[9] 늙는다는 것에 대하여 (상편)
노화는 자연의 오류가 아니라, 탄생에서 죽음까지 생활사의 중요한 한 부분을 차지하는 살아가는 전략이다. 동물이 성장하고 번식하며 살아낸 전 과정이 늙어가는 모습과 방식에 함축되어 있으므로 더 흥미롭다.
» '위즈덤'이라는 이름을 지닌 62살의 암컷 라이산 알바트로스가 새끼를 품고 있다. <워싱턴포스트>에 보도된 다른 사진(http://goo.gl/rqiHf)에서는 훨씬 젊어 보이는 수컷 알바트로스가 함께 등장한다. 출처/ Wikimedia Commons
올해 2월 3일, 태평양의 ‘미드웨이 아톨 국립 야생보호구역(Midway Atoll National Wildlife Refuge)’에 있는 라이산 알바트로스(Phoebastria immutabilis) 번식지에서 새끼새 한 마리가 알을 깨고 태어났다. 다른 알바트로스 새끼와 별다를 바 없는 이 작은 생명의 탄생은 많은 이들의 주목을 받았는데, 그 이유는 바로 위즈덤(Wisdom)이라는 이름을 가진 유명한 엄마를 두었기 때문이다.
위즈덤은 올해 예순두 살로 지금까지 알려진 새들 중에서 가장 나이가 많다. 라이산 알바트로스의 평균 수명은 12-40세 정도로 추정된다고 하니, 위즈덤은 인간으로 치면 130년 정도를 살고도 출산을 한 셈이다. 이 특별한 새는 1950년대부터 이 섬을 찾아 번식을 했는데, 과학자들은 위즈덤이 지금까지 살아오는 동안 거의 오백만 킬로미터에 이르는 거리를 비행했을 것이라고 추정하고 있다. 이것은 지구에서 달까지 다섯 번의 왕복 여행을 하고도 남을 거리이다.
오래전부터 한국을 비롯해 많은 나라에서 야생 조류에게 고유번호의 가락지를 달아 왔기 때문에 위즈덤의 경우처럼 번식하는 개체들의 나이를 인식할 수 있게 되었다. 그래서, 많은 종의 새들이 꽤 오래 산다는 것이 알려지게 되었다. 위의 사진에 보이는 위즈덤의 모습에서 그 오랜 세월의 흔적을 찾기는 쉽지 않다. 누가 갓 새끼를 깐 위즈덤을 환갑 넘긴 할머니로 보겠는가? 하지만, 그렇게 오랫동안 살았다면 위즈덤도 노화하지 않았을까? 주름도 흰 머리도 보이지 않지만, 위즈덤도 그 연세(?)의 인간처럼 노화라는 현상을 경험하고 있을지도 모른다.
비교적 최근까지 과학자들은 노화가 인간만이 겪는 생물학적 현상일 것이라고 생각했다. 동물의 경우에는 가축이나 애완동물, 동물원 동물처럼 인간이 선택적으로 보호하는 개체들만이 예외적으로 노화를 경험할 뿐, 야생에선 노화가 나타나기 전에 모두 죽는 것으로 여겨졌다.1)
하지만, 과연 그럴까? 어떤 얘기도 이해할 수 있고 남의 의견에 귀를 기울일 수 있다는 이순(耳順)의 나이에 새끼를 깐 위즈덤의 예를 그저 희귀한 자연의 오류로 볼 수 있을까? 자연이 우리에게 들려주는 이야기에 귀를 기울여보면, 자연이 우리가 몰랐던 노화의 생물학적 원리에 대한 지식을 선물할지도 모른다.
야생의 노화, 노화의 진화
노화를 생물학적으로 정의하면, 나이가 들면서 생리학적 기능이 쇠퇴하여 사망할 가능성이 늘어나고 성공적으로 번식할 확률은 줄어드는 현상이다. 그러므로 노화가 야생에서도 일어나는 자연 현상인지 알아보려면 야생동물에서 이러한 나이에 따른 변화가 나타나는지를 살펴보면 된다. 개체표식을 한 야생조류 개체군의 생활사를 오랜 기간 조사하여 살펴본 최근의 종적 연구(longitudinal study)들을 보면,노화가 인간이나 동물원의 동물에게만 나타나는 현상이 아니라는 것을 알 수 있다.2), 3), 4)
» 나이에 따른 번식 성공률의 이차곡선 변화를 보여주는 종적 연구들. 사진 출처(위부터)/ Wikimedia Commons, 김신연, WikimediaCommons.
그러다가 경험 많은 새는 어느 순간 일생의 위기를 맞이한다. 더 이상 기력이 예전 같지 않은 때가 닥치는 것이다. 무리를 해서 새끼를 키우는 데 지나치게 많은 에너지를 투자했다가는 여름이 지나고 월동지로 이동하거나 한 해 더 살아남을 기력까지 잃을 수도 있다. 이 순간부터 개체의 한 해 번식 성공률은 감소하기 시작한다.
탄생, 성장, 번식과 마찬가지로 노화도 동물들의 생활사에서 중요한 한 부분을 차지하는 자연스러운 현상이다. 야생에서 살아가는 동물들도 늙어서 일생의 꽤 많은 부분을 노화 현상을 겪으며 살아가는 것이다. 무심히 지나쳤던 우리 주변의 작은 야생동물들이 더 친근하게 느껴지지 않는가?
그런데 노화도 진화했을까?
지난 연재들에서 동물들의 다양한 생활사 특성이 어떻게 진화했는지에 대해 이야기할 기회가 여러 번 있었다. 요점만 말하면, 살아가는 방식도 생물의 다른 형질들처럼 유전자의 영향을 받아 발현될 수 있고, 그 생활사 특성이 자연선택의 과정을 통해서 진화할 수 있다는 것이었다. 그럼, 노화 현상도 유전되며 자연의 선택을 받아 진화했을까? 이 글을 읽는 독자분들 중에는 “에이, 동물에게 이득이 안 되는 노화가 어떻게 자연의 선택을 받느냐”며 고개를 젓는 분이 있을지도 모르겠다. 자연선택은 생존과 번식에 유리한 형질을 가진 개체가 다음 세대에 더 많은 자손을 남기는 현상이니까 논리적인 반박이라고 할 수 있다.
나이가 들면서 축적되는 지혜, 지식, 경험과 같은 좋은 것들도 많지만, 생물학적 노화에 대해 생각하다 보면 부정적인 것들이 먼저 떠오르기 마련이다. 동물은 물론, 우리 인간도 노화하면서 쇠약해지고 여러 질병에 시달리게 되지 않는가? 우리가 잘 아는 각종 암이라든가 알츠하이머, 파킨슨병도 나이가 들면서 발생률이 높아지는 질병이다. 이러한 노화성 질병들이 어떻게 자연의 선택을 받아 진화할 수 있단 말인가? 도대체 왜 우리 동물들은 늙어야 하는 걸까?
‘자연선택의 그늘’: 노화의 진화 이론
노화가 진화하는 과정을 설명하기 위해서는 우선 복합적인 노화 현상을 발현하는 수많은 유전 형질이 존재한다는 가정이 필요하다.5) 많은 노화성 질병이나 수명에도 유전 요인이 영향을 끼치는 것을 보면, 이러한 가정은 충분히 가능하다. 다만 이러한 유전자가 발현되어 노화가 일어날 때까지 살아남는 야생동물의 수는 제한되어 있다.
» 노화의 진화에 대한 이론. 출처/ Kirkwood&Austad (2000).
위 그래프의 (가)는 나이에 따른 생존 개체수를 보여주는데 야생의 개체군(녹색)과 보호되는 개체군(빨간색, 이를테면 동물원 동물이나 가축)의 경우가 상당히 다르다. 야생에서는 노화보다는 감염성 질병, 포식, 추위, 굶주림 등 외부 요인에 의한 사망률이 높아서, 특히 어린 개체들의 사망률이 높다. 나이가 들어 늙을 때까지 살아남는 개체의 수가 적으므로, 노화의 진화 과정에 자연선택이 영향력을 발휘할 기회가 잘 주어지지 않을 수도 있다.
생물학적 이득을 통해 자연의 선택을 받은 형질이 진화한다는 것은 대부분 사람이 잘 이해하고 있지만, 자연선택을 피할 수 없어서 진화하는 형질들도 있다는 점은 간과하기 쉽다. 수많은 유전자 중에는 성장기에 발현하는 유전자가 있는가 하면, 노년기에 발현하는 유전자도 있다. 성장기나 성숙해서 번식이 가능한 시점에서 발현하는 유전자에서 생물적 기능에 매우 나쁜 영향을 주는 돌연변이가 생기는 경우를 생각해 보자.(돌연변이가 꼭 악영향을 주는 것은 아니다. 별 영향을 주지 않거나 긍정적 영향을 주는 돌연변이도 많다.)
이 돌연변이 유전자가 발현해서 개체는 정상적으로 번식하지 못하거나 번식하기 이전에 죽을 수도 있다. 이런 경우에 이 돌연변이 유전자는 당연히 다음 세대로 전해질 수 없다. 자연선택에 의해서 이 나쁜 돌연변이가 개체군의 유전자 풀에서 걸러지는 것이다.
위 그림의 (나)는 노화가 진화하게 된 원인을 나이가 들어 발현하는 돌연변이 유전자의 축적에서 찾는 이론을 보여준다.6) 이 이론에 따르면, 대부분 동물 개체군에서 고연령대에 “자연선택의 그늘(selection shadow)”이 존재한다. 성장기나 번식기에 발현하는 유전자의 나쁜 돌연변이는 자연선택에 의해 걸러지는 데 반해서, 고연령대에 발현하는 유전자의 돌연변이는 자연선택의 그물망을 피할 수 있다. 이 돌연변이를 지닌 개체들이 이미 번식해서 다음 세대로 그 유전자를 전파한 이후에야 나쁜 돌연변이가 발현하기 때문이다. 그러므로 이런 돌연변이들이 개체군에 축적되어서 나이가 들어 발병하는 유전성 질병 등의 원인이 될 수 있다.
비슷한 메커니즘으로, 길항적 다면발현 유전자(antagonisticpleiotropic genes)에 의해서 노화가 진화한다는 이론도 있다(위 그림의 (다)).7) 한 개의 유전자가 그 이상의 형질 발현에 작용하는 것을 ‘다면발현’이라고 하는데, 같은 유전자가 어떤 형질에는 긍정적인 영향을 주면서 다른 형질에는 부정적인 영향을 끼치기도한다. 번식을 해서 자손을 생산하는 동안 발현해서 개체에게 좋은 영향을 주는 동시에 나이가 들어서는 개체에게 악영향을 주는 유전자가 있다면 어떻게 될까? 그러거나 말거나 이 유전자는 다음 세대로 확산될 것이다.
세포의 노화와 관련된 이론도 있다(위 그림의 (라))8) 노화는 동물 개체가 살아가는 동안 체세포 손상이 축적되어서 일어날 수 있다. 동물 개체가 체세포를 유지하거나 번식하는 데 소모할 수 있는 에너지는 한정되어 있다. 그러므로 체세포 유지와 번식에 에너지를 효과적으로 배분해야 개체의 적응도를 높일 수 있다. 만약, 동물이 살아가는 동안 체세포를 건강하게 유지하는 데만 한정된 에너지의 대부분을 투자한다면 나이가 들어서 노화는 지연될 수 있을지 모르나, 다음 세대로 유전자를 남기기는 힘들 것이다. 이것이 바로 노화를 대가로 치르면서 자손을 남기는 동물들이 개체군에 많아질 수밖에 없는 이유이다.
노화이론 적용 사례: 혹고니와 붉은사슴
진화는 오랜 시간을 거쳐 일어나는 현상이기 때문에 진화이론이 자연에 적용되는 실제 모습을 관찰하기 힘들다고 흔히 생각하지만, 노화의 진화이론을 실제 연구로 증명한 사례는 셀 수 없이 많다. 그중에 두 가지 예만 살펴보자.
영국 도싯 지방의 혹고니(Cygnus olor) 개체군은 1970년대부터 개체 인식을 위해서 고유번호의 가락지를 달아 왔는데, 현재는 그 지역의 모든 개체를 구분하는 것이 가능하다. 그뿐만이 아니라, 모든 개체의 생활사 특성과 가족사를 조사해 왔기 때문에 방대한 데이터를 바탕으로 많은 흥미로운 연구가 진행 중에 있다. 혹고니는 꽤 장수하는 종이어서 스무 살까지 살아남아 번식하는 개체들도 있으며, 개체에 따른 차이는 있으나 오래 사는 대부분은 노화를 경험한다.
» 혹고니와 붉은사슴. 출처/ Wikimedia Commons.
이 혹고니 개체군에서 개체가 처음으로 번식하는 나이와 마지막으로 번식하는 나이를 살펴본 양적 유전학 연구에 의하면, 이 두 가지 생활사 특성은 유전적으로 연관되어 있다고 한다.9) 같은 다면발현 유전자가 성숙기에는 처음으로 번식하는 나이를 조절하고 생의 후반부에서는 번식을 마감하고 사망하는 시기를 조절한다는 것이다. 그래서, 유전적으로 일찍 번식을 시작하는 혹고니 가족은 늦게 번식을 시작하는 혹고니보다 먼저 번식을 마감할 가능성이 크다. 이런 경우, 일찍 번식을 하도록 진화하면 세대 간격을 좁혀서 좀 더 빠르게 다음 세대로 유전자를 전달할 수 있겠지만, 그럴수록 노화가 빨리 진행되고 수명은 짧아질 수밖에 없다. 즉, 생의 초기에는 긍정적인 영향을 주지만 나중에는 생물 기능에 부정적인 영향을 미치는 다면발현 유전자에 의해 노화가 진화할 수 있다는 것을 보여준다.
한편, 스페인에서는 야생 붉은사슴(Cervus elaphus)을 대상으로 한 연구를 통해서 일회용 체세포이론을 뒷받침하는 결과를 얻어냈다.10) 우리 인간과 마찬가지로 붉은사슴의 치아는 성장기에 다 자란 뒤, 먹고 살아가는 동안 마모된다. 물론, 살아가면서 영양소를 보충해서 치아가 마모되는 속도를 늦출 수는 있다. 이 연구에서 야생에서 살아가는 수컷과 암컷의 치아 크기를 비교했더니, 암컷과 짝을 짓기 위해 수컷 간의 혹독한 경쟁을 견뎌내는 수컷들의 치아가 기대치보다 훨씬 더 많이 마모된 것으로 나타났다.
수사슴은 뿔이 크게 자라는 한창 때 나이에 최대한 많은 암컷과 짝을 지어야 개체의 적응도를 높일 수 있다. 따라서, 이때 모든 에너지를 암컷의 환심을 사는 데 필요한 뿔을 키우고 다른 수컷들과 싸워 짝짓기 경쟁에서 우위를 차지하는 데 소모하는 방식으로 진화하였다. 이러한 전략을 위해서 나이가 들어서도 유지될 수 있는 튼튼한 치아를 만드는 데 소비할 에너지는 포기한 것이다. 다음 세대로 최대한의 유전자를 남기기 위한 전략을 위해서 포기한 것은 튼튼한 치아만이 아닐 것이다. 결국, 다른 수많은 것들을 포기한 결과는 암컷보다 빠른 노화와 짧은 수명으로 나타났다. 힘이 세고 멋진 뿔을 가진 수컷을 선호하는 암컷의 선택이 자연선택의 힘으로 작용해서, 수사슴들이 빨리 늙도록 한 것이다.
그러고 보면, 위즈덤은 젊을 때부터 열심히 짝을 짓고 새끼를 낳아 키우지는 않았을지도 모른다. 어떤 알바트로스들은 해마다 꼬박꼬박 알을 낳는 동안, 위즈덤은 정처 없이 세상을 떠돌다가 아주 가끔 섬을 찾아서 둥지를 틀었을지도 모르는 일이다. 동물들이 살아가는 방식은 개체마다 모두 비슷할 거라고 생각하지만, 자세히 들여다보면 깜짝 놀랄만한 다양성이 존재한다. 같은 종의 동물이라도 어떤 리듬으로 살아왔느냐에 따라서 늙어가는 방식은 저마다 다를 수 있다.
노화는 자연의 오류가 아니라, 탄생에서 죽음까지 생활사의 중요한 한 부분을 차지하는 살아가는 전략이다. 동물이 성장하고 번식하며 살아낸 전 과정이 늙어가는 모습과 방식에 함축되어 있으므로 더 흥미롭다. 비교적 최근에야 야생에서 나타나는 노화에 주목하기 시작했기 때문에, 과학자들에게 노화는 상상력과 탐구심을 자극하는 무궁무진한 신세계이기도 하다. 이어서, 다음 연재 글에서는 노화의 생리학적, 유전자적 메커니즘에 대해 이야기해보려고 한다. ■
1) Hayflick L (2000). New approaches to old age. Nature 403: 365.
2) Reid JM, Bignal EM, Bignal S, McCracken DI, Monaghan P (2003).Age-specific reproductive performance in red-billed choughs Pyrrhocoraxpyrrhocorax: patterns and processes in a natural population. Journal of Animal Ecology 72: 765-776.
3) Kim S-Y, Velando A, Torres R & Drummond H. 2011. Effects of recruiting age on senescence, lifespan and lifetime reproductive success in a long-lived seabird. Oecologia 166: 615-626.
4) Rebke M, Coulson T, Becker PH, Vaupel JW (2010). Reproductive improvement and senescence in a long-lived bird. Proceedings of the National Academy of Sciences 107: 7841-7846.
5) Kirkwood TBL, Austad SN (2000). Why do we age? Nature 408: 233-238.
6) Medawar PB (1952). An Unsolved Problem of Biology. Lewis, London.
7) Williams GC (1957). Pleiotropy, natural selection and the evolution of senescence. Evolution 11: 398-411.
8) Kirkwood TBL (1977). Evolution of ageing. Nature 270: 301-304.
9) Charmantier A, Perrins C, McCleery RH, Sheldon BC (2006). Quantitative genetics of age at reproduction in wild swans: support for antagonistic pleiotropy models of senescence. Proceedings of theNationalAcademy of Sciences. 103: 6587-6592.
10) Carranza J, Alarcos S, Sanchez-Prieto CB, Valancia J, Mateos C (2004). Disposable-soma senescence mediated by sexual selection in an ungulate. Nature 432: 215-218.
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