세포 하나로 '생각'하고 '소통'하며 '기억'까지 하는 생물들

 

2021.03.15. 08:005,927 읽음 비밀글

 

생물은 환경에서 보내는 신호를 빠르게 감지해서 정확하게 해석해야 해요. 으르렁거리는 소리가 들리나요? 천적일지도 모르니 도망쳐요! 좋은 냄새가 나네요? 가까이 다가가서 살펴볼 가치가 있어요. 먹이일지도 모르니까요.

신경계와 내분비계는 동물의 몸에서 신호를 통제하는 역할을 해요. 하지만 세균, 곰팡이, 바이러스, 식물, 단세포생물은 이런 조직 없이도 환경 변화에 적절하게 대응할 수 있어요. 기억 비슷한 것도 있고 학습할 수도 있지요. 대체 어떻게 하는 걸까요?

배아와 재생

어떤 생물이든 유성 생식을 하는 생물의 자손은 단세포생물로 삶을 시작해요. 이때는 신경계도 내분비계도 없지만, 배아세포가 분비하는 형태형성 물질이 그 역할을 해요. 형태형성 물질 중에는 다른 것들의 기능을 억누르는 것 도 있는데, 이 작용은 신경계의 흥분과 억제와 아주 비슷해요.

세포막에 있는 코넥손이라는 단백질이 여닫을 수 있는 통로를 만든다. 두 세포의 세포막이 가까이 접근하면 코넥손이 결합 하면서 세포들은 다양한 분자를 교환할 수 있다.

또 배아세포는 세포 간 접촉을 통해 신호를 교환하고 세로토닌 같은 ‘정식’ 신경전달물질을 분비하며 자신과 다른 세포의 세포막 전하를 바꿔요. 이 모든 일이 배아의 신경계와 조직이 발생하기 전에 일어나요!

실험을 통해 세로토닌이 배아세포에 잘못된 영향을 미치면 정상적인 발생 과정을 무너뜨릴 수 있다는 점이 증명되었어요. 내장이 생겨야 할 자리에 눈이나 종양이 생길 수도 있지요.

단세포생물

아메바, 유글레나, 짚신벌레, 말라리아원충을 기억하나요? 이들은 단세포생물의 전형적인 예시로 하나의 집단으로 묶이곤 해요. 하지만 이들은 서로, 또 동물과도 아주 먼 친척일 뿐이에요. 이 생물들에는 어떤 자극에 대해 '약속'된 동작을 끌어내는 성질인 주성이 있어서 먹이를 향해 가거나 자극원을 피해가요. 예를 들어 유글레나는 광감성 눈이 있어서 광합성이 가능한 곳을 볼 수 있어요. 또 위의 생물 모두 분자 농도를 인지하는 능력인 화학 감각이 있어서 화학물질에 반응하지요.

바늘에 찔려 자극받은 아메바가 위족을 만드는 광경 ⓒ CELL

효모도 비슷해요. 출아형 효모는 보통 출아법으로 무성 생식하지만 다른 효모와 유전 물질도 교환할 수 있어요. 효모는 유성 생식 상대를 찾을 때 특별한 화학신호를 보내요. 상대를 찾는 데 성 공하면 출아 과정을 중단해요. 하지만 때로 상대를 찾지 못할 때 도 있지요. 그러면 효모는 신호전달 물질을 차단하기 시작하면 서 다시 출아법으로 증식해요. 유성 생식을 하지 않았다는, 즉 유전 물질의 교환이 없었다 는 효모의 ‘기억’은 단백질이 만들어요. 과학자들은 이 단백질을 ‘네몬즈’라고 부르는데, ‘기억’이라는 뜻의 고대 그리스어에서 따왔어요.

바이러스와 원핵생물

핵은 세포의 중요한 구성 요소예요. 생물이 무엇이 될지 결정하는 물질인 DNA가 들어 있거든요. 하지만 DNA는 미토콘드리아를 포함한 세포 내 다른 구조에도 있어요. 세포구조 없이 핵산만 가진 바이러스도 있지요. 구조의 복잡성과 상관없이 모든 생물은 ‘유전 기억’을 갖고 있고, 환경을 인지하고 학습하는 능력이 있어요.

원핵생물인 대장균, 살모넬라, 그 외 다른 세균은 소금이나 설탕처럼 ‘흥미로운’ 물질의 농도 변화에 따라 대응하며, 세포 밖의 이온 농도 변화에도 같은 방식으로 반응해요. 막의 양쪽에서 음이온과 양이온이 어떻게 변하느냐에 따라 원핵생물 세포 전위도 변화하지요. 때로 외부 영향력이 너무 강하면 세균이 편모를 통제하 는 능력을 잃고 움직임을 조절하지 못하기도 해요.

또끈적거리는 점액질 막으로 덮인 세포의 군락인 생물막은 많은 화학물질의 영향력에 저항할 수 있어서 생물막을 이룬 세균은 제거하기 힘들다

하지만 원핵생물이 전기로만 사는 건 아니에요. 개체 수를 조절할 때는 모두 함께 결정을 내려요. 이 결정에 따라 원핵생물은 전염력이 더 강해지거나 약 해지기도 하지요. 다른 세균이 이해할 수 있는 신호도 있어서 다른 세균과 ‘협상’ 할 수도 있어요. 바이러스와 원핵생물의 이런 ‘행동’을 정족수 감지라고 불러요.

‘정족수’의 일부로서, 각 생물체는 일정량의 신호물질을 발산하고 그 농도를 감지할 수 있어요. 신호물질 농도가 특정 기준을 넘어서면 세균은 이 물질의 농도가 줄어들 때까지 증식을 멈추지요. 이 행동은 세균이 먹이 부족에 처할 위험을 낮춰줘요.

이런 많은 ‘행동’은 믿기 힘들고 특이하지만 그래도 설명할 수 있어요. 어떤 것이든, 모든 신호와 학습의 형태는 세포 속 분자와 분자 작용이 이루어요. 아직은 여기까지밖에 몰라요. 여기에 연관된 모든 분자를 밝히지는 못했거든요.

왜 유글레나나 효모, 바이러스처럼 사람과 너무나 다른 생물(생물이 아닌 것까지!)의 ‘행동’과 ‘지능’을 연구해야 할까요? 무엇보다 생명을 탐구하는 일은 매혹적이에요. 둘째, 이런 연구는 중요한 질문의 답을 찾을 수 있게 도와줘요. 기억은 무엇일까요? 의식은 또 무엇일까요? 마음은요? 이런 질문에 답할 수 있다면 우리 자신을 이해하는 데 도움이 될 거예요.

* 이 글은 19호 '뇌가 없는 마음' 기사에서 발췌, 편집했습니다.
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