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왜 죽는 순간 주마등이 스쳐 지나갈까?

영화 '해리 포터'의 한 장면처럼 죽음의 문턱에서 과거의 기억이 스쳐 지나가는 현상을 우리는 '주마등'이라 부릅니다. 원래 주마등은 회전하는 빛에 의해 말이 달리는 것처럼 보이는 장식용 등을 의미하지만, 오늘날에는 죽음 직전의 짧은 환상을 일컫는 용어로 더 익숙합니다. 이 신비로운 현상은 단순한 착시를 넘어 인간의 뇌와 신체가 반응하는 복잡한 과정의 결과물입니다. 과학자들은 이 찰나의 순간을 이해하기 위해 물질적, 특히 화학적 관점에서 접근하며 그 비밀을 풀고자 노력하고 있습니다. 주마등을 연구하기 위해 죽음을 직접 경험하는 것은 불가능에 가깝기에, 연구자들은 임사체험이나 환각물질을 이용한 사례에 주목합니다. 아마존 원주민들이 신화적 세계를 체험하기 위해 마셨던 '아야와스카'라는 음료가 대표적인 예입니다. 이를 복용한 이들이 겪는 증상은 죽음의 순간에 나타나는 주마등과 매우 흡사하다고 알려져 있습니다. 이러한 사례들은 주마등이 단순히 심리적인 현상이 아니라, 특정 화학물질이 뇌에 작용하여 발생하는 생화학적 반응일 가능성을 강력하게 시사합니다. 뇌의 중심부에 위치한 송과체는 우리 몸의 생체리듬을 조절하는 멜라토닌과 정서적 안정을 돕는 세로토닌을 분비합니다. 흥미로운 점은 이 두 물질과 분자구조가 매우 유사한 '디메틸트립타민(DMT)' 역시 송과체에서 생성된다는 사실입니다. DMT는 강력한 환각과 환청을 유발하는 물질로, 평소에는 극소량만 존재하지만 생사의 갈림길과 같은 극단적인 상황에서는 폭발적으로 분비될 수 있습니다. 즉, 주마등은 뇌가 마지막 순간에 분비하는 화학물질이 만들어낸 일종의 환상인 셈입니다. 실제로 쥐를 대상으로 한 실험에서 심정지가 발생하는 순간 DMT의 농도가 평소보다 6.2배나 급증한다는 사실이 확인되었습니다. 2019년에는 포유류의 뇌 속 송과체에서 아미노산인 트립토판을 재료로 DMT가 합성된다는 기전이 과학적으로 입증되기도 했습니다. 비록 인간을 대상으로 한 직접적인 실험은 윤리적 한계로 인해 어렵지만, 포유류 공통의 생체반응을 고려할 때 인간 역시 죽음의 순간에 이 '주마등 분자'가 활성화될 것이라고 추측할 수 있습니다. 이는 신비의 영역을 과학의 영역으로 끌어온 중요한 발견입니다. DMT가 작용하면 체험자들은 자신의 몸을 초월해 다른 차원으로 들어가는 듯한 느낌을 받거나 시간이 느려지는 경험을 하게 됩니다. 우리가 겪는 이 특별한 경험은 12개의 탄소와 16개의 수소, 2개의 질소로 이루어진 작은 분자가 선사하는 마지막 환상입니다. 비록 이 현상의 완전한 목적이나 활용법은 아직 베일에 싸여 있지만, 과학은 우리가 생을 마감하는 그 짧은 순간조차 정교한 화학적 설계 속에 있음을 보여주고 있습니다. 주마등은 어쩌면 자연이 인간에게 허락한 가장 신비로운 작별 인사일지도 모릅니다.

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[명강리뷰] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 _ by김재경｜2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강

우리 몸은 '서캐디언 리듬'이라 불리는 약 24시간 주기의 생체 리듬에 따라 움직입니다. 라틴어로 '대략 하루'를 뜻하는 이 리듬은 우리가 매일 일정한 시간에 배고픔을 느끼고 잠에 들게 하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 특히 밤 9시경 뇌에서 분비되는 멜라토닌은 우리를 잠으로 인도하며, 성장 호르몬 역시 밤 10시경 집중적으로 분비되어 청소년기 성장에 기여합니다. 이러한 호르몬의 변화는 우리 몸이 단순히 외부 환경에 반응하는 것이 아니라, 내부적인 시간표에 따라 정교하게 작동하고 있음을 보여주는 증거입니다. 그렇다면 우리 몸은 어떻게 시간을 인지하는 것일까요? 과학자들은 뇌의 시교차 상핵(SCN)이라는 작은 부위에서 그 해답을 찾았습니다. 이곳에는 '생체 시계'가 존재하며, '피리어드 유전자'가 24시간 주기로 발현과 감소를 반복하며 시계의 시침 역할을 합니다. 이 유전적 진동은 우리가 태어날 때부터 죽을 때까지 멈추지 않고 지속되며, 신체의 다른 기관들에 현재 시각과 수행해야 할 과업에 대한 정보를 전달합니다. 즉, 우리 뇌 속에는 물리적인 시계 없이도 시간을 측정할 수 있는 정밀한 생물학적 장치가 내장되어 있는 셈입니다. 생체 시계가 24시간 주기를 유지하는 비결은 '음성 피드백 루프'라는 메커니즘에 있습니다. 특정 단백질이 생성되어 일정 수준에 도달하면 스스로의 생산 과정을 억제하고, 다시 양이 줄어들면 억제가 풀려 생산이 재개되는 순환 구조입니다. 이 발견은 생명과학 분야에서 매우 중요한 성과로 인정받아 노벨 생리의학상을 받기도 했습니다. 하지만 세포 내에는 수많은 피드백 루프가 존재함에도 왜 유독 생체 시계만이 안정적인 진동을 만들어내는지에 대해서는 추가적인 의문이 남았습니다. 이는 생물학적 현상을 넘어 수학적 분석이 필요한 영역으로 확장되는 계기가 되었습니다. 수학자들은 미분방정식을 통해 생체 시계의 비밀을 풀고자 했습니다. 복잡한 생물학적 반응을 수식으로 단순화하여 분석한 결과, 특정 단백질 간의 비율이 약 1:1을 유지할 때만 안정적인 24시간 주기가 나타난다는 사실을 발견했습니다. 실제로 유전자 조작 쥐를 이용한 실험에서 이 비율을 인위적으로 무너뜨리자, 쥐의 수면 패턴이 완전히 무작위로 변하며 생체 시계가 고장 나는 현상이 관찰되었습니다. 이는 수학적 모델링이 단순히 이론에 그치지 않고, 생명 현상의 핵심적인 원리를 예측하고 증명하는 강력한 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 생체 시계 연구는 시차 적응이나 교대 근무자의 건강 관리, 그리고 노화에 따른 수면 장애 해결을 위한 신약 개발로 이어지고 있습니다. 특히 제약회사와의 협업을 통해 약물을 투여하는 시간에 따라 효과가 달라지는 '시간 약리학' 분야에서 수학적 모델의 중요성이 커지고 있습니다. 이제 수학자는 의과대학의 교수가 되기도 하며, 복잡한 신약 개발 과정에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 생명과학과 수학의 융합은 질병의 원인을 깊이 있게 이해하고, 개인별 맞춤형 치료법을 제시하는 미래 의학의 새로운 지평을 열어주고 있습니다.

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[질문과 토론의 과학 #2] 😎푸른 눈을 가진 사람들이 선글라스를 선호한다고?

색은 본질적으로 빛이며, 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선의 영역을 의미합니다. 물체의 색을 지각하는 과정은 광자가 망막을 통해 뇌에 신호를 전달함으로써 이루어집니다. 색이 만들어지는 방식은 크게 두 가지로 나뉘는데, 발광색과 물체색이 그것입니다. 우리가 일상에서 마주하는 대부분의 사물은 스스로 빛을 내지 못하며, 외부 광원에서 온 빛 중 특정 파장을 반사하여 물체색을 나타내게 됩니다. 물체색은 빛의 흡수와 반사라는 화학적 성질에 의해 결정되지만, 이와는 전혀 다른 원리로 나타나는 '구조색'도 존재합니다. 구조색은 빛이 물체 내부로 들어가는 대신 표면의 미세하고 복잡한 구조에 의해 반사되거나 간섭을 일으키며 특정 색이 증폭되는 현상입니다. CD 표면의 무지개색이나 공작의 깃털, 모르포나비의 날개 등이 대표적인 사례입니다. 이러한 구조색은 물체색과는 달리 보는 각도에 따라 오묘하게 변하며 자연계에서 가장 화려하고 신비로운 색채를 만들어내는 원동력이 됩니다. 푸른 눈을 가진 사람들은 홍채에 멜라닌이 거의 없으며, 우리가 보는 푸른색은 사실 구조색의 일종입니다. 멜라닌은 빛을 차단하는 커튼 역할을 하는데, 푸른 눈은 이 차단막이 얇아 검은 눈을 가진 사람보다 더 많은 양의 빛을 받아들이게 됩니다. 이로 인해 푸른 눈의 소유자들은 같은 밝기의 빛이라도 훨씬 강렬하게 느끼며, 눈부심을 방지하기 위해 선글라스를 더 선호하는 경향이 있습니다. 서구권의 실내 조명이 동양에 비해 상대적으로 어둡게 설정된 문화적 배경 역시 이러한 생물학적 차이와 깊은 연관이 있습니다. 빛은 단순히 시각적 정보를 전달하는 것을 넘어 우리 몸의 생체 리듬과 호르몬 체계를 조절하는 중요한 역할을 합니다. 망막을 통해 들어온 빛의 신호는 뇌의 특정 부위로 전달되어 낮과 밤을 인식하게 하며, 이는 수면 호르몬인 멜라토닌 분비에 직접적인 영향을 미칩니다. 밤늦게까지 스마트폰의 강한 빛에 노출되면 우리 몸은 여전히 낮이라고 착각하여 수면 장애를 겪을 수 있습니다. 흥미로운 점은 시력을 잃었더라도 안구가 남아 있는 경우에는 빛을 감지하여 24시간 주기의 생체 리듬을 정상적으로 유지할 수 있다는 사실입니다. 빛에 대한 인지는 피부의 멜라닌 생성에도 영향을 미칩니다. 예를 들어 선글라스를 착용하고 선탠을 할 때와 그렇지 않을 때 피부가 타는 정도에 차이가 발생할 수 있습니다. 눈을 통해 들어오는 빛의 양이 많을수록 우리 몸은 강한 자극을 인지하고 스스로를 보호하기 위해 멜라닌 생성을 더욱 촉진하기 때문입니다. 이처럼 빛과 색은 단순히 아름다움을 감상하는 대상을 넘어, 우리의 진화 과정과 생리적 반응, 그리고 문화적 양식에 이르기까지 삶의 전반에 걸쳐 오묘하고도 과학적인 원리로 얽혀 있습니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[과학책수다] 10대의뇌

‘10대의 뇌’는 청소년기를 이해하기 위한 현대의 교과서와 같은 책입니다. 신경과학자 프랜시스 젠슨과 언론인 에이미 엘리스 너트가 공동 집필한 이 도서는, 단순히 양육법을 제시하는 것을 넘어 뇌과학적 근거를 통해 10대의 행동을 분석합니다. 저자는 두 아들을 키운 어머니로서의 경험과 전문적인 연구 결과를 결합하여, 혼란스러운 청소년기의 원인을 뉴런의 연결망과 뇌 발달 과정으로 명쾌하게 설명해 줍니다. 이를 통해 우리는 10대를 바라보는 새로운 시각을 갖게 됩니다. 청소년이라는 개념이 독립적인 시기로 인정받기 시작한 것은 그리 오래되지 않았습니다. 19세기까지만 해도 아이들은 단순히 ‘작은 성인’으로 취급받으며 가혹한 노동 현장에 투입되곤 했습니다. 하지만 20세기 중반 대공황으로 인한 고용 변화와 고등학교 교육의 보편화는 10대라는 독특한 문화를 형성하는 계기가 되었습니다. 이 시기부터 청소년 특유의 자기중심적 성향과 반항이 하나의 발달 단계로 연구되기 시작했으며, 이는 인류 역사에서 매우 중요한 인식의 전환점이 되었습니다. 10대의 뇌는 흔히 ‘갓 조립된 페라리’에 비유됩니다. 엔진은 강력한 소리를 내며 돌아가지만, 정작 어디로 가야 할지 목적지를 모르는 혼란스러운 상태와 같기 때문입니다. 이 시기에는 뇌의 가소성이 정점에 달하여 외부 자극과 경험에 따라 신경 경로가 역동적으로 재구성됩니다. 반복적인 학습과 경험은 뉴런 사이의 연결을 강화하며, 이는 청소년기가 새로운 지식과 기술을 습득하기에 가장 최적화된 시기임을 시사합니다. 따라서 이 시기의 환경적 자극은 성인기 뇌의 밑바탕이 됩니다. 많은 청소년이 자신이 멀티태스킹에 능숙하다고 믿지만, 실제 연구 결과는 이와 다릅니다. 여러 작업을 동시에 수행할 때 과제 해결 시간은 오히려 대폭 늘어나며 효율성은 현저히 떨어집니다. 이는 뇌의 연합을 담당하는 두정엽과 인지적 통제를 수행하는 전두엽이 아직 완전히 발달하지 않았기 때문입니다. 10대들이 느끼는 멀티태스킹의 즐거움은 학습 효율의 향상이 아니라, 자극적인 환경에서 오는 일시적인 만족감에 불과할 때가 많으므로 주의 깊은 관찰과 지도가 필요합니다. 수면은 단순한 휴식을 넘어 낮 동안 배운 정보를 뇌에 각인시키는 ‘접착제’ 역할을 합니다. 특히 청소년의 뇌에서는 수면 유도 호르몬인 멜라토닌이 성인보다 약 2시간 늦게 분비되기 시작합니다. 이로 인해 10대들은 밤늦게까지 깨어 있고 아침에 일어나기 힘들어하는 생물학적 특성을 갖게 됩니다. 이러한 현상을 단순한 게으름으로 치부하기보다는, 뇌 발달을 위해 충분한 수면 시간을 확보할 수 있도록 사회적 배려와 과학적 이해가 선행되어야 할 것입니다. 청소년기는 보상 체계인 도파민 시스템이 매우 예민하게 작동하여 무모할 정도로 위험한 일에 뛰어들기 쉽습니다. 흡연이나 음주 같은 외부 자극에 뇌가 더 강렬하게 반응하며, 이는 성인기보다 훨씬 심각한 중독이나 인지 기능 장애로 이어질 위험이 큽니다. 최근에는 스마트폰과 인터넷 중독 역시 약물 중독과 유사한 신경 생물학적 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌습니다. 따라서 어른들은 이들의 충동성을 비난하기보다 진정성 있는 대화를 통해 정서적 지지대를 마련해 주어야 합니다. 인간의 뇌는 20대 중반까지도 성장을 멈추지 않으며, 이 시기를 ‘성인 모색기’라고 부릅니다. 특히 미래의 특정 행동을 수행하려는 의도를 유지하는 ‘미래 계획 기억’ 능력은 20대에 들어서야 본격적으로 발달합니다. 10대 자녀가 부모의 당부를 자주 잊어버리는 것은 의도적인 반항심 때문이 아니라, 뇌의 집행 기능이 아직 성숙하지 않았기 때문일 수 있습니다. 청소년기의 뇌를 이해하는 것은 아이와 부모가 서로를 객관적으로 바라보고 깊은 신뢰를 쌓아가는 소중한 첫걸음이 됩니다.

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[강연] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 (3) _ by김재경 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강 | 7강 ③

생체 시계의 핵심인 피리어드 단백질은 인산화라는 과정을 통해 분해됩니다. 이 과정은 마치 고속도로와 정체된 도로처럼 두 가지 경로로 나뉘는데, 어느 위치에 인산화가 일어나는지에 따라 단백질의 운명이 결정됩니다. 특정 위치에 인산화가 되면 단백질 구조가 급격히 변하며 즉각 분해되는 '시한폭탄' 같은 역할을 하고, 다른 위치에서는 완만한 변화를 거쳐 천천히 분해됩니다. 이러한 인산화 스위치 모델은 생체 시계가 일정한 주기를 유지하는 근본적인 원리를 설명해 줍니다. 복잡한 미분 방정식을 통해 구현된 이 모델은 실제 실험 데이터에서 나타나는 독특한 계단 모양의 곡선을 완벽하게 재현해냈습니다. 특히 온도가 변해도 생체 시계의 주기가 일정하게 유지되는 '온도 보상' 원리를 수학적으로 밝혀낸 점이 주목할 만합니다. 온도가 낮아지면 화학 반응이 느려지지만, 인산화 스위치가 분해 경로의 비율을 조절하여 전체적인 속도를 유지하는 것입니다. 이는 지난 60년간 생명과학계의 미스터리였던 현상을 수학적 통찰로 풀어낸 쾌거라 할 수 있습니다. 우리의 생체 시계는 외부의 빛 정보와 긴밀하게 연결되어 끊임없이 동기화됩니다. 해외여행 시 겪는 시차 적응 문제는 한국 시간에 맞춰진 내부 시계와 현지의 외부 빛 정보가 충돌하며 발생합니다. 보통 하루에 한 시간 정도만 스스로 조절되기에 완전한 적응에는 긴 시간이 필요하지만, 수학적 모델링을 활용하면 최적의 빛 노출 시간을 계산해 적응 속도를 높일 수 있습니다. 빛은 단순한 조명이 아니라 우리 몸의 시계 장치를 조절하는 가장 강력한 외부 신호로 작용하기 때문입니다. 생체 시계의 불균형은 단순한 피로를 넘어 암, 당뇨, 우울증 등 심각한 질병의 원인이 되기도 합니다. 특히 교대 근무자나 노화로 인해 시계 기능이 약해진 경우 이러한 위험에 더 노출됩니다. 이를 해결하기 위해 특정 시간에 약물을 투여하여 시계를 조절하는 '시간 요법(크로노테라피)' 연구가 활발히 진행 중입니다. 항암제나 예방 접종조차 투여 시간에 따라 효과가 수배 이상 차이 날 수 있다는 사실은, 우리 몸이 24시간 내내 동일한 상태가 아님을 시사하며 시간 중심 치료의 중요성을 강조합니다. 신약 개발 과정에서 수학자와 물리학자, 의학자가 협력하는 '어벤져스' 팀의 역할은 매우 중요합니다. 생체 시계를 타깃으로 하는 약물은 투여 시점에 따라 효과가 극명하게 달라지며, 때로는 외부의 빛 정보와 약물이 서로 충돌하며 복잡한 반응을 보이기도 합니다. 실험 쥐를 대상으로 한 연구에서 빛이 약물의 효과를 상쇄하려는 현상이 관찰된 것처럼, 생체 시스템은 매우 정교한 항상성을 유지하려 노력합니다. 이러한 복잡한 상호작용을 이해하는 것이 미래 정밀 의료의 핵심이 될 것입니다.

김재경

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[강연] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 (1) _ by김재경 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강 | 7강 ①

20세기가 물리학의 시대였다면, 21세기는 생물학의 시대로 불릴 만큼 생명과학 분야는 급격한 성장을 거듭하고 있습니다. 이러한 흐름 속에서 수학과 생물학의 융합인 '수리생물학'은 복잡한 생명 현상을 이해하는 새로운 열쇠로 주목받고 있습니다. 과거에는 생명 현상을 단순히 관찰하고 기술하는 데 집중했다면, 이제는 수학적 모델링을 통해 생명 시스템의 근본적인 원리를 파악하려는 시도가 활발해지고 있습니다. 이는 단순히 학문의 결합을 넘어, 인류가 생명의 신비를 푸는 방식에 혁신적인 변화를 가져오고 있습니다. 왓슨과 크릭의 DNA 이중나선 구조 발견 이후, 생명과학은 분자 수준에서 유전자와 단백질의 상호작용을 연구하는 분자생물학 혁명을 맞이했습니다. 하지만 세포 내부의 수많은 분자가 얽혀 만들어내는 상호작용은 인간의 직관만으로는 파악하기 힘들 정도로 매우 복잡합니다. 방대한 데이터를 분석하고 그 이면에 숨겨진 규칙을 찾아내기 위해서는 논리적이고 정교한 수학적 사고가 필수적입니다. 수학은 복잡한 생명 시스템을 체계적으로 분석할 수 있는 틀을 제공하며, 보이지 않는 생명 활동의 질서를 시각화하는 역할을 합니다. 수리생물학에서 미래를 예측하기 위해 가장 널리 사용되는 도구 중 하나는 미분방정식입니다. 미분은 특정 양이 시간에 따라 얼마나 빨리 변하는지를 나타내는 지표로, 이를 통해 현재의 변화율로부터 미래의 상태를 계산해낼 수 있습니다. 마치 자동차의 현재 속도를 알면 미래의 위치를 예측할 수 있는 것과 같은 원리입니다. 이러한 수학적 모델링은 생명체 내에서 일어나는 화학 반응이나 물질의 농도 변화를 시간에 따른 함수로 나타냄으로써, 생명 현상의 동적인 변화 과정을 정밀하게 시뮬레이션하고 그 결과를 미리 확인해볼 수 있게 해줍니다. 수학적 모델링의 놀라운 점은 때때로 우리의 직관을 뛰어넘는 결과를 보여준다는 것입니다. 예를 들어, 특정 물질이 생성되고 소멸하는 간단한 화학 반응에서도 직관적으로는 농도가 일정하게 유지되거나 한 방향으로 변할 것 같지만, 수학적으로 분석하면 주기적인 진동 현상이 나타나기도 합니다. 이는 생명 시스템이 단순히 선형적인 인과관계로 이루어진 것이 아니라, 복잡한 피드백 루프를 통해 작동하고 있음을 시사합니다. 수학은 편견 없는 계산을 통해 우리가 미처 예상하지 못한 생명의 숨겨진 질서를 발견하도록 돕는 강력한 도구가 됩니다. 우리 몸은 24시간 주기로 수면, 호르몬 분비, 체온 조절 등을 수행하는 '서카디안 리듬'을 가지고 있습니다. 뇌의 시상하부에 위치한 생체 시계는 유전자의 발현과 단백질의 상호작용을 통해 시간을 인지하며, 이는 멜라토닌이나 성장 호르몬 같은 중요한 물질의 분비 시점을 결정합니다. 수리생물학은 이러한 생체 시계가 어떻게 오차 없이 작동하는지, 그리고 외부 환경 변화에 어떻게 적응하는지를 규명하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 결국 수학은 우리 몸이라는 정교한 기계가 시간을 측정하고 생명을 유지하는 원리를 밝히는 가장 아름다운 언어라고 할 수 있습니다.

김재경

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