5월의 작은 선인장

성당 한편에 모인 수녀들이 영화 ‘시스터액트’(Sister Act)에서 나온 노래를 연습하고 있다. 영화에서 들로리스(우피 골드버그 역)의 지휘로 느리고 감미롭게 시작했다 후반부에 빠르고 경쾌하게 바뀌는 그 곡이다. 연습을 진행하면서 수녀들은 처음 생각과 다르게 빠른 후반부가 왠지 이상하게 들리는 느낌을 받았다. 영화처럼 멋지게 들리지 않는 이유가 뭘까?

그레고리 성가를 오래된 성당 안에서 들으면 은은히 퍼져 나오는 음악소리에 심취해서 즐길 수 있지만, 빠른 힙합 음악을 연주하면 음이 마구 얽혀 들을 수가 없게 된다. 수녀들은 연주회장의 성격을 이해 못하고 곡을 선정한 것이다.

연주회장을 선택하는 오래된 기준 중 하나는 연주회장의 ‘반향시간’이 연주곡과 잘 맞는 지이다. 반향이란 한 음표의 연주를 마친 후 벽에 반사된 소리들이 들리다가 결국은 벽에 흡수되어 소리가 점점 사라지는 것이다. 이런 현상은 성당과 같이 딱딱한 표면으로 둘러싸인 넓은 공간에서 가장 잘 나타나는데, 한 소리의 연주를 마치고 오랜 후에도 소리가 메아리친다. 반대로 침실과 같이 부드러운 물체가 많은 좁은 공간에서는 소리는 부드러운 가구에 빨리 흡수되어 빨리 없어진다.

예를 들어 야외는 반사되어 돌아오는 소리가 없으므로 반향시간이 0초다. 소리를 모두 흡수하는 방음장치가 된 방도 반향시간이 0초다. 그리고 일반적인 침실과 거실의 반향시간은 약 0.4초, 보스톤 심포니홀은 약 1.8초, 런던의 왕립 알버트홀은 약 2.6초이다. 현대에 지어진 연주회장은 대부분 1~3초이지만, 오래된 성 바울 성당의 반향시간은 13초나 된다.

그럼 어떤 곡이 어떤 장소에 잘 어울릴까? 그레고리 찬송과 같은 교회음악은 성당같이 매우 긴 반향시간을 가진 곳에 어울린다. 바하의 많은 오르간 작품들은 성당의 반향을 조사하기 위하여 고안된 것으로 연주가 끝났을 때 청중들은 오르간 곡의 마지막 소리가 성당 안을 떠돌아다니는 신비한 느낌을 받게 된다. 앞뒤의 음이 뒤섞여 이런 효과를 내는 것이다. 이런 음악을 좁은 방에서 연주하면 웅장한 느낌을 전할 수 없다.

반면 18세기에 하이든과 모차르트와 같은 작곡가들은 후원자와 손님들을 위한 음악을 작곡했는데, 이 음악은 반향시간이 짧은 실내에 잘 어울린다. 이들 실내악을 성당 같은 곳에서 연주하면 분명하게 들리지 않는다. 이런 곳에서는 앞의 소리가 끝나기도 전에 뒤의 소리가 나서 음을 구별하기 힘들기 때문이다. 현대의 힙합과 같은 음악도 마찬가지다.

또 스트라빈스키와 같은 작곡가의 독특한 타악기와 복잡한 리듬이 섞여 있는 소리는 깨끗하고 선명한 소리를 들을 수 있는 현대에 지어진 연주회장에 가장 적합하다. 사실 현대의 연주회장은 큰 오케스트라의 연주에 최적화되었지만, 그 외의 음악에도 큰 무리없이 잘 어울린다. 다양한 음악회가 이곳에서 연주되기 때문에 감안해서 설계한 것이다.

위에서 알 수 있듯 좋은 연주회장이란 반향시간을 고려하여 많은 종류의 음악회를 소화할 수 있어야 한다. 또 외부의 소음을 효과적으로 차단하고, 무대에서 나오는 소리를 연주회장 곳곳에 있는 청중들에게 좋은 음질로 보낼 수 있어야 한다.

보다 좋은 연주회장을 만들기 위해 건축가들은 실제 건축할 연주회장의 작은 모형을 만들어 소리가 퍼지는 것을 실험한다. 모형은 실물의 십분의 일에서 오십분의 일 정도로 만드는데, 그 안에서 시험하는 소리의 파장도 모형에 비례해서 작아져야 정확한 실험이 된다. 일반 음악 소리를 그 비율로 줄이면 모형에서는 우리 귀에 들리지 않는 초음파가 되기 때문에 초음파를 측정하는 장비를 써서 실험한다. 또 컴퓨터 시뮬레이션으로 소리가 어떻게 퍼지는지 분석한다.

또 청중도 중요한 요소다. 가령 청중석이 가득 차면 소리의 약 55%를 청중들이 흡수한다고 한다. 청중들로 인한 음의 흡수를 최소화하기 위해서 연주회장의 청중석은 영화관보다 경사가 급하다. 하지만 많은 사전 시험을 거쳐도 실제 연주회장에서 청중들이 있을 때 어떤 소리가 날지는 지어놓고서야 알 수 있다. 그만큼 연주회장의 건축은 어려운 일이다.

많은 작곡가들은 그들이 작곡하는 음악이 연주되는 공간을 의식적으로든 무의식적으로든 염두에 두게 된다. 예전에는 시대에 따라 다르게 지어진 연주회장의 특성 때문에 연주되는 음악의 성격이 변하기도 했다. 좋은 연주를 하려면 연주되는 곡은 물론 연주회장의 특성까지 잘 알아야 한다. (글 : 최준곤 고려대 물리학과 교수)

아마존 유역의 열대 우림지역에는 ‘악령의 정원’이라고 불리는 숲이 있다. 악령의 정원은 오직 히수타(Duroia hirsuta)라는 나무만 살고 있을 뿐 다른 나무는 자라지 않는다. 이 때문에 오래전부터 원주민에게는 숲의 악령이 이곳을 지배하고 있다는 전설이 전해오고 있다. 어떻게 하나의 식물만 자라날 수 있을까? 혹시 다른 식물이 자라나면 악령이 뿌리째 뽑아내기라도 하는 것일까?

그동안 과학자들은 히수타 나무가 분비하는 화학물질 때문이 아닐까 추측해 왔다. 사는 곳의 환경이 열악해지면 언제라도 다른 곳으로 이동하는 동물과 달리 식물은 한번 뿌리를 내리면 평생을 한 곳에서 살아야 한다. 혹여 옆에 사는 식물이 자신보다 더 빨리 자라나 그늘을 만들면 식물은 큰 타격을 입는다. 또한 인간의 눈에는 보이지 않지만 땅 속에는 물과 양분을 얻기 위한 경쟁도 치열하다.

이로 인해 식물은 일반적으로 처음부터 다른 식물이 뿌리를 내릴 수 없도록 하는 전략을 선택한다. 즉 낙엽이 돼 흙으로 돌아가는 나뭇잎과 땅속의 주요 통로를 지키는 뿌리를 통해 ‘타감물질’(allelopathic substance)을 분비하는 것이다. ‘타감물질’은 대부분 페놀류의 화학물질로 이뤄져 다른 식물의 생장을 억제한다. 가령 소나무 주변에 다른 식물이 자라나는 것을 보기 어려운데, 이는 타감물질의 한 종류인 탄닌(tannin)이 분비되기 때문이다.

그러나 미국 스탠포드대 프레드릭손 박사는 다른 식물의 진입을 막는 범인으로 히수타 나무가 아니라 히수타 나무에 집을 짓고 사는 슈마니 개미(Myrmelachista schumanni)를 의심했다. 히수타 나무가 번성해야 개미의 터전도 늘어나기 때문에 개미가 다른 식물을 죽일 수 있다고 생각한 것이다. 이어 프레드릭손 박사와 동료들은 악령의 정원 부근에 히수타 나무가 아닌 다른 나무를 심고 두 그룹으로 나눴다. 한 쪽은 개미가 자유롭게 다닐 수 있도록 하고 다른 한 쪽은 개미의 접근을 막았다.

그러자 놀랍게도 개미가 접근하지 못한 나무는 잘 자라났지만 개미가 접근했던 나머지 나무는 모두 말라죽었다. 프레드릭손 박사는 “개미가 다른 식물을 선택적으로 죽이면서 미래의 거주지를 개척하고 있다”고 설명했다. 다시 말해 히수타 나무는 생존을 위해 개미에게 집을 제공하고, 개미는 다른 식물을 죽여 생존을 위한 공동작전을 펼치는 셈이다.

그렇다면 히수타 나무를 지키는 개미들은 어떻게 다른 나무를 죽이는 것일까? 연구팀은 개미가 식물을 죽이는 데 포름산(formic acid)을 이용한다는 사실을 알아냈다. 포름산은 개미에게서 쉽게 볼 수 있는 독소로 개미산으로 불린다. 왜냐하면 라틴어로 ‘Formica’는 개미 를 뜻하기 때문이다. 트레드릭손 박사가 발견한 포름산은 주로 개미가 적을 공격할 때 사용하는데 식물에게 포름산을 사용하는 사례는 처음이다. 이로써 개미는 안정된 거주 공간을 얻고, 히수타 나무는 자기 종이 번성하게 된다.

이처럼 생물들 간에 일어나는 상부상조 현상을 공생(共生, symbiosis)이라 부른다. 악마의 정원에서 일어나는 히수타 나무와 슈마니 개미의 공생은 생태학적으로 중요한 의미를 가진다. 지구상에 두 생물이 처음 생겨날 때부터 공생관계를 맺지는 않았을 것이기 때문이다. 히수타 나무와 슈마니 개미도 서로에게 편리를 제공하며 보호를 받기까지 경쟁식물이나 초식동물과 싸워온 ‘도전과 응징의 역사’가 있었을 것이다.

슈마니 개미와 비슷하지만 식물이 아니라 동물을 제거하는 개미도 있다. 바로 수도머멕스(Pseudomyrmex) 개미다. 수도머멕스 개미는 쇠뿔아카시아에 달린 커다란 가시 안에 거주지를 마련하고 꿀샘에서 단물도 얻어먹는다. 대신 수도머멕스 개미는 쇠뿔아카시아를 괴롭히는 식물을 갉아먹는 곤충을 제거해 준다. 평소 수도머멕스 개미는 워낙 사나워 곤충은 물론 사슴이나 말 같이 큰 동물조차도 나무 근처에 얼씬거리지 못하게 막아주기까지 한다.

한가지 재밌는 사실은 수도머멕스 개미와 쇠뿔아카시아의 공생에 적게 주고 많이 받으려는 법칙이 숨어있다는 것이다. 개미가 주로 이용하는 나무의 가지에서 나오는 꿀샘에는 단백질 성분이 거의 없다. 따라서 개미가 균형적인 영양소를 섭취하려면 반드시 다른 곤충들을 잡아먹어야 한다. 반면 개미가 접근하기 힘든 쇠뿔아카시아의 꽃의 꿀샘에는 당분은 물론 단백질이 풍부하다. 식물도 개미를 ‘보디가드’로 이용하면서 최대한 이윤을 남기려는 속셈을 갖고 있다는 것을 알 수 있다.

약육강식은 인간사에도 적용돼 생존을 위한 합리적인 근거로 이용된다. 그러나 현명한 생물들은 새로운 서식처나 자원들을 찾아나서는 고생을 하지 않고 주어진 환경에 더 잘 적응하는 법을 배운다. ‘도전과 응전의 역사’를 통해 결국 공생하는 법을 배운 히수타 나무와 슈마니 개미처럼 인류도 서로 공생하는 법을 배울 수 있었으면 좋겠다. (글 : 서금영 과학전문 기자)

푸른색 눈에 흰 피부를 가진 금발. 서양인들이 가장 좋아한다는 미인의 조건이다. 그런데 많은 인종이 함께 살고 있는 미국과 같은 나라에서는 ‘푸른색 눈에 흰 피부의 금발’을 찾아보기가 점점 힘들어지고 있다. 2006년 10월 미국 일간지 ‘보스턴 글로브’는 미국인 가운데 푸른색 눈을 가진 사람의 비율은 100년 전에 비해 3분의 1이나 줄었다고 했다. 왜 그렇게 됐을까? 푸른색 눈, 흰 피부, 금발 모두 ‘열성’이기 때문이다.

기억력이 좋은 사람이라면 중학교 생물시간에 배운 ‘멘델의 법칙’이 생각날 것이다. 멘델은 다른 형질의 완두콩을 교배했을 때 다음 세대에 나타나는 형질을 ‘우성’, 나타나지 않는 형질을 ‘열성’이라고 하는 ‘우열의 법칙’을 제시했다. 완두콩에는 법칙에 따라 잘 나타났지만 사람의 유전에는 어떻게 나타날까? 사람의 유전을 통해 우열의 법칙에 대한 막연한 오해를 풀어보자. 

우열의 법칙에 대한 첫 번째 오해는 ‘우성은 우월한 성질, 열성은 열등한 성질’이라는 막연한 생각이다. 그러나 우리의 생각과는 달리 이로운 열성도, 해로운 우성도 있다. 쌍꺼풀, 보조개 등은 갖고 싶은 우성이지만, 대머리와 육손은 갖고 싶지 않은 우성이다. 열성이라도 금발, 푸른색 눈 등은 갖고 싶은 열성이다.

사실 우열의 법칙은 단백질 생성과 관련이 있다. 분자생물학의 관점으로 볼 때 유전자는 어떤 단백질을 만드는지를 알려주는 설계도와 같다. 만약 어떤 형질이 나타나기 위해 특정 단백질이 필요하다면 그 단백질을 만드는 유전자가 있는 것이 우성, 없는 것이 열성이 된다.

 

눈 색깔을 예로 들어보자. 눈 색깔은 홍채에 분포하는 멜라닌 색소의 양에 따라 달라진다. 멜라닌 색소를 만드는데 관여하는 유전자는 3쌍이다. 이를 임의로 ‘AABBCC’라고 하면, 유전자 A는 a에, B는 b에, C는 c에 대해 우성이다. 우성 유전자가 많을수록 멜라닌 색소도 많이 만들어진다. 따라서 색소가 가장 많이 만들어지는 ‘AABBCC’는 짙은 갈색 눈이 되고, 색소가 가장 적게 만들어지는 ‘aabbcc’는 푸른색 눈이 된다. 열성 유전자가 하나 섞인 ‘AaBBCC’는 갈색, 두 개가 섞인 ‘AaBbCC’는 옅은 갈색, 세 개가 섞인 ‘AaBbCc’는 초록색 눈이 된다.

이처럼 우성과 열성은 유전자에 의해 단백질이 만들어지느냐 아니냐에 따라 달라지는 문제일 뿐, 개체의 유리함과 불리함을 말하는 것은 아니다.

우열의 법칙에 대한 두 번째 오해는 ‘우성이 열성보다 더 많이 나타날 것’이라는 생각이다. 물론 우성이 열성보다 나타날 확률이 높은 것은 사실이다. 그러나 확률을 무시하고 반대로 나타나는 경우도 있다. 이는 인간의 모든 형질은 인간이 환경에 적응한 결과이기 때문이다.

가장 좋은 예는 사람의 피부색이다. 흰 피부는 열성이지만 극지방에 사는 사람의 피부는 대부분 희다. 이들의 피부가 흰 이유는 약한 햇빛을 조금이라도 많이 받기 위해서다. 피부의 바깥부분에 위치해 피부색을 결정하는 멜라닌 색소는 햇빛을 흡수하는 성질이 있다. 멜라닌 색소가 적으면 햇빛이 속 피부까지 도달할 수 있다. 반대로 열대지방에 사는 사람은 멜라닌 색소가 햇빛을 흡수해 속 피부까지 도달하는 햇빛의 양을 줄여준다.

아프리카에서 나타나는 ‘낫 모양 적혈구’도 열성이 환영받는 경우다. 적혈구 모양은 적혈구 단백질을 구성하는 아미노산 중에 단 하나가 바뀌면 낫 모양으로 변한다. 정상 모양의 적혈구가 우성, 낫 모양의 적혈구가 열성이다. 낫 모양의 적혈구가 있는 사람은 쉽게 빈혈에 걸리는 등 불리한 점이 많다.

그런데 놀랍게도 아프리카에서는 이 낫 모양 적혈구를 가진 사람이 많다. 과학자들은 처음에 왜 생존에 불리한 형질이 많은지 의아해했지만 곧 이유를 알게 됐다. 이 낫 모양 적혈구를 가진 사람은 아프리카의 치명적인 질병인 말라리아에 걸리지 않는 것이다. 낫 모양 적혈구 역시 인간이 환경에 적응한 결과로 필요한 지역에서 많이 나타난다.

우열의 법칙이든 다른 유전 법칙이든 인간의 유전 메커니즘을 설명하는 일은 결코 단순하지 않다. 키, 몸무게, 피부색, 얼굴 모양, 머리카락 등의 다양한 형질을 결정하는 유전자는 여러 다른 유전자와 복잡한 관계를 맺기 때문이다. 인간의 몸에 대해 예전보다 훨씬 많은 사실이 밝혀졌지만, 알면 알수록 우리가 풀어야 할 문제는 더 복잡해지는 것 같다. (글 : 김정훈 과학칼럼니스트)

ps. 옮기면서
대머리는 일반적인 유전과는 달리 조부유전으로 알려져 있다.

짙푸른 바다 속으로 풍덩 뛰어들고 싶은 계절! 산호초와 그리고 해저동굴을 찾아 떠나는 여행은 생각만 해도 찜통 더위를 싹 날려 버릴듯하다. 위에서 보는 바다도 아름답지만, 해저로 내려가면 그 곳만의 독특한 즐거움을 느낄 수 있다. 바다 속 10~30m까지 여행하는 스쿠버 다이빙은 일반인들도 1시간 정도 간단한 교육을 받으면 전문가들의 안내를 받아 바닷속을 들여다 볼 수 있고, 일주일 가량의 강습을 받고 자격증을 따면 ‘바닷속 자유여행’을 떠날 수 있다.

물 속에 들어가면 우리 몸은 여러 가지 변화를 겪게 되는데 가장 먼저 느끼는 변화는 귀가 멍멍해진다는 것이다. 마치 비행기가 이착륙할 때나 기차가 터널 속을 빠르게 달릴 때 느끼는 것과 비슷하다. 물에서는 수심 10m마다 1기압씩 압력이 높아지게 되는데, 우리 몸이 여기에 적응을 하지 못했기 때문이다. 이 때 콧구멍과 입을 막고서 숨을 거세게 내쉬면 ‘펑’하고 귀가 뚫리게 되는데 이 같은 동작을 ‘이퀄라이징’이라고 부른다. 능숙한 잠수부들 역시 바다 속으로 깊이 내려갈 때마다 이 동작을 반복하며, 스스로를 적응시킨다.

물에 어느 정도 적응이 되었으면 공기통을 둘러메고 본격적으로 바닷속을 탐험해 보자. 바닷속 절경에 취해 깊은 곳으로 들어가다 보면 우리 몸에는 땅에서와 다른 변화들이 하나둘씩 나타나게 된다.

물 속에서는 우선 산소가 문제가 된다. 인간은 산소가 없으면 잠시도 살 수 없는 없지만, 물 속에서는 산소가 너무 많아서 문제가 된다. 공기통에서 체내로 들어오는 산소의 압력이 육지보다 훨씬 높아지면서 우리 몸속에 ‘활성산소’가 늘어나게 되는 것이다.

평상시에도 우리 몸에는 활성산소가 만들어지지만, 워낙 소량인데다 인체에는 활성산소를 제거하는 효소들이 있기 때문에 크게 문제가 되지 않는다. 하지만 높은 압력으로 오랫동안 산소를 호흡해야 하는 바다 속에서는 사정이 다르다. 대량으로 흡수된 활성산소들을 몸속의 효소들이 다 처리하지 못하는 현상이 생기는 것이다.

물론 1~2시간 남짓의 짧은 잠수에는 큰 문제가 없다. 하지만 욕심을 부려 수심 20m에서 6시간 이상 호흡하면, 폐와 기관지세포가 손상되어 호흡곤란을 일으키는 사고로 이어진다. 전문 스쿠버들이 수심 9m 이상의 깊이로 잠수를 할 때는 순수한 산소 대신 압축 공기가 들어있는 공기통을 사용하는 것도 이 때문이다. (순수 산소는 활성산소로 인한 피해를 더욱 크게 만든다.)

그러나 압축공기 역시 좀 더 깊은 곳으로 들어가면 ‘질소마취’라는 효과를 만들어 낸다. 압축공기통을 달고 스쿠버다이빙을 하게 되면 보통 약 30m 수심에서 큰 변화를 경험하게 된다. 처음에는 술 취한 것처럼 느껴지지만, 수심이 깊어질수록 사고력, 판단력, 추리력, 기억력이 점차 흐려지다가 심하면 황홀감에 사로잡혀 무서운 것이 없어지고, 사리판단이 극도로 흐려져 응급사태에도 대처하지 못해 아주 위험해진다. 이런 현상을 ‘질소마취’라고 부른다.

원래 질소는 인체에 무해하다. 하지만 혈액 속에서 그 농도가 높아지면 사정이 달라진다. 신경의 정보전달기능을 마비시키는 마취작용을 일으키는 것이다. 왜 유독 바닷속에서 질소가 문제가 되는 것일까? 그것은 액체에 녹아 들어가는 기체의 양은 그 기체의 분압에 비례하기 때문이다. 즉 물 속으로 10m, 20m, 30m로 깊이 들어갈수록 폐 내의 질소분압이 2배, 3배, 4배로 증가하고, 이에 따라 혈액으로 녹아 들어가는 양도 2배, 3배, 4배로 증가되는 것이다. 질소마취는 일단 시작되면 그 증상이 아주 빨리 진행된다. 하지만 그 원인이 없어지면 곧 회복될 수 있으므로 30m이내의 수심으로 올라오면 곧 사라진다.

그러나 급하게 올라오는 것은 더 큰 위험을 초래한다. 이 질소가 감압병(decompression sickness: 일명 잠수병)을 유발할 수 있기 때문이다. 깊은 곳에 있던 사람의 몸이 물 위로 올라오면 폐 내의 질소분압이 낮아지므로 조직에서 혈액으로, 그리고 혈액에서 폐로 질소가 빠져 나오게 된다. 그런데 혈액 순환이 느린 조직에서는 질소가 다 빠져 나오지 못하는 현상이 발생하게 된다. 이렇게 되면 질소가 과도하게 많이 녹아 있는 상태가 되고, 여기서 마치 맥주병마개를 따놓을 때처럼 작은 기포(bubble)들이 만들어지게 된다. 이 기포들이 뭉쳐지게 되면 점차 커지게 되고, 혈액을 따라 움직이다가 가느다란 혈관을 막게 된다. 이것이 손발이 마비되거나, 호흡곤란 혹은 피부가려움증 등을 유발하게 되고, 심할 경우 하반신 불수나 질식현상까지 발생하는 것이다. 이른바 잠수병이라고 부르는 증상이 나타나는 것이다.

수심 30m 이상 깊이로는 잠수를 하지 않도록 권고 하거나, 수면으로 상승 시 1분당 9m의 상승속도를 준수하도록 하는 것도 이 때문이다. 만약 잠수병 증상이 있다면 급히 병원으로 옮겨 고압산소치료를 받아야 한다. 그 원리 역시 고압탱크 내에 환자를 넣고 압력을 가하여(통상 18m 깊이의 물속 압력) 몸에 생긴 질소기포가 점점 작게 만들고 체액 내로 다시 녹아 들어가게 한 다음 서서히 감압하여 폐를 통해 빠져나가게 하는 것이다.

만약 휴가철을 맞아 해외에서 스쿠버 다이빙을 즐겼다면 충분한 휴식을 취한 다음 비행기를 타는 것이 좋다. 위로 올라갈수록 기압이 낮아지기 때문이다. 아직 혈액 속의 질소들이 과도하게 녹아있는 상태에서 높은 곳으로 올라가면 질소 기포들이 더 크게 생겨나 잠수병이 심해질 가능성이 크기 때문이다.

재미있는 것은 평균 300m 깊이로 잠수를 즐기는 남극의 신사 황제펭귄 역시 ‘잠수병’ 을 피하기 위해, 인간과 비슷한 방법을 사용한다는 점이다. 펭귄들도 수면에 도착하기 전에 바다 속에서 잠시 멈춘 다음, 비스듬한 각도로 수면으로 올라가는 것이다. 사람들이 시행착오를 통해 습득한 것을 본능적으로 알고 있는 셈이다. (글 : 유상연 과학칼럼니스트)