뇌가 없어도 잠을 잔다? 거꾸로 해파리가 가르쳐주는 '수면의 진정한 목적'

뇌가 없어도 잠을 잔다? 거꾸로 해파리가 가르쳐주는 '수면의 진정한 목적'

잠은 신비롭다. 무방비 상태가 되고, 먹이를 찾거나 번식하는 것도 멈추며, 포식자에게 쉽게 노출된다. 그럼에도 불구하고, 수면은 광범위한 동물들 사이에서 계속 유지되고 있다. 왜 그렇게까지 "위험한 행동"을 포기할 수 없는 것일까——그 질문에, 너무나도 의외의 생물이 실마리를 제공했다.


주인공은 "거꾸로 해파리"다. 물 밑바닥에서 우산을 아래로 향하고, 박동하면서 떠다니는 모습이 특징적인 해파리다. 연구에서는, 이 거꾸로 해파리가 밤이 되면 박동의 템포를 늦추고, 반응도 둔해지는 "잠자는 것 같은 상태"에 들어가는 것이 관찰되었다. 게다가, 낮에도 짧은 휴식을 취하며, 밤에 방해받은 만큼을 "회복"하려는 행동까지 보인다고 한다.


여기서 중요한 점은, 해파리가 우리와 같은 "뇌"를 가지고 있지 않다는 것이다. 해파리의 신경계는 몸에 얇게 퍼진 "신경망"에 가깝다. 말하자면, 중앙 지휘부 없이 환경에 반응하고 있는 것이다. 그럼에도 불구하고 "쉴 때에 쉬는" 것 같다. 수면은 뇌의 고도의 기능(꿈이나 기억 정리)의 부산물인가, 아니면 더 근본적인 생존 전략인가. 논의의 축이 훨씬 깊은 곳으로 이동한다.


애초에 "수면"이란 무엇을 충족해야 하는가

"눈을 감고 가만히 있으면 수면"이 아니다. 동물이 잠들어 있는지 여부는 일반적으로 몇 가지 기준으로 판단된다. 대표적인 것이 "반응성의 저하"다. 즉, 외부 자극에 대해 평소보다 반응이 느려지거나 반응하기 어려워진다.


연구팀은 적외선 하에서 행동을 촬영하고, 백색광을 비추거나 먹이 자극을 주어 반응 속도를 측정했다. 그 결과, 거꾸로 해파리는 일정 시간 이상 박동이 느린 상태가 지속되면 반응이 둔해지는 것으로 나타났다. 말미잘의 일종(스타렛 시아네모네)에서도, 일정 시간 거의 움직이지 않는 상태가 지속될 때 반응이 늦어지는 경향이 보였다. 즉, "잠들었을 때의 '둔함'"이 자포동물에서도 성립하고 있다.


게다가, 수면에는 "항상성(호메오스타시스)"이 있다. 수면 부족 후 졸음이 강해지고, 길게 자서 보충하는——소위 "수면 보충"이나 "반동 수면" 같은 현상이다. 연구에서는, 물의 흐름 등으로 의도적으로 휴식을 방해하면, 그 후의 수면 시간이 증가하는 경향이 관찰되고 있다. 인간의 "수면 부족 다음 날 졸리다"와 비슷한 논리가, 신경망밖에 없는 동물에게도 드러난다.


핵심: 깨어 있을 때 신경 세포의 DNA가 손상되고, 잠들면 수리가 진행된다?

이번 이야기의 중심은, "수면＝신경 세포의 DNA 유지 시간"이라는 가설이다.


포인트는 이렇다.

  • 각성하여 활동하는 동안, 신경 세포에서는 DNA 손상(절단 등)이 증가한다.

  • 휴식·수면 유사 상태 후, 그 손상의 지표가 감소한다.

  • 졸음(수면 압력) 그 자체가, DNA 손상이나 세포 스트레스로 인해 높아질 가능성이 있다.


연구팀은 특정 염색법 등을 사용하여 신경 세포의 DNA 손상의 흔적을 시각화하고, 시간대나 상태에 따른 변화를 추적했다. 거꾸로 해파리에서는 활동이 계속된 타이밍에 손상이 많아지고, 긴 휴식 후에 감소하는 경향이 나타났다. 말미잘에서도 유사한 방향성이 보고되어, 종이 달라도 "깨어 있을수록 손상이 쌓인다→쉬면 회복된다"는 시나리오가 보인다.


게다가, 인과 관계에 접근하기 위해, DNA를 손상시키기 쉬운 자외선(UV-B)을 쬐는 실험도 진행되었다. 단시간에 손상이 증가하고, 그 후에 휴식이 증가한다. 휴식 후에는 손상이 기준에 가까워진다——"손상이 잠을 부르고, 잠이 수리를 돕는다"는 순환 모델을 뒷받침하는 결과다.


"수면의 기원"은 얼마나 오래된 것인가

자포동물(해파리, 말미잘, 산호 등)은 동물의 계통수의 상당히 뿌리 쪽에 있다. 우리를 포함한 좌우 대칭 동물(곤충이나 척추동물 등)과 갈라진 것은 약 6~7억 년 전으로 여겨진다. 만약 자포동물 단계에서 이미 수면의 핵심 기능이 성립되었다면, 수면은 "뇌가 발달한 후에 생긴 편리 기능"이 아니라, "신경계가 생긴 시점에서 필요해진 기본 기능"이었을 가능성이 높다.


여기서 흥미로운 것은, 수면의 "목적"에 대한 논의다. 수면에는 에너지 절약, 기억의 고정, 면역 조절 등 다면적인 이점이 제안되어 왔다. 이번 결과는 그것들을 부정하기보다는, "가장 먼저 필요했던 것은 신경 세포의 유지일지도 모른다"는 우선순위의 이야기와 가깝다. 신경 세포는 기본적으로 증식하기 어렵고, 손상되면 대체하기 어렵다. 그렇기 때문에, 정기적인 "수리 시간"이 필요했다——는 견해는 진화적으로 일리가 있다.


멜라토닌이 "뇌 없는 동물"에도 효과가 있을까? 상식에 대한 작은 흔들림

또 하나, 논의를 자극하는 요소가 있다. 수면이나 생체 시계 하면 멜라토닌이다. 우리는 "어두워지면 멜라토닌이 증가하여 졸리다"는 이미지를 가지고 있다. 그런데 실험에서는, 멜라토닌을 물에 첨가하면, 거꾸로 해파리나 말미잘에서도 "본래의 활동 시간대"에 휴식이 증가하는 경향이 보였다.


"멜라토닌의 수면 작용은, 뇌와 일주 시계가 복잡해진 척추동물에서 진화했다"는 생각이 있는 한편, 더 오래된 단계부터 "휴식 스위치"로 작용했을 가능성도 부상한다. 수면의 역사가 오래된 것뿐만 아니라, 잠을 조절하는 화학적 메커니즘도 상상 이상으로 오래되었을지도 모른다.


SNS의 반응: "뇌가 없어도 잠든다"에 놀라움과 납득, 그리고 농담

이 주제는 SNS에서도 확산되기 쉽다. 이유는 단순히 "뇌가 없는데도 잠든다"는 문장이 강하기 때문이다. 반응은 크게 세 가지 유형이 눈에 띈다.


1) 소박한 의문: 왜 깨어 있는 동안에 수리할 수 없는 걸까?

해외 게시판에서는 "결국 왜 깨어 있는 동안에 수리할 수 없는 거야?"라는 직구의 의문이 상위에 오르고 있다. 연구의 설명을 바탕으로 하면, 활동 중에는 자극 입력이나 신경의 발화, 대사 등이 계속되어 수리 프로세스에 있어 노이즈가 클지도 모른다. 하지만 여기는 아직 가설의 영역으로, "수면이 수리를 '쉽게 하는 조건'이란 무엇인가"는 다음 연구 과제가 된다.

2) 납득의 목소리: 수면은 "뇌를 위한" 것보다 "신경을 위한" 것일지도

"수면은 우선 유지보수라고 생각했다"는 감각과도 잘 맞는다. 깨어 있는 동안 축적되는 손상이나 스트레스를, 감각 입력을 줄인 상태에서 한꺼번에 처리한다. 인간 측의 체감(잠을 자면 회복된다)과 분자 수준의 설명(DNA 수리)이 "연결된 느낌"이 들기 때문이다.


3) 약속된 유머: 해파리의 악몽, 인간에 대한 빈정거림

SNS답게, 농담도 나온다. "해파리는 악몽으로 학점 부족에 시달리는가?" 같은 농담이나, "뇌가 없는 인간도 있다"는 빈정거림이 섞이는 것도, 이런 종류의 뉴스의 "풍물"이다. 과학의 주제가 확산될 때, 놀라움·이해·웃음이 세트로 순환하는 것은 건전하기도 하다. 관심의 입구가 가벼울수록, 본문의 내용(DNA 손상과 수면 압력의 관계)으로 사람들이 쉽게 흘러가기 때문이다.


그럼 "수면의 정체"는 결론이 났는가?

결론을 서두르면 오해가 생긴다. 이번 연구는 "수면의 유일한 목적＝DNA 수리"라고 단언한 것이 아니다. 오히려, "가장 오래된 핵심 기능 중 하나"로서 DNA 보호가 강화되었다고 보는 것이 타당할 것이다. 신경계가 복잡해지면, 학습이나 기억, 시냅스 조정 등 다른 이점이 "나중에 겹쳐질" 가능성도 충분히 있다.


그럼에도 불구하고, 해파리나 말미잘이라는 "원시적으로 보이는" 생물이 보여주는 메시지는 강하다.
잠은, 의식이나 꿈을 위해 태어난 것이 아니라, 우선 "부서지기 쉬운 신경을 보호하기 위해" 필요했을지도 모른다.
그리고 그 필요성은, 6억 년 이상 전부터, 생명에게 "지불하더라도 얻을 가치가 있는 비용"이었다——그렇게 생각하면, 오늘 밤의 수면이 조금 다르게 보일 것이다.


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