[뉴마인드] 생명체 형태의 기원 I 인간보다 큰 곤충이 없는 이유

 

 

예전에 사람들은

큰 생물은 큰 입자로 구성되고

작은 생물은 작은 입자들로 구성되었다고 생각했습니다.

그런데 과학 기술이 발전하면서

하마를 구성하는 세포와 단세포 원생 동물을 구성하는 세포의 크기는

거의 같다는 것을 알게 됐습니다.

 

우리가 사는 우주에 존재하는 모든 것들은

모두 비슷한 크기의 입자들이 모여 만들어지고

큰 것들은 작은 것들이 더 많이 축척되어 만들어진 것입니다.

 

모든 생물의 삶은

그 크기에 따라 천차 만별로 달라집니다.

그런데 이렇게 절대적인 생명의 크기는

어떻게 정해지게 되었을까요?

 

가장 큰 영향력을 행사한 것은 바로 중력입니다.

중력 때문에 세상의 모든 것들과 생명체들의 크기가 지금의 크기가 된 것이죠.

 

가끔 SF영화에서 인간보다 큰 거대 곤충들이 나와 건물을 부수거나 하지만

사실 현실에선 그런 일이 절대 일어날 수가 없습니다.

곤충이 그렇게 커진다면

그 곤충은 자기 더듬이를 들어올릴 수 없을 정도로 힘이 줄어들 것이고

곤충의 다리는 몸의 무게를 감당하지 못하고 부서질 것이기 때문입니다.

 

이것을 설명하는 법칙이

바로 갈릴레오 갈릴레이가 발견한 ‘역학적 상사’입니다.

쉽게 말하면

모든 물체는 크기가 커지면

엄청난 비율로 무거워진다는 의미입니다.

 

예를 들어

작은 동물의 뼈보다 세 배 긴 큰 동물의 뼈가

작은 동물의 뼈가 수행하는 기능과 동일한 기능을 수행하려면

두께가 세 배보다 훨씬 더 많이 늘어나야 합니다.

바로 중력 때문입니다.

 

그런데 눈에 보이지 않는 미생물들은

너무나도 무게가 적기 때문에

중력의 영향에서 거의 완전히 자유롭습니다.

그래서 형태도 자유롭습니다.

 

단세포 원생 동물인 나팔벌레는 깔때기 모양으로 생겼고

종벌레 매우 긴 줄기 위에 컵이 얹힌 모양을 뜁니다.

유리 헬멧처럼 생긴 미생물도 있고

바늘꽂이처럼 생긴 미생물도 있습니다.

이런 미생물들은 어디가 위인지 아래인지 분명하지 않으며

짧은 시간 동안 살면서 여기저기 구르고 튕기고 부딪칩니다.

 

이 미생물들이 띠는 형태는

인간의 크기 수준에서는 불가능합니다.

미생물들은 대신에 분자들의 거센 움직임과 싸워야 합니다.

이것을 브라운운동이라고 합니다.

 

이 미생물들은

자신의 생존을 의존하는 숙주를 구성하는 분자들의 움직임에 영향을 받습니다.

 

예를 들어

이들에게는 물 분자도 큰 힘입니다.

원생동물은 자기에게는 매우 밀도가 높게 느껴질

물 한 방울을 힘겹게 통과하고

자기 세포막 안에 있는 점성이 높은 물의 영향을 받기도 합니다.

 

미생물이 사는 환경에서

온도 변화가 일어나 물의 증발 상태가 약간만 변해도

미생물은 엄청난 영향을 받아 이리저리로 빠르게 움직이게 됩니다.

 

이런 미세한 환경에서는

미세한 전하 발생이나 화학 반응도

미생물의 생존 활동과 형태에 엄청난 영향을 미칠 수 있습니다.

 

벼룩은 몸 전체 길이의 200배까지 뛰어오를 수 있지만

다리가 물방울을 뚫고 들어가면

그 자리에서 꼼짝도 할 수 없게 됩니다.

벼룩처럼 작은 생명체에겐

액체의 표면 장력은 상당히 큰 힘입니다.

소금쟁이 같은 작은 생물체의 삶 전체를 바꿀 수 있습니다.

 

그러나 크기가 커질수록 생물의 형태는 점점 더 크게 중력에 반응하게 되며

위와 아래가 중요해집니다.

그리고 중력에 버티기 위한 구조화의 필요성이 더 커집니다.

 

자연은 작은 생명체들이

속은 비고 겉이 딱딱하게 채워진 외골격을 가지도록 만들었고

작은 생명체들은 그 외골격을 매우 효율적으로 사용합니다.

 

예를 들어

개미와 딱정벌레는 장력 축에 의존하는 속이 빈 껍질 형태를 띱니다.

이 곤충들에 튜브 구조의 다리 부분은

수평 방향으로 몸에서 나와 땅 쪽으로 구부러집니다.

이 곤충들의 몸은 외팔보 위치에 있는 다리들의 의해

땅에서 떨어져 지탱합니다.

안에 연조직이 들어 있는 골격 구조인 외골격은

개 크기의 생명체에서까지만 효율적으로 기능합니다.

 

큰 거북이의 껍질은 매우 두꺼워야 하기 때문에

실용성의 한계를 초과해 큰 부담이 됩니다.

 

개와 바닷가제조차 큰 껍질 때문에 위험의 처 처할 때가 있습니다.

껍질이 쉽게 부서지기 때문입니다.

안이 비어 있는 형태는 크기가 커지면 상당히 취약해집니다.

크기가 더 커지면 속이 빈 골격 구조로는

중력에 버티기 어려워집니다.

크기가 커질수록 내부에서 구축된 골격이

크기의 증가에 더 잘 대처할 수 있게 되기 때문입니다.

 

자연은 큰 동물들에게 내부 골격을 부여함으로써

몸무게를 더 잘 분산하게끔 했습니다.

큰 동물들에서 사용되는 뼈 중에서 속이 빈 형태는

두개골이 유일합니다.

 

중력의 영향을 가장 많이 받는 육상동물은 하마와 코끼리입니다.

이 동물들의 다리는 거대한 몸의 네 구석을 지탱하면서

압축력을 받는 곧은 기둥이라고 할 수 있습니다.

 

과거 거대한 육상생물 공룡은

예를 들어 브라키오사우루스 처럼 키가 12m 이르고

몸집이 육중한 거대한 육상생물들은

물에서 상당히 많은 시간을 보냈을 것입니다.

이런 거대 육상생물들은 중력 때문에

장기와 근육이 계속 부담을 받았을 것이고

물에서 휴식을 취함으로써 그 부담을 줄였을 것입니다.

 

수중 동물들은 물의 흡수와 확산 특성을 이용해

자신의 구조적 문제를 해결합니다.

물고기의 골격과 뼈는

물의 하중을 흡수하고 자신의 격렬한 움직임을 감당할 수 있을 정도로

얇고 유연하지만

육상생물의 뼈 구조처럼

한 방향으로 끌어당기는 중력을 감당할 수 있는 구조는 아닙니다.

 

고래는 몸집이 너무 커

땅 위로 옮겨 놓으면 생존할 수 없습니다.

고래의 뼈가 크긴 하지만

땅에서 몇 톤에 이르는 엄청나게 무거운 몸을 유지하면서

빠르게 움직일 수 있을 정도로 크지는 않습니다.

 

고래의 몸이 엄청나게 커진 유일한 원인은

물의 부력입니다.

크기는 형태를 결정하는 수준을 넘어

생명체의 생명 유지 패턴도 결정합니다.

 

큰 동물은 대부분 크기에 비해 산소를 적게 소비하며

에너지를 적게 쓰고 먹이도 적게 먹습니다.

큰 동물은 작은 동물보다 날개 등의 움직임이 느리고

목소리가 낮고 심장이 느리게 뛰고 오래 삽니다.

 

반면 작은 동물은 대부분 크기에 비해

엄청나게 많은 양의 먹이를 먹고

날개의 움직임이 빠르고, 심장도 빠르게 뜁니다.

작은 동물은 크기에 비해 많은 양의 산소를 소비하고

에너지가 많은 먹이를 먹으며

목소리가 높고 수명이 짧습니다.

 

고양이와 여우는 매우 빠르지만 움직임이 부드럽습니다.

호랑이도 매우 빠르게 달리지만

고양이나 여우만큼 짧은 시간 내에 최고 속도를 내지는 못합니다.

 

생물학자 다시 톰프슨의 따르면

인간은 매일 체중의 2% 정도 되는 양의 음식을 섭취하지만

쥐는 하루에 제 몸무게 정도 되는 먹이를 먹습니다.

쥐보다 훨씬 작은 온혈동물은 존재할 수 없을 것으로 보입니다.

 

그 정도 크기의 동물은

체온을 일정하게 유지하는데 필요한

먹이를 구할 수도, 소화할 수도 없을 것이기 때문입니다.

 

따라서 가장 작은 개구리나

가장 작은 물고기만 한 포유동물이나 새는

존재할 수 없습니다.

작은 크기가 불리해지는 현상은

북극 같은 환경 또는 열대류 현상이 두드러지는 바다 환경에서 심화됩니다.

 

북극 지역에서 큰 새들은 살 수 있지만

작은 새들은 살 수 없습니다.

또 바다에서는 작은 포유류가 살지 않습니다.

 

작은 동물은 큰 동물에 비해

아주 적은 노력으로도 빠르게 움직일 수 있지만

같은 위치에서 버티기 위해서는 더 많은 적응을 해야 했습니다.

 

작은 동물들은 큰 동물들보다

발톱, 갈고리, 흡착판, 집게 같은 것들이 더 많이 필요합니다.

파리의 발이 코끼리에 발처럼 뭉뚝하고 부드럽다면

바람만 조금 불어도 여기저기로 날려 다닐 것입니다.

 

생물은 크기가 커지면

고정 수단이 덜 필요해집니다.

실제로 아주 작은 생물은 갈고리나 빨판

중간 크기의 생물은 발톱이나 손

큰 동물은 발굽이 필요하며

발이 평평한 코끼리는

중력만으로도 제자리에 안정적으로서 있을 수 있습니다.

 

일부 예외도 있지만

일반적으로 나는 동물은 걷는 동물보다 작습니다.

나는 동물 중에서는 큰 동물이 나는데 불리합니다.

 

새와 곤충의 날개짓 메커니즘은 크기의 제약을 받습니다.

몸이 일정 수준 이상으로 커지면 비행이 불가능해집니다.

새가 날기 위해서 반드시 해야 하는 일의 양은

새의 무게와 길이에 비례합니다.

클수록 새는 더 많은 일을 해야 한다는 뜻입니다.

새는 크기가 두 배가 될 때마다 날기가 1.4배씩 어려워집니다.

 

예를 들어

참새보다 25배 큰 타조는

참새보다 다섯 배는 더 날기 힘듭니다.

따라서 타조는 날개를 움직여 날 수 있는 상한선을 넘었다고 할 수 있습니다.

반면 곤충은

작은 크기의 장점 때문에 상당히 잘 날 수 있습니다.

 

중력이 2배로 늘어난다면

우리는 두 발 보행을 할 수 없게 될 것입니다.

육상동물 대부분은 뱀과 비슷해질 것이고

새들도 날기에 힘들어질 것입니다.

그러나 곤충들은 영향을 덜 받을 것이고

곤충보다 더 작은 미생물 같은 것들은 거의 변화를 겪지 않을 것입니다.

 

반면 중력이 반으로 줄어들면

우리는 더 가볍고 날씬하고 활동적인 형태로 변화할 것이며

에너지와 열이 덜 필요할 것이며

폐가 작아지고 혈액과 근육의 양도 줄어들 것입니다.

하지만 미생물은 전혀 이득을 얻지 못할 것입니다.

 

환경에 적응하여 생존한 생물들은

유전자를 통해

다음 세대에 그 모양과 크기 등의 생존에 유리한 형질을 전달했고

적응하지 못한 생물들은 살아남지 못했습니다.

 

모든 생명체가 지금의 모습인 것은

중력을 비롯한 모든 지구환경에 적응했기 때문입니다.

너무 익숙해서 있게 되는 지구환경의 중요성을

다시 한번 생각해 보게 됩니다.