여러분은 생명체이다

우리 인간을 생각하는 존재로 만들어주는 것은 무엇일까?  살아있다는 것은 무엇을 의미할까? 우리가 살아있음을 알게 해주는 것은 무엇일까? 여러분이 생명체임을 알려주는 것은 무엇일까? 생명체는 열역학 제2법칙을 준수하지 않는 것처럼 보인다.  지구상의 생명체는 돌멩이와 마찬가지로 지구 중력의 영향하에 놓여 있지만, 특히 열역학의 법칙을 비릇한 몇몇 미세한 물리법칙에는 종속되지 않는 것처럼 보인다. 열역학에 관한 열역학 제2법칙을 예로 들면 고립계에서 엔트로피는 증가하나 일정하게 유지될 수 있을 뿐, 절대 감소하지 않는다.

 

호흡은 생명체 집단이 산소가 주는 에너지를 얻기 위해서 사용하는 가장 일반적인 방법이다. 인간의 경우 호흡은 폐에 공기를 채우고 비우는 과정으로 이루어지는데 폐 환기라고 불리는 이 과정은 들숨과 날숨이라는 두가지 활동으로 구분할 수 있다.  들숨은 폐 안을 산소가 풍부한 공기로 가득 채워준다. 폐는 나무를 뒤집어 놓은 것 같은 모양을 하고 있다. 몸체에서 굵은 가지가 나오고, 굵은가지에서 가는 가지가 나오고, 가는 가지에서 더 작은 가지가 나와서 잎에까지 이르는 것이다.  나무의 몸체에서부터 잎에 이르는 부위들을 폐에서부터 각기 기관, 기관지, 세기관, 폐포라고 부른다.  나무가 잎으로 호흡한다는 점을 생각하면, 나무와 폐의 구조가 비슷하다는 것은 결코 우연한 일이 아니다. 폐의 구조는 수학의 프랙털 이론을 연상하게 한다. 이 이론의 목적은 유한한 부피에서 무한한 표면적을 만드는 일이 어떻게 이론적으로 가능한지 파악하는 것이기 때문이다. 물론 폐는 무한한 표면적을 가진 것은 아니다. 폐에 공기가 가득 차면 그 모든 표면적이 몸 밖에서 들어온 공기 및 공기에 함유된 산소와 접촉한다.

 

폐에 공기가 들어오면 폐의 투과성 막을 경계로 농도 차이가 나는 두 매질이 분리되어 있을 때 농도가 높은 매질의 상분이 막을 통과해서 다른 매질로 옮겨가는 교한이 일어나면서 두 매질의 농도가 균형을 이루게 된다. 확산이라는 이름으로 알려진 이 현상은 자연적으로 일어나며, 인체의 특별한 활동을 전혀 필요로 하지 않는다.  혈중 산소 농도가 공기중 산소 농도보다 훨씬 더 낮기 때문에 공기에 함유된 산소분자가 폐의 막을 자연적으로 통과해서 혈액으로 옮겨가는 것이다. 혈액으로 옮겨간 산소는 어떤 일을 할까?  우리의 혈액이 액체인 것은 그 주성분인 혈장이 액체이기 때문이다. 혈장은 성분의 90% 이상이 물이고, 나머지는 영양분, 물질대사에 의한 노폐물, 호르몬 등으로 노르스름한 색을 띤다. 혈정은 혈액의 55%를 차지한다. 

 

혈액이 붉은 색을 띠게 만드는 성분은 혈액의 유형성분 내지는 혈구라는 것으로 이루어져 있다. 혈구는 다시 적혈구, 백혈구, 혈소판으로 나눌 수 있다. 산소가 혈액으로 이동하면 일부는 혈장에 바로 녹아든다.  그러나 대부분의 산소는 혈액에 그대로 있다가 근처에 있는 적혈구로 옮겨간다.  적혈구 세포는 처음 형성될 때는 핵을 가지고 있으나, 성숙해지면 핵을 잃게 된다.  세포가 핵을 잃으면 DNA를 가지지 못하게 되고,  DNA가 없는 세포는 분열을 통해서 복제가 될 수 없다.  그런 세포는 세포질만 가지고 있으며 적혈구의 경우 세포질에는 헤모글로빈이라는 성분이 풍부하게 들어있다. 적혈구는 헤모글로빈을 통해서 폐에서부터 온 산소와 결합한다, 이로써 산소를 운반하는 역할을 하게 된다. 혈액은 심혈관계라는 엄청난 도로망과 통해서 체내를 순환한다. 현재 우리가 가진 적혈구는 아주 가는 혈관을 만나면 넓은 간선도로 같은 동맥을 지날 때보다 훨씬 더 천천히 지나간다. 혈관이 아무리 가늘어도 산소가 혈관의 벽을 통과하는 데에는 아무 문제가 없다. 그 벽의 다른 쪽에 위치한 세포들 (간, 심장 등의 세포들)은 림프액에 잠겨있는데, 이 환경은 산소의 농도가 낮다.  따라서 확산 현상이 자연스럽게 일어나면서 산소분자가 헤모글로빈으로부터 떨어져 나와 혈관벽을 통과해서 가령 근육을 이루고 있는 세포들에 이르게 되는 것이다.

 

근육세포의 경우 세포에 이른 산소는 헤모글로빈과 아주 비슷한 미오글로빈이라는 단백질에 고정된다. 마찬가지로 신경세포에는 뉴로글로빈이 존재하며, 보다 일반적인 다른 세포들에는 사이토글로빈이 존재한다. 어쨌든 그 산소를 가지고 해야 할 일을 하고 나면,  여러 화학작용의 결과로 탄소 원자 1개와 산소원자 2개로 이루어진 이산화탄소 분자가 만들어진다. 그러면 세포내 이산화탄소 농도가 혈관내 이산화탄소 농도보다 높아지고 따라서 다시 확산 현상이 일어나면서 이산화탄소 분자들이 혈액으로 이동한다.