마블이 설계한 사소하고 위대한 과학

마블이 설계한 사소하고 위대한 과학

세바스찬 알바라도 지음

하이픈 / 2019년 11월 / 352쪽 / 17,000원





신비한 생물들



거대 개미

★등장: <앤트맨>, <앤트맨과 와스프>

★대상: 앤트맨(스콧 랭), 옐로 재킷(대런 크로스), 와스프(호프 반 다인)

★과학 개념: 성장 발달, DNA 메틸화, 거대 절지동물



소개: 곤충의 역사를 살펴보면 그들의 크기가 급격하게 변했음을 알 수 있다. 화석 기록에 따르면 약 3억 1,500만 년 전에 살던 잠자리의 조상은 비둘기 정도의 크기였으며, 노래기는 길이 2m, 두께 0.5m에 달했다. 곤충은 왜 진화 과정에서 크기를 극단적으로 바꾸었을까? 지금부터 왜 어떤 곤충은 크기가 커지고 어떤 곤충은 크기가 작아졌는지 알아보자.

줄거리: <앤트맨>에서는 다양한 종류의 거대 개미가 행크 핌, 호프, 스콧을 방해하는 자들을 공격하는 묘사가 나온다. 첫 번째 시리즈인 <앤트맨>에서는 옐로 재킷과 앤트맨의 전투 중 총알개미 한 마리가 우연히 거대화되어 스콧의 딸인 캐시 랭의 반려곤충이 된다. <앤트맨과 와스프>에서는 같은 개미가 등장해 빌 포스터 박사와 고스트에게 사로잡힌 행크 핌을 구하기 위해 미끼 역할을 한다. 거대 개미는 전투에서 아군을 지원하고 행크 핌의 프로젝트에 사용하는 중장비를 옮기는 등 꽤 유용한 존재로 활약한다.

마블의 과학: 마블 시네마틱 유니버스에서 등장하는 개미는 크기가 작다는 이점을 이용해 감시 카메라를 무력화하는 잠입 요원으로 활동하거나 비밀 서류를 숨기거나 함정에 빠진 앤트맨을 구출하는 임무를 수행한다. 하지만 행크 핌은 이러한 장점을 이용하는 대신 일부 개미를 선별하여 거대화한 다음 개미 보병으로 활용했다. <앤트맨> 그리고 <앤트맨과 와스프>에서 파란색 핌 입자를 이용하여 크기가 커진 개미를 볼 수 있다. 거대해진 개미는 대형견과 비슷한 수준으로 커지며 몸무게의 1,000배 이상을 들어 올리는 괴력을 자랑한다.

곤충에 적용되는 생리학을 생각해보자. 크기가 커지면 움직이는 데 필요한 에너지도 증가하기 때문에 이를 감당하기 위해서는 산소를 충분히 공급해야 하므로 결국 물질 대사량이 증가하게 된다. 따라서 덩치가 클수록 더 많은 에너지와 호흡, 산소가 필요하다. 사람은 그나마 형편이 나은 편이다. 척추동물에 속하는 포유류는 산소를 받아들여 필요한 에너지를 만드는 호흡 방식이 효율적으로 발달했기 때문이다. 한 가지 예로, 사람은 숨을 빠르게 쉬거나 폐의 표면적을 넓히는 능동적인 방식을 통해 산소를 폐쇄 순환계로 보낼 수 있다. 그럼에도 불구하고 <앤트맨> 속 스콧 랭은 ‘자이언트맨’ 상태를 고작 몇 분밖에 유지하지 못하며, 이에 사용한 에너지를 보충하려면 3일은 잠에 빠져 있어야 한다.

개미는 산소를 효율적으로 흡수할 수 없을뿐더러, ‘기문’이라고 부르는 배의 작은 구멍으로 산소를 받아들이는 수동적인 호흡 방식을 사용한다. 기문으로 받은 공기가 세포막을 거쳐 확산되고 산소가 혈림프를 타고 퍼지면서 근육에 힘을 불어넣는 식으로 동력을 얻는 원리이다. 거대 개미는 원래 모습에서 몸집이 커졌을 뿐으로 작을 때 유리하게 작용했던 호흡 방식은 거대화하면서 독이 된다. 다시 말해 거대 개미는 기문으로 더 많은 산소를 받기 위해 배를 헐떡거리며 호흡해야 한다는 뜻이다. 아마 행크는 그들이 그나마 숨쉬기 좋도록 환기가 잘 되는 연구실에 거대 개미의 보금자리를 만들어 주었을 것이다. 그렇지 않으면 무기 호흡을 해야 할 텐데 이는 수명 단축으로 이어질 수 있다.

호흡 문제가 해결되었다고 가정하자. 일부 거대 개미는 강한 포식자로 활용할 수 있기 때문에 선택받은 것으로 보인다. <앤트맨과 와스프>에서 행크 핌의 사탕 통에 들어 있는 개미는 집게턱개미라는 종이다. 집게턱개미는 곰 덫 같은 턱을 사용하여 먹이를 물어 죽인다. 초속 35~64m 속도로 턱을 닫을 수 있는데 이는 자연계에서 가장 빠른 공격이다. 마블 시네마틱 유니버스에서 집게턱개미를 거대화한다면 어림잡아 밀방망이의 두 배 정도 되는 길이의 턱을 사용해 갈비뼈 정도는 우습게 부숴버릴 수 있을 것이다. 집게턱개미는 공격 목적 외에도 위험한 상황이 닥치면 턱의 반동을 이용해 몸을 뒤로 튕겨낼 수 있다. 실제로 야생에서 집게턱개미는 턱을 닫는 반동으로 개미귀신으로부터 탈출한다.

실생활에서의 과학: 혹시 과거에는 <앤트맨> 속 거대 개미처럼 몸집이 큰 개미가 있었을까? 아쉽지만 그렇지 않다. 하지만 화석을 살펴보면 5천만 년 전에 살았던 개미 일부는 벌새만큼이나 컸다. 개미가 탄생하기 전인 석탄기 후기와 페름기 초기(약 300만 년 전)에 살았던 곤충은 심지어 더 거대했다. 이 시기는 대기 중의 산소 농도가 역대 최고치였다(당시 35%, 현재 20%). 광활한 습지림은 광합성을 하며 막대한 양의 이산화탄소를 흡수하고 더 많은 산소를 뿜어냈으며, 당시에는 산소를 이용해서 식물 유기물을 분해하고 이산화탄소를 방출하는 박테리아가 없었다. 이 두 가지 요인으로 인해 대기 중의 산소 농도가 증가한 덕분에 곤충은 거대한 크기를 유지하면서 산소를 충분히 흡수할 수 있었다. 하지만 그 이후부터 작은 곤충을 선호하는 선택압이 작용했고 개미는 크기를 줄이는 쪽으로 진화했다.

곤충학자들은 곤충의 크기가 작아진 이유로 대기 중 산소 농도 변화와 크기가 클수록 성충이 되기도 전에 잡아먹힐 위험이 크다는 것을 꼽는다. 개미처럼 변태하는 곤충은 애벌레에서 번데기를 거쳐 성충이 된다. 애벌레나 번데기의 크기가 거대하다면 영양가가 풍부하고 잡아먹기 쉬운 먹이가 되므로 생존을 보장할 수 없다. 자연 선택에 따라 개미는 군체를 이룰 수 있고 몸집이 큰 동물에게 노출되더라도 포식자가 굳이 충돌을 감수할 필요가 없다고 판단할 만큼 작아졌다. 오늘날 가장 큰 개미는 총알개미로 4cm까지 자란다.

현실에서도 거대 개미를 만들 수 있을까? 필자는 가능성이 있다고 생각한다. 캐나다 맥길대학교에서 졸업 후 교육 과정을 밟던 당시, 동물의 크기 변화를 결정하는 분자적 과정에 흥미를 느꼈다. 운 좋게도, 목수개미 군체를 기르던 곤충학자와 함께 연구를 진행할 수 있었다. 한 군체 내에서 가장 큰 개체와 가장 작은 개체를 찾아내는 작업은 쉽다. 우리가 관심이 있었던 부분은 개체의 크기를 결정하는 요인이 무엇인가 하는 것이었다.

당시 내가 진행했던 연구는 ‘메틸화’라고 부르는 화학 변화를 측정하는 것이었는데 개미의 성장 과정에서도 DNA 메틸화가 일어난다. 메틸화는 마치 유전자 기능의 스위치를 내려버리는 것처럼 보였다. 연구 결과, 메틸화 수치가 높은 번데기는 거대한 병정개미보다는 작은 일개미가 될 가능성이 높았다. 우리는 DNA 메틸화 수치를 높이거나 낮추는 약물을 이용해 개미의 크기를 두 배 크게 만들거나, 더 작게 만드는 실험에 성공했다. 우리는 결국 메틸화 수치 변화가 생장 조절에 큰 영향을 미치는 요소이며, 유전자의 체계화된 메틸화 수치가 집단의 개체에서 드러난다는 사실을 밝혀냈다. 이는 생장 조절 인자 일부에서 DNA 메틸화가 10% 증가하면 크기가 10% 커지는 결과를 가져올 수 있다는 뜻이다. 실제로 같은 군체에서 채집한 서로 다른 크기의 두 개미 사이에서도 연구 결과와 맞아떨어지는 메틸화 수치 차이를 발견할 수 있었다. 이는 크기와 같은 특성에 자연적인 변화를 일으키는 화학 스위치에 대한 새로운 이해를 제공한다는 점에서 굉장히 신선한 발견이라고 할 수 있다.



기이한 생리학



냉동 인간

★ 등장: <퍼스트 어벤져>, <캡틴 아메리카: 윈터 솔져>, <캡틴 아메리카: 시빌 워>

★ 대상: 캡틴 아메리카(스티브 로저스), 윈터 솔져(버키 반즈)

★ 과학 개념: 저온 생물학, 동면



소개: 동물은 극한 환경에서 살아남기 위해 여러 가지 전략을 활용한다. 혹한이 닥쳐오면 다양한 생명체가 체온을 낮추고 물질대사를 조절하며 한 계절 내내 가사 상태로 지낸다. 예를 들어 알래스카 송장개구리는 겨울 동안 완전히 얼어 있다가 봄이 오면 깨어난다. 작은 포유류들 역시 물질대사량을 낮추고 여름에 모아둔 지방을 소모하는 방식으로 혹독한 겨울을 이겨낸다. 이러한 생존 전략은 확실히 개구리나 다람쥐에게는 유용해 보인다. 그런데 과연 사람도 추운 환경에서 물질대사를 멈추고 생명을 유지할 수 있을까? 실제로 사람은 캡틴 아메리카나 윈터 솔져처럼 단 하루도 늙지 않고 수십 년을 살 수 있을까?

줄거리: 레드 스컬과 최후의 대결을 펼치던 캡틴 아메리카는 히드라의 폭격기인 발키리를 북극해에 불시착시키고 그 충돌의 여파로 대서양 어딘가로 추락해 약 70년간 실종된다. 스티브는 쉴드가 그를 찾아낼 때까지 빙하 속에서 얼어 있었다. 버키 반즈 역시 윈터 솔져로 다시 태어나면서 몇 차례나 냉동 상태에 빠져야 했다. 윈터 솔져가 된 버키는 오랜 기간 동안 냉동 상태로 지내며 암살이 필요할 때마다 깨어나 지시를 따랐다. 체온이 급격하게 내려가면 사람의 몸에 무슨 일이 일어날까? 스티브와 버키가 냉동 상태에서 소생할 수 있었던 이유는 무엇일까?

마블의 과학: 버키와 스티브는 냉동 상태에서 수십 년 동안 늙지 않았다. 먼저 스티브 로저스는 북극해에 불시착하여 70년 동안 잠들어 있다가 쉴드 요원이 그를 발견하면서 잠에서 깨어났다. 윈터 솔져가 된 버키는 접근이 제한된 장치에서 역사를 넘나들며 여러 차례 냉동과 해동을 반복하며 암살을 저질렀다. 슈퍼 히어로인 이들과는 다르게 우리는 신체에서 중요한 역할을 하는 부위가 영하 37℃ 이하의 환경에 오래 노출되면 장기가 기능을 멈추고 호흡 부전과 심부전 증상이 나타나고 결국 저체온증으로 사망한다. 몸이 얼어붙으면 어떤 일이 일어날까? 또한 동물들은 추위로부터 어떻게 자신을 보호할까?

지금 당장 아무런 보호 장비 없이 주변의 기온이 급격히 내려가면 우리는 저체온증으로 사망하고 만다. 처음에는 언어 능력 상실, 졸림, 인지력 감소, 근육 경직으로 인한 운동 능력 저하 등의 증상이 나타난다. 추위가 극에 달하면 동상을 입어 살이 붉고 창백해지며, 감각이 사라지고 피부가 파랗게 변한다. 몸이 얼어붙을 때 가장 위험한 증상은 조직 내에 얼음 결정이 생기는 것이다. 결정이 형성되면서 발생하는 전단력과 세포의 탈수 현상은 신체에 치명적이다. 세포 밖으로 흘러나온 수분은 얼음이 되어 세포 간 용액을 늘리고 화학 균형을 깨뜨린다. 이러한 작용은 한 번 일어나면 다시는 복구할 수 없기 때문에 캡틴 아메리카와 윈터 솔져는 반드시 이 문제를 해결해야 한다.

자연에서는 다양한 동물이 급격한 체온 변화에 따라 생리학적 변화를 겪으면서 용케 살아남는 모습을 볼 수 있다. 송장개구리는 세포 내에 얼음 결정이 형성되지 않도록 간에서 더 많은 글루코오스를 생산하여 세포 조직으로 보낸다. 세포 간 포도당이 폭발적으로 증가하면 수분이 세포 밖으로 나오지 못하며, 이미 세포 사이에서 공간을 차지하고 있는 수분이 얼음으로 변하지 못하도록 막는다. 당으로 가득한 부동액은 세포 탈수 현상을 감소시키며 얼어가는 물속에서 살아남을 수 있도록 도와준다. 개구리의 생존 전략을 참고했을 때 어쩌면 캡틴 아메리카의 강력한 간이 글루카곤을 충분히 저장한 덕분에 그가 칠십 년의 수면을 버텨냈을지도 모른다. 비슷한 전략으로 혈액에서 얼음 미결정이 형성되지 않도록 막는 친수성 부동 단백질을 사용하는 방법도 있다. 어스킨이 처음부터 슈퍼 솔저를 얼릴 생각이었다면 혈청에 이러한 유전 정보를 삽입했을 것이다.

얼음 형성을 방지하는 방식 이외에도 많은 포유류가 동면 기간 동안 체온을 조절하거나 물질대사를 낮추는 방법을 사용한다. 예를 들어 열세줄땅다람쥐 같은 작은 포유류는 호흡을 줄이고 분당 심장 박동수를 200bpm에서 5bpm으로 낮추어 물질대사를 조절한다. 이러한 변화가 일어나면 체온이 정상 체온과 주변 기온(영하) 사이를 오르내리면서 에너지 소모량은 줄어들고 효율은 높아진다. 이러한 체온 변화를 감당하기 위해서 스티브 로저스는 70년 동안 사용할 수 있을 만큼 많은 지방, 그러니까 엄청나게 많은 양의 음식을 먹어두어야 했을 것이다. 흥미롭게도 거의 모든 포유류는 체온이 천천히 내려갈 때 비슷한 생리적 변화를 겪으며 조직 내 얼음 결정 형성을 예방한다. 만약 버키가 동결 방지 기능이 있는 혈청을 맞았다면 동면하는 동물처럼 휴면 상태에 들어가게 될 것이다.

실생활에서의 과학: 버키 반즈에게 적용되었던 상상의 냉동 기술은 많은 사람들이 현실로 구현하고 싶어 하는 오랜 소망이다. 인간은 오랫동안 낮은 온도와 동결 보호제를 통해 조직을 보존하려는 기술을 개발하기 위해 노력해왔다. 실제로 동면한 인간으로는 카롤리나 올슨이 있다. 알려진 대로라면 그는 1876년부터 1908년까지 수면 상태에 있었다.

인체가 영하의 기온에 냉각된 다음 원래대로 복구될 수 있는지는 아직 확인되지 않았으나, 더 작은 단위의 실험에서 유의미한 진전이 나타났다. 예를 들어 작은 조직과 세포군을 영하 80℃ 이하의 온도에서 냉장 보관할 수 있다(정자, 난자, 인간 배아 등). 이러한 접근법은 유리화 작용을 응용하는데 동결 보호제가 얼음 형성을 억제하고 샘플 분자의 움직임을 둔하게 만들어 영하 140℃의 온도에서 고체/액체 상태를 유지하는 식이다. 이를 전체 조직과 장기로 확대 적용하려면 더 철저한 조사가 필요하다. 예를 들어 장기은행은 4시간에서 20시간 정도 조직을 보존할 수 있지만 영하의 온도로 보관할 수는 없다. 만약 영하의 온도에서 장기를 안전하게 보관할 방법이 있다면 시간과 공간의 제약을 덜 받으면서 조직을 효율적으로 이식하여 더 많은 생명을 살릴 수 있다. 불행히도 동결 보호제의 경우 큰 조직을 보존하려면 독성이 생길 만큼 농도를 올렸다가 나중에 해독 과정을 거쳐야 하는데 오늘날의 의학 기술로는 어렵다.

▲ 몸을 얼려드립니다: 의학기술이 고도로 발달하여 못 고치는 병이 없는 시대에서 살 수 있기를 바라는 사람들의 희망에 부응하여 냉동 인간 서비스를 제공하는 회사가 몇 군데 있다. 그중 알코어 생명 연장 재단은 1966년 이래로 158명을 냉동 보존했다(현재 대기자는 1,194명에 달한다). 첫 번째 냉동인간은 캘리포니아대학교 심리학 교수인 제임스 베드포드로, 폐로 전이되는 악성 신장암 진단을 받았다. 법적인 죽음 이후, 그의 몸을 디메틸 술폭시드로 냉동하여 현재 애리조나주의 스코츠데일에 보관하고 있다.



놀라운 기계 공학



나노 장비

★ 등장: <블랙 팬서>, <어벤져스: 인피니티 워>

★ 대상: 아이언맨(토니 스타크), 스파이더맨(피터 파커), 블랙 팬서(트찰라), 킬몽거(에릭 스티븐슨, 은자다카)★ 과학 개념: 나노 기술, 집단행동



소개: 지구의 첫 번째 단세포 생물은 약 35억 년 전에 처음 나타났으며, 오늘날의 동식물처럼 복잡한 다세포 생물로 진화한 것은 6억 년밖에 되지 않았다. 수많은 세포를 어떻게 활용할 수 있는지 학습하기 위해 오랜 시간에 걸쳐 여러 가지 시도를 반복한 셈이다. 이제 단세포에서 다세포로 진화하는 과정을 기계에 적용하다고 상상해 보자. 미시적 변화가 일어나는 단계라는 것을 감안했을 때, 1~100nm 수준의 세계를 탐험하는 나노 기술이 필요하다. 앞으로 나노로보틱스에 대한 이해를 바탕으로 아이언맨, 스파이더맨, 블랙 팬서의 나노 피부를 이루는 세포의 집단행동을 파헤쳐 보겠다.