이 글은 『다윈과 게놈지도가 놓친, 진화의 실체 칼슘』(윤종원) 제9장 전문입니다. 제3부를 여는 글을 함께 실었습니다. 본문·수치·인용은 원고 그대로입니다.
제3부를 여는 글: 순환의 확장 (세포에서 지구까지, 같은 원리)
서론: 패턴은 반복된다
앞서 우리는 탄생에서 성장, 번식, 쇠퇴, 사멸, 그리고 환원에 이르는 생명의 여섯 단계를 관통하는 하나의 물질적 경로를 확인했습니다. DIAH-7M 노화 및 만성질환 경로시스템이 그것입니다. 결핍, 염증, 산증, 저산소라는 네 가지 방아쇠가 뼈에서 칼슘을 유출시키고, 유출된 칼슘이 일곱 가지 병리 경로를 통해 노화와 질병을 일으킨다는 이 프레임워크는, DNA가 생명의 설계코드라면 칼슘은 그 설계를 실행하는 실행코드라는 사실을 보여주었습니다.
38억 년 전 최초의 세포는 칼슘의 독성을 역이용하여 신호 체계를 구축했습니다. 5억 4천만 년 전 캄브리아기에 생물들은 칼슘을 세포 바깥으로 내보내 껍질과 골격을 만들었고, 4억 년 전 척추동물은 육지로 올라오면서 뼈를 칼슘 저장고로 활용하는 전신 항상성 시스템을 발전시켰습니다. 마침내 인간의 뇌는 860억 개의 뉴런과 100조 개의 시냅스에서 칼슘 신호를 사용하여 의식과 기억과 사고를 만들어냅니다. 칼슘 조절 능력은 곧 생존 능력이었고, 생존 능력은 진화적 적합도의 핵심이었습니다.
그러나 번식 후에는 보호 시스템이 약해집니다. DIAH 방아쇠가 뼈에서 칼슘을 유출시키고, 유출된 칼슘은 7M 경로를 통해 퇴장을 실행합니다. 혈관이 막히고, 관절이 굳고, 신호가 차단되고, 탄력이 사라지고, 세포가 넘치고, 연결이 끊어지고, 구조가 무너집니다. 개체가 사멸하면 칼슘은 환경으로 돌아갑니다. 다음 생명이 그것을 빌려 씁니다. 죽음은 끝이 아니라 반납이었습니다.
이제 시야를 넓혀 봅니다. 개체 수준에서 관찰한 이 칼슘 순환이 지구 수준에서도 같은 패턴으로 나타납니다. 인체라는 소우주와 지구라는 대우주가 놀랍도록 유사한 구조를 공유하고 있습니다. 둘 다 칼슘을 저장하고, 순환시키고, 조절합니다. 둘 다 입력과 출력의 균형을 유지하며, 그 균형이 깨지면 문제가 발생합니다.
인체에서 뼈가 칼슘 저장고라면 지구에서는 석회암이, 인체에서 혈액이 칼슘을 운반한다면 지구에서는 강과 바다가, 인체에서 호르몬이 칼슘 흐름을 조절한다면 지구에서는 생물과 지질 과정이 그 역할을 맡습니다.
이 유사성은 우연이 아닙니다. 생명은 지구에서 태어났고, 지구의 물질로 이루어져 있으며, 지구의 순환에 참여합니다. 인체의 칼슘 순환은 지구 칼슘 순환의 축소판입니다. 작은 우주가 큰 우주의 패턴을 반영합니다.
서론: 같은 패턴, 다른 규모
우리는 칼슘이 생명의 시작부터 끝까지, 탄생에서 환원까지 관통하는 실행코드라는 사실을 살펴보았고, DIAH-7M이라는 노화 & 만성질환 경로시스템을 통해 노화와 질병이 어떤 물질적 경로를 따라 진행되는지 규명해 보았습니다.
이제 시선을 조금 더 넓혀, 우리 몸 안에서 일어나는 칼슘 순환과 지구라는 거대한 행성에서 일어나는 칼슘 순환이 얼마나 닮아 있는지를 살펴보려 합니다. 이것은 단순한 비유나 문학적 상상이 아닙니다.
실제로 인체의 칼슘 순환 구조와 지구의 칼슘 순환 구조를 나란히 놓고 비교해 보면, 저장과 유출, 순환과 사용, 그리고 환원이라는 다섯 단계가 놀라울 정도로 동일한 패턴을 따르고 있다는 사실을 발견하게 됩니다.
규모는 한쪽이 2미터짜리 인체이고 다른 쪽이 지름 12,700킬로미터의 행성이니 비교가 무색할 만큼 다르지만, 그 안에서 칼슘이 흐르는 방식, 저장되고 빠져나오고 사용되고 다시 돌아가는 원리는 본질적으로 같습니다. 이 장에서는 이 두 순환 시스템을 나란히 살펴보고, 왜 이런 일치가 우연이 아닌지, 그리고 이 사실이 진화와 생명에 대한 우리의 이해에 어떤 의미를 던지는지 생각해 보겠습니다.
인체의 칼슘 순환
우리 몸에는 약 1킬로그램의 칼슘이 들어 있고, 그중 99퍼센트는 뼈와 치아에 저장되어 있다고 여러 생리학 연구기관에서 보고합니다. 이 뼈는 단순히 몸을 지탱하는 기둥 역할만 하는 것이 아니라, 일종의 칼슘 은행 역할을 합니다. 몸이 칼슘을 필요로 할 때는 이 은행에서 칼슘을 인출하고, 칼슘이 넉넉할 때는 다시 예금하는 식으로 끊임없이 입출금이 일어나고 있습니다. 혈액 속 칼슘 농도는 데시리터당 8.5에서 10.5밀리그램 사이로 매우 좁은 범위 안에서 유지되어야 하는데, 이 농도가 조금만 벗어나도 심장 박동과 근육 수축, 신경 전달에 심각한 문제가 생기기 때문에, 몸은 이 균형을 유지하기 위해 정교한 호르몬 시스템을 가동합니다.
혈중 칼슘 농도가 떨어지면 부갑상선에서 부갑상선호르몬, 즉 PTH가 분비되고, 이 호르몬이 뼈에 신호를 보내 저장된 칼슘을 혈액으로 내보내라고 지시합니다. 반대로 칼슘이 충분하면 갑상선에서 칼시토닌이 분비되어 뼈로 칼슘을 다시 저장하라는 신호를 보냅니다. 이렇게 빠져나온 칼슘은 혈액이라는 강을 타고 온몸을 돌면서 세포 곳곳에서 사용됩니다. 신경세포가 신호를 전달할 때, 근육이 수축할 때, 호르몬이 분비될 때, 세포가 분열하고 사멸할 때, 이 모든 순간에 칼슘 이온이 신호 역할을 합니다. 그리고 사용된 칼슘은 다시 뼈로 돌아가거나, 신장을 통해 하루에 100에서 200밀리그램 정도가 소변으로 배출됩니다.
문제는 앞서 살펴본 DIAH 조건, 즉 결핍과 염증, 산증과 저산소가 만성적으로 지속될 때 발생합니다. 이런 환경에서는 몸이 생존을 위해 뼈에서 칼슘을 계속 꺼내 쓰게 되고, 꺼낸 칼슘이 제대로 뼈로 돌아가지 못한 채 혈관 벽이나 관절, 연조직에 쌓이기 시작합니다. 입금보다 출금이 많아지면 은행 잔고가 바닥나듯, 뼈의 칼슘 저장고가 비어가면서 골다공증이 진행되고, 동시에 엉뚱한 곳에 칼슘이 쌓이면서 동맥경화와 석회화가 진행됩니다. 이것이 인체 수준에서 칼슘 순환이 망가지는 과정이며, 앞선 장들에서 살펴본 7M 경로의 물질적 바탕입니다.
지구의 칼슘 순환
이제 시선을 우리 몸에서 지구로 옮겨 봅시다. 지구에도 칼슘이 순환하고 있습니다. 다만 그 규모와 시간이 인체와는 비교할 수 없이 큽니다. 여러 지구과학 연구기관에 따르면, 지구 지각에서 칼슘은 다섯 번째로 풍부한 원소입니다.
이 칼슘은 주로 석회암, 대리석, 백운석 같은 암석 형태로 저장되어 있는데, 이 암석들은 사실 수억 년 전 바다에 살았던 생물들의 껍질과 뼈가 쌓이고 눌려서 만들어진 것입니다. 지구의 석회암 지층은 말하자면 수억 년에 걸친 칼슘의 거대한 저장고인 셈입니다.
이 암석 속 칼슘은 영원히 갇혀 있는 것이 아니라, 풍화라는 과정을 통해 조금씩 빠져나옵니다. 비가 내리면 빗물은 대기 중의 이산화탄소를 흡수해 약한 탄산이 되고, 이 산성 빗물이 석회암을 녹이면서 칼슘 이온이 물에 녹아 나옵니다. 여러 지질학 연구에 따르면, 이렇게 풍화를 통해 빠져나온 칼슘은 강을 따라 바다로 흘러가는데, 전 세계 강들이 바다로 운반하는 칼슘의 양은 연간 약 5억 톤에 달한다고 합니다. 바다로 흘러들어간 칼슘은 해수에 녹아 있다가, 산호와 조개, 유공충, 석회질 플랑크톤 같은 해양 생물들이 껍질과 골격을 만드는 데 사용됩니다. 이 생물들이 죽으면 그 껍질과 뼈가 바다 밑으로 가라앉아 퇴적층을 이루고, 수백만 년에 걸쳐 압축되면서 다시 석회암이 됩니다. 그리고 지각 변동으로 이 석회암이 다시 지표로 올라오면, 또다시 풍화를 받아 칼슘이 빠져나오는 순환이 계속됩니다.
정리하면, 지구의 칼슘 순환은 암석이라는 저장고에서 풍화라는 과정을 통해 유출되고, 강과 바다라는 순환계를 따라 흐르며, 해양 생물이 사용하고, 퇴적과 암석화를 통해 다시 저장고로 환원되는 다섯 단계를 따릅니다. 이 순환의 한 바퀴가 도는 데는 수백만 년이 걸리고, 관여하는 칼슘의 양은 인체와는 비교할 수 없이 방대하지만, 그 구조 자체는 우리 몸에서 일어나는 순환과 놀랍도록 닮아 있습니다.
두 순환의 비교
인체의 칼슘 순환과 지구의 칼슘 순환을 나란히 놓고 보면, 다섯 단계가 정확히 대응됩니다. 인체에서 뼈가 칼슘의 저장고 역할을 하듯, 지구에서는 석회암과 같은 암석이 저장고 역할을 합니다. 인체에서 PTH 호르몬이 뼈에서 칼슘을 빼내는 유출 과정을 담당하듯, 지구에서는 산성 빗물에 의한 풍화가 암석에서 칼슘을 녹여내는 유출 과정을 담당합니다. 인체에서 혈액이 칼슘을 온몸으로 운반하는 순환계 역할을 하듯, 지구에서는 강과 바다가 칼슘을 운반하는 순환계 역할을 합니다. 인체에서 세포들이 신호 전달과 수축, 분비에 칼슘을 사용하듯, 지구에서는 산호와 조개, 플랑크톤 같은 해양 생물들이 껍질과 골격을 만드는 데 칼슘을 사용합니다. 그리고 인체에서 사용된 칼슘이 다시 뼈로 돌아가듯, 지구에서는 생물의 사체가 퇴적되어 다시 암석이 되면서 환원이 이루어집니다.
규모의 차이는 물론 엄청납니다. 공간적으로 보면 인체는 2미터 남짓한 크기이고 지구는 지름이 12,700킬로미터가 넘으니, 수백만 배의 차이가 납니다. 시간적으로 보면 인체의 칼슘 순환은 분 단위에서 일 단위로 일어나고, 뼈의 리모델링은 수개월에서 수년 단위로 진행되지만, 지구의 칼슘 순환은 한 바퀴 도는 데 수백만 년이 걸립니다.
양적으로 보면 인체에 들어 있는 칼슘은 약 1킬로그램이고 지구 전체의 칼슘은 그 수십조 배에 달합니다. 그러나 이 모든 차이에도 불구하고, 저장-유출-순환-사용-환원이라는 다섯 단계의 패턴 자체는 동일합니다.
이 일치는 우연이 아닙니다. 생명은 지구라는 행성의 지질학적, 화학적 환경 안에서 태어났고, 그 환경이 제공하는 재료와 조건을 이용해 진화해 왔습니다. 지구의 칼슘 순환은 생명이 출현하기 훨씬 전부터 존재했고, 최초의 세포들은 이 순환 안에서 칼슘을 다루는 법을 배워야 했습니다. 그리고 생명이 점점 복잡해지면서, 외부 환경에서 일어나던 칼슘 순환을 몸 안에 축소 복제하게 되었습니다.
뼈라는 내부 저장고를 만들고, 혈액이라는 내부 바다를 만들고, 호르몬이라는 내부 조절 시스템을 만들어, 외부 환경의 변화에 흔들리지 않고 칼슘 농도를 일정하게 유지할 수 있게 된 것입니다. 여러 진화생물학 연구기관에 따르면, 이처럼 외부 환경의 화학적 조건을 몸 안에 내재화하는 것은 생명 진화의 핵심적인 전략 중 하나였으며, 칼슘 순환의 내재화는 그 대표적인 사례라고 할 수 있습니다.
생명은 지구의 순환을 내재화했다
이 관점에서 보면, 인체는 작은 지구입니다. 지구가 암석에 칼슘을 저장하듯 우리는 뼈에 칼슘을 저장하고, 지구가 강과 바다로 칼슘을 순환시키듯 우리는 혈액으로 칼슘을 순환시키며, 지구가 해양 생물을 통해 칼슘을 사용하듯 우리는 세포를 통해 칼슘을 사용합니다. 이것은 시적인 비유가 아니라, 생명이 진화해 온 실제 역사의 반영입니다.
더 작은 규모로 내려가 보면, 이 패턴은 세포 수준에서도 반복됩니다. 개별 세포 안에서 칼슘은 소포체라는 내부 저장고에 갇혀 있다가, 신호가 오면 세포질로 방출되어 여러 반응을 일으키고, 다시 소포체로 회수됩니다. 세포 안의 칼슘 농도는 평소 나노몰 수준으로 매우 낮게 유지되다가, 신호가 오면 순간적으로 마이크로몰 수준까지 치솟았다가 다시 내려갑니다. 이 미시적 순환이 모여서 조직과 장기 수준의 순환이 되고, 그것이 모여서 개체 수준의 순환이 되며, 개체들이 죽고 태어나면서 생태계와 지구 수준의 순환과 연결됩니다. 세포에서 지구까지, 규모는 달라도 같은 패턴이 프랙탈처럼 반복되고 있습니다.
여러 생태학 및 지구시스템 연구기관에 따르면, 이처럼 생명과 지구가 물질 순환을 통해 긴밀하게 연결되어 있다는 인식은 가이아 이론이나 지구시스템 과학에서 이미 중요하게 다뤄지고 있으며, 칼슘은 탄소, 질소, 물과 함께 이 연결을 매개하는 핵심 원소 중 하나입니다. 다만 탄소와 질소, 물의 순환에 비해 칼슘 순환은 상대적으로 덜 주목받아 왔는데, 칼슘이 생명의 신호 전달과 구조 형성에서 차지하는 결정적인 역할을 생각하면 이는 균형이 맞지 않는 일이라고 할 수 있습니다. 이 책이 칼슘 순환에 주목하는 이유가 여기에 있습니다.
진화는 순환 위에서 일어난다
제8장에서 우리는 죽음이 끝이 아니라 환원이며, 유한한 자원으로 무한한 생명을 이어가려면 순환이 필수라는 점을 살펴보았습니다. 이 장에서 살펴본 인체-지구 칼슘 순환의 일치는 그 논의를 한 단계 더 확장합니다. 생명은 순환 위에서 진화했습니다. 지구가 칼슘을 순환시키는 무대 위에서, 생명은 그 순환을 이용하고, 내재화하고, 정교화하면서 점점 복잡해져 왔습니다.
다윈은 자연선택을 발견했습니다. 환경에 잘 적응한 개체가 살아남아 자손을 남기고, 그 과정에서 종이 변화한다는 원리입니다. 그런데 이 자연선택이 실제로 작동하려면, 생명이 태어나고 자라고 번식하고 죽고 다시 태어나는 순환이 있어야 합니다. 순환이 없으면 세대가 없고, 세대가 없으면 선택이 축적될 수 없습니다. 다윈이 발견한 자연선택은 이 순환이라는 무대 위에서 공연되는 연극이고, 칼슘 순환은 그 무대를 떠받치는 물질적 기반입니다.
비유하자면, DNA는 연극의 대본이고, 자연선택은 어떤 배우가 다음 시즌에 출연할지 결정하는 오디션이며, 칼슘 순환은 극장 건물과 무대 장치입니다. 대본이 아무리 훌륭해도 극장이 없으면 공연할 수 없고, 오디션이 아무리 엄격해도 무대가 없으면 배우들이 설 곳이 없습니다. 다윈은 오디션의 원리를 발견했고, 분자생물학은 대본의 언어를 해독했지만, 극장과 무대, 즉 순환이라는 물질적 기반은 상대적으로 덜 주목받아 왔습니다. 칼슘 실행코드는 이 빠진 조각을 채우려는 시도입니다.
왜 하필 칼슘인가
그렇다면 왜 하필 칼슘이 이 역할을 맡게 되었을까요? 왜 마그네슘이나 철, 나트륨이나 칼륨이 아니라 칼슘일까요? 이 질문에 답하려면, 순환의 매개체가 갖추어야 할 조건을 생각해 볼 필요가 있습니다.
첫째, 지구에 충분히 풍부해야 합니다. 아무리 좋은 성질을 가진 원소라도 희귀하면 생명 전체를 지탱하는 순환의 매개체가 될 수 없습니다. 여러 지구화학 연구기관에 따르면, 칼슘은 지구 지각에서 다섯 번째로 풍부한 원소이며, 바닷물에도 상당량 녹아 있어 생명이 쉽게 접근할 수 있었습니다.
둘째, 생명에 필수적이어야 합니다. 순환의 매개체가 생명과 무관한 물질이라면, 생명의 순환을 매개할 수 없습니다. 칼슘은 세포 신호 전달, 근육 수축, 신경 전달, 호르몬 분비, 뼈와 껍질 형성 등 생명의 핵심 과정에 깊이 관여하고 있어, 생명과 떼려야 뗄 수 없는 관계입니다.
셋째, 저장과 이동이 모두 가능해야 합니다. 순환이 이루어지려면 어딘가에 저장되었다가 필요할 때 빠져나와 이동하고 다시 저장될 수 있어야 합니다. 칼슘은 하이드록시아파타이트 같은 고체 광물 형태로 뼈나 암석에 안정하게 저장될 수 있으면서, 동시에 이온 형태로 물에 녹아 혈액이나 바닷물을 통해 이동할 수 있습니다. 이런 양면성을 가진 원소는 많지 않습니다.
넷째, 재활용이 가능해야 합니다. 칼슘 원자 자체는 화학 반응을 거쳐도 사라지지 않고, 형태만 바뀔 뿐 계속 순환할 수 있습니다. 뼈에 있던 칼슘이 빠져나와 혈액을 돌다가 다시 뼈로 돌아가고, 죽은 생물의 뼈가 분해되어 토양으로 가고, 토양의 칼슘이 식물로, 동물로, 다시 새로운 생명의 뼈로 이어지는 무한 순환이 가능합니다.
마그네슘은 칼슘과 비슷한 성질을 많이 가지고 있지만, 뼈를 만드는 데는 칼슘만큼 적합하지 않습니다. 철은 산소 운반에는 뛰어나지만, 구조 형성과 신호 전달에는 칼슘만큼 다재다능하지 않습니다. 나트륨과 칼륨은 신경 전달에 중요하지만, 고체 구조를 만드는 능력이 없습니다. 네 가지 조건을 모두 충족하는 원소는 칼슘뿐이며, 이것이 칼슘이 자연순환과 진화의 매개체로 선택된 이유라고 여러 생화학 연구기관에서 설명합니다.
결론: 소우주와 대우주의 만남
이 장에서 우리는 인체의 칼슘 순환과 지구의 칼슘 순환이 규모는 다르지만 같은 패턴을 따른다는 사실을 살펴보았습니다. 뼈와 암석이라는 저장고, PTH와 풍화라는 유출 기전, 혈액과 강/바다라는 순환계, 세포와 해양 생물이라는 사용자, 그리고 재침착과 퇴적이라는 환원 과정이 정확히 대응됩니다. 이 일치는 우연이 아니라, 생명이 지구의 칼슘 순환 안에서 태어나 그것을 내재화한 진화의 역사를 반영합니다.
인체는 작은 지구이고, 지구는 거대한 인체입니다. 세포에서 지구까지, 같은 순환 패턴이 프랙탈처럼 반복됩니다. 진화는 이 순환이라는 무대 위에서 일어났고, 칼슘은 그 무대를 떠받치는 핵심 재료입니다. 다음 장에서는 이 관점에서 다윈의 진화론을 다시 바라보며, 다윈이 발견한 것과 발견하지 못한 것, 그리고 칼슘 실행코드가 그 빈자리를 어떻게 채우는지 살펴보겠습니다.
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