인간의 자유의지는 미생물의 욕심일까?


의과대학 신형철 교수

2016년 10월 10일


탐욕이란 무엇인가? 사전을 찾아보면 "지나치게 탐하는 욕심"이라고 정의되어 있다. 그러면 욕심이란 무언가? 사전을 보면 "무언가를 바라는 마음, 얻고자 하는 개인의 마음"을 뜻한다고 정의되어 있다. 따라서 욕심에서 자유로운 사람은 이 세상에 없다고 본다. 시간이 지나면 늙어서 생명이 끝남을 알지만 우리는 끝까지 살고자하는 욕심을 자연스럽게 채우고 있다. 무언가를 바라는 욕구 중의 하나가 생존을 위한 음식 섭취를 통한 에너지 획득이다. 음식에 대한 자연스러운 욕심이 없으면 개체의 생존유지가 불가능하다. 우리는 자체적으로 에너지를 만들어 내지 못하고 외부로부터 구해서 생존하는 다세포 동물 생명체이기 때문이다. 그러나 음식을 지나치게 많이 또는 너무 적게 섭취하면 생명에 지장을 초래한다. 생체에 들어온 유기물을 산화시켜 에너지를 생성시키기 위한 호흡은 공기(산소)를 들이 쉬고 이산화탄소를 내어 쉬는 본능적 행동이다. 들이 쉬기와 내어 쉬기가 균형이 맞지 않으면 우리는 생명을 유지 할 수 없다. 여기서 지나치게 많거나 적은 것이 문제가 된다.


우리 몸은 10조개의 세포로 되어있는 다세포 생명체로서 조직화된 욕심 집단이다. 각각의 세포들도 외부의 에너지에 의존해서 살아갈 수밖에 없는 "바라는, 얻고자하는" 욕심 생명체이다. 이들 수많은 세포들을 먹여 살리기 위해 인체에는 다양한 기관계가 있다. 기관계는 기능별로 보면 반응계 (감각신경계, 근골격계, 면역계), 보존계 (소화계, 호흡계, 순환계, 비뇨계, 생식계), 조절계 (자율신경계와 내분비계)로 나눠 볼 수 있다. 몸의 세포는 어디에 있든 민주적인 질서 속에 전체 개체의 생존과 개별 세포의 생존을 위한 이중목적을 완성하는 조화로운 평등 상태에 있다. 발톱 밑의 세포가 손바닥이나 뇌의 세포 보다 대접을 못 받는 상태에 있지 않다. 이러한 평등적 조화는 위의 기관계 들이 정상적으로 작동하기 때문에 가능하다. 각 세포는 자기의 위치에서 주어진 역할을 주위의 타 세포들과 공동체를 이루어 주어진 유한한 세포단위의 생명기간 동안 수행하고 죽어간다. 그러나 그렇지 않은 탐욕의 세포들이 있다. 암세포들이다. 암세포들은 기관계를 잠식하고 전체 생명 개체를 죽음으로 이끌고 결국은 그들도 사멸한다.


유한한 시간을 살아가는 세포는 생명체로서 두 가지 욕심을 갖는다. 개체유지와 종족번식의 자유스러운 욕심이다. 단일 세포는 다세포 생명체가 갖고 있는 다양한 기관계들의 기능을 세포단위에서 모두 수행하여 개체유지와 종족증식을 유지 시킨다. 개체의 생명 항상성과 종족번성을 위해 반응계, 보존계 그리고 조절계의 기능들이 단일 세포 속에서 작동하고 있다는 말이다. 세포들도 생성되고 성장하고 노화하여 죽는 생노병사의 과정을 겪는다. 다양한 크기의 세포들이 있지만 그 크기는 매우 작다. 세포의 크기가 너무 커지면 세포의 물질대사가 비효율적이 되어 생명을 잃게 된다. 세포 외부와 내부의 물질 교환은 세포표면을 통해 이루어지는데, 부피가 너무 커지면 세포 내부 기관들이 필요로 하는 만큼의 충분한 양의 물질 교환이 어려워진다. 또한 세포의 크기가 클수록 중심부까지 물질들이 이동하는 데 시간이 많이 걸린다. 이러한 문제를 해결하는 가장 좋은 방법은 세포가 2개로 분열함으로써 세포의 크기를 줄여, 단위 면적당 부피의 비를 줄임으로써 원활한 물질 교환과 이동을 가능하게 하는 것이다. 또한 생물체의 조직이나 기관의 일부가 손상되거나 손실되었을 때도 세포 분열이 일어난다. 손상된 부위가 세포 분열을 하여 없어지거나 손상된 부분의 조직이나 기관을 다시 만드는 과정을 재생이라고 하는데, 피부나 내장 기관 등에 손상이 왔을 때 세포 분열을 통해 재생된다. 단세포 동물들은 무성생식으로 몸의 일부가 뻗어져 나와서 다른 개체를 만들거나 반으로 갈라져서 두개의 세포가 된다. 종족번식은 사실상 개체유지의 욕심을 해결한 하나의 자연스러운 방편인 셈이다. 그들은 집단을 이루어 외부의 에너지를 구하기 위해 또는 적으로부터 방어하기 위해 협동하거나 경쟁하며 욕심을 채운다.


세포는 세포의 지방 이중 막 (lipid bilayer)을 경계로 하여 외부세계와 관계하여 에너지를 구하고 노폐물을 배출한다. 지방 이중 막의 안쪽은 유기물과 포타슘 (K+) 이온이 많아서 음전하를 띄고 막의 밖은 세포 외액의 소디움 (Na+) 이온의 높은 농도에 의해 양전하를 띈다. 세포의 내면은 세포 밖과 마찬가지로 전기적으로 중성인 환경이다. 세포와 세포사이의 세포 외액은 기본적으로 생명의 근원지인 바다를 구성하는 소금물 (NaCl)이다. 세포 밖의 소디움 이온은 세포 안보다 많기에 농도구배의 힘에 따라 자연적으로 세포 안으로 흘러들어온다. 세포 내의 포타슘 이온 또한 농도구배에 따라 세포 밖으로 흘러 나가게 된다. 세포들은 소디움-포타슘 펌프 단백질의 기능을 통하여 세포 안으로 들어온 소디움을 밖으로 내어 보내고 세포 밖으로 나간 포타슘 이온을 세포 안으로 도로 가져옴으로서 이온농도 구배의 힘과 전기적 힘이 팽팽한 균형을 맞춘 긴장된 휴지(resting state)에서 세포의 항상성을 유지한다. 이러한 세포내외의 이온 불균형 상태를 유지하기 위해 대부분의 세포는 세포에너지 (ATP)의 1/5을 소모한다. 이들 이온의 이동과 더불어 세포내로 유입된 물 분자를 세포외로 배출시켜서 세포가 적절한 크기를 유지하며 터져서 죽지 않게 한다. 나란 작은 세포의 밖은 거대한 바다이다. 바다로부터 에너지를 구하고 노폐물을 버리는 역동적인 기능을 수행하면서도 자기라는 정체성(항상성)을 유지시킴은 생명의 경계선인 지방 이중 막에서 막대한 에너지를 소모함으로서 가능하다. 세포의 기능과 구조를 유지하는데 가장 중요한 유기물은 다양한 단백질들이다. 이들을 필요로 하는 욕심에 세포는 가장 많은 에너지를 소모하여 단백질들을 합성한다.


인간은 몸무게의 3/100 밖에 되지 않는 뇌로 사고하여 사회에 정보를 집적시켜 문명을 발전시켜온 사회적으로 협동적이면서도 탐욕적인 자유의지를 갖는 동물이다. 작은 크기의 뇌이지만 몸 전체 산소 소모량의 1/5를 밤이나 낮이나 뇌를 굴리는데 탐욕적으로 소모하고 있다. 뇌의 구성요소인 신경세포들은 소디움-포타슘 펌프 작동에 에너지의 2/3를 소모한다. 신경세포를 통한 정보처리과정에서 지방 이중 막을 통한 소디움과 포타슘의 물질이동이 매우 높기 때문이다. 감각 및 운동신경세포들은 1 또는 0의 상태의 전기화학적 정보를 먼 거리로 전달한다. 정보는 1과 1사이의 간격과 숫자에 암호화된다. 0의 상태는 위에서 언급한 resting state이고 1인 상태는 활동전위가 생성되는 때이다. 세포막 밖의 소디움이 단백질 이온채널을 통해 급격히 밀려들어오고 세포내의 포타슘 이온이 세포외로 채널을 통해 나가는 상태이다. 신경세포에서의 정보처리는 모르스 부호 같이 1과 0으로 세포막을 통하여 표출되며 신경섬유를 통해 전달되며 신경연접에서 신경전달물질을 분비하여 다음 세포에 화학적으로 전달된다. 이러한 과정에 세포막을 중심으로 한 많은 단백질의 상태가 활동 의존적으로 변화된다. 이 변화들은 다음의 1 상태의 가, 불가와 그 시기를 결정짓는 결정적 요인으로 작동한다. 이것이 활동의존 흥분성 변화(Activity-dependent excitability change)이다. 신경세포의 지방 이중 막을 중심한 단백채널 시스템이 정보의 기록자이며, 창출자인 동시에 다음 정보의 운명자인 셈이다. 뇌에서 가장 많고 대다수인 신경세포는 연합신경세포들이다. 이들은 대부분 1과 0 디지털로 정보처리를 하는 감각과 운동신경계의 신경세포와 달리 1과 0 사이의 점진적 변화인 아날로그로 정보를 처리한다. Neuronal Society에서 뇌 정보처리의 복잡성과 chaotic 측면은 세포 이중 막과 단백채널 시스템에서의 아날로그 정보처리와 신경계의 거대한 세포 숫자와 역동적인 네트워크 활동에 기인한다. 인간을 클로닝한 후 자신의 뇌 속 정보를 읽어내어 cloning이 된 뇌에 옮겨 담아서 영생하려는 탐욕의 성취가 불가능한 것은 이 복잡성 때문이다.


몸의 세포가 10조 개나 되지만 아무리 욕심을 부려도 우리는 우리 몸의 주인은 아니다. 그 이유는 10배나 많은 박테리아, 바이러스, 곰팡이 등의 미생물 100조 마리가 우리 몸을 터전삼아 살고 있기 때문이다. 우리 몸에서 확인된 미생물만 1만종에 이르며 이들의 유전자를 모두 합치면 사람의 유전자보다 360배 많은 800만개라고 알려져 있다. 가장 다양한 종류의 미생물이 사는 곳은 배설물이 모이는 큰창자로 무려 4000종의 세균이 살고 있다고 한다. 우리가 섭취한 음식물의 소화는 이들 미생물이 없이는 불가능하다. 소화기계엔 제2의 뇌신경계가 1억 개가 넘는 세포들로 네트워크를 구성하여 중추신경계에 있는 모든 신경전달물질을 활용하여 미생물과 더불어 생체 에너지 흡수를 위해 활동하고 있다. 음식물을 씹는 이에 1300종, 코 속 피부에 900종, 볼 안쪽 피부에 800종, 여성의 질에서 300종의 미생물이 발견됐다. 입속에만 적어도 5000종의 미생물이 살고 있을 것으로 추측된다. 인간은 미생물과 함께 공생 진화해 온 것이기 때문이다. 다시 말해서 이들 세균이 없다면 우리도 없다고 할 수 있겠다. 우리 몸은 나와 100조 마리의 미생물이 함께 살아가는 커다란 또 하나의 생명공동체이다. 우리 몸의 세균은 결코 퇴치가 아니라 공존의 대상이다. 병을 일으키는 미생물과 유익한 미생물 사이의 미묘한 균형이 깨져 병이 생기지 않도록 잘 관리해야 하는 것이다. 몸속의 미생물의 무게를 다 합치면 1~2㎏에 해당한다. 인류는 기껏해야 250만 년 전에 출현하였으며 현생인류인 호모 사피엔스는 20만 년 전에 나타났다고 한다. 박테리아나 세균 등의 단세포 생명체들은 30억 년 전에 지구상에 출현하였으며 27억 년 전 무렵에 광합성을 하는 세포가 나타났다. 6억 년 전에야 처음으로 다세포 생명체가 지구상에 나타났다고 한다. 단세포 생명체는 집단을 형성하여 같은 종간에 또는 다른 종과 화학적 정보를 chemical or electrical social network를 형성하여 주고받으며 단세포 단위에선 볼 수 없는 다양한 집단적 창발행동과 기능을 수행하기도 한다. 이러한 집단적 화학적 또는 전기적 정보처리기전들이 다세포 생물들의 신경계를 포함하는 다양한 기관계 내 조직세포들의 활동기전들이 되었다고 추정되기도 한다. 인간 신경계의 신경세포들은 집단적으로 네트워크를 형성하여 전기화학적 정보처리를 하여 근육들을 움직이고 창발적인 언어표현인 말을 하고 글자를 쓴다. 단세포 생명체들의 Collective Intelligence와 별반 다를 바가 없어 보인다. 인간은 머리를 써서 자유롭게 음식에 대한 의지를 표출시키며 탐욕을 부리지만 결국 몸 안의 박테리아를 먹여 살리고 있는 셈이다.


박테리아와 세균들을 잡아먹는 놈들이 있다. 그들이 바이러스이다. 세균은 세포 분열을 통해 증식하는 반면, 바이러스는 독자적으로 증식하지 못하고 살아있는 세포를 이용해서 증식한다는 점이 가장 큰 차이점이다. 바이러스는 유전정보가 들어있는 핵(RNA 또는 DNA)이 단백질에 둘러싸여 있을 뿐 세포질과 세포내 소기관들이 없다. 바이러스의 다양성은 다른 세포 생물(미생물, 동물, 식물 등) 전부를 합한 것보다 크다. 개체 수도 지구 상 다른 모든 생물을 합한 것보다 월등히 많다. 실제로 바닷물 1L 속에는 약 10억 개의 바이러스 입자가 존재한다. 그러나 유전체 크기가 아주 작은 박테리아보다 큰 경우도 있다. 최근 밝혀진 미미 바이러스의 유전체 크기는 세균인 마이코 박테리아의 2배가 넘는다. 미미 바이러스는 길이가 0.7마이크로미터, 게놈 크기가 118만 염기, 유전자 1000여개로 이뤄져 있다. 2013년 발표된 판도라 바이러스는 길이가 1마이크로미터, 게놈 크기가 247만 염기, 유전자 2500여개로 이뤄져 있다. 웬만한 박테리아 크기다. 지구에 가장 먼저 등장한 생명체가 바이러스와 세포생물의 공통조상으로 분화되었을 것으로 추정되었다. 즉 이 공통조상이 바이러스의 조상과 오늘날 세포생물의 공통조상으로 먼저 갈라지고 그  뒤 세 가지 세포생물(세균(박테리아), 고세균, 진핵생물)이 등장했다한다. 바이러스 3460 종을 포함해 총 5080개 생물종의 단백질 접힘 정보를 비교하고 분석한 결과 442가지 접힘 구조가 세포와 바이러스에서 공유되며, 66가지는 바이러스만의 접힘 구조에서 나타났다. 이는 세포와 바이러스가 아주 오랜 동안 단백질 접힘 구조를 공유했으며, 또한 바이러스는 나름대로 자기만의 접힘 구조를 진화시켜왔다는 근거로서 제시되었다. 바이러스도 (진화계통도인) 생명의 나무 안에 포함될 만한 자격을 갖추고 있으며 세포 생물체들의 공통조상과 공존했다는 주장도 제시됐다. 현생 세포 생명체가 출현한 지 얼마 안 돼 대부분의 바이러스가 자신의 유전물질을 보호하는 단백질 외투 '캡시드'를 갖추기 시작했던 것으로 추정되었다. 캡시드의 구조를 갖추면서 바이러스는 세포 바깥에서도 오래 유지될 수 있어 더욱 더 확산할 수 있었다. 이런 캡시드가 점점 더 정교화 해졌으며 그러면서 바이러스는 이전에는 접근할 수 없었던 탐욕스러운 세포들도 감염시킬 수 있는 능력을 획득할 수 있었다. 바이러스는 세포로 들어가서 자신을 복제해 내고 세포를 사멸 시킬 뿐만 아니라 세포내에 자기의 유전자를 대를 이어서 영원히 삽입시킬 수도 있다. 바이러스는 생물종의 변이에 막대한 역할을 해왔다. 인간 DNA 전체의 8%가 레트로바이러스와 관련된 유전정보이다. 침팬치와 인간의 뇌의 차이에 결정적으로 관여한 것은 정크진으로 알려져 있으며 레트로바이러스에 의해 유전자의 변이가 온 것으로도 알려져 있다. 또한 인간의 짝짓기와 종족보존을 위한 사랑이란 정서의 출현도 아이의 출산에 필요한 태반의 생성에도 바이러스의 유전자가 관여되고 있다고 한다. 바이러스는 인간의 지능을 변화시키기도 한다. 인체의 목구멍에서 발견되기도 하는 ACTV-1 바이러스가 인지능력을 10% 감소시키는 것으로 보고되었다.


인간은 무언가를 구하는 욕심을 가진다. 박테리아와 바이러스처럼!

인간의 자유의지는 박테리아와 바이러스의 욕심을 집단지성으로 대변하는 창발적인 탐욕인가?




References



Genetic Changes Shaping the Human Brain - Dev Cell. 2015 Feb 23; 32(4): 423–434.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4429600/


Ion channels enable electrical communication in bacterial communities

http://www.nature.com/nature/journal/v527/n7576/abs/nature15709.html


Learning from Bacteria about Social Networks. Collective intelligence, 집단화 스마트한 움직임. 패턴. https://www.youtube.com/watch?v=yJpi8SnFXHs


Macromolecular networks and intelligence in microorganisms

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4106424/


The Nature of Consciousness - http://www.scaruffi.com/nature/soc11.html

After all, more than 90% of the cells that make up the human body are not human: they are bacteria


뇌 없는 단세포 점균도 “지성 있다”

https://hkn24.com/news/articleView.html?idxno=44536


다세포 유기체로 변화

https://nopeoplestime.wordpress.com/2016/01/15/origin-of-multicellularity/


<사이언스 어드밴시스>“바이러스의 기원과 진화에 대한 계통발생학적 데이터 중심의 탐구"

http://scienceon.hani.co.kr/?document_srl=325288


세포핵은 세포의 뇌가 아니다.

https://www.brucelipton.com/resource/article/insight-cellular-consciousness


바이러스. 특히 리트로 바이러스가 진화의 결정적 역할. 바이러스의 정크 gene이 인간

https://www.youtube.com/watch?v=3Ms04x6MvMY


박테리아 집단의 분자 정보교환 자체적, 타종과도.

https://www.ted.com/talks/bonnie_bassler_on_how_bacteria_communicate?language=en


세포 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%84%B8%ED%8F%AC


원핵세포, 진핵세포의 차이점

http://zetawiki.com/wiki/%EC%9B%90%ED%95%B5%EC%84%B8%ED%8F%AC,_%EC%A7%84%ED%95%B5%EC%84%B8%ED%8F%AC%EC%9D%98_%EC%B0%A8%EC%9D%B4%EC%A0%90