미소동물, 세포 이론, 인체의 전기 — 보이지 않는 세계가 드러나다

 

1. 레이우엔훅의 고독한 투쟁 — 과학계의 회의주의와 확증

안토니 판 레이우엔훅의 최초 보고에 대한 반응은 냉담했다. 훅이 직접 템스강 물을 자신의 현미경으로 들여다봤지만 아무것도 보지 못했다. 훅은 일기에 "내 현미경의 성능이 그의 것보다 열등한 것인지, 아니면 작은 생물에게는 네덜란드가 영국보다 살기 좋은 것인지 모르겠다"고 썼다. 그러나 왕립협회의 '의심스러울 때는 피의자에게 유리하게'라는 원칙에 따라, 훅은 지속적으로 현미경을 개량했고 마침내 레이우엔훅이 기술한 생명체를 — 흐릿하게나마 — 확인할 수 있었다.

 

레이우엔훅은 관찰을 멈추지 않았다. 적혈구, 모세혈관, 식물 조직, 신경, 근육, 뼈, 치아, 요산 결정, 곤충 67종, 거미 11종, 갑각류 10종을 상세히 기록했다. 1680년, 그의 탁월함이 마침내 공인되어 왕립협회 회원으로 선출되었다. 이 명예에 걸맞은 이름을 갖고자 그는 성(姓)을 'Leeuwenhoek'에서 'van Leeuwenhoek'으로 바꾸었다.

 

그러나 과학과 사회 사이의 간극은 여전했다. 레이우엔훅의 발견은 왕립협회 회원들을 놀라게 했지만, 일반 사회에는 별다른 영향을 주지 못했다. 현장에서 환자를 치료하는 의사들에게 현미경 속의 미소동물이 진단과 치료에 어떤 도움이 되는지는 전혀 불분명했다. "현미경의 세계"가 연 흥분은 점차 가라앉았고, 레이우엔훅의 수많은 발견들은 이 연구를 이어받을 후계 세대 없이 그의 죽음과 함께 사실상 단절되었다.

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2. 세포 이론 — 생물학의 근본 원리 탄생

레이우엔훅의 발견이 세상의 관심에서 멀어진 지 한 세기 이상이 지난 뒤, 세포 연구는 새로운 도약을 맞는다.

 

1831년 스코틀랜드의 식물학자 로버트 브라운(Robert Brown)은 난초와 박주가리과 식물의 세포를 연구하다가, 모든 세포 내부에 일관되게 존재하는 어두운 원형 구조물을 발견했다. 그는 이것을 '핵(nucleus)'이라 명명했고, 1833년 린네학회에 그 발견을 보고했다.

 

1839년 독일의 생리학자 테오도르 슈반(Theodor Schwann)은 식물학자 마티아스 슐라이덴과의 대화에서 결정적 통찰을 얻었다 — 식물에서 확인된 유핵세포 구조가 동물 조직에서도 동일하게 발견된다는 것이었다. 슈반은 같은 해 출판한 저서에서 동물의 몸도 식물과 마찬가지로 세포로 구성되어 있음을 논증하며, 세포가 모든 생명체의 기본 단위라는 원리를 제안했다.

 

1850년대에는 로버트 레마크가 세포는 반드시 다른 세포에서 분열을 통해 생겨난다는 증거를 제시했고, 루돌프 피르호가 이를 "모든 세포는 세포에서(Omnis cellula e cellula)"라는 명제로 정식화했다. 이로써 근대 세포 이론의 세 가지 기둥이 완성되었다 — 모든 생명체는 세포로 구성된다, 세포는 생명의 기본 단위다, 모든 세포는 기존 세포의 분열로 생겨난다.

 

그러나 훅의 코르크 세포 발견(1665)으로부터 슈반의 세포 이론(1839)까지 174년이 걸렸다는 사실은, 관찰에서 이론으로, 이론에서 사회적 수용으로 이어지는 과학의 진보가 얼마나 느리고 비선형적인지를 잘 보여준다.

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3. 인체의 전기 — 신경계와 정보 전달

인체에는 두 가지 근본적으로 다른 정보 전달 체계가 공존한다. 하나는 이미 살펴본 호르몬계로, 혈액을 통해 화학 물질을 전달하며 상대적으로 느리게 작동한다. 다른 하나는 신경계로, 전기 신호를 이용해 신체 각 부위 간 정보를 빛에 가까운 속도로 전달한다.

다극 뉴런의 해부학적 구조 (출처: 위키피디아)

 

신경계의 기본 단위는 뉴런(neuron)이라 불리는 신경세포다. 뉴런에는 수상돌기(樹狀突起, dendrite)와 축삭(axon)이라는 두 종류의 돌기가 있다. 자극은 수상돌기를 통해 세포체로 수용되고, 처리된 신호는 축삭을 따라 다음 뉴런이나 근육 세포로 전달된다. 축삭의 길이는 1미터에 이르는 것도 있다.

 

신호 전달의 물리적 기반은 이온 농도 차이다. 세포막 안팎의 나트륨·칼륨 이온 농도 차이가 전기적 전위를 형성하고, 자극이 이 전위를 역전시키면 활동전위(action potential)가 발생해 축삭을 따라 전파된다 — 이것이 신경 임펄스다. 뜨거운 프라이팬의 손잡이를 잡는 순간, 손가락의 감각수용기에서 발생한 임펄스가 척수를 거쳐 뇌에 도달하기까지의 속도는 시속 320킬로미터를 넘는다. 놀랍도록 빠르지만, 전선을 흐르는 전기 신호에 비하면 수백만 배 느리다.

 

뉴런 사이의 신호 전달은 전기적 임펄스만으로 이루어지지 않는다. 두 뉴런이 만나는 시냅스(synapse)에서는 아세틸콜린·도파민 등의 화학적 신경전달물질이 분비되어 다음 뉴런의 수용체에 결합함으로써 신호를 넘긴다. 신경계는 전기와 화학 두 언어를 동시에 구사하는 정교한 통신망이다.

 

갈바니가 개구리 다리의 경련에서 직감했던 것 — 동물의 몸이 전기의 언어로 말한다 — 은 결국 사실이었다. 그 언어의 문법이 완전히 해독된 것은, 호지킨과 헉슬리가 오징어의 거대 축삭에서 이온 채널의 작동을 규명한 1950년대의 일이었다. <끝>