똥 누는 시간 12초 오줌 누는 시간 21초

우리는 왜 끊임없이 숨을 쉬고, 물을 마시고, 음식을 먹어야 할까?

공기 없이 3분, 물 없이 3일, 먹지 않고 3주를 버틴다는 '333 생존 법칙'이 있다. 그러니까 공기, 물, 음식은 몸 안에 저장할 수 없으며, 저장하지 못하는 것들은 생존을 위협한다. 저장하지 못하는 것들과 함께 살기 위해서 우리의 몸은 어떻게 진화해 왔을까? 공기, 물, 음식이 혈관 혹은 소화기관으로 들어가면 어떤 일이 벌어질까? 두툼한 뱃살에 가려 존재감을 드러내지 않던 평활근이 활약할 차례다! 전작 『먹고 사는 것의 생물학』에서 입에서 항문까지 소화기관의 진화 과정을 살펴 소화기 생물학의 명사가 된 김홍표 교수는 이번 작 『똥 누는 시간 12초 오줌 누는 시간 21초』에서 직접 소화기관을 움직여 좀 더 몸속 깊숙이 들어가 보기로 한다.

"엄밀히 따지면 소화기관은 우리 몸 밖에 있다. 그렇기에 인간은 '열린 관'을 몸의 정중앙에 배치하고 에너지를 써서 영양소를 몸 안으로 끌어들인다. 그때 우리는 소화기관을 움직여야 한다. 그것이 소화기를 둘러싼 평활근이 할 일이다. 우리 몸 안으로 들어온 분자 크기의 영양소는 이제 각 세포에 배분되어야 한다. 그러자면 혈관을 둘러싼 평활근이 바지런히 움직여야 한다."

입속으로 들어간 음식물이 혈관과 소화기관 벽을 구성하는 평활근에 어떤 영향을 끼치는지, 대사와 호흡 등 분자 수준에서 일어나는 역동적인 물질 교환이 어떻게 나를 행복하게 만드는지, 12초와 21초에 담긴 건강한 비움을 위한 과학까지 아우르며 저자는 다시 한번 먹고 사는 일의 엄중함을 과학적으로 증명해 보인다.

저자는 우선 생물학자답게 세포 이야기로 시작한다. 우리 몸에서 650종류가 넘는 골격근의 근육세포는 하나의 핵을 가진 세포 여러 개가 합쳐진 융합체(syncytium)라는 특징을 가지는데, 근육세포 융합체는 분열하지 않는다. 안타깝게도 한번 태어나면 새롭게 형성되는 근섬유가 많지 않다는 뜻이다. 하지만 아령을 드는 것과 같은 무산소 운동을 하면 줄기세포가 분화한 위성세포가 기존의 근섬유에 융합할 수 있다. 분화와 융합 이 두 과정에 마이오D(myoD)와 마이오게닌(myogenin)이라는 전사인자가 관여한다. 세포생물학자들은 몸집을 키우는 융합에 더 관심을 가졌고 최근에서야 융합을 매개하는 단백질로 마이오메이커(myomaker)와 마이오믹서(myomixer)가 발견되었다. 그중 마이오메이커가 먼저 척추동물계에 등장했는데, 멍게와 같은 미삭류와 척추동물 마지막 공통 조상에서 유전자 복제를 거쳐 마이오메이커가 만들어졌다. 마이오메이커가 있는 미삭류 동물의 근육은 부분적으로나마 융합하여 여러 개의 핵을 갖는 근섬유가 형성되지만, 마이오메이커가 없는 두삭류 동물의 근육은 서로 융합하지 않는다. 마이오메이커는 한자리에 뿌리(족사)를 내려 고착생활을 하는 그래서 언뜻 식물처럼 보이는 멍게(미삭류)가 창고기(두삭류)보다 인간과 더 가깝다는 생물학적 지표가 될 수 있다. 최근 유전체 연구가 활발히 진행되면서 미삭류는 두삭류를 제치고 인간과 가장 가까운 친척 집단으로 자리 잡았다. 사실 멍게의 놀라운 점은 올챙이와 비슷한 모습의 유생 시기를 거친다는 사실이다. 유생 멍게는 뇌도 있고 심장도 있고 콩팥 비슷한 배설기관도 갖는다. 멍게 유전체를 조사하여 평활근이 어떻게 만들어지는지 연구도 수없이 이루어지고 있다.
평활근은 골격근과 생김새부터 확연히 다르다. 가로무늬가 선명한 골격근 섬유와 달리 평활근은 작고 길쭉하며 핵이 하나인 세포로 이루어진 민무늬근이다. 평활근은 골격근처럼 액틴(actin)과 마이오신(myosin) 단백질을 사용하지만, 진화적 기원은 같지 않으며 독립적으로 진화해 왔다. 평활근의 움직임은 골격근에 비해 전반적으로 느리지만 평생 반복적으로 움직이려면 에너지를 적게 쓰면서도 높은 긴장도를 유지하는 강력한 기제가 평활근 체계에서 진화되었을 것이다. 평활근의 피로는 골격근의 피로보다 더 치명적이기 때문이다. 방광 평활근이 피로해지면 아무리 힘을 주어도 오줌 누기조차 힘들어져 요도에 관을 꽂고 강제로 오줌을 빼야 하는 일촉즉발의 상황까지 벌어진다.
저자는 서른 살을 슬픈 나이로 본다. 근육의 소실이 시작되기 때문이라고 한다. 나이가 듦에 따라 근육 또한 노화되는 것은 자연스러운 현상이지만, 생물학자들은 근육을 이루는 단백질 합성 효율을 개선할 수 있는 연구를 한다. 저자는 젊은 쥐와 늙은 쥐 각각의 한쪽 껍질을 벗기고 서로를 붙여 버린 충격적인 실험도 소개한다. 상처가 아물면서 두 쥐의 혈관계는 하나로 합쳐지고 젊은 혈액에서 나온 호르몬과 성장인자가 늙은 쥐 근육을 회춘시킨다는 결과는 근육의 노화를 역전시키기 위한 호르몬 대체요법 연구를 가속화시켰다. 하지만 근육의 노화를 막기 위해 지금 당장 해야 할 일은 운동이다. 육체적 활동이 미토콘드리아를 건강하게 만들고 단백질 회전율을 높여 근육의 기능에 참여하는 신호 전달 물질의 수준을 회복할 수 있다는 최신 연구 결과가 나왔다. 실제로 8주간 유산소 운동을 한 피험자 혈액을 조사한 결과, 아펠린(apelin)이라는 호르몬이 근육에서 만들어져 혈액으로 분비된 일이 밝혀졌다. 아펠린은 나이 들어 기능이 떨어지는 다양한 세포 경로를 되살릴 수 있고 새로운 미토콘드리아를 만들고 단백질 합성량도 늘릴 수 있는 물질이다.
저자는 이쯤에서 저자의 주특기 소화기 이야기로 화제를 전환한다. 오늘날 삼시세끼 챙겨 먹는 일은 다른 중요한 업무에 밀려 한두 끼 건너뛰기도 하고 대수롭지 않게 여기는 당연한 일상이 되어 버렸지만, 굶어 보면 알게 된다. 밥이 하늘이라는 것을. 저자 역시 생물학의 본질적 행위인 밥 먹기를 위해 한 챕터를 할애하고 턱과 이로 밥알을 꼭꼭 씹어 평활근을 움직여 소화기관과 혈관 속으로 차례차례 넘겨준다. 특히 간을 중요한 소화기관으로 보는 관점은 독특하고 새롭다. 간이 위보다 먼저 진화했다는 점, 간 혈관계는 정맥혈이 모세혈관망을 두 번 지나간다는 점을 근거로 든다. 간에는 간을 관통하는 중심정맥 말고도 문맥(portal vein)이라는 구조가 있는데, 위나 장 등 소화기관에서 흘러나온 정맥혈이 곧장 심장으로 향하지 않고 문맥을 통해 간을 거친다. 간문맥으로 들어오는 영양소는 내가 먹은 것을 그대로 반영한다. 만약에 간 섬유화 등 간에 이상이 생기면 근처에 있는 위, 식도, 소장 등 소화기관 전체의 혈관이 다 영향을 받게 되는 위험한 상황에 놓인다.
저자는 부지런히 탄수화물, 지방, 단백질을 대사시켜 마지막 생성물인 피루브산을 만들고 피루브산이 미토콘드리아로 들어가 산소를 이용한 호흡 과정으로 몇 단계의 산화를 거쳐 물과 이산화탄소, ATP가 생산되는 이야기를 빠르고 알기 쉽게 전달한다. 그가 이 책에서 꼭 하고 싶은 이야기, 소화기 생물학의 대미를 장식할 내밀하고 중요한 이야기가 남아 있기 때문이다.

똥오줌을 누는 데 얼마의 시간이 필요할까?

아기의 기저귀를 갈면서 떠오른 궁금증으로 연구하고 논문을 써서 이그노벨상을 받은 과학자가 있다. 조지아 공과대학의 데이비드 후 박사는 소변보는 시간은 몸의 크기와 무관함을 증명해 첫 번째 이그노벨상을 받고 웜뱃이 어떻게 주사위 모양의 똥을 누는지 알아내 두 번째 이그노벨상을 받았다. 냄새 나는 대사 폐기물로 치부해 모두가 외면할 때, 어떤 과학자들은 동물들의 배뇨 시간을 수학적으로 모델링하고 요도와 방광의 크기, 오줌을 밀어내는 방광의 압력, 중력, 관성력, 점성력, 모세관 압력까지 동원해 오줌 누는 속도를 구해 내고, 오줌의 쓰임새와 효능을 연구해 오줌의 과학이라는 장르를 개척했다. 코끼리든 고양이든 사람이든 포유류는 몸집에 상관없이 오줌 누는 데 걸리는 시간은 21초(표준편차 13초). 배뇨의 유체역학에서 밝혀진 흥미로운 사실은 방광 압력이 오줌 누는 속도를 결정하는 유일한 요소일 것이라는 생각을 뒤집고 몸집이 클수록 중력이 오줌을 움직이는 데 중요한 역할을 한다는 점이다. 중력은 우리가 먹고 싸는 데에도 결정적 역할을 하는, 지구에서 다양한 생명 현상을 가능케 하는 원천력이다.
우리는 중요한 일을 할 때, '젖 먹던 힘'까지 발휘해서 '죽을 똥 살 똥' 달려들어야 한다는 말을 곧잘 듣는다. 생존과 건강에 직결되는 먹고 싸는 일보다 중요한 일이 어디 있겠는가? 한차례 '끙' 하고 힘을 주어 변기 물을 내리고 뒤돌아서면 그만인 바쁜 현대인들에게 저자는 과학적 고찰을 통한 똥 누기의 중요성에 대해 일침을 놓는다. 똥 누기는 단순하지 않다. 직장(곧은창자)과 결장(잘록창자), 골반바닥근, 각종 평활근, 소화기 신경계, 말초 체성 신경계, 자율 신경계, 중추 신경계, 내분비와 측분비 호르몬 그리고 인지행동 및 심리사회적 요인까지 모든 요소가 조화롭게 조정되고 통합되어야 한다. 이 모든 요소가 충족되고 나면 대장(큰창자) 벽에는 아주 얇은 점액층이 도포된다. 대장 벽의 점액 미끄럼틀을 타고 신나게 내려온 똥이 항문으로 고개를 내밀었을 때, 땅에 떨어질 때까지 걸리는 시간은 오줌과 마찬가지로 체중에 상관없이 평균 12초에 수렴한다.

근육과 단백질, 호흡과 대사, 점액과 똥오줌의 과학으로 다시 한번 김홍표 교수의 입에서부터 항문까지 소화기 생물학 이야기가 펼쳐진다. 기상천외한 실험과 최신 유전체학으로 흥미를 사로잡고 수많은 연구 자료를 짜임새 있는 구성과 저자만의 스토리텔링으로 책 속에 빠져들게 한다.

들어가기
저장하지 못하는 것들과 함께 살기 --- 7쪽
저장하지 못하는 것들이 생존을 위협하다
저울 의자에 앉아 먹고 싸기

1장
근육은 많다 --- 25쪽
"모든 세포의 꿈은 두 개의 세포가 되는 것이다."
근육을 키우자
마이오믹서와 마이오메이커
쉬지 않는 심근세포
평활근은 민무늬근
장강(長江)의 흐름
멍게 우습게 보지 말자

2장
근육 톺아보기-근육의 피로와 노화 --- 69쪽
근육이 피로해?
젖산 셔틀: 근육 독에서 해독제로
서른 살은 슬픈 소식이다
혈관도 늙는다
운동할 때 근육이 만드는 물질-마이오카인
혈액도 늙는다: 단백질 레퍼토리가 바뀌다
손가락을 구부려 봐!
백인보다 흑인의 무게 중심이 더 높다

3장
밥 먹기 --- 123쪽
턱이 있다
창고기의 간
간과 소화관은 한통속
간이 딱딱하다
간을 향하여
우리는 매일 단백질 300그램을 만든다
류이발
단백질 깨기
질소는 에너지 대사에 쓰이지 않는다
포도당을 알라?
배둘레 헴
복부 지방은 면역 기관이다
인슐린
굶기도 설워라: 단식 생물학
운동선수의 글리코겐 대사
격렬한 운동과 인슐린
성인은 크는 데 더는 에너지를 쓰지 않는다

4장
공기 마시기 --- 197쪽
뮤잉
오른쪽 코로 숨쉬기
코로 숨쉬기
공기 뱉기
지방의 연소를 숫자로 살펴보자
애트워터-로사-베네딕트 호흡 열량계에 감금된 사람의 체중
온통 물 천지
공기 먹기
끈적한 방어벽-점액 생물학
카르타게너 증후군
세균이라고 당하기만 할쏘냐!
점액 만들기
침 먹기-침샘

5장
오줌 누기 21초 똥 누기 12초 --- 245쪽
머리에 변기 뚜껑을 쓰고 시상식에 나타나다
가장 쉬운 질문에 대답하기가 여전히 가장 어렵다-세금 제대로 쓰기
오줌의 대차대조표
오줌은 노랗다
오줌의 물리학
오줌의 유체역학
오줌 누는 시간 21초
방광을 비우는 일
소변기에 앉은 파리
똥 누기
메주 모양의 똥
똥 누기 네 단계
똥 누는 일의 통계학
기체를 내보내다
똥 누는 시간 12초

참고문헌 --- 306쪽
찾아보기 --- 341쪽

김홍표 무심코 지나치기 일쑤인 당연한 현상에도 과학적 물음을 던지고, 사소하게 여겨지는 일이나 겉으로 드러나지 않아 미지의 영역으로 남아 있는 속에서 벌어지는 일에 과학적 호기심을 가지고 끊임없이 연구하여 대단한 서사로 만들어 내는, 타고난 과학 이야기꾼이다. 특히 입에서 항문까지, 소화기관에 관한 진화, 의학, 생리학, 생화학, 생물리, 과학사, 최신 생물학에 관심이 많다.
서울대학교 약학대학 약학과를 졸업하고 동 대학원에서 석사학위와 박사학위를 받았다. 현재 아주대학교 약학대학 교수이다. 국립보건원 박사후 연구원과 인하대 의과대학 연구교수를 지냈으며 피츠버그 의과대학, 하버드 의과대학에서 연구했다. 천연물 화학, 헴 생물학, 바이오 활성 가스 생물학, 자기소화, 면역학과 관련된 여러 편의 논문을 썼다.
지은 책으로 『작고 거대한 것들의 과학』, 『가장 먼저 증명한 것들의 과학』, 『김홍표의 크리스퍼 혁명』, 『먹고 사는 것의 생물학』, 『산소와 그 경쟁자들』이 있고 옮긴 책으로 『장 건강과 면역의 과학』, 『태양을 먹다』, 『탄소 교향곡』, 『내 안의 바다, 콩팥』, 『진화와 의학』 등이 있다.