호흡에는 생물의 '크기'가 큰 영향을 미치고 있다

많은 생물이 '호흡'에 의해 생존에 필요한 산소를 도입하고 불필요한 이산화탄소를 배출하고 있습니다. 이러한 호흡은 사실 '몸의 크기'와 '확산'이라는 현상이 밀접하게 관련되어 있다는 것을 과학계열 YouTube채널의 Kurzgesagt가 코믹한 애니메이션으로 설명하고 있습니다.

How Large Can a Bacteria get? Life & Size 3 - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=E1KkQrFEl2I

산다는 것은 끊임없이 뭔가를 한다는 것입니다. 인체의 세포는 끊임없이 산소를 소비하여 포도당 분자를 연소하고 에너지를 생산하고 있습니다. 이 에너지 덕분에 우리는 살 수 있는 것입니다.

산소를 세포에 전달하기 위해 인체가 하고있는 것이 호흡입니다.

살아있는 모든 것은 어떤식으로든 외부에서 얻은 자원을 체내 세포에 보급하고 있는데, 이 방법은 어떤 요소에 따라 크게 다릅니다.

바로 '크기(몸의 크기)'입니다.

몸의 크기에 따라 온도와 미세 중력, 표면 장력 등의 간단한 물리법칙의 영향은 다릅니다. 이러한 영향은 몸이 크면 무시해도 좋은 수준일 수도 있지만, 몸이 작으면 치명적인 것이 될 수도 있습니다.

또한 살기 위해 필요한 물질도 생물에 따라 달라집니다.

지구의 역사에서 아주 초기에 탄생한 생명체는 산소분자를 분해하여 에너지를 생산하는 능력을 가지고 있지 않았습니다. 따라서 원시생명체는 에너지를 사용하지 않고 필요한 것을 체내에 도입하여 불필요한 것들을 몸 밖으로 배출하는 방법을 구축해야 했습니다.

원시생명체가 행운이었던 것은 '몸이 작았다'라는 점. 원시생명체는 몸이 작았던 덕분에 '확산'이라는 물리법칙을 이용할 수 있었습니다.

확산은 액체분자와 기체분자 등 삼차원적으로 끊임없이 움직이는 분자가 서로 부딪쳐 광범위하게 흩어지는 현상입니다.

확산을 이해하는 좋은 예가 각설탕을 물에 넣었을 때 관찰되는 현상.

각설탕이 물에 서서히 용해되면서 설탕분자가 물분자와 다른 설탕분자에 밀리기 시작합니다.

시간이 지남에 따라 전체 설탕분자는 물에 균일하게 확산하고 설탕물 농도는 장소에 따라 균일화합니다. 이것이 확산입니다.

생명체에게 확산이 가장 좋은 점은 에너지없이 이용할 수 있다는 점입니다. 중력과 확산은 햇빛처럼 에너지없이 사용할 수 있는 요소로, 생명체에게 가장 중요합니다.

이번 영상에서는 지구에서 가장 작은 생명체인 '박테리아(세균)'의 체표에 대해 살펴봅니다.

박테리아의 체표에 존재하는 세포막은 특정 분자만을 확산하는 성질을 가지고 있습니다.

예를 들어, 인류처럼 산소를 소비하고 이산화탄소를 만들어내는 세균의 체내에서는 산소분자가 부족하게 되는 반면, 이산화탄소 분자는 늘어납니다. 그러나 이러한 분자는 확산이 작용하기 때문에 세포막 안팎에서 서서히 분자의 농도가 균일화되어 체내에 부족한 산소분자는 체내에 자동으로 포함되고 남은 이산화탄소 분자는 체외로 배출됩니다.

확산을 이용한 산소분자와 이산화탄소분자의 이동은 호흡에 가까운 것이라고 할 수 있습니다. 그러나 확산에 의한 호흡은 박테리아(몸길이 1~10 μm) · 인간 세포(4μm ~ 0.1mm) · 아메바(5 ~ 2000μm)이나 아주 작은 해파리 · 해면동물 · 편형동물밖에 할 수 없습니다.

곤충은 체내에 존재하는 기관에서 매우 느리게 확산을 실시하고 있습니다. 그러나 곤충은 기관을 수축시켜 호흡을 하고 있다고 생각되고 있으며 많은 곤충은 기문(気門)과 기낭 등의 호흡기관을 가지고 있기 때문에 순수하게 확산으로만 생존하는 것은 아닙니다.

이처럼 어느 정도 몸이 큰 생명체가 확산만으로 세포를 유지하는 에너지를 얻기에는 너무 느립니다.

확산에 의한 호흡의 근본적인 문제는 분자의 교환이 체표 부근에서 밖에 생기지 않는다는 점과 교환할 수 있는 양이 한정되어 있다는 것입니다. 따라서 확산에 의한 호흡만으로 살 수 있는 생명체는 표면적이 크고 부피가 작은 동물뿐입니다.

만일 박테리아를 고래의 크기까지 확대할 수 있는 기계가 존재한다면 무엇이 일어날까요?

고래의 크기가 된 박테리아에게 큰 장애물은 '2승3승의 법칙'입니다. 2승3승의 법칙은 한 변의 길이가 10배가 된 경우에는 표면적은 제곱의 100배, 부피는 3승의 1000배가 된다는 것.

박테리아의 일종인 녹농균과 푸른 고래의 비표면적을 생각하면, 녹농균은 고래에 비해 1000만 배나 큰 비표면적을 가지고 있습니다.

즉, 녹농균은 부피에 비해 표면적이 거대하지만 고래는 표면적에 비해 부피가 큰 것.

따라서 박테리아를 푸른 고래의 크기까지 거대화한 경우에는 표면적에 어울리는 형태로 부피가 늘어나기 때문에 내부 공간이 증가하고 내장과 체표의 거리가 벌어질 것으로 생각됩니다.

내장과 체표의 거리가 벌어진 경우 확산에 의해 산소를 세포에 전달할 수 없게 되고 거대화된 박테리아는 산소 결핍으로 죽습니다.

몸이 크면 포식되기 어렵고 다른 생물을 포식하기 쉬운 장점이 있습니다.

그러나 확산에 의해 충분한 산소와 영양을 내부로 순환시키기 위해서는 세포의 크기가 어느 정도 작지 않고는 안됩니다.

세포의 크기에는 제한이 있기 때문에 생명체는 '세포의 수를 증가'시키는 방향으로 진화했습니다. 작은 세포를 다수 가지고 있으면 확산의 활용이 가능합니다.

세포는 기능을 공유하고 세포마다 기능을 특화시키는 방향으로 진화했습니다.

전체적으로도 확산에 대응하기 위해 중앙에 구멍이나 빈 공간을 형성하거나 접히는 등 구조면에서도 진화했습니다.

이러한 구조의 진화의 대표적인 예가 폐입니다. 인간의 피부의 표면적은 대략 2m² 정도입니다만, 폐의 표면적은 70m²에 달합니다.

인간의 폐는 혈관에 둘려싸인 작은 풍선이 밀집한 스폰지 같은 존재입니다. 한번 숨을 들이마시면 ​​작은 풍선의 내부가 신선한 공기로 가득차고 풍선을 둘러싼 혈관에서는 이산화탄소로 채워진 혈액이 흘러갑니다.

확산이 작용하는 것은 이 때입니다. 흡입된 산소가 확산에 의해 혈액에 퍼지고 이산화탄소는 혈액에서 폐로 이동합니다. 그 후 산소는 적혈구에 의해 포착되고 이산화탄소는 호흡을 통해 체외로 방출됩니다.

체내에서 확산은 1mm의 거리에서만 작용합니다. 이것이 인체의 모든 세포가 혈관에서 1mm 이내에 존재하는 이유입니다.

인체의 모든 모세혈관을 하나로 합친 경우, 그 길이는 지구를 두 바퀴 반 돌 수 있는 10만km 정도로, 그 표면적은 1000m²에 달합니다.

부피에 비해 길이와 표면적이 크다는 점은 혈관뿐만이 아니라 외부와 뭔가를 교환하는 모든 부위에서도 마찬가지입니다. 음식에서 영양을 취하는 부위인 위장의 표면적은 배드민턴 코트의 단면에 상당하는 40m² 정도

확산이 일어나는 장소의 표면적이 크다는 것은 햇빛과 대기에서 당을 합성하는 광합성을 하는 나무도 마찬가지입니다. 2000개의 잎을 가진 오렌지 나무의 경우 잎을 포함한 표면적은 약 200m², 농구 코트의 단면에 상당하지만 실제로 확산이 발생하는 잎의 '표면의 안쪽'의 면적은 6000m²에 달합니다.

지구상에는 다양한 생명체가 존재하고, 호흡 방식에도 여러가지가 있습니다. 하지만 어느 호흡도 확산이라는 기본 원리를 이용하고 있다는 점만은 수십억 년 동안 변화하지 않았습니다. 몸이 작은 생물도 몸의 큰 생물도 어떤식으로든 불필요한 요소를 배출하고 필요한 요소를 도입하고 있습니다. 몸의 큰 생물은 단순히 복잡한 배관이 필요할 뿐이라고 Kurzgesagt는 정리합니다.