억 개의 세포들이 당신을 위해서 죽어가고, 수십억 개의 다른 세포들이 남은 것을 청소해 준다. 세포들이 격렬하게 죽을 수 있는데 감염이 되면 그렇다. 하지만 대부분의 세포는 죽어야 할 때가 되면 죽는데 사실은 다른 세포로부터 당장 필요한 임무를 부여 받지 못하면 저절로 자살을 해 버린다. 세포들은 끊임없이 다독거려 주어야만 할 것이다.

가끔 일어나는 일이기는 하지만, 세포가 예정된 순서에 따라 사라지기만 하는 것은 아니다. 분열되면서 마구 성장하기도 하는데, 그 결과를 암이라고 부른다. 사실 암세포는 혼란에 빠진 세포에 불과하다. 세포는 정기적으로 그런 실수를 하지만, 몸에는 그런 문제를 해결하는 정교한 메커니즘이 준비되어있다. 사람의 경우에는 평균 10억 번의 1억 배 정도의 세포 분열이 일어날 때마다 한번의 치명적인 악성 세포가 등장한다. 세포에서 가장 신비로운 사실은 가끔씩 문제가 생긴다는 것이 아니라, 수십 년 동안 모든 것이 잘 관리 된다는 것이다. 그러기 위해서 세포들은 몸 전체를 상대로 끊임없이 신호를 보내고 받는다. 지시를 하고, 정보를 요구하고, 수정을 하고, 도움을 청하고, 정보를 갱신하고, 분열이나 죽음을 통보하는 시끄러운 신호들이 오고 가는데 대부분의 신호는 호르몬이라는 특사에 의해서 전달된다. 인슐린, 아드레날린, 여성호르몬, 남성호르몬과 같은 화학물질이 외딴 곳에 있는 갑상선이나 내분비선에서 정보를 운반해 온다. 뇌나 측분비 신호체계라고 부르는 지역센터에서 지급전보로 전달되는 메시지들도 있다. 그리고 세포들은 인접한 세포들과 직접교신을 해서 자신들이 서로 조화롭게 움직이고 있음을 확인하기도 한다.

세포의 활동에 대해서 가장 놀라운 사실은 모두가 다 그저 아무렇게나 일어나는 광란의 움직임이라는 것이다.
서로 끌어 당기고 밀치는 기본적인 법칙 만에 의해서 나타나는 끊임없는 충돌의 결과일 뿐이다. 세포의 움직인 어느 부분에도 사고(思考)의 과정을 찾아 볼 수가 없다. 모든 것이 그저 일어나면서도 우리가 눈치를 챌 수도 없을 정도로 완벽하고 반복적이고, 신뢰할 수 있도록 일어날 뿐만 아니라 조직 전체에서의 완벽한 조화도 유지된다. 이제 겨우 그 내용을 이해하기 시작하고 있지만, 수를 헤아릴 수도 없는 반사적인 화학반응들이 서로 겹쳐져서, 당신이 움직이고, 생각을 하고, 결정을 내릴 수 있도록 해주고 있다. 지능은 낮더라도 역시 믿을 수 없을 정도로 조직화된 쇠똥구리의 경우도 마찬가지이다. 모든 생명체는 신비로운 원자공학의 결과로 나타나는 것이다.
실제로 우리가 원시적이라고 생각하는 생물체들마저 우리가 태평스러운 방관자로 보일 정도로 놀라운 수준의 세포조직을 가지고 있는 경우도 있다. 해면을 체로 걸러서 세포들을 해체시킨 후에 다시 물속에 던져 넣으면, 세포 조각들이 다시 모여들어서 스스로 다시 해면의 구조를 회복한다. 그런 일을 끊임없이 반복하더라도, 해면은 끈질기게 다시 모여든다. 인간은 물론 다른 모든 생명체와 마찬가지로 해면도 계속 존재하고 싶다는 충동에 압도되어 있기 때문이다. 그런 모든 것이 겨우 이해되기 시작함은 어떤 분자 때문인데, 그 분자는 살아 있는 것도 아니고, 다른 아무것도 하지 못하는데, 우리는 그것을 DNA라고 부른다.

** 별도 참고 **

뇌는 몸무게의 2%에 불과하지만, 체내 에너지의 20%를 삼켜버린다. 또한 뇌는 사용하는 연료에 대해 까다로운 편이다. 뇌는 지방을 전혀 사용하지 않기 때문에 지방을 먹지 않아도 불평을 하지 않는다. 그 대신 뇌는 포도당을 사용하고, 그것도 다른 기관에 부담을 주는 한이 있더라도 엄청난 양을 필요로 한다. <몸은 욕심이 많은 뇌 때문에 언제나 파산할 위기에 처하게 되지만 뇌를 배고프게 하는 것은 곧바로 죽음을 뜻하게 되기 때문에 어쩔 수가 없다> 큰 뇌는 더 많은 양의 먹을 것을 필요로 하고, 그것은 곧 더 위험함을 뜻한다.