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머리 회전으로 꼬리의 '와류 추진력' 보완

'네이처 어드밴시스' 논문, "헤엄치기완 거리 멀어"

일반인에겐 '레벤후크'로 더 많이 알려진 네덜란드의 박물학자 안톤 판 레이우엔훅(1632~1723)이 인간의 정자 운동을 현미경으로 처음 관찰한 건 300여 년 전이다.

당시 그는 '뱀이 기어가듯이 꼬리를 흔들어 물속의 장어처럼 헤엄친다'라고 정자의 움직임을 묘사했다.

자신이 발명한 초기 현미경으로 2차원 이미지를 관찰한 레벤호프로서는 그렇게 볼 수밖에 없었을 것이다.

최초의 관찰자인 레벤후크가 그렇게 말했기 때문인지는 몰라도 일반인은 지금도 난자를 향해 전력으로 헤엄치는 정자의 이미지에 익숙하다.

그런데 역사의 한 장면처럼 전해진 레벤후크의 정자 관찰 결과가, 사실은 2차원 현미경이 유발한 '착시(optical illusion)' 현상인 것으로 밝혀졌다.

실제로 정자는 수영(swimming)이 아니라 회전(spinning)에 가까운 움직임으로 추진력을 확보했다.

알려진 것과 달리 정자의 꼬리는 한쪽으로만 흔들려 똑바로 가는 추진력을 만들지 못했다.

이렇게 소용돌이처럼 불안정한 동력을 직진이 가능한 전방 추진력으로 변환하는 게 바로 머리 부분의 절묘한 회전 운동이었다.

이 연구를 수행한 영국 브리스톨 대학과 멕시코 국립 자치 대학 과학자들은 1일 저널 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances)에 관련 논문을 발표했다.

사상 초유의 3차원 정자 운동 관찰에는, 초당 5만5천 프레임 이상 촬영하는 초고속 카메라와 압전 기기를 탑재해 빠른 배율 조작이 가능한 현미경 스테이지 등이 총동원됐다.

3차원 영상으로 보니 정자의 꼬리는 한쪽으로만 불안정하게 흔들렸다. 그대로 두면 정자가 제자리를 맴돌 수밖에 없는 꼴이었다.

이 우스꽝스러운 꼬리 흔들기 결과를, 머리 부분의 고도로 동기화된 회전 운동이 전방 추진력으로 바꿨다.

언뜻 보면 장난치는 수달과 비슷하지만, 정자의 회전 운동엔 복잡한 운동 역학이 내재해 있었다.

예컨대 꼬리가 흔들리는 순간에 정확히 타이밍을 맞춰 머리가 회전해야 원하는 방향으로 이동이 가능하다.

물리학에선 이런 걸 '세차(歲差) 운동'이라고 하는데 지구와 화성이 태양 주위를 돌 때도 세차 운동이 관찰된다.

연구팀은 정자의 이런 진화 적응을, 불균형을 탈피해 균형을 창출한 '천재적인 수학 퍼즐 풀기'에 비유했다.

이 발견엔 엄청난 잠재적 가치가 있다고 연구팀은 자평한다.

단순히 과학적 오류를 수정하는 걸 뛰어넘어, 인간의 생식 과정과 불임 치료 등 연구에 지각 변동을 가져올 거라는 얘기다. 실제로 불임의 과반은 남성 쪽에 원인이 있다.멕시코 자치 대의 알베르토 다르손 박사는 "정자가 가진 놀라운 능력에 눈을 뜨게 했고, 정자 운동이 자연 수정에 미치는 영향을 이해하는 데 혁명을 가져왔다"라고 말했다.

캐나다 퀸스대 연구진, 새로운 뇌 활동 분석법 개발

뇌 활동 패턴 단순화하니 ‘생각 벌레’ 형상 나타나

       뇌에서는 하루에도 수천번의 생각이 떠올랐다 사라지는 것으로 추정된다.

하루에도 우리는 수많은 생각을 하며 산다. 의식적으로 생각하는 것들도 있고, 자신의 의도와 상관없이 자연스럽게 떠오르는 생각들도 있다. 주로 일상적으로 부닥치는 외부환경의 자극에 반응하는 익숙하고 반복되는 생각들이 대부분이겠지만, 때로는 거기에서 그치지 않고 뭔가 새롭고 창의적인 것들도 떠오른다. 교육이나 처세 전문가들은 잠시 떠올랐다 사라지는 이 소중한 생각들을 살려내려면 항상 메모하는 습관을 들이라고 말하기도 한다. 과연 우리는 얼마나 많은 생각들을 하면서 살고 있을까?

평범한 하루 일상을 보내는 건강한 성인들의 경우 하루에 평균 6000번 이상의 생각을 하는 것으로 추정된다는 연구 결과가 나왔다. 캐나다 퀸스대 심리학자들은 사람이 하나의 생각을 끝내고 다른 생각을 하기 시작할 때를 가려내는 새로운 방법을 개발해 추정한 결과 이렇게 나타났다고 밝혔다.

연구진이 개발한 것은 사람이 하나의 생각에 집중하는 연속적인 순간을 뜻하는 ‘생각 벌레’(thought worm)를 가려내는 방법이다. 연구진은 분석을 쉽게 하기 위해 뇌 활동 영상을 단순화하는 방법을 고안했다. 뇌 혈류 변화를 감지하는 fMRI(기능적 자기공명 영상) 이미지를 시간 경과에 따라 15가지 이미지로 변환한 뒤 이를 2차원 공간에 투사한 것. 그 결과 나타난 2차원 이미지가 벌레 모양이라고 해서 붙인 명칭이 ‘생각 벌레’다.

연구를 이끈 조던 포펜크 박사는 “생각벌레는 뇌의 활동 패턴을 단순하게 표현할 경우 인접한 점들의 집합”이라며 “새로운 생각을 하게 되면 뇌에 새로운 생각벌레가 만들어진다”고 밝혔다. 연구진은 ‘인간 뇌지도 프로젝트’에 참가한 184명의 영상 시청 관련 데이터에서 얻은 뇌 영상을 분석한 결과, 영화 장면이 전환되면 새로운 생각벌레가 출현하는 걸 확인했다.

연구진의 뇌 영상 패턴 단순화 기법을 통해 드러난 생각벌레들.

1분당 평균 6.5번 생각 전환이 일어나다

연구진에 따르면 인지신경과학계는 지난 15년에 걸쳐 뇌 촬영 기술을 이용해 사람들이 무엇을 생각하는지를 추정할 수 있는 단계까지 나아갔다. 이 때 과학자들은 뇌 영상을 기존의 뇌패턴 견본과 비교하는 방식을 이용한다. 그러나 이런 방법에는 연구진이 관찰하고 싶어하는 모든 생각에 관한 뇌 패턴 견본이 있어야 한다는 한계가 있다. 이런 견본을 만들려면 비용도 많이 들고 시간도 많이 걸린다.

퀸스대 연구진은 발상을 바꿔봤다. 사람이 무슨 생각을 하는지를 파악하는 대신 생각을 하지 않는 순간을 파악하는 것에 초점을 맞추기로 했다. 뇌 신경 네트워크가 활성화하는 순간과 비활성화하는 순간을 구분해보자는 것이다. 이렇게 하면 새로운 생각이 무엇인지와는 상관없이 새로운 생각을 하는 순간을 파악할 수 있다.

예컨대 문장의 내용은 보지 않고 문장의 마침표만 보는 방식이다. 실험 데이터의 뇌 영상 분석 결과, 1분당 평균 6.5번의 생각 전환이 이뤄진 것으로 나타났다고 밝혔다. 연구진은 하루 수면시간을 8시간으로 전제하고 실험 결과를 하루 전체로 확대 적용하면, 건강한 성인 남자의 경우 하루 평균 6200번의 생각이 뇌에서 일어나는 것으로 추정했다.

연구진은 보도자료를 통해 “자연스럽게 일어나는 생각들에 대한 기초 연구는 커피 한 잔을 마시는 시간은 생각에 어떤 영향을 미치는지, 한 영화를 두번째 볼 때는 생각이 어떻게 달라지는 등 실질적인 문제에 대한 답을 얻는 데 도움을 줄 수 있을 것”이라고 밝혔다.

연구진은 나아가 이번 연구 성과가 생각에 관한 새로운 연구의 길을 열어줄 수 있을 것으로 기대했다. 예컨대 약물의 영향이나 스트레스를 받는 상황에서 사람들의 생각이 어떻게 변화하는지에 대한 시사점을 얻을 수 있다. 또 생각의 전환 속도가 주의력 지속 능력과 관련이 있는지, 정신분열증이나 주의력결핍과다행동장애(ADHD) 등의 조기 진단에 도움이 되는지 등 많은 곳에 쓰일 수 있을 것으로 전망했다.

이번 연구 결과는 공개 과학 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 7월13일치에 실렸다. < 곽노필 기자 >

카이스트, 콜라·사이다·오렌지주스 비교 분석

거칠기는 10분만에 5배, 탄성은 5분만에 5분의1로

표면 울퉁불퉁해지는 건 주스보다 탄산음료가 세

청량음료가 치아를 부식하는 과정은 예상보다 빨리 진행됐다.

콜라, 사이다 같은 청량음료가 치아를 부식시키는 장면을 포착한 현미경 사진이 공개됐다.

카이스트(한국과학기술원) 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀은 원자간력 현미경(AFM)으로 청량음료가 치아 표면에 일으키는 변화를 사진으로 촬영하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.

청량음료 노출 시간에 따라 변화하는 치아의 표면. 10분 후 치아 표면이 5배나 더 울퉁불퉁해졌다. 위로부터 코카콜라, 스프라이트, 미닛메이드 오렌지주스.

원자간력 현미경(AFM)은 주사형 탐침 현미경(SPM)의 하나로, 끝에 있는 나노미터(1나노미터는 100만분의 1밀리미터) 수준의 미세한 탐침과 시료 표면 사이에 작용하는 원자간력을 이용해 3차원 이미지를 얻는 장치다.

청량음료의 성분이 치아 표면에 미치는 변화는 크게 두 가지로 나눠볼 수 있다. 하나는 거칠기(roughness), 다른 하나는 탄성 계수(elastic modulus)다. 거칠기는 표면의 울퉁불퉁한 정도를, 탄성계수는 표면의 단단한 정도를 나타내는 말이다.

치아는 여러 층의 물질로 이뤄져 있는데, 이 가운데 가장 단단한 부분은 치아 보호막 역할을 하는 가장 바깥쪽의 법랑질(에나멜)이다. 연구진은 콜라·사이다·오렌지주스 3종의 청량음료에 치아를 각각 담근 뒤 시간대별로 꺼내 부식된 정도를 살펴봤다. 시료로 사용한 음료는 코카콜라(콜라), 스프라이트(사이다), 미닛메이드(오렌지주스)였다. 코카콜라의 주성분은 탄산수, 액상과당, 천연향료, 캐러멜 색소, 카페인이다. 스프라이트는 탄산수, 액상과당, 구연산, 천연향료, 구연산 나트륨, 벤조산 나트륨 등이다. 미닛메이드는 유기산(구연산, 말산, 아스코르브산), 설탕, 페놀성 화합물 등이다.

현미경 측정 결과 치아 법랑질의 표면 거칠기는 10분만에 5배 정도 커지고, 탄성 계수는 5분 사이에 5분의1 수준으로 떨어졌다. 치아의 부식 정도는 음료 간에 뚜렷한 차이가 없었다. 다만 표면 거칠기에서는 탄산 성분이 있는 음료가 더 큰 폭의 변화를 일으켰다.

연구진은 치아에 흠집이 있을 경우 부식 속도가 훨씬 더 빠르게 진행된다는 사실도 확인했다. 홍승범 교수는 "실제 치아가 부식하는 데는 침을 비롯한 각자의 구강 위생 환경의 영향을 받기 때문에 이보다는 덜할 수 있을 것"이라고 말했다.

현미경 측정에 사용한 치아의 단면도(왼쪽)와 원자간력 현미경의 탐침(오른쪽).

연구 결과는 국제 학술지 `생체 재료의 기계적 행동 저널'(Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials) 6월29일치에 실렸다. 논문 제목은 `Nanoscale effects of beverages on enamel surface of human teeth: An atomic force microscopy study'. < 곽노필 기자 >

40년 기록 토대 추산…현재 최고 기록은 36살 남성의 75개

핫도그 빨리먹기 최고기록 보유자인 조이 체스넛의 경기 장면.

인간의 한계에 대한 끊임없는 도전은 인간의 본성일까?

육상 경기에서 배출하는 신기록들은 한계에 도전하는 인간의 불굴의 정신과 노력을 극적으로 드러내 보여준다. 이에 따라 1950년대엔 1마일(1609미터) 4분 벽이, 1960년대엔 100미터 10초 벽이 깨진 데 이어, 지난해엔 마라톤 2시간 벽이 인간의 투혼 앞에서 차례로 무너졌다.

수많은 기록 경기 중엔 `빨리 먹기'도 있다. 스포츠가 운동 능력의 한계에 대한 도전이라면, 빨리 먹기는 섭취 능력의 한계에 대한 도전이다. 그 중 가장 유명한 것으로는 매년 7월4일 미국 독립기념일에 맞춰 뉴욕에서 열리는 `네이슨 핫도그 먹기 대회'(Nathan’s Famous Hot Dog-Eating Contest)가 있다. 1972년부터 거의 매년 열리는 나름 전통있는 대회다.

지난 4일 열린 올해 대회에서 또 신기록이 나왔다. 이 부문 최고 기록 보유자인 36살의 조이 체스넛(Joey Chestnut)이 10분만에 75개를 먹어치우면서 기록을 경신했다. 자신의 최고 기록을 2년만에 1개 더 늘렸다.

네이슨핫도그먹기 대회 우승자에게 주어지는 트로피와 핫도그.

핫도그 먹기 기록 행진의 끝은 어디일까? 과연 사람은 얼마나 빨리 핫도그를 먹어치울 수 있을까? 뉴욕 핫도그먹기대회와 같은 10분이 주어질 경우, 사람이 먹어치울 수 있는 핫도그 수는 이론적으로 84개가 한계치라는 이색 연구 결과가 나왔다. 중량으로 따지면 1분당 최대 832g이다. 이 대회에 쓰이는 핫도그는 중량 100g, 열량은 290칼로리(지방 53%, 탄수화물 31%, 단백질 14%)로 예나 지금이나 변함이 없다고 한다.

미국 노스캐롤라이나 하이포인트대의 생리학자 겸 물리치료사인 제임스 스몰리가(James Smoliga)는 15일 영국 왕립학회가 발행하는 학술지 `생물학보'(Biology Letters)에 발표한 생리학 논문에서 네이선 핫도그 대회의 기록을 토대로 `장 가소성'(gut plasticity) 모델을 이용해 계산한 이론적 한계치를 발표했다.

그의 분석에 따르면 오늘날 고도로 훈련받은 핫도그 먹기 선수들의 ‘유효 섭취 속도'(ACR=주어진 시간에 섭취하는 음식량)는 1분당 400g을 넘는다. 이는 대회 초기 우승자의 기록인 1분당 100g의 4배에 이른다. 초기 대회 참가자들은 특별한 연습을 하거나 훈련을 받지 않았다. 이를 고려하면 당시 이들이 냈던 기록은 일반인들의 최대치로 볼 수 있다.

연도별 핫도그 먹기 대회 우승자의 유효섭취속도(ACR). 둥근점은 10분, 사각점은 12분 경기 때의 기록이다. 실선은 모델링에 기초한 예측치다. 왼쪽 축은 문당 섭취중량, 오른쪽 축은 분당 섭취 개수.

40년새 8배 늘어…장 가소성 영향인 듯

스포츠 기록 경신의 역사를 보면 대개 S자 곡선 형태를 보인다. 처음엔 천천히 기록이 상승하다, 어느 순간부터 기록 경신 속도가 빨라지고, 이윽고 평평한 상태를 유지한다. 스몰리가의 분석 결과, 핫도그 먹기 기록도 비슷한 패턴을 보였다. 하지만 스포츠 경기에 비해 곡선이 더 가팔랐다. 핫도그 먹기 대회 우승자의 기록은 약 40년 사이에 700%가 향상됐다. 반면 다른 많은 스포츠 경기들의 우승 기록은 세계기록이 작성되기 시작한 이후 평균 40% 좋아지는 데 그쳤다. 스몰리가는 "마라톤의 경우 세계기록 보유자의 속도는 일반 마라토너 속도의 2배, 시속 5km 속도로 빠르게 걷는 사람의 5배에 불과하다"고 지적했다.

스몰리가는 이런 차이의 원인을 `장 가소성'으로 설명한다. 가소성이란 반복된 훈련 등의 결과로 물체의 성질이 변해 원래의 형태로 돌아오진 않는 것을 말한다. 대회를 치를수록 참가자가 늘어나고 전문적인 훈련법이 등장하면서 먹기 대회 선수들의 소화기관에 놀라운 `장 가소성'이 생겨났다는 것이다. 핫도그 빨리먹기 기록 보유자인 체스넛의 경우 대회에 출전하기 전 3개월간 4~6일에 한 번씩 폭식 연습을 하면서 달리기와 요가를 병행하고 폭식 연습을 마친 뒤에는 며칠 동안 오이, 상추 등 채식으로 몸을 회복시킨다고 한다.

핫도그빨리먹기대회 참가자들의 기록 향상 속도. 매우 빠른 속도로 섭취량이 늘어났다.

인간 한계치, 회색곰이 먹는 속도와 비슷

그러나 이 가소성은 사람의 몸에는 좋지 않은 영향을 끼친다. 많은 양의 음식을 빠르게 먹는 능력을 높이려면 훈련이 필요하지만, 훈련을 하면 몸이 더 튼튼해지는 다른 스포츠와는 달리 짧은 시간에 많은 음식을 먹을 수 있는 능력은 오히려 몸을 해칠 수 있다. 체스넛은 2005년 대회에선 1분에 핫도그 267g만 먹었지만, 2018년엔 1분에 740g을 먹어치웠다. 이렇게 해서 높아진 가소성은 위를 극도로 팽창시키고 위 근육의 연동 능력, 포만감 등을 떨어뜨린다.

짧은 시간에 많은 음식을 먹을 수 있는 능력은 육식동물들이 생태계 내의 생존 경쟁에서 살아남는 데는 유리하다. 한꺼번에 많은 음식을 먹어놓으면 사냥 횟수를 줄일 수 있기 때문이다. 그러나 폭식이 정례화하면 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있다고 스몰리가는 경고했다. 과도한 위장 용량을 유지하려면 계속해서 그만한 음식을 계속 공급해줘야 하는 부담도 있다. 스몰리가는 “인간을 비롯한 몇몇 영장류는 진화를 거치면서 위장의 크기가 작아졌다”며 “이들은 위장에 쓸 에너지를 뇌 활동에 쓰는 것으로 추정된다”고 밝혔다.

스몰리가는 현재 인간의 핫도그 섭취능력 한계치에 대한 종간 비교 결과도 내놓았다. 그에 따르면 인간의 한계치(1분당 832g)는 회색곰(1분당 798g)이 먹는 속도와 비슷하고, 회색늑대(1분당 1119g)보다는 못하다. < 곽노필 기자 >