먹고 사는 것의 생물학

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 일에 무관한 생명체는 없다! 『먹고 사는 것의 생물학』은 단세포 생물부터 인간까지 생명체의 진화 역사를 '먹고 소화하고 배설하는' 행위로 들여다본 책이다. 저자, 김홍표 아주대학교 약학대학 교수는 소화기관이라는 프리즘으로 생명 현상과 기원, 진화사까지 그 장대한 이야기를 엮어낸다.

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 대장에는 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? 진핵세포가 등장한 20억 년 전부터 섭취와 배설 사이를 오가며 살아가는 온갖 생명체에 대한 찬가!



아메바와 인간의 공통점은?

수염이 석자라도 먹어야 산다!

지구라는 행성에서 독자적으로 유기물질(포도당)을 만들어내는 생명체는 식물, 조류algae, 남세균 등이다. 나머지 대다수 동물들은 초식동물이건 육식동물이건 할 것 없이 다른 생명체를 먹이 삼아야만 생존하고 종족을 번식시킬 수 있다. 인간도 예외는 아니다. 먹어야 사는 것이다.

소화는 세포가 하나일 때부터 시작되었다. 이들도 먹을 것을 외부에서 취해야 했기 때문이다. 단세포 생명체 아메바(8억 년 전 지구상에 등장)는 얇은 세포막으로 싸여 있지만, 이 하나의 세포 안에서 먹이의 섭취ㆍ소화ㆍ흡수ㆍ배설 과정이 다 이루어진다.(이것을 세포 내 소화라고 한다.) 인간 역시 음식물의 섭취ㆍ소화ㆍ흡수ㆍ배설 과정을 매일같이 반복하며 살아간다. 그 방법이 단세포 생명체보다 좀 더 정교해지고 복잡해졌을 뿐이다. 인간에게는 입, 식도, 위, 소장과 같은 다양한 소화기관이 있다. 이와 같은 세포 밖 소화기관들이 음식물을 낱개로 분해하는 과정을 거쳐 영양소를 세포 안으로 들여보낸다.(세포 밖 소화와 세포 내 소화가 결합된 형태다.)

세포는 생명체를 구성하는 기초 단위다. 그렇기에 소화라는 것은 음식물을 잘게 쪼개서 세포가 섭취할 수 있는 형태로 밥상을 차리는 온갖 활동이라고 할 수 있다. 세포가 먹지 못하는 것들은 몸 밖으로 나가게 된다. 세포 차원에서 보면 단세포 생명체인 아메바나 인간이나 사는 방식이 서로 다를 것이 없다.



외부와 연결된 우리 몸의 바깥

"소화기관은 내 안의 밖이다!"

인간은 입에서부터 항문까지, 소화기관이 몸의 축을 따라 길게 늘어서 있다. 입에서 꿀꺽 음식물을 삼키면 우리 몸속 관에서 소화와 흡수 과정이 이루어지고 흡수하지 못한 노폐물은 항문이라는 출구를 통해 나간다. 그래서 입에서 항문에 이르는 소화기관은 우리 몸이지만 열린 관이고 신체 내부의 바깥이라고 할 수 있다. 소화기관이 "내 안의 밖"이라는 말과 다르지 않다.

입에서 항문에 이르는 하나의 관, 즉 통관이 생명체에 자리 잡은 것은 생명의 진화 역사에서 비교적 최근의 일이다. 해면은 바닷물을 여과해 필요한 세균이나 유기물질을 흡수하는데, 세포 내 소화를 해서 소화기관이 따로 없다. 해파리는 입과 항문을 하나의 통로로 사용한다. 먹이가 들어오는 곳이 곧 노폐물이 나가는 곳이다. 이때, 음식물이 들어오는 부위가 소화되지 않는 음식물과 섞일 가능성이 있다. 당연히 효율적이지 않다.

이들보다 복잡한 생명체들은 입과 항문이 있는 관이 있고, 이 관은 따라 다양한 기능을 갖는 소화기관이 발달해 있다. 큰 먹잇감을 물리적으로 분쇄하는 곳, 임시로 저장하는 곳, 효소를 이용한 소화 공간, 소화된 것을 흡수하는 장소, 물을 재흡수하는 부위, 노폐물을 저장해두었다가 배설하는 곳 등이 그런 기관이다. 더 나아가 소화기관의 발달은 혈관계(음식물을 필요한 곳으로 전달하기 위한), 근육계(먹이를 쫓고 먹잇감이 되기를 피하기 위한), 신경계, 호흡계 등의 순차적인 발달로 이어졌다.

외부에서 섭취한 음식물로부터 최대한 에너지를 뽑아내는 방법의 개선 혹은 참신성은 캄브리아기 이전 세 개 문에 불과했던 동물의 종류를 현재 38개에 달하는 동물문의 진화로 이끌었다. 이 책은 단세포 생명체가 다양한 종류의 다세포 생명체로 진화하기까지, 그 긴 생명의 역사에서 '소화기관'이 핵심적인 역할을 했다는 점을 강조하며, 소화기관을 중심으로 생명의 역사를 새롭게 재배치해서 들려준다. 동물의 진화 역사가 "세포 내 소화에서 세포 밖 소화로" 변해간 과정을 따른다는 것이다. 먹는 일, 소화기관이라는 작고 평범한 것에서 출발해 자연 혹은 생명의 법칙에 이르는 과정을 담은 것이 바로 이 책이다.



생명의 진화사에서 인간의 입냄새까지,

소화기관을 둘러싼 소소하고도 위대한 이야기!

이 책을 쓴 김홍표 교수는 세상을 그리고 거기에 곁들어 사는 생명체를 장구한 지질학적 시간이라는 변수를 넣고 바라본다. 그 시작은 약학 전공자로서 질병의 진화적 역사를 유심히 살펴보면서부터였다. 그것은 진화의학 분야로의 관심으로 이어주었고 이제는 생물학을 진화생물학, 화학, 지구과학 혹은 물리학과 통합해서 새롭게 바라보고자 애쓰고 있다. 이 책 역시 이러한 관점에서 쓰였다. 영양학, 발생학, 기초 생물학, 진화생물학, 진화의학, 물리학, 지질학에 이르기까지 과학의 여러 분야를 넘나들며 연구했고 전 세계 과학자들의 최근 연구 동향을 폭넓게 살폈다.

그중에는 소화기관의 역동성을 다룬 내용도 있다. 비단뱀은 먹잇감을 먹으면 심장이 이틀 후 40퍼센트까지 커진다. 소화하는 동안 혈액의 양을 최대로 키우는 것이다. 건조하고 더운 여름날, 긴 잠을 자는 초록띠굴개구리는 하면할 때 소화기관의 무게를 최대로 줄인다. 먹이가 부족한 상황에서 에너지 소모를 피하려는 불가피한 선택이다. 생명체 중에는 올챙이와 개구리처럼 새끼와 성체일 때의 모습이 확연하게 다른 종들이 있다. 나비와 애벌레, 매미와 유충 등도 그렇다. 생태계에 변태(탈바꿈) 동물들이 발견되는 것은 같은 먹이를 놓고 성체와 새끼 간에 벌이는 다툼을 줄이기 위해서라는 연구 결과도 전한다.

간혹 입냄새가 심해 고생하는 사람들이 있다. 간세포에 문제가 있으면 트리메틸아민 대사가 잘 안되어 입냄새 질환이 생길 수 있다. 인간의 몸에는 인체를 구성하는 세포 수보다 10배나 많은 세균이 살고 있다. 장내 세균은 무얼 먹고 살까? 또 세균은 우리 몸에서 어떤 역할을 할까? 소장에 빽빽하게 자리한 미세 융모는 영양분의 흡수를 얼마나 높여줄까? 자연 속에서 발견되는 프랙털은 미세 융모와 무슨 상관관계가 있을까? 소화기관과 그 배후의 이야기를 따라가다 보면 생명과 우리 몸에 대한 이해를 새롭게 할 수 있다.

음료수, 케이크, 과자는 아무리 먹어도 포만감이 잘 느껴지지 않는다. 왜 어떤 먹거리는 먹어도 먹어도 배가 부르지 않을까? 저자는 포만감을 느끼게 하는 호르몬인 글루카곤 유사 펩티드 관련 최근 연구 결과 등을 소개하며 현대인의 식단에 대해서도 논한다. 가루음식, 과자, 고과당 옥수수 시럽이 첨가된 먹거리가 우리 주변에 넘쳐난다. 산업화된 공장에서 만들어지는 부드러운 가공식품은 씹고 부수고 소화시키는 우리 몸의 역할을 대신해주고 있는 것은 아닐까? 이것은 우리의 소화기관에 어떠한 변화를 만들어낼까? 소화기관을 둘러싼 거의 모든 이야기와 최근 연구 성과까지 알차게 담은 책이다.



먹고 배설하는 일은 대다수 동물들에게 새로울 것 없이 매일같이 반복되는 일이다. 그러나 이것은 살아 있다는 증명이기 때문에 우리는 생명이 다 할 때까지 이 일을 계속할 것이다. 수십억 년 전부터 지구상의 온갖 생명체들이 최선을 다하는 일. 그 소소하고도 위대한 이야기를 만나보자.

들어가며 _5



1장. 멀고 먼 _17

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



2장. 굶기와 폭식 사이에서: 소화기관의 역동성 _31

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 _73

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



4장. 해면은 동물이다 _95

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 _123

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 _161

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? _211

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? _245

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 _285

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 _317

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 _345

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



참고문헌 _365

그림 출처 _376

찾아보기 _377

김홍표 저자 김홍표는 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 『먹고 사는 것의 생물학』, 『산소와 그 경쟁자들』이 있고 옮긴 책으로 『내 안의 바다, 콩팥』, 『우리는 어떻게 태어나는가』, 『진화와 의학』, 『인간과 동물의 감정표현』, 『신기관』, 『제2의 뇌』가 있다.