2017-023 먹고 사는 것의 생물학

2017-023 먹고 사는 것의 생물학

 

김홍표 지음

2016, 궁리

 

대야도서관

SB112183

 

476

김97ㅁ

 

입에서 항문까지, 소화기관으로 읽는

20억 년 생명 진화 이야기

 

광합성을 통해 포도당을 직접 만들 수 있는 것은 조류를 포함하는 식물만의 능력이다. 초식동물이건 육식동물이건 자기 스스로 생존에 필요한 영양소를 만들지 못한다. 인간도 예외는 아니다. 그렇기에 소화기관은 생명을 유지하는 장소로서 당연히 진화해야 했고 생명이 태양으로부터 도달한 에너지를 활용하는 가장 기본적이고 익숙한 형태로 자리 잡았다. 수십억 년에 걸친 생명 역사에서 음식물 안에 농축된 에너지를 얻어내는 방법의 개선 혹은 참신성이 궁극적으로 38개에 달하는 동물문의 진화를 이끌어냈다.

 

단세포 생물 아메바부터 호모 사피엔스까지,

'먹고 소화하고 배설하는' 행위로 새롭게 이해하는

특별한 생물학! 그리고 생명의 진화사!

 

광합성을 하는 식물이나 조류algae, 일부 세균을 제외하고, 지구상에 '먹는 일'에 무관한 생명체는 없다. 진핵세포가 등장한 20억 년 전부터 섭취와 배설 사이를 오가며 살아가는 온갖 생명체에 대한 찬가!

하나의 세포는 입, 후두, 식도, 위, 장, 항문과 같은 소화기관이 있는 생명체로 어떻게 진화한 것일까? 철새는 제대로 먹지 않고 어떻게 수천 킬로미터를 날 수 있을까? 나비는 왜 성충과 유충의 먹이가 다를까? 포도당은 왜 다른 에너지원을 제치고 우선적인 에너지원이 되었을까? 왜 대장은 그토록 많은 세균이 살까? 장내 세균이 인간의 사회성을 키워준다고? 옥수수와 같은 C₄ 식물이 나타난 것은 언제이며, 왜 나타났을까? 부드러운 가공식품은 인간의 섭식 과정에 어떠한 변화를 만들어낼까? 아주대학교 약학대학 교수인 저자가 기초 생물학, 의학, 진화생물학, 물리학 등 최신 과학 연구 성과를 두루 살피며 생명체의 장대한 진화사를 읽어낸다!

 

김

홍

표

 

서울대학교 약학대학 약학과를 졸업하고 동 대학원에서 석사학위와 박사학위를 받았다. 현재 아주대학교 약학대학 교수이다. 국립보건원 박사후 연구원과 인하대 의과대학 연구교수를 지냈으며 피츠버그 의과대학, 하버드 의과 대학에서 연구했다. 천연물 화학, 헴 생물학, 바이오 활성 가스 생물학, 자기소화, 면역학과 관련된 여러 편의 논문을 썼다. 한국연구재단이 톰슨로이터 DB의 피인용 상위 10% 논문을 대상으로 분석한 조사에서 '2009~2014년 한국인 기초과학 상위 연구자'로 의학(4위), 약학(3위) 두 분야에 이름을 올렸다. 연구분야와 관심분야는 기초 생물학과 진화생물학, 진화의학이다. 지은 책으로 『산소와 그 경쟁자들』이 있고 옮긴 책으로 『내 안의 바다, 콩팥』, 『우리는 어떻게 태어나는가』, 『진화와 의학』, 『인간과 동물의 감정표현』, 『신기관』, 『제2의 뇌』가 있다.

 

차례

 

들어가며

 

1장 | 멀고 먼

우리는 무엇을 먹는가? | 영양소 삼두 정치 | 불의 발견, 식품 가공의 불을 댕기다!

2장 | 굶기와 폭식 사이에서: 소화기관의 역동성

사는 것은 버티는 것인가? | 겨울을 날다 | 올챙이와 개구리의 식단 | 탕가니카 호수의 시클리드 | 무엇이 너를 먹는가? | 인간의 소화기관 | 소화기관의 일반적 특성 | 소화혈관계 내강 | 통관과 브라큐어리 | 무체강동물

3장 | 다세포 생물의 진화

효모도 뭉친다 | 외독소와 다세포 동물의 진화 | 마이크로 RNA | 종속 영양 생명체

4장 | 해면은 동물이다

동정편모충류: 다세포성의 진화 | 정자는 단 한 번 진화했다? | '내 안의 해면' | 세포 접착과 세포 밖 소화 | 라론 증후군: 인슐린의 기원 | 신경계의 기원 | 중배엽의 기원 | 좌우대칭의 진화 | 마침내 입과 항문

5장 | 통관은 멀리 흐른다

선구동물과 후구동물 | 체강 | 원생동물문의 소화 | 해면동물의 소화 | 무척추동물의 소화 | 척추동물의 소화와 음식물의 여정 | 물의 대차대조표 | 식물도 그저 죽지는 않는다 | 부속 소화기관 | 인간 혈관계 | 적혈구의 변화는 두 가지 방향에서 일어났다 | 소화기관과 함께하는 호흡기관? | 나중 생겨난 것이 먼저 썩는다?

6장 | 소화기관의 진화

앞뒤축을 따르는 소화기관의 발생 유형 | 발생 과정의 등대지기, 섬모의 역할 | 좌우대칭하기의 어려움? | 연날리기 물리학: 좌우대칭동물의 진화 | 냉수마찰을 좋아하는 초파리 유충 | 소화기관이 만들어지기까지 | 거친 그림 그리기 | 배아 둘러싸기 | 장간막 | 투망 던지기 | 구멍 만들기 | 복막 | 간에는 별 모양의 세포가 있다 | 입에서 생선 썩는 냄새가?

7장 | 뭐가 필수적이라고?

포도당은 보편타당 | 잘 부서지는 리보오스 | 과당과 포도당 | 마라톤 선수는 어떻게 2시간을 넘게 달릴 수 있는가? | 포도당과 과당의 슬픈 이야기 | 인간 모유와 갈락토오스 | 글리코겐 진화 | 유생의 진화와 브로드 유전자: 음식 나눠 먹기

8장 | 나는 진정 누구인가?

왜 소장에 세균이 적은가? | 세균은 무얼 먹고 사는가? | 장내 세균의 원격조종 | 3억 년 내내 천적 | 바퀴벌레와 흰개미 | 통합유전체 진화이론: 동물과 세균의 키메라 | 장내 세균: 마트료시카 세상 | 왜 셀룰로오스를 잘 먹지 못하는가? | 14세기의 똥에서 발견된 무기 경쟁의 흔적 | 입 속의 거주자들

9장 | 소화기관 물리학

융모는 어떻게 생겼나? | 침 안의 효소: 음식의 물리학 | 자연은 어떻게 움직이는가?: 복잡계 생물학 | 자기 조직화와 질서의 기원 | 크기와 계량화 | 프랙털 생물학? | 카오스? | 먹는 것도 복잡계? | 진핵세포와 원핵세포의 대사율 | 미토콘드리아와 세포 거대 자본의 탄생

10장 | 옥수수 수염과 신석기 혁명

옥수수 수염 | 밀란코비치 주기와 고대 기후변화, 그리고 인류의 진화 | C₄ | 농업혁명 | 여전히 인간은 진화 중인가? | 유전자 복사본의 수 | 무골호인과 잃어버린 유전자?

11장 | 인간의 최적 식단: 지상 최대의 인간 실험

더 달고 더 부드러운 | 부티르산의 비밀 | 구석기 식단 | 내일의 소화기관

참고문헌 | 그림 출처 | 찾아보기

 

 

이누이트족[-族, Inuit]

베링 해에서 캐나다와 그린란드와 북동아시아 축치 반도의 해안에서 사는 북극 원주민을 말하며 지역과 식량을 채취하는 방식에 따라 17개의 부족으로 나눈다. 이들이 사는 지역은 달라도 언어와 체형과 문화는 아주 비슷하며 주변의 민족과는 완전히 다르다. 그들은 에스키모-알루샨 언어 계통의 방언인 에스키모어를 쓰며 지난 5천 년 동안에 서쪽에서 동쪽으로 전파된 것으로 보인다.

이들은 순록도 키우고 바다에서 물고기도 잡지만, 식량과 조명과 조리용기름과 의복과 도구와 무기의 대부분을 바다에 있는 포유류한테서 얻는다. 과거에는 얼음집인 이글루에서 살았고 개썰매를 몰고 카약과 작살을 썼으나 지금은 현대장비를 많이 쓴다. 인구는 모두 60000명 정도로, 그린란드에 1만 명, 알라스카에 29000명, 캐나다에 19000명, 시베리아에 2000명 정도가 있다. 1970년대부터 캐나다와 그린란드에 있는 원주민을 이누이트족이라고 부르며, 알라스카와 시베리아에 있는 원주민들에게는 통용되지 않는다.

 

 

지청구

명사

1 . [같은 말] 꾸지람(아랫사람의 잘못을 꾸짖는 말).

• 대불이는 고개를 들지 못한 채 숨을 죽였다. 말을 꺼냈다가는 또 무슨 지청구를 들을지 몰랐기 때문이다. 출처 : 문순태, 타오르는 강

2 . 까닭 없이 남을 탓하고 원망함.

• 나는 해마다 결혼기념일을 기억하지 못해 아내에게 지청구를 듣기 일쑤였다.
• 위로는 상전들의 타박과 지청구를 다 받아 삭이고…. 출처 : 문순태, 타오르는 강
• 어쩌다 노는 틈에 그가 춘광이를 따라가면 삼촌은 떼 놓고 가려고 지청구를 퍼부었다. 출처 : 이기영, 봄

 

 

척삭동물[Chordata, 脊索動物]

척삭동물을 의미하는 ‘Chordata’라는 명칭은 ‘끈’이라는 의미의 그리스어 ‘chordē’에서 유래되었다. 전세계 약 7만여 종 이상이 있으며, 육지, 수중, 공중 및 지구 상 모든 곳에 살고 있다. 발생 초기의 배(胚)에 척삭(脊索)이 형성되기 때문에 이런 이름이 붙었다. 척삭은 종에 따라 차이는 있으나 일생 체내에 존재하는 경우도 있고, 종에 따라 발생과정 중 퇴화하거나 소멸하는 경우도 있다.

체절(體節)로 나누어진 몸은 좌우대칭이고, 3배엽성으로 체강이 잘 발달되어 있다. 내부골격은 뚜렷하며 척주 · 두개 · 내장골 및 지대(肢帶), 2쌍의 관절이 있는 부속지의 뼈로 구성되어 있다. 골격은 연골 또는 경골이거나 이 두 가지가 함께 존재하기도 한다. 발달 과정이 복잡할수록 골격근의 수가 많고 신경계의 발달과 더불어 복잡하고 미묘한 운동을 할 수 있도록 되어 있는 경우가 많다. 척삭의 등쪽으로 중추신경계가 있으며 신경관을 이루며 앞쪽 끝 부분은 뇌로 발달한다. 이들은 모두 원구(原口, 발생 초기 소화기관이 될 원장과 통하는 구멍)가 항문으로 되고 2차적으로 생긴 입을 가지는 후구(後口)동물의 하나이다. 일생 또는 생활사의 초기 인두(咽頭)에 아가미열[鰓裂]이 짝지어 있다. 순환계는 폐쇄형이고 심장은 소화관에서 배쪽으로 있다. 소화계는 잘 발달되어 있다. 생식은 무성생식 또는 유성생식을 하며 난할은 방사형으로 좌우 대칭이다.

척삭동물문은 미색아문(尾索亞門:멍게류 ·탈리아류), 두색아문(頭索亞門:창고기류), 척추동물아문(脊椎動物亞門)의 3아문으로 분류된다. 미색류는 유생(幼生)에만 척삭이 있고 두색류는 일생동안 가지고 있다. 대부분의 척추동물은 배나 유생의 시기가 지나면 추골(椎骨)로 된 척주(脊柱)로 대치된다. 학자에 따라 미색동물과 두색동물을 합쳐 원색동물문(原索動物門)으로 하고 척추동물을 독립된 문으로 분류하기도 한다. 척삭동물은 극피동물과 함께 후구동물의 장체강(腸體腔)동물에 속한다. 국내에는 약 1500여종 이상이 밝혀져 있다.

 

 

초록띠굴개구리

특정 동물들이 겨울날이나 여름날 긴 잠을 자는 것은 무엇 때문일까? 극심한 추위나 더위를 피하기 위해서? 그런 목적도 크지만, 먹이가 부족한 상황에서 에너지 소모를 피하려는 불가피한 선택으로도 볼 수 있다.

 

 

긴부리참도요

먼 거리를 이동하는 철새들은 이동 경로의 먹이 상태에 따라 소화기관을 탄력적으로 운영한다. 먹잇감이 풍부한 지역을 여행하는 긴부리참도요는 비행 도중에 소화기관의 크기를 늘린다.

 

 

아프리카발톱개구리[African clawed frogs, Xenopus laevis]

몸길이는 약 12cm이다. 뒷발에 있는 3개의 발가락에 단단한 발톱이 붙어 있고 남아프리카 등지에 분포하고 있어, 아프리카발톱개구리라는 이름이 붙었다. 유생 기간 동안에는 몸이 투명하며, 성체의 몸은 황토빛 또는 초록빛으로 얼룩덜룩하다. 성체는 물 속에서 생활하며, 이빨과 혀가 없고 공기호흡을 한다. 위험시에는 단단한 발톱으로 진흙을 파고 들어간다.

 

 

 

 

곤댓짓하다

동사

뽐내어 우쭐거리며 하는 고갯짓을 하다.

• 우쭐우쭐 곤댓짓하며 의기양양하던 승자(勝者)의 모습은 어디로 갔는가?
• 자네같이 양반이라고 상민들한테 같잖게 곤댓짓하던 버르장머리를 엄하게 징치한다는 말일세. 출처 : 송기숙, 녹두 장군

 

 

돌묵상어[basking shark]

고래상어에 이어 두 번째로 큰 상어로, 최대 몸길이가 15m나 되는 것도 있다. 몸은 방추형(紡錐形)이다. 주둥이는 짧고 둥글며 앞이 뾰족하다. 몸에 비해 양 턱의 이빨은 아주 작으며, 촘촘하게 나 있다. 가슴지느러미·등지느러미·꼬리지느러미 모두 크고, 제1등지느러미는 가슴지느러미 뒤쪽에 있다. 제2등지느러미와 뒷지느러미는 제1등지러미의 반 정도밖에 되지 않는다. 아가미구멍도 매우 커서 머리 부분에서 배까지 길게 이어진다. 몸빛깔은 등 쪽은 회갈색, 배 쪽은 연한 색을 띤다.

번식 방법은 아직까지 정확하게 알려져 있지는 않지만, 난태생(卵胎生)으로 추정된다. 보통 12~16년이면 어미가 되는데, 일설에는 임신 기간이 3년이 넘는다는 이야기도 전해진다. 이 말이 사실일 경우 척추동물 가운데 임신기간이 가장 긴 것이 되지만, 아직까지는 정설이 없다. 입을 크게 벌리고 천천히 유영(游泳)하면서 플랑크톤을 걸러 먹는데, 보통 1마리 또는 2~3마리 단위로 생활하고, 많을 때는 100여 마리씩 무리를 짓기도 한다.

다 자란 어미의 경우 보통 몸길이는 10m 내외이며, 전 대양의 온대 연안에 주로 서식한다. 거대한 몸체와는 달리 성질이 온순해 사람을 공격하지는 않는다. 간(肝)이 몸무게의 1/4에 달하기 때문에 기름과 육질·화장품 등 상업용으로 많이 이용된다. 한국의 동해안과 서해안에도 자주 나타나며, 어민들 사이에서는 '물치'로 불린다.

 

 

해파리와 납작벌레

자포동물인 해파리(위, Scrippsia pacifica)와 편형동물인 납작벌레(아래, Pseudobiceros bedfordi)는 배설기관과 중추신경계가 따로 없다. 신체기관이 단순한 이들은 하나의 통로를 입이자 항문으로 사용한다.

 

 

자포동물[Cnidaria, 刺胞動物]

좁은 의미에서 강장동물의 별칭이다. 당초에 강장동물을 무자포류(無刺胞類)와 자포류의 2아문(亞門)으로 분류하였을 때 자포류를 지칭하였다. 무자포류를 분리하여 유즐동물문(有櫛動物門)으로 따로 독립시킴으로써 자포류만으로 다시 강장동물문이 되면서 자포류라 하던 것을 자포동물이라고 부르게 되었다.

 

 

난로간해면(Aplysina archeri)

해면은 바닷물을 여과해 필요한 세균이나 유기물질을 흡수한다. 세포 내 소화를 하기 때문에 소화기관이 따로 없다.

 

 

테트라하이메나

단세포 섬모충류 원생동물 테트라하이메나(Tetrahymena theopila). 세포에 막으로 싸인 핵을 갖춘 진핵생물이 진화를 밝히는 중요한 동물이다.

 

 

 

 

 

 

 

벌새

벌새는 긴 부리를 꽃에 박고 서 있기 위해 1초에 50번 날개를 움직인다. 1초에 50회다. 

 

 

 

 

 

바퀴벌레

3억 년 전부터 지구상에 살아온 바퀴벌레. 현재 전세계에 4,000종 이상이 분포한다. A. 이질바퀴(독일) B. 잔이질바퀴(미국) C. D. E. 잔날개바퀴(호주)

 

 

구강세균

충치와 관련 있는 스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans, 위), 잇몸질환을 일으키는 포르피로모나스 긴기발리스(Porphyromonas gingivalis, 아래). 인간의 구강 내에는 약 100억 마리의 세균이 산다. 구강 세균은 그 종류만 700종이 넘는다.

 

 

산업화된 '세포 밖 소화'

동물 진화의 역사를 '세포 내 소화에서 세포 밖 소화로의 변화 과정'이라고도 설명할 수 있다. 인간은 영양분이 될 물질을 입과 위, 소장과 같은 '세포 밖'에서 잘게 쪼개서 '세포 안'으로 들여보내는 과정을 매일같이 반복한다. 이제 우리의 소화기관이 담당하는 이 일을 산업화된 식품 공장에서도 대신해주고 있다. 세포 밖 소화가 공장에서도 이루어지고 있는 것이다.