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호흡계와 소화계는 어떻게 작동할까?

의과대학 교육의 상징인 해부학 실습을 통해 우리 몸의 내부를 들여다보면 가슴뼈 안쪽의 폐와 그 사이의 심장을 발견하게 됩니다. 복부를 열면 소장과 대장 같은 소화기관들이 복잡하게 얽혀 있으며, 위와 간도 제자리를 지키고 있습니다. 하지만 단순히 눈에 보이는 폐가 호흡계의 전부이고 창자가 소화계의 대부분이라고 생각해서는 안 됩니다. 호흡계는 폐뿐만 아니라 코, 후두, 기관, 기관지 등 공기의 통로가 되는 다양한 구조물들이 유기적으로 결합하여 기능적인 목표를 달성하는 복합적인 체계이기 때문입니다. 폐는 스스로 움직일 수 있는 근육 조직이 없기에 자발적인 운동이 불가능합니다. 우리가 숨을 쉴 때마다 약 0.5리터의 공기가 드나들 수 있는 비결은 늑간근과 횡격막의 협동 덕분입니다. 늑간근이 수축하며 흉곽을 확장시키면 말랑말랑한 폐가 함께 늘어나며 외부 공기를 빨아들입니다. 특히 평상시 가벼운 호흡에서는 가슴과 복부를 나누는 횡격막의 상하 운동이 결정적인 역할을 수행합니다. 결국 흉곽을 구성하는 뼈와 근육들 역시 호흡이라는 생명 활동을 가능케 하는 호흡계의 필수 구성 요소라고 할 수 있습니다. 호흡 근육들의 정교한 움직임은 뇌와 척수에서 내려오는 신경 신호에 의해 조절됩니다. 우리가 의식하지 않아도 규칙적으로 숨을 쉬는 것은 뇌간에 위치한 호흡중추가 자율신경계를 통해 끊임없이 명령을 내리기 때문입니다. 이 신경세포들은 혈액 속의 산소와 이산화탄소 농도를 실시간으로 감지하며, 격렬한 운동 상황에 맞춰 호흡의 속도와 깊이를 조절하는 회로를 형성합니다. 따라서 호흡계의 범주에는 물리적인 폐와 근육뿐만 아니라, 이를 총괄 제어하는 신경계의 복잡한 네트워크까지 포함되어야 마땅합니다. 소화계 역시 단순히 음식물이 지나가는 통로 그 이상의 의미를 지닙니다. 입에서 항문까지 이어지는 경로를 따라 음식물이 분자 수준으로 분해되어 흡수되기 위해서는 막대한 양의 소화액이 필요합니다. 침샘, 위, 이자 등에서 분비되는 효소들과 간에서 만들어진 담즙은 영양소를 잘게 부수는 화학적 공장 역할을 수행합니다. 하루 동안 우리 몸에서 분비되는 소화액의 양은 무려 7리터에 달하며, 이러한 액체들이 유기적으로 작용해야만 비로소 생존에 필요한 에너지를 얻는 소화 과정이 완성될 수 있습니다. 위장관의 움직임을 조절하는 것은 '장의 뇌'라고 불리는 독자적인 신경망입니다. 장벽에 촘촘하게 배열된 신경세포의 숫자는 척수의 신경세포 수와 맞먹을 정도로 방대하며, 이는 뇌의 지시 없이도 소화 과정을 자율적으로 조절하는 능력을 갖추고 있습니다. 우리가 느끼는 본능적인 감각인 '거트 필링(gut feeling)'은 이러한 복잡한 신경계의 상호작용에서 비롯됩니다. 결국 인체의 기관계는 단순한 해부학적 구조를 넘어 다층적인 네트워크로 연결된 시스템이며, 이를 통합적으로 이해하는 것이 생명의 신비를 푸는 열쇠가 됩니다.

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생명과학
뇌인지과학

[인터뷰] 이일하_꽃을 해부하면 꽃이 아니다? | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

식물학자의 시선으로 바라보는 식물은 분석의 대상인 동시에 경이로운 예술 작품입니다. 30년 넘게 식물의 개화를 연구해 온 학자에게 느티나무는 그 수려한 자태와 넉넉한 그늘로 특별한 안식처가 되어줍니다. 꽃을 해부하고 현미경으로 들여다보는 과정은 때로 꽃의 낭만을 앗아가는 것처럼 보일 수 있지만, 그 정교한 미세 구조를 마주할 때 느끼는 감동은 일반적인 관조를 넘어섭니다. 식물은 단순한 생명체를 넘어 기품 있는 형태와 섬세한 생명력을 지닌 존재로, 우리에게 깊은 영감과 편안함을 동시에 제공합니다. 식물이 제 계절에 맞춰 꽃을 피우는 원리는 '개화 유전자'라는 정교한 시스템에 의해 조절됩니다. 루미니디펜덴스와 같은 유전자는 식물이 언제 꽃을 피울지 결정하는 핵심적인 역할을 수행하지만, 그 구체적인 생화학적 기작은 여전히 현대 과학의 미스터리로 남아 있습니다. 최근 지구 온난화로 인해 봄꽃의 개화 시기가 앞당겨지고 가을꽃인 코스모스가 늦여름에 피는 현상은 이러한 유전적 조절 시스템이 환경 변화에 민감하게 반응하고 있음을 보여줍니다. 이는 기후 위기가 식물의 생애 주기에 직접적인 영향을 미치고 있다는 증거이기도 합니다. 식물은 인간과 같은 신경계나 감각 기관을 가지고 있지 않지만, 세포 수준에서 환경을 매우 정교하게 인지합니다. 특히 빛을 감지하는 능력은 인간보다 뛰어난 면이 있는데, 인간이 한 종류의 광수용체로 사물을 보는 반면 식물은 적색광, 청색광, 자외선 등을 각각 인지하는 네 종류 이상의 광수용체를 보유하고 있습니다. 이를 두고 식물이 '네 개의 눈'을 가졌다고 비유하기도 합니다. 이러한 감각 체계는 식물이 이동할 수 없는 한계를 극복하고 주어진 환경에서 최적의 생존 전략을 짜는 데 필수적인 토대가 됩니다. 인류 문명 1만 년의 역사 동안 식물은 의식주의 모든 요소를 제공하며 생존의 근간이 되어왔습니다. 다가올 2050년, 지구 인구가 100억 명에 육박할 것으로 예측되는 상황에서 현재의 작물 생산량으로는 심각한 식량 위기를 피하기 어렵습니다. 따라서 식물의 생명 현상을 깊이 이해하고 작물의 생산 효율을 높이는 연구는 인류의 미래를 지키는 필수적인 과제입니다. 식물학은 단순히 자연을 탐구하는 학문을 넘어, 다가올 위기에 대응하고 지속 가능한 인류의 삶을 보장하기 위한 핵심적인 열쇠를 쥐고 있습니다. 식물의 진화 과정은 광합성을 통한 에너지 자립과 고착 생활이라는 독특한 선택의 결과입니다. 광합성 세균과의 세포 내 공생을 통해 스스로 에너지를 얻게 된 식물은 움직일 필요가 없어졌고, 대신 포식자로부터 자신을 보호하기 위해 단단한 세포벽을 발달시켰습니다. 이러한 세포벽의 형성은 식물을 한곳에 머물게 했지만, 동시에 다세포 생물로서 독자적이고 다양한 진화의 길을 걷게 하는 동력이 되었습니다. 식물이 보여주는 생명력과 적응의 역사는 동물의 진화와는 또 다른 관점에서 생명의 신비로움을 우리에게 일깨워 줍니다.

이일하

카오스재단카오스강연

생명과학

[인터뷰] 오석배_과학적으로도 난제 중의 난제, ‘고통’

통증은 단순히 신체가 아픈 물리적 반응을 넘어선 매우 복잡한 현상입니다. 우리는 흔히 통증을 하나의 단순한 감각으로 여기기 쉽지만, 실제로는 신경계의 다양한 반응이 얽혀 있는 결과물입니다. 최근 노벨 생리의학상을 받은 연구들이 통각 수용체를 밝혀내며 큰 진전을 이루었으나, 이는 통증의 전체 모습 중 일부분에 불과합니다. 뇌와 신경계의 상호작용이 복합적으로 관여하기 때문에 통증을 완벽하게 제어하는 것은 현대 과학에서도 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 연구자들은 이 보이지 않는 고통의 실체를 밝히기 위해 지금도 끊임없이 노력하고 있습니다. 만성 통증 환자들은 사고나 질병 이후에도 지속적인 고통을 호소하지만, 그 원인을 명확히 규명하기는 쉽지 않습니다. 자율신경계의 이상이나 교감신경의 과도한 활성화 등 다양한 가설이 존재하나, 환자마다 통증의 양상과 원인이 천차만별이기 때문입니다. 현재는 통증을 객관적으로 측정할 수 있는 수단이 부족하여 의학적 진단과 치료에 한계가 있습니다. 동물 모델을 통한 기전 연구가 진행되고 있음에도 불구하고, 실제 환자들에게 적용 가능한 성공적인 치료법을 개발하는 데는 더 많은 시간이 필요합니다. 원인을 모르는 고통은 환자들에게 심리적인 좌절감까지 안겨주기도 합니다. 통증의 원인은 신경 손상부터 감염증, 암, 당뇨병에 이르기까지 매우 다양합니다. 심지어 과거의 에이즈 감염이 나중에 신경통으로 이어지는 경우도 있어, 이를 단순히 만성 통증이라는 하나의 범주로 묶기에는 무리가 있습니다. 우리가 흔히 사용하는 아스피린이나 타이레놀은 주로 염증을 줄여 통증을 간접적으로 완화하는 방식이며, 마약성 진통제는 강력하지만 중독과 내성이라는 치명적인 부작용을 안고 있습니다. 따라서 각 환자의 발병 원인에 맞춘 정밀한 표적 치료법을 찾는 것이 통증 연구의 핵심적인 목표가 되고 있습니다. 근본적인 기전을 밝혀내지 못하면 임시방편에 그칠 수밖에 없습니다. 통증 신호가 발생하는 지점과 이를 인지하는 뇌 사이에는 밀접한 관계가 있지만, 두 현상이 항상 일치하는 것은 아닙니다. 뇌는 외부에서 들어오는 통각 신호를 해석하고 조절하는 능력을 갖추고 있습니다. 예를 들어 명상은 부교감 신경계를 활성화하고 몸을 이완시켜 뇌가 통증에 적응하거나 이를 극복하도록 돕는 수단이 될 수 있습니다. 이러한 원리를 이해하면 극심한 수행을 거친 이들이 통각을 느끼더라도 이를 고통으로 인지하지 않을 가능성도 설명할 수 있습니다. 이는 통증이 단순히 말초 신경의 문제가 아니라 뇌의 인지 과정과 깊게 연관되어 있음을 시사합니다. 노벨상을 받은 TRPV1이나 기계적 자극 수용체의 발견은 통증 연구의 시발점을 찾아낸 위대한 학문적 업적입니다. 하지만 말단 신경에서의 발견을 넘어 척수나 뇌 수준에서 통증이 어떻게 조절되는지를 밝히는 과제가 여전히 남아 있습니다. 과학은 거창한 목표에서 시작되는 것이 아니라, '왜 뜨거움을 느낄까'와 같은 일상의 소박한 질문에서 출발합니다. 미래의 연구자들이 이러한 호기심을 바탕으로 통증의 정체를 완전히 밝혀낸다면, 인류는 만성 통증이라는 거대한 굴레에서 벗어날 수 있을 것입니다. 쉬운 질문에서 시작해 복잡한 문제를 해결해 나가는 과정이 바로 과학의 본질입니다.

오석배

카오스재단석학인터뷰

생명과학

생리학

호흡계와 소화계는 어떻게 작동할까?

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[인터뷰] 이일하_꽃을 해부하면 꽃이 아니다? | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

카오스재단카오스강연

[인터뷰] 오석배_과학적으로도 난제 중의 난제, ‘고통’

카오스재단석학인터뷰

생리학

호흡계와 소화계는 어떻게 작동할까?

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[인터뷰] 이일하_꽃을 해부하면 꽃이 아니다? | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

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[인터뷰] 오석배_과학적으로도 난제 중의 난제, ‘고통’

카오스재단석학인터뷰