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들이쉬고, 내쉬고. 들이쉬고, 내쉬고.

생명을 유지한다는 것은 곧 활동을 하는 것입니다.

지금 이 순간에도, 우리 몸속의 세포들은 산소를 이용해 포도당을 연소시키고 있답니다.

나라는 생명이 살아갈 그 다음 1초를 계속 이어나가게 만들 수 있는 에너지를 만들어내기 위해,

호흡을 통해 몸속 세포들에게 산소를 계속 불어넣어 주고 있습니다.

호흡이라 함은, 매우 어려운 문제에 대한 해답입니다.

어떻게 세포를 계속 살아가게 하는 자원들을

세포 바깥에서, 안쪽으로 불어넣어 줄 수 있는가에 대한 해답이죠.

살아 있는 모든 것들은 이 문제에 대한 해결책을 찾아야만 합니다.

그리고 그 해결책은

생명체의 가장 중요한 제한장치에 따라 확연히 차이가 납니다.

바로 ‘크기’ 죠.

다른 영상에서 이미 다루었다시피,

서로 다른 크기를 가진 우주의 거주자들에게, 우주의 물리 법칙은 상이한 결과를 가져다줍니다.

기온, 극미 중력 상태 또는 표면장력과 같은 간단한 것들이

신경도 안 쓰일 수도 있고, 저승사자가 될 수도 있습니다.

몸집이 얼마나 큰 지에 따라서 말이죠.

생물은 자신의 생명을 계속 유지시키기 위해 각각 많은 다양한 재료들을 필요로 합니다.

게다가, 어떻게든 그 재료들을 바깥으로부터 구해 체내로 옮겨줘야만 하죠.

우리가 살아가는 우주에선 어떤 활동을 하든 에너지를 필요로 하기 때문에,

처음 생명을 꽃피운 생물에게는 이것이 아주 큰 걸림돌이었습니다.

하물며, 지구의 초기 생명체들은 수십억 년이라는 기나긴 세월 속 진화 이후 일궈낸,

에너지를 얻는 데에 있어 유용한 도구나 기술을 가지고 있지 못했습니다.

그래서, 초창기 생명체들은 에너지를 사용하지 않으면서 좋은 것만 체내로 들이고

나쁜 것은 체외로 빠져나오게 하는 방법을 우선적으로 찾아야 했습니다.

다행히도, 초기 형태의 생명체들은 그 크기가 매우 작았습니다.

그랬기에 그 생명체들은 물질을 운반하기 위해서

‘확산’이라는 아주 자유로운 물리 법칙에 의존할 수 있었죠.

확산이란, 분자들이 모든 방향으로 끊임없이 움직이도록 하는 우주의 법칙입니다.

특히나 액체나 기체 상태에서 잘 일어나죠.

분자들은 돌아다니며 서로에게, 또는 타 종류의 분자들과 부딪히면서

퍼져나가는 경향이 있습니다.

예를 들어, 물 속에 각설탕 한 개를 빠뜨리면

한 곳에만 설탕의 대부분이 쌓여있고, 다른 곳에는 거의 없겠죠.

그러다 설탕이 물에 용해되기 시작하면, 설탕의 분자들이 뛰쳐나와 물 분자들이나

다른 설탕 분자들에 부딪힐 겁니다.

서서히 모든 설탕 분자들이 퍼져나가며 다른 농도를 가진 여러 단계가 형성되겠죠.

이런 자유로운 움직임은 물에 설탕이 고르게 녹아드는 시점까지 계속됩니다.

확산의 좋은 점은,

생명체가 공짜로 사용할 수 있다는 것입니다. 에너지가 들지 않으니까요.

그리고 생명체는 공짜를 좋아하죠.

그리하여 지구상의 모든 생명체가 확산에 의존하게 됩니다.

그러면 지구상에서 가장 작은 생물인 박테리아를 살펴봅시다.

표면에 중점을 두어서 말이죠.

세포막은 특정한 분자의 확산만을 허가하는 조직입니다.

여기 보이는 이 박테리아는 산소를 소비해가며 생명을 이어나가고,

체내에서 그 폐기물로 이산화탄소를 생성합니다.

그러다 보면 박테리아 안에 산소는 적고 이산화탄소는 많아지게 됩니다.

확산으로 이러한 분자들은 고르게 퍼지게 되므로, 이산화탄소는 체외로 빠져나가고

그와 함께 산소는 밖에서 계속해서 채워져 들어갑니다.

하지만 이러한 유형의 “호흡”은 아주 작은 세상에서만 통합니다.

박테리아, 아메바나 체세포 그리고 몇몇 아주 작은 동물들에게만 말이죠.

곤충의 호흡을 예로 들어보자면,

곤충에게는 공기가 매우 천천히 흘러가 체세포와 기체 교환을 할 수 있도록

세밀한 기관들과 압력 변화를 줄 수 있는 통로가 있습니다.

하지만 곤충조차도 기관을 수축하며 조절할 수 있는 것으로 보이며,

그것들 중 일부는 기문이나 기낭을 가져 호흡을 특수하게 조절할 수 있습니다.

특정 크기에서는 확산이 세포가 살아있도록 하기에는 너무 느리게 진행되기도 합니다.

확산의 근본적인 문제는 주변과의 물질 교환이 표면에서만 이루어질 수 있고,

내부에 담아낼 수 있는 특정 양까지만 물질의 확산이 일어난다는 것입니다.

작은 생물들은 내부 공간, 부피가 너무 적고

그에 비해 외부, 즉 표면적이 넓습니다.

그런데 갑자기 대왕고래만큼 큰 박테리아를 만들고 싶어져서

그것을 당장 시행해 볼 수 있는 기계가 있다면 어떨까요?

안타깝지만 그 실험은 제곱-세제곱 법칙 때문에 엉망이 될 겁니다.

간추려 말하자면, 무언가를 10배 키우면

그것의 겉넓이는 100배로, 부피는 1000배로 증가할 것이라는 소리입니다.

녹농균을 대왕고래에 견주어 본다면,

박테리아의 부피 대비 면적이 고래의 천만 배임을 알 수 있습니다.

박테리아는 외부가 더 많은 부분을 차지하고, 고래는 내부가 더 많은 부분을 차지합니다.

고래 만한 크기의 박테리아를 만든다면, 이 거대 박테리아는 내부가 너무 커져

내부에 있는 것들이 모두 표면에서 굉장히 멀어지게 될 것입니다.

필요한 산소가 내부에 도달하기도 전에 산소가 바닥나 버릴 겁니다.

우리의 거대한 박테리아 친구는 죽어버리고 말겠죠.

그래도, 크기가 크면 좋은 점이 많습니다.

쉽게 잡아먹히지도 않고 다른 걸 잡아먹기도 쉽죠.

하지만 세포는 커지는 데 한계가 있습니다.

일정 거리를 넘어가면 산소와 영양소가 제대로 확산이 되지 않아서

세포 내부에 충분히 공급되지 않으니까요.

그래서 생명체는 다세포 구조를 형성하여 이 문제를 해결했습니다.

혼자 있지 않고 여러 세포가 뭉치는 겁니다.

확산은 훨씬 큰 세포 하나가 있을 때보다 작은 세포 여럿이 있을 때 더 효율적이기 때문이죠.

시간이 지남에 따라 세포 친구들은

각자 서로 일을 분배하고 세분화하기 시작했습니다.

어떤 세포는 주위 환경을 감지하는 데 집중하고

어떤 세포는 소화에, 어떤 세포는 움직임에 집중했죠.

하지만 그것만으로는 부족했습니다.

확산의 효율 문제, 표면적 문제 그리고 에너지 생산 문제는 여전해서

이런 식의 첫 다세포 생물 역시도 크기를 마음껏 늘리는 데에 한계가 있었습니다.

그래서, 더욱 크기를 키우기 위해

생명체는 구멍을 뚫거나 공간을 만들고, 스스로를 접는 방식으로 이를 해결했죠.

덕분에 확산은 각 세포에서 쉽게 일어날 수 있게 되었습니다.

인간의 몸을 생각해 보자고요. 몸 외부, 즉 피부로 여겨지는 부분은

면적이 2제곱미터 정도 됩니다.

반면 여러분의 폐는 70제곱미터의 표면적을 지니고 있습니다.

인간의 폐는 풍선이라기보다,

혈관으로 둘러싸인 아주 조그마한 풍선들로 이루어진 스펀지에 가깝습니다.

우리가 숨을 들이마실 때,

그 모든 작은 풍선들 하나하나에 신선한 공기가 차오르고

이산화탄소로 가득 찬 정맥혈이 그 풍선을 감싼 채로 쥐어짜지면서

마법과도 같은 확산의 순간이 이루어지죠.

산소가 혈액 속으로 녹아들어 적혈구에 의해 운반되고

이산화탄소는 혈액 속에서 빠져나와 폐로 들어가면서 날숨이 됩니다.

그런 다음 혈액은 산소가 풍부한 혈액을 몸 끝까지 운반하고

노폐물인 이산화탄소를 수집합니다.

신체에서의 확산은 1mm의 거리에서 효과적이기 때문에

사람의 몸 속 모든 세포들은 혈관으로부터 최대 1mm 떨어져 있습니다.

그래서 사람처럼 중간 정도 되는 크기의 동물들은

체내의 모든 체세포들에게 닿을 수 있을 정도의 많은 혈관들을 필요로 합니다.

몸속 혈관 중 가장 작은 모세혈관만 떼어서 일자로 가지런히 놓아도 10만 km입니다.

표면적은 1000제곱미터에 이르고요.

이건 외부 환경으로부터 무엇인가를 받아들이는 모든 신체 조직에 해당되는 사실이기도 합니다.

우리의 몸은 영양소를 받아들이기 위해 음식과 맞닿을 수 있는 표면이 필요하므로

소화 기관의 표면적은 대략 40제곱미터, 배드민턴 코트의 절반 정도나 됩니다.

몸집이 더 커질수록, 표면적의 활용은 더욱 중요해집니다.

나무를 예로 들면, 나무는 옅은 공기와 햇빛으로 당을 만들어 생명을 유지합니다.

그러니 표면적을 가능한 한 많이 넓혀야 유리하겠네요.

오렌지 나무에는 나뭇잎이 2000개 있는데

이 잎의 표면적 총량은 200제곱미터입니다.

그런데 실제로 확산이 이루어지는 잎 내부의 면적은 6000제곱미터나 되죠.

뿌리도 마찬가지입니다.

수많은 잔뿌리로 표면적을 극대화해 토양으로부터 물을 끌어옵니다.

1제곱미터의 면적에서 자란 풀의 뿌리는 350제곱미터의 면적까지 뻗어나갈 수 있습니다.

이 행성에 사는 경이로운 생명체들의 다양성을 보자면

똑같은 거라곤 없는 것처럼 보입니다.

그리고 실제로도 그렇고요.

하지만 기본적인 몇몇 법칙들은 모든 생물에게 똑같이 적용되고,

수십억 년간 크게 변하지 않았습니다.

아주 작은 생물을 봐도, 아주 큰 생물을 봐도

똑같이 노폐물은 밖으로 배출되고, 새 연료가 안으로 들어갑니다.

큰 동물들은 그저 그게 일어나는 통로가 많이 복잡할 뿐이죠.

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