크기의 생물학

크기라는 시각을 통하여 생물을, 그리고 인간을 이해하다!

일본의 저명한 동물생리학자 모토카와 다쓰오 교수의 대표작 『코끼리의 시간, 쥐의 시간』. 동물들의 생존전략과 행동방식을 크기라는 창을 통해 들여다본 책이다. 1992년 출간 후 지금까지 90만 부 가까이 팔린 이 책은 출간 이듬해에 ‘동물의 생리적 현상과 물리적 현상 사이의 관계를 깊이 추구한 독창적인 책’이라는 평을 받으며 심사위원 만장일치로 고단샤 출판문화상 과학출판 부문을 수상했다. 3톤의 코끼리와 30그램의 쥐는 체중 차이가 10만 배나 나지만, 일생 동안 뛰는 심장 박동수는 약 20억 회로 동일하다. 이처럼 동물의 크기가 다르면 수명이 다르고, 민첩성이 다르고, 시간의 속도가 다르다. 행동권도, 생식 방법도 크기에 따라 달라진다. 저자는 이런 관계를 과학적으로 분석하고, 이를 생명의 특성으로 해석해낸다. 이를 통해 우리는 인간과 전혀 다른 생물체인 쥐나 코끼리가 어떤 식으로 세계를 이해하고 살아가는지 상상해볼 수 있고, 인간을 상대화하여 자연 속에서 바라볼 수 있다.

옮긴이의 말
지은이의 말

1. 동물의 크기와 시간
크기에 따라 시간이 달라진다│심장 박동수 일정의 법칙이란?

2. 크기와 진화
코프의 법칙│큰 게 좋은 걸까?│섬의 규칙

3. 크기와 에너지 소비량
기초대사량-기본적인 에너지 소비량│표면적과 부피 문제│4분의 3제곱 법칙-생명의 설계 원리│사람의 크기-현대인의 크기

4. 식사량, 서식 밀도, 행동권
몸집이 크면 많이 먹는가?│먹는 자의 크기, 먹히는 자의 크기│쇠고기를 먹는 것은 엄청난 낭비다-생장 효율의 문제│동물의 서식 밀도│행동권의 넓이

5. 달리기, 날기, 헤엄치기
크기와 속도│달리는 데 드는 비용│나는 데 드는 비용, 헤엄치는 데 드는 비용

6. 왜 바퀴 달린 동물은 없는 걸까?
자동차 사회를 다시 생각한다│지느러미와 스크루의 대결

7. 작은 수영 선수들
편모와 섬모│저 레이놀즈 수의 세계│스파즈모님과 레이놀즈 수의 트릭│확산이 지배하는 세계

8. 호흡계와 순환계는 왜 필요한가
허파도 심장도 없는 동물│납작벌레는 왜 납작할까?│지렁이가 뱀처럼 굵어질 수 있을까?│호흡계

9. 기관의 크기
심장과 근육│뇌의 크기│골격계

10. 시간과 공간
생리적 시간과 탄성닮음 모형│시간과 공간의 상호관계

11. 세포의 크기와 생물의 건축법
세포의 크기│식물의 건축법과 동물의 건축법

12. 곤충-작은 크기의 달인
큐티클 외골격-곤충의 성공 비결│기관의 위력과 탈피의 위험│먹는 시기와 활동하는 시기-일생을 나누어 쓴다

13. 움직이지 않는 동물들
빛을 이용하는 산호와 나무│군체-단위 구조의 이점│흐름을 이용하다

14. 극피동물-조금만 움직이는 동물
성게의 가시와 캐치결합조직│불가사리의 외골격 같은 내골격│거미불가사리의 자절과 단위 구조│진화와 지지계│극피동물의 수수께끼│극피동물의 디자인

부록

각각의 동물은 저마다 다른 세계관과 가치관, 그리고 논리를 가지고 있다. 설령 그 동물의 뇌수 속에 그런 세계관이 없다 해도, 동물의 생활방식이나 몸의 구조 속에 세계관이 배어 있음이 틀림없다. 그것을 해독하여, “아하, 이 동물은 이러한 생활에 적응하기 위해 이러한 몸 구조를 가지고, 이러한 행동을 하는구나!” 하고 그 동물의 세계관을 읽어내서 인간이 납득할 수 있는 방식으로 설명하는 것이 바로 동물학자의 소임일 것이다. _14-15쪽생물의 시간은 다음과 같은 방식으로 파악할 수 있을 것이다. 즉 심장 박동의 간격은 반복 활동의 시간 간격이다. 숨을 들이쉬고 내쉬는 시간이나 창자가 꿈틀거리는 시간도 마찬가지다. 혈액 속으로 들어온 이물질을 밖으로 내보내는 시간은 혈액이 순환하는 시간과 관계있을 것이다. 수명도 개체에게는 단 한 번뿐이지만, 종에게는 태어나서 죽고, 다시 태어나서 죽고 하는 반복 활동의 단위시간인 셈이다. 생물에서는 이러한 시간의 반복 속도가 체중에 따라 달라진다. 어떤 반복 활동이 일어날 때, 한 번 반복하는 데 걸리는 시간은 몸집이 큰 동물일수록 오래 걸리고 작은 동물일수록 짧게 걸리는 것이다. _22쪽단순한 물리적 시간으로 따지면 코끼리가 쥐보다 훨씬 오래 산다. 쥐는 기껏해야 몇 년밖에 살지 못하지만, 코끼리는 100년 가까이 살기 때문이다. 그러나 심장의 박동수를 가지고 잰다면, 코끼리나 쥐나 똑같은 길이만큼 살다가 죽는 셈이다. 작은 동물은 체내에서 일어나는 모든 생리적 현상의 템포가 빠르다. 따라서 물리적인 수명이 짧더라도 코끼리나 쥐나 자기의 일생을 다 살았다는 느낌만은 같을지도 모른다. _24쪽사람의 사고방식이나 행동 같은 것도 사람이라는 동물의 크기를 빼고서는 결코 이해할 수 없다. 자신의 크기를 아는 것이야말로 사람이 갖추어야 할 가장 기본적인 교양이다. _24쪽작고 잽싸다는 것과 안정감이 있다는 것은 서로 상반되는 성질이지만, 결국 어느 쪽을 선택한다고 해도 자기 나름대로 살아갈 수 있다는 얘기다. 지구의 환경은 변화가 전혀 없지도 않았지만, 그렇다고 천재지변의 연속도 아니었다. 현재 지구상에는 큰 것이나 작은 것이나 모두 함께 살고 있다. _34쪽강치나 돌고래 같은 헤엄치는 포유류의 수조를 들여다보고 있으면, 이놈들은 대체 무얼 하느라고 이렇게 물속을 이리저리 휘젓고 돌아다니고 있을까 하는 생각이 들 때가 있다. 이런 생각이 드는 것은 우리가 늘 어떤 목적을 가지고 몸을 움직여왔기 때문일 것이다. 상당히 큰 육상동물인 인간은 걷거나 달리려면 꽤 많은 에너지를 써야 하므로 아무 목적 없이 움직이지는 않는다.
운동에 아무런 비용도 들지 않는다면, 아무 목적 없이 이리저리 돌아다니는 일도 있을 수 있다. 욕심을 부리면 얼굴에 나타나는 법이다. 천진난만한 얼굴로 헤엄치는 돌고래를 보고 있으면, 왜 이들이 이렇게까지 사람들에게 편애의 대상이 되고 있는지 알 것도 같다. _94-95쪽환경과 차의 궁합은 지금까지 대기오염과 관련하여 문제가 된 적이 많았다. 자동차는 원래부터 환경을 전적으로 바꾸어놓지 않으면 움직일 수가 없는 물건이다. 사용자가 사는 환경을 깡그리 바꾸어놓지 않으면 작동하지 않는 기술을 훌륭한 기술이라 하기는 어렵다. _104쪽몸길이 1밀리미터 이하에서는 점성력이 관성력보다 크다. 점성력이 지배하는 세계에서는 주위 환경이 끈적끈적 들러붙는다. 우리에게는 물이 미끈미끈하게 느껴지지만, 크기가 작은 것들에게는 물엿처럼 끈적끈적 달라붙는 것처럼 느껴진다. _124쪽

“동물의 크기는 최고의 생존전략이다!”코끼리부터 박테리아까지, 세포에서 개체까지
크기를 통해 들여다본 동물, 그리고 인간일본의 저명한 동물생리학자 모토카와 다쓰오 교수의 대표작 《코끼리의 시간, 쥐의 시간》이 출간되었다. 1992년 출간 후 과학책으로는 이례적으로 선풍적인 인기를 끌며, 지금까지 90만 부 가까이 판매된 베스트셀러이자 스테디셀러다. 이 책에서 저자는 동물들의 생존전략과 행동방식을 ‘크기’라는 창을 통해 들여다본다. 예를 들어 3톤의 코끼리와 30그램의 쥐는 체중 차이가 10만 배나 나지만, 일생 동안 뛰는 심장 박동수는 약 20억 회로 동일하다. 이처럼 동물의 크기가 다르면 수명이 다르고, 민첩성이 다르고, 시간의 속도가 다르다. 행동권도, 생식 방법도 크기에 따라 달라진다. 저자는 이런 관계를 과학적으로 분석하고, 이를 생명의 특성으로 해석해낸다. 이 책을 통해 우리는 인간과 전혀 다른 생물체인 쥐나 코끼리가 어떤 식으로 세계를 이해하고 살아가는지 상상해볼 수 있고, 인간을 상대화하여 자연 속에서 바라볼 수 있다.동물들의 생김새와 행동의 진짜 이유“사람의 사고방식이나 행동 같은 것도 사람이라는 동물의 크기를 빼고서는 결코 이해할 수 없다. 자신의 크기를 아는 것이야말로 사람이 갖추어야 할 가장 기본적인 교양이다. 생물을, 그리고 인간을 크기라는 시각을 통하여 이해하는 것이 이 책의 목적이다.” _24쪽이 책에서 파고드는 질문 중 몇 가지를 뽑아보면 다음과 같다.
●동물들은 몸집이 커지는 쪽으로 진화했는데, 큰 게 좋은 걸까?
결론부터 말하자면 그렇지 않다. 같은 계통의 동물에서는 몸집이 큰 종이 진화 과정에서 더 늦게 출현하는 경향이 있는데 이를 ‘코프의 법칙’이라 한다. 몸집이 커지면 편리한 점이 많다. 몸집이 클수록 부피에 비해 표면적이 작아지므로 외부 환경의 변화에 강하다. 천적이 줄어들고, 먹잇감을 얻기도 쉬워진다. 하지만 그에 따른 대가도 있다. 몸집이 크면 개체수가 적고 한 세대의 수명도 길기 때문에 극복할 수 없는 환경 변화를 마주하면 이를 극복할 변이종을 만들어내지 못하고 멸종하기 쉽다. ‘코프의 법칙’은 옳지만 그 까닭은 그런 성질이 본래부터 갖추어져 있거나(정향진화설) 큰 것이 생존에 유리하기 때문이 아니라, 진화는 작은 것에서 출발하기 때문이다.
●왜 바퀴 달린 동물은 없을까?
생물들은 수억 년이라는 시간에 걸쳐 헤아릴 수 없을 만큼 많은 실험을 해왔다. 그렇다면 바퀴처럼 편리한 운동기관이 있는 동물도 있을 법한데, 왜 그런 동물은 없을까? 일견 엉뚱해 보이는 이 질문에 대한 과학적 분석을 거치는 동안, 동물들이 오랜 세월에 걸쳐 거칠고 변화무쌍한 지구환경 속에서 얼마나 지혜롭게 대처해왔는지가 드러난다. 바퀴는 사람 같은 큰 동물이 산을 깎고 골짜기를 메워서 평탄하게 쭉 뻗은 도로를 만들면서 비로소 사용하게 된 물건임을 지적하면서, 저자는 현대인의 자동차 문화를 다시 생각한다. “사용자가 사는 환경을 깡그리 바꾸어놓지 않으면 작동하지 않는 기술을 훌륭한 기술이라 하기는 어렵다.”(104쪽)
●지렁이가 뱀처럼 굵어질 수 있을까?
몸집이 작으면 순환계가 필요없다. 순환계란 몸속의 물을 휘저어 산소나 영양물질의 농도를 일정하게 만드는 일종의 교란 장치인데, 몸집이 작으면 확산만으로 이 교란이 가능하기 때문이다. 크기가 작으면 호흡계도 필요없다. 동물들은 외부세계로부터 산소와 영양물질을 끌어들이므로 그 양은 표면적에 비례한다. 그런데 몸집이 클수록 부피에 비해 표면적이 작아지므로 수요가 늘어나는 만큼 공급이 늘어나질 않는다. 이런 상황에서 산소를 끌어들이기 위해 특별히 표면적을 늘린 것이 바로 호흡계이다. 그렇다면 지렁이처럼 혈관계가 있어서 붉은 피가 흐르지만 아가미나 허파 같은 호흡계는 없는 동물은 얼마나 굵어질 수 있을까? 또, 얼마나 작아야 호흡계나 순환계 없이 살아갈 수 있을까? 그 답들은 수학적으로 계산 가능하다.
●식물과 동물은 무엇이 어떻게 다른가?
저자는 식물과 동물의 서로 다른 몸 만들기 방법의 차이를 골조 건축과 벽돌 건축의 차이로 설명한다. 동물의 몸이 기둥과 대들보를 짜맞추어 지은 골조 건축이라면, 식물의 몸은 벽돌을 쌓아 지은 벽돌 건축이다. 벽돌을 구석구석까지 빈 곳 없이 차곡차곡 쌓아올리는 것이 식물의 방법이며, 이때 세포 하나가 벽돌 하나에 해당된다. 이런 건축법의 차이에는 식물세포의 특징인 세포벽과 액포, 그리고 세포의 크기가 관련되어 있다. 동물의 세포는 10미크론 정도지만, 식물의 세포는 훨씬 커서 50미크론짜리도 있다. 같은 다세포생물인데 세포의 크기는 왜 이렇게 차이가 나는 걸까? 그것은 동물세포와 식물세포의 크기를 결정하는 제약 조건이 전혀 다르기 때문이다.
●현대인은 그 크기에 맞는 생활을 하고 있나?
생물의 세계에서 몸의 크기와 시간, 구조, 에너지 소비량 등 생명이 지닌 모든 특성은 그들이 사는 환경에 적응하는 데 최적화되어 있다. 인간도 물론 동물의 한 종으로, 자연의 일부이다. 현대의 인간은 과연 전체 생태계에 비추어 보았을 때 제 크기에 맞는 에너지를 소비하고 있을까? 모토카와 다쓰오 교수의 계산에 따르면 일본인의 평균적인 기초대사량을 2,200와트라고 봤을 때, 그런 기초대사량을 가진 동물은 체중 4.3톤, 즉 코끼리처럼 거대한 동물이라고 한다. 서식 밀도와 행동권에 대해서도 계산을 해보면 도시에 사는 현대인은 쥐와 같은 밀도로 살면서 코끼리 수준의 거리를 이동하는 생활을 하고 있다. 이처럼 이 책은 생명의 신비와 더불어, 자연의 일부이면서 점점 자연으로부터 멀어져만 가는 인간의 본모습에 관해서도 생각하게 만든다.“이렇게 널리, 오랫동안 읽힌 동물학 책은 없었다!”“지금도 매년 1만 부씩 증쇄하고 있는 베스트셀러이자 스테디셀러. 이렇게 널리, 오랫동안 읽힌 동물학 책은 없었다. 생물의 크기에 대해 일반인에게 처음으로 소개하고 설명한 책으로, 시간은 시계로 재는 것만이 아니라는 사실과 크기의 중요성을 일깨워 사람들의 자연관에 큰 영향을 주었다.” _일본동물학회 교육상 선정 이유모토카와 다쓰오 교수는 동물에 따라 시간이 달라진다는 사실을 처음 알았을 때 신선한 충격을 받았다고 한다. 시간은 절대 불변하는 것이라고 믿어왔기 때문이다. 이때는 그가 동물학을 공부한 지 10년이 넘었을 때라 다른 의미에서 충격도 컸다. 시간이 다르다는 것은 곧 세계관이 다르다는 의미이다. 저자는 상대(동물)의 세계관을 전혀 이해하지 못한 채 수행해온 지금까지의 연구는 무슨 의미가 있을까 하고 망연자실한 동시에, 그런 중요한 사실을 가르쳐주지 않은 지금까지의 교육에 ‘분노’를 느꼈다. 그 분노와 반성을 동력으로 삼아 ‘동물의 입장에서 바라보아야 동물을 올바르게 이해할 수 있다’는 방법론을 바탕에 깔고 쓴 책이 바로 《코끼리의 시간, 쥐의 시간》이다.
그렇게 출간된 책이 지금까지 90만 부 가까이 팔렸다. 출간 이듬해에 ‘동물의 생리적 현상과 물리적 현상 사이의 관계를 깊이 추구한 독창적인 책’이라는 평을 받으며 심사위원 만장일치로 고단샤 출판문화상(과학출판 부문)을 받았다. 내용의 일부가 고등학교 교과서에 실리기도 하고 그림책으로도 출간되었다. 2014년 일본동물학회는 모토카와 다쓰오에게 교육상을 수여하며 《코끼리의 시간, 쥐의 시간》을 가리켜 “이렇게 널리, 오랫동안 읽힌 동물학 책은 없었다”고 했다. 알로메트리 식, 레이놀즈 수, 탄성닮음 등 비전공자에게는 낯선 용어와 수학적 기술이 적지 않은 이 책이 그렇게 널리, 꾸준히 사랑받는 이유는 무엇일까? 고단샤 출판문화상을 받은 저자의 수상 소감에서 그 이유를 짐작해볼 수 있다. “세상은 ‘유일성과 다양성’의 긴장 속에 있다고 생각합니다. 다양함을 잘라 유일한 원리로 세상을 이해하려는 것도, 다양성으로만 귀결되는 설명도 일종의 실수입니다. 다양성을 인정하면서 그것을 몇 가지 원리로 이해하려고 시도하는 것이 현실적이라고 나는 생각합니다. 시간축은 하나가 아니다, 크다고 좋은 것은 아니다, 뇌수가 발달한 동물이 반드시 ‘고등한’ 것은 아니다. 각각의 생물은 각각의 세계가 있으며, 각 논리와 가치관 속에서 살아 있다… 이런 개념은 생물학 이외에도 널리 통용될 것입니다. 생물학은, 모두가 배울 만한 학문이라는 것을 알리고 싶어 이 책을 썼습니다.”[책속으로 추가]
누군가가 3분의 2제곱이라고 하면 갑자기 표면적과 정보량을 관련시켜서 그럴듯한 설명을 하는가 하면, 4분의 3제곱에 비례한다고 하면 어느새 대사율과 관련시킨 학설이 제출된다. 실로 과학은 좋게 말하면 단순 명쾌하고, 나쁘게 말하면 지조가 없다. 하지만 이런 면이 과학의 바람직하고 든든한 점이다. _155쪽부족한 부분은 ‘상상력’으로 보충하고, 다양한 생물의 시간축을 머릿속에서 그려가면서 다른 생물과 조화해가는 것이 지구를 지배해온 사람의 책임이 아닐까? 이러한 상상력을 계발하는 것이 동물학자의 사명이라고 생각한다. _175쪽동물의 몸이 기둥과 대들보를 짜맞추어 지은 골조 건축이라면, 식물의 몸은 벽돌로 쌓아 지은 벽돌 건축이다. 벽돌을 구석구석까지 빈 곳 없이 차곡차곡 쌓아올리는 것이 식물의 방법이며, 이때 세포 하나가 벽돌 하나에 해당된다.
이와 같은 건축법의 차이는 움직이는가 움직이지 않는가와 깊이 관련되어 있다. 골조 건축 방식에서는 기둥과 들보 사이의 연결 부분을 관절로 만들어두면, 그곳에서 꺾어지거나 회전할 수 있기 때문에, 몸이 변형을 일으키면서 운동할 수 있다. 벽돌 건축에서는 벽돌끼리 모두 한데 붙어 있기 때문에 도저히 몸을 움직일 수가 없다. _184-185쪽곤충 큐티클의 우수성은 큐티클을 단단하게도 부드럽게도 할 수 있다는 데 있다. 우리는 보들보들한 뼈 같은 것은 만들 수 없다. 그래서 관절 부분에서는 반드시 뼈와 뼈가 도중에 끊어진 형태를 취하며, 결합조직이나 근육 같은 부드러운 조직이 뼈들을 연결해준다. 그런데 곤충은 큐티클의 일부를 부드럽고 보들보들하게 만들어 그 자체가 관절이 되어 몸을 자유로이 구부릴 수 있다. 곤충의 몸은 몇 개의 마디로 나뉘어 있는데, 이 마디 사이를 연결해주는 큐티클이 부드러워 여기서 몸을 구부릴 수 있게 되어 있다. _198-199쪽곤충은 변태를 기점으로 식성과 운동 방법을 완전히 바꾼다. 유충 시기에는 별로 돌아다니지 않고 오로지 먹기만 한다. 이때에는 위가 무거워도 상관없다. 날개돋이를 하여 성충이 되면 날아다니는 일이 가장 우선적인 일이 되며, 그때부터는 소화가 잘 되는 것만 먹는다. 개중에는 성충이 되고 난 뒤 아예 아무것도 먹지 않는 것도 있다. 이처럼 곤충은 변태를 통하여 작은 크기의 단점을 극복한다. 곤충의 생활은 다름 아닌 크기와 밀접한 관계를 지니고 있다. _209-210쪽산호와 나무를 함께 생각해보면, 한 그루의 나무가 과연 개체일까 싶은 의문이 생긴다. 어쩌면 나무도 세포 하나하나가 개체이고 나무 전체는 개체 세포들이 집합한 군체일지도 모른다. 이것은 지나치게 극단적인 표현으로, 옳은 말은 아니다. 물론 나무는 한 그루가 개체이다. 그런데도 굳이 그런 표현을 쓴 것은, 우리에게 아주 익숙한 척추동물 같은 개체 개념으로 식물을 파악하기는 어렵기 때문이다. 식물은 군체적 개체라고 보면 오히려 이해하기 쉽다. _220쪽우리가 팔을 들어올리고 있으면 근육이 계속 수축돼 있다. 그래서 팔을 오래 들어올리고 있으면 근육이 피로해진다. 움직이지 않고 같은 자세를 유지한다는 것은 외부에 대해 일을 하는 것은 아니지만, 근육이 수축하고 있는 동안은 ATP를 분해하는 까닭에 계속해서 에너지를 사용하게 된다. 이는 효율이 좋은 경우가 아니다. 만약 들어올린 팔의 피부가 단단하게 되어서 버텨준다면, 근육이 쉬더라도 팔은 들린 채 그대로 있을 것이다. 즉 피부 ‘결합조직’의 굳기를 바꾸어주는 방법으로도 자세를 유지할 수 있다. 이것이 성게의 기발한 착상이다. _240쪽불가사리는 옛날 장수들이 갑옷 속에 받쳐 입었던, 작은 미늘로 엮어 만든 옷을 입었다고 할 수 있다. 다만 미늘 하나하나에 자물쇠가 달려 있다. 불가사리를 손으로 건드리면 몸이 찰카닥하고 단단해져서 몸을 방어하게 되는데, 이때는 골편들을 결합하고 있는 캐치결합조직이 단단해져서 골편들의 위치를 고정시킨 것이다. 이에 따라 몸이 굳어져 변형되지 않게 된다. 이 자물쇠가 풀리면 불가사리는 몸을 자유자재로 변형시킬 수 있다. _245쪽