호흡이 생물 크기에 영향을 주는 이유

많은 생물이 호흡에 의해 생존에 필요한 산소를 흡입해 불필요한 이산화탄소를 배출하고 있다. 이런 호흡에는 사실 몸 크기와 확산이라는 현상이 밀접하게 관련되어 있다.

산다는 건 끊임없이 뭔가를 하는 것이다. 인체 세포는 끊임없이 산소를 소비해 포도당 분자를 연소해 에너지를 생산한다. 이 에너지 덕에 우리는 살 수 있다. 산소를 세포에 전달하기 위해 인체가 하는 게 바로 호흡이다. 살아있는 모든 건 어떤 식으로든 외부에서 얻은 자원을 체내 세포에 보급하는데 이 방법은 요소에 따라 크게 다르다.

이 요소란 몸의 크기다. 몸 크기에 따라 온도와 미세 중력, 표면 장력 등 간단한 물리법칙 영향은 다르다. 이런 영향은 몸이 크면 무시해도 좋은 수준일지 모르지만 몸이 작으면 치명적이 될 수 있다. 또 살기 위해 필요한 물질도 생물에 따라 달라진다.

지구 역사에서 아주 초기 탄생한 생명체는 산소 분자를 분해해 에너지를 생산하는 능력을 갖고 있지 않았다. 따라서 원시 생명체는 에너지를 사용하지 않고 필요한 걸 체내에 도입해 불필요한 걸 몸 밖으로 뱉는 방법을 해내야 했다.

원시 생명체에게 행운이었던 건 몸이 작았다는 것이다. 원시 생명체는 몸이 작았기 때문에 확산이라는 물리법칙을 이용할 수 있었다. 확산은 액체 분자와 기체 분자 등 3차원적으로 끊임없이 움직이는 분자가 서로 부딪치는 것으로 광범위하게 흩어지는 현상이다.

확산을 이해하기 가장 좋은 예는 각설탕을 물에 넣을 때다. 각설탕이 물에 서서히 용해되면서 설탕 분자가 물 분자와 다른 설탕 분자에 말리기 시작한다. 시간이 지나면서 전체 설탕 분자는 물에 균일하게 확산되어 설탕 물 농도는 장소에 따라 균일화된다. 이게 확산이다.

생명에 확산의 가장 좋은 점은 에너지 없이 이용할 수 있다는 것이다. 중력과 확산, 햇빛처럼 에너지 없이 사용할 수 있는 요소는 생명에 가장 중요하다. 여기에서 지구에서 가장 작은 생명체인 박테리아 체표를 떠올릴 수 있다. 박테리아 체표에 존재하는 세포막은 특정 분자만 확산하는 성질을 갖고 있다. 예를 들어 인류처럼 산소를 소비하고 이산화탄소를 만들어내는 세균 체내에선 산소 분자가 부족해지는 반면 이산화탄소 분자는 너무 많아진다. 하지만 이런 분자는 확산이 작용하기 때문에 세포막 안팎에서 서서히 분자 농도가 균일화되어 체내에 부족한 산소 분자는 체내에 자동으로 포함되고 남은 이산화탄소 분자는 체외로 배출된다.

확산을 이용한 산소 분자와 이산화탄소 분자 이동은 호흡에 가까운 것이라고 할 수 있다. 하지만 확산에 의한 호흡은 몸 길이 1~10μm인 박테리아, 4μm~0.1mm인 인간 세포, 5~2000μm인 아메바나 아주 작은 해파리, 해면동물, 편형동물 밖에 할 수 없다.

곤충은 체내에 존재하는 기관에서 상당히 느리게 확산을 실시한다. 하지만 곤충은 기관을 수축시켜 호흡을 하고 있다고 여겨지며 많은 곤충은 호흡 기관을 갖고 있기 때문에 순수하게 확산으로만 살아있는 건 아니다.

이처럼 어느 정도 몸이 큰 생명체에 확산 세포를 유지하는 에너지를 얻는 속도가 너무 느린 문제가 있다. 확산에 의한 호흡의 근본적 문제는 분자 교환이 체표 부근에서만 생기지 않는 것과 교환량이 한정되어 있다는 것이다. 따라서 확산에 의한 호흡만으로 사는 건 표면적이 크고 부피가 작은 동물 뿐이다.

여기에서 만일 박테리아를 푸른 고래 크기까지 확대할 수 있는 기계가 존재한다면 무슨 일이 생길까. 푸른 고래 크기 박테리아에게 큰 장애물은 2승 3승 법칙이다. 2승 3승 법칙은 한 변 길이가 10배가 된 경우 표면적은 제곱의 100배, 부피는 3승의 1,000배가 된다는 것이다.

박테리아 일종인 녹농균과 푸른 고래의 비표면적을 생각하면 녹농균은 고래보다 1,000만 배나 큰 비표면적을 갖고 있다. 다시 말해 녹농균은 부피에 비해 표면적이 거대하지만 고래는 표면적에 비해 부피가 큰 것이다.

따라서 박테리아가 푸른 고래 크기까지 거대해지면 표면적에 어울리는 형태로 부피가 늘어나기 때문에 내부 공간이 증가하고 내장과 체표 거리가 벌어질 것으로 생각된다. 내장과 체표 거리가 퍼지면 확산에 의해 산소를 세포에 전달할 수 없게 되고 거대화된 박테리아는 산소 결핍으로 죽게 된다.

몸이 커지는 건 포식되기 어렵고 다른 생물을 포식하기 쉬운 장점이 있다. 하지만 확산에 의해 충분한 산소와 영양을 내부에 돌아가게 하려면 세포 크기가 어느 정도 작지 않고선 안 된다. 세포 크기에는 제한이 있기 때문에 생활은 세포 수 증가라는 방향으로 진화했다. 작은 세포를 다수 갖고 있으면 확산 활용이 가능하다. 또 세포는 기능을 공유하고 세포마다 기능을 특화시키는 방향으로 진화했다.

전체적으로 더 커져도 대응하려면 중앙에 구멍이나 구멍을 비우거나 접어 넣는 등 구조 면에서 진화를 하게 된다. 이런 구조 진화의 대표적인 예가 폐다. 인간 피부 표면적은 대량 2m² 정도지만 폐 표면적은 70m²에 달한다.

인간 폐혈관에 둘린 작은 풍선으로 가득한 스펀지 같은 존재다. 한 번 숨을 들이마시면 작은 풍선 내부가 신선한 공기로 가득차고 풍선을 둘러싼 혈관에는 이산화탄소로 채워진 혈액이 흘러간다. 확산이 작용하는 건 이 때다. 흡입된 산소가 확산에 의해 혈액에 퍼져 이산화탄소는 혈액에서 폐로 돌아간다. 이후 산소는 적혈구에 의해 포착, 이산화탄소도 숨을 내쉬면서 체외로 방출된다.

체내 확산은 1mm 거리 밖에 작용하지 않는다. 이게 인체 모든 세포가 혈관에서 1mm 이내에 존재하는 이유다. 인체 모든 모세혈관을 1개로 합치면 길이는 지구를 2바퀴 반, 10만km 정도로 표면적은 1,000m²에 달한다. 부피에 비해 길이와 표면적이 크다는 건 혈관 뿐 아니라 외부와 뭔가를 교환하는 모든 부위에서 마찬가지다. 음식에서 영양을 섭취하는 부위인 위장 표면적은 배드민턴 코드 단면에 상당하는 40m² 정도다.

확산이 일어나는 장소 표면적이 크다는 건 햇빛과 대기에서 당을 합성하는 광합성을 하는 나무도 마찬가지다. 2,000개 잎을 가진 오렌지 나무의 경우 잎을 포함한 표면적은 200m²다. 농구 코드 단면에 상당하지만 실제로 확산이 발생하는 잎의 표면 안쪽 면적은 6,000m²에 달한다.

지구상에서 다양한 생명체가 존재하고 호흡도 여러 가지가 있다. 하지만 어떤 호흡도 확산이라는 기본 원리를 이용하고 있다는 점만은 수십억 년간 변화하지 않았다. 몸이 작은 생물이나 큰 생물도 어떤 식으로든 불필요한 요소를 배출하고 필요한 요소를 도입해야 한다. 몸이 큰 생물은 단순히 복잡한 배관이 필요할 뿐이다.