- 우리는 직접 목격하는 순간에도 다른 동물들의 능력을 잘 받아들이지 못함. 벌에겐 최소한 세개의 인지 모듈이 선천적으로 배선되어 있음. 그 덕분에 벌은 향기, 색깔, 꽃 모양, 무의, 시간 등을 꽃 자체와 연관시키고, 벌통으로 돌아오고, 항행정보를 동료들에게 전달할 수 있음. 벌의 세계에서 시간을 아는 것은 유쾌한 일이지만 어떤 벌들은 춤 정보를 이용하고 올바른 장소를 찾는 일에 아주 서투르다는 사실을 간과해서는 안됨. 그 벌들이 먹이장소를 제대로 찾기까지는 평균 네번의 춤과 여행이 필요한데, 그 전에는 길을 잃고 멀리까지 헤매곤 함. 여기에는 그 벌들의 실수로 새로운 구역을 발견할 수 있다는 장점이 있음. 현재 우리는 벌에게 생체시계와 시간 표현법이 있음을 잘 알고 있지만, 벌이 시간을 안다고 할때 그것이 무엇을 의미하는지는 여전히 물음표로 남아 있음. 이럴 때 우리는 의인화된 사고에 쉽게 빠지곤 함. 은유는 유용한 도구이지만 인간의 특성을 다른 생물에게 돌리는 일에는 주의사항이 붙음. 과학적 개념을 요약하고 표현하기 위해 은유를 이용하는 것은 필요하고 유용한 일이지만 한편으로는 그 개념에 잘못된 의미를 덧붙일 수 있는 위험이 있음. 우리는 이 주의사항을 반드시 명심해야 함. 동물과 식물은 우리처럼 손목시계를 보고 시간을 알 수 없음. 그러나 동식물은 몸속에 시계를 갖고 있음. 많은 생물들이 태양주기의 내적 표현법을 알고 더 나아가 일종의 시간관념을 갖고 있지만, 우리가 시간이라 부르는 것은 과연 무엇을 의미하고, 생체시계가 있다면 우리가 그것을 어떻게 알아볼 수 있을까?
- 온도보상 문제는 생체시계 연구의 초기 단계에서 주된 쟁점이었음. 초기의 한 실험을 토대로 에르빈 뷔닝과 한스 칼무스는 몇몇 종의 초파리에게서 일간주기 리듬이 온도에 따라 변한다는 사실을 제기. 뷔닝은 12시간 빛/어둠 주기, 그리고 26도 온도에 놓아두었던 초파리 번데기를 16도 온도의 완전한 어둠에 놓았음. 그는 우화를 초파리 행동의 표지로 이용했음. 우화란 파리가 번데기 겁질을 깨고 나오는 과정을 뜻함. 거의 모은 우화가 동틀녁에 집중될 정도로 초파리는 강한 주행성향을 보였음. 야생에서는 동틀녁의 조건이 비교적 축축하고 서늘하며, 갓 깨어난 곤충으로서 날개를 말리고 더 따뜻한 온도에 대비할 시간을 가질 수 있기 때문에 새벽 우화는 생존면에서 분명한 이점을 갖고 있음. 초파리의 일생에서 우화는 단지 한번뿐이므로, 얼핏 보기에 이것을 리듬의 표지로 이용하는 것이 이상할 수도 있음. 이와 마찬가지로 인간의 경우도 출생이나 죽음같은 사건들은 한번으로 끝나기 때문에 연속성이 없음. 그러나 개체군 연구에 따르면 인간의 탄생과 죽음에는 특정한 패턴이 있으며 두 사건 모두 이른 아침에 정점에 달함. 각각의 개인은 단지 한개의 데이터 포인트를 더할 뿐이지만, 그 점들이 모이면 개체군 전체에 걸쳐 선명한 일간주기 리듬이 드러남. 초파리의 경우 새벽의 탈피를 놓친 번데기들은 몇 시간 후부터 준비를 해서 다음 새벽을 기다릴 것이다. 이것은 마치 탈피를 허락하는 문이 몇 시간 동안만 열린 다음 닫혀버리고 그런 다음 일간주기에 따라 다음 기회에 다시 열리는 것처럼 보임. 26도에서 초파리의 자유가동 우화 리듬은 약 27시간의 주기로 진행됨. 16도에서 번데기의 우화시간을 측정한 뷔닝은, 번데기들을 어두운 조건에 놓자 우화가 약 27시간이 아니라 그보다 12시간 후인 약 39시간만에 일어난다는 것을 발견. 뷔닝이 옳다면 시계가 온도보상적이라는 피텐드리의 주장은 엉터리가 될 것임.
- 쉬운문제는 보상이 적음. 그것은 누구나 건드릴 수 있으며, 진정한 발전을 의미하지 않기 때문. 아주 어려운 문제는 보상이 클수도 있지만, 아무런 보상도 돌아오지 않을때가 많음. 많은 문제들이 어려운 까닭은 그와 관련된 도구와 기술이 충분히 무르익지 않았기 때문. 최고의 이익은 중간수준의 복잡성에 놓여 있는데, 피터 메더워 경이 과학을 해결의 예술이라 규정한 것을 근거로 필자는 그것을 메더워 존이라 부름. 이 중간수준의 문제들은 노력 단위당 가장 높은 이익을 안겨줌. 무익할 정도로 너무 간단하지도 않고 해결이 불가능할 만큼 너무 어렵지도 않기 때문.
- 유기체의 생물학적 체계는 빛과 온도라는 두 주요한 환경요소의 주기적이고 예측가능한 일간 변화에 응하기 위해 생체시계를 따르도록 프로그램화 되어 있다고 볼 수 잇음. 이것은 기본적인 제어체계인 반면에, 항상성 메커니즘은 외적 환경의 변화에 대응하거나(가령 그늘에서 빛으로 이동) 유기체의 내적 필요에 대응하여(가령 걷기에서 달리기로 전환) 미세조정을 행하기 위해 존재함. 니콜라스 므로솝스키는 낙타가 직면하는 주변환경의 문제를 통해 시계 프로그램과 항상성 제어의 보완작용을 설명함. 낙타는 사막 한가운데서 산다. 낙타는 한낮츼 열기를 피하기 위해 모래를 타고 숨기에는 너무 크고, 사막에는 그늘의 거의 없음. 따라서 낙타가 정상체온을 유지할 수 있는 유일한 방법은 피부나 혀를 통해 땀을 흘려 증발시키는 것. 그러나 그것은 수분손실을 의미하는데, 낙타는 결코 소중한 수분의 손실을 원하지 않음. 낙타는 열을 식히기 위해 수분을 포기하면 탈수상태에 빠짐. 체온조절과 수분균형이 투쟁을 벌임. 그러나 낙타는 간단하고 멋진 방법으로 문제를 해결. 낮 동안에 낙타의 체온은 대부분의 포유동물에겐 위험할 정도까지 올라감. 수분을 아껴야 할 필요가 더 커지거나 탈수사애가 심해질수록 낙타의 체온은 최대 41도까지 올라감. 인간에게는 생명을 위협하는 고열이지만 낙타에겐 별것 아님. 밤이 되면 수분이 부족해진 낙타는 체온을 34.2도까지 떨어뜨리는데 인간을 기준으로 하면 아주 서늘한 온도임. 낙타의 장점은 다음날 높은 온도까지 체온을 끌어올리는데 더 오랜 시간이 걸린다는 것. 낙타는 다음날의 열기를 예상하고 자신을 보호하기 위해 야간 저체온증을 이용하는데, 이 역시 피드포워드 메커니즘의 예임. 낙타의 체내환경은 고정돼 있지 않음. 낙타는 주변환경의 조건과 자신의 탈수 정도에 적응하기 위해 설정점을 변경할 줄 안다. 이것을 운전에 비유하자면, 고속도로를 벗어나 도심지역에 들어설 때 시속 70마일에서 속도를 줄이고 시속 30마일을 유지하는 경우라고 이야기할 수 있음. 그러나 체온 설정점에 융통성이 있다고 해도 최적의 범위가 없는 것은 아님. 전반적인 일간 체온은 여전히 일간주기에 따라 제어됨
- 막스 플랑크 행동생리학 연구소의 책임자로서 일간주기를 개척한 또 한명의 과학자 위르겐 아쇼프는 항상성과 일간주기 리듬의 연결성을 40년 전에 다음과 같이 설명. 항상성은 환경을 막아내는 방법이고 환경으로부터의 도피라고 생각할 수도 있음. 오랫동안 이 현상은 생리작용을 하는 유기체의 최우선 목표로 간주되어 왔고, 분명히 커다란 생존가치를 갖고 있음. 그러나 환경의 변화하는 상황에 대처할 수 있는 또 다른 일반적 가능성이 존재. 방패처럼 막는 대신 그 변화에 맞추는 것이고, 내적 환경을 안정적으로 유지하는 대신 변화하는 외부세계의 거울을 유기체의 몸속에 설치하는 것. 이를 위해서는 필수적인 조건이 하나 있음. 환경에서 일어나는 사건들이 예측가능해야 한다는 것인데, 그것은 물론 그 사건들이 주기적으로 변하는 경우이다. 상대선수의 힘을 역이용하는 유도선수처럼 유기체들은 자신의 환경에 정면으로 부딪히기보다 환경의 자연적인 리듬들과 조화를 이루며 살아감. 야생의 동물이나 식물이 규칙적인 환경변화를 예측할 수단을 갖고 있다면, 그 조건들을 이용하는 방식으로 행동할 것임. 그래서 조만간 동이 틀 것을 아는 새는 최초의 빛에 대해 생리적으로 준비를 할 것임. 생화학 작용이 한낮의 필요사항에 응할 수 있도록 활성화되려면 그 새는 새벽을 예상해야 함. 부지런한 새가 벌레를 잡는 것은 이와 같이 더 좋은 시간 프로그램이 있기 때문. 일간주기 리듬은 하루의 긴급한 일들을 예상하게 해주는 필수적인 시간 프로그램을 만들어냄.
- 시상하부는 뇌의 기저에 있음. 인간의 시상하부는 대략 아몬드 크기이고 쥐의 시상하부는 카더멈 씨앗 만함. 시상하부의 주요 기능은 혈압, 체온, 체액 및 전해질 균형, 지방과 탄수화물의 대사, 혈당량 등을 조절하는 것. 구조적 면에서 시상하부는 시상과 맞닿아 있으며, 두 부위가 협동하여 수면/기상 싸이클을 만들어냄. 시상하부는 내분비계의 일간조절 외에도 포유동물의 규칙적인 발정기에 관여하는 호르몬 분비시간을 제어함. 그 호르몬들은 배란을 자극하고, 수정란 착상을 위해 자궁막을 준비시킴. 이 호르몬들의 분비는 동물의 각성상태와 밀접하게 연결돼 있으며, 여성의 자궁 수용성을 성주기와 일치시키는데 필요한 협조주기는 일간주기 진동자에 의해 이루어짐
- 척추동물의 몸을 구성하는 수십억의 세포에 저마다 시계가 하나씩 들어 있음. 그러나 현지 시계와 SCN사이에는 중요한 차이가 있음. SCN이 손상된 동물에게 SCN을 이식했을 때에만 리듬이 회복됨. 섬유아세포 또는 SCN이 아닌 다른 뇌 부위의 세포들은 이식을 해도 리듬을 회복시켜주지 못함. 이것은 모종의 시간 프로그램이 SCN에 의해 조절된다는 것을 암시. 다수의 진동자에 기초한 일간주기 체계는 표준시의 성립에 비유되곤 함
- 놀랍게도 모든 유기체의 위상반응 곡선은 기본적으로 똑같은 형태. 다시 말해 밤의 전반부에 발생한 위상변화는 다름날의 활동리듬을 지연시키고, 밤의 후반부에 발생한 위상변화는 다음날의 활동리드을 앞당김. PRC(PHASE RESPONSE CURVE)의 정확한 형태는 종마다 뚜렷하게 달라서, 큰 폭의 지연을 보이는 동물이 있는가하면 작은 폭의 앞당김을 보이는 동물도 있음. 야행성 동물들처럼 주행성 동물의 경우에도 낮 시간의 대부분 동안에는 빛을 가해도 위상변화가 일어나지 않음. 그러나 이른 아침에 빛을 쪼이면 인간을 비롯한 주행성 동물은 수면/기상 사이클이 앞당겨져서, 다음날 조금 일찍 잠자리에 들고 조금 일찍 잠에서 깸. 정반대로 이른저녁의 빛은 수면/기상 사이클을 지연시켜서 조금 더 늦게 잠자리에 들고 조금 더 늦게 일어나게 됨
- 포유동물은 눈으로 빛을 감지한다. 눈을 잃으면 포유동물은 시지각과 일간주기를 모두 잃는다. 눈을 잃은 포유동물은 빛에 동조하지 못하고 죽을때까지 자유가동상태로 지냄. 그러나 새, 파충류, 양서류, 어류는 눈이 없어도 일간주기 리듬의 동조가 계속됨. 이 동물들에겐 눈 외에 빛을 감지하는 외안 광수용체 기관이 있기 대문. 반면에 포유동물은 독특한 진화를 거치는 과정에서 외안 광수용체를 잃어버렸음. 현대의 모든 포유동물은 약 1억년 전에 벌레를 먹거나 잡식을 하던 야행성 동물로부터 파생되었음. 심지어 영장류도 대부분의 기간동안 굴에서 살았고 한참 후에야 일몰 때 밖으로 나와 활동한 것으로 추정됨
- 송과체는 뇌의 일정한 부위에서 시작해 눈으로 발달하기 때문에 포유동물이 아닌 동물들의 송과체와 눈에는 공통적 특징들이 많은데, 광수용체도 여기에 속함. 포유동물이 아닌 동물들의 송과체는 뇌의 표면에 자리잡고 있어서 피부와 두개골을 통과한 빛은 즉시 송과체에 도달. 그러나 어떤 물고기에게는 마치 창문과도 같은 반투명한 부위가 있어서 더 많은 빛이 송과체에 도달함
- 과학자들은 인공적 광주기를 이용해, 기습적 추위나 이상고온 같은 부차적 요인들이 번식속도에 영향을 미칠수는 있지만 온도나 먹이 자체가 번식을 촉발하지는 않는다는 사실을 입증. 박새는 새기에게 먹일 애벌레에 크게 의존하는데, 박새가 산란하는 알의 수는 산란직전 애벌레의 밀도에 좌우되었음. 애벌레의 출현은 주변온도에 의해 결정되므로 온도가 박새의 번식가능성을 간접적으로 좌우한다고 볼 수 있지만, 문제는 산란의 시기가 아니라 알의 수만을 조절한다는 것이다.
- 오존층이 없던 시절에 초기의 생물은 세 파장 중 가장 파괴성이 높은 UV-C에 그대로 노출되었을 것임. 일간주기 시계의 진화는 UV방출로 생성된 돌연변이의 변이성과 UV가 DNA복제에 미치는 치명적 영향 사이에 섬세한 저울추를 맞추는 수단을 제공했을 것임. 콜린 피텐드리는 조직과 질서의 차이에 대한 존 폰 노이만의 말을 인용. 수학의 천재 노이만은 이렇게 말했음. "조직에는 목적이 있지만 질서에는 목적이 없다." 피텐드리는 이 말 속에, 생물학적 조직체의 기본 목적은 자기복제에 의한 자기영속화라는 의미가 담겨 있다고 보았음. 그렇다고 해서 진화가 목적론적이란 뜻은 아님. 진화는 목적과 무관. 그러나 진화가 아닌 생물학적 조직체에겐 충실한 복제라는 목적이 있음. 만일 초기의 시아노박테리아가 시간조절 메커니즘을 이용해 UV로 인한 DNA손상을 줄일 수 있었다면, 그 메커니즘은 시아노박테리아라는 유기체에 의해 선택되고 보존되었을 가능성이 매우 높음.
- SAD가 중증에 이른 사람은 생명까지 위독함. 그들은 심각한 우울증에 빠져 사회적 활동을 꺼리고 심한 경우 자살을 기도. SAD환자들은 탄수화물을 탐식하는 탓에 종종 5~10킬로까지 살이 찜. 봄이 오면 증상이 호전됨. 낮이 길어지면 차츰 기분이 호전되고 활력을 되찾을 뿐 아니라 동면하는 곰처럼 불어났던 체중도 점차 줄어듬. SAD는 적도 아프리카를 떠나 계절이 구분되는 고위도로 이주한 초기 원인에게 유리하게 작용했던 일종의 퇴화한 특징일 수 있음. 겨울이 시작되어 식량과 빛이 크게 부족하고 그에 따라 세로토닌 같은 기분을 좌우하는 신경호르몬의 수치가 떨어지면 고위도의 원인들은 반 최면상태에 빠졌을 것임. SAD환자들의 전형적 나태함은 동면하는 동물들의 에너지 절감과 유사. 이와 마찬가지로 봄철에 식량과 빛의 양이 증가하면 세로토닌 수치가 올라가고 음식과 섹스욕구도 불이 붙음. 현대인은 겨울철에 나태해질 여유가 없기 때문에 SAD는 옛날처럼 유익한 특질이 아니라 장애로 전락함
- 보통 우리의 몸을 24시간 사이클에 동조시키는 것은 빛/어둠 주기, 온도, 습도, 사회적 상호작용임. 가령 샌프란시스코에서 런던으로 날아갔을 때처럼 이 변수들이 뒤섞이면 신체의 생리과정들은 즉시 그 변화를 따라잡지 못함. 대부분의 사람들은 새로운 환경자극에 적응하기까지 표준시간대 당 하루가 걸림. 시차증은 서쪽에서 동쪽으로 이동했을 때 더 오래감. 미 육군병사들에 대한 한 연구는, 미국에서 독일로 이동한 병사들은 시간과 환경변화에 적응하기까지 8일이 걸린 반면, 미국으로 돌아온 병사들은 사흘밖에 걸리지 않았음. 케사추세츠 대학 신경학 교수인 빌 슈워츠는 열광적인 야구팬임. 동료들의 도움으로 그는 동부에서 어웨이 경기를 하는 서부지구 선수들과 그 반대의 선수들에 대한 기록을 분석. 그 결과는 서부지구의 모든 팬들이 본능적으로 알고 있는 것임. 서부지구 팀들은 조직적으로 불이익을 당하고 있음. 동부지구의 팀들은 홈에서 서부지구의 팀들과 경기를 할때 게임당 평균 1.24점을 더 올림. 반면에 서부지구의 팀들이 홈에서 경기를 할 때는 통계상으로 점수 차이가 나지 않음. 동쪽 여행에 적응하기가 더 어려운 이유는 무엇일까? 슈워츠는 자극이 없는 상태에서 신체리듬은 24시간보다 약간 더 길게 발전한다고 지적. 비행기를 타고 로스앤젤리스에서 뉴욕으로 여행하면 하루가 짧아지는 반면 뉴욕에서 로스앤젤리스로 가면 하루가 길어지는데 우리의 몸은 긴 하루에 더 쉽게 적응한다는 것. 슈워츠는 다음과 같이 말함. "동쪽에서 서쪽으로 여행하면 하루가 길어지기 때문에 우리의 몸은 생체시계가 원하는 방향으로 이동한 셈이 되고, 서쪽에서 동쪽으로 여행하면 하루를 압축하는 셈이 된다." 시차증을 극복하는 한 방법은 선글라스를 착용하는 것. 빛은 생체시계에 변화를 초래하지만 시간대에 따라 생체시계에 미치는 영향이 다름. 이른 밤의 빛이 생체시계를 지연시키기 때문에 그 영향으로 다음날부터 늦게 잠들기 시작. 늦은 밤, 즉 체온이 최저점에 도달하는 새벽 4시 이후의 빛은 생체시계를 앞당겨서 이튿날 밤에 일찍 잠들게 만듬. 야간의 빛은 시간에 따라 생체시계를 앞당기거나 지연시키기 때문에 여러개의 표준시간대를 건너뛸 때에는 기착지의 표준시간대에서 생체 시계가 올바른 방향으로 바뀌도록 빛 노출을 조절할 필요가 있음.
- 오늘날 말라리아는 적도지방의 질병으로, 3억~5억 명이 말라리아에 걸리고, 그중 약 2억명이 사망하는데 주로 어린아이들임. 말라리아에 감염된 학질모기 암컷이 사람을 물고 피를 빨때 모기의 몸속에 기생하고 있던 말라리아 원충이 사람의 혈관으로 들어옴. 원충은 간에 감염된 다음 적혈구에 감염됨. 감염된 적혈구가 파열되면 수십억 마리의 원충이 동시에 분출되어 새 적혈구들을 공격하고 그 과정에서 농도가 진한 독성물질이 혈관으로 퍼짐. 이 중독 현상을 감지한 숙주는 그에 대한 반응으로 조직괴사인자를 비롯한 화학물질들을 분비. 조직괴사인자는 신체의 온도조절장치를 올리고 설정값을 바꿔 감염된 숙주로 하여금 극도의 한기를 느끼게 함. 이 한기를 인해 오한이 유도되어 체온이 39~40도까지 높아짐. 체온이 급격히 높아진 후에는 메스꺼움과 구토가 시작되고, 그런 다음 극도의 열과 두통과 정신착란에 빠지는 고온위상이 시작됨. 땀을 많이 흘린 후에 한동안 열이 가라앉는데, 이 전체 사이클을 주기적 발작이라 부름. 주기적 발작과 고열이 되풀이되는 것은 새로운 파열과 분출때문.
