우리는 보통 신호라고 하면 인위적으로 만들어진 것으로 생각합니다 고대에는 불과 연기등의 단순한 신호로써 정보를 교환하였고 전기가 발견되고 나서는 전기와 빛으로써 신호체계를 만들어 방대한 량의 정보를 저장하고 또 주고받으며 살아가고 있습니다 그런데 알고 보면 인류가 개발한 것 같은 신호라는 것은 이미 모든 생명체에 흐르는 생명현상임을 알 수 있습니다 사실 우리가 누리고 있는 모든 과학적인 기술과 지식들은 알게 모르게 자연이라는 원판을 따라가고 있음을 알 수 있습니다
이 글에서는 가장 정교한 신호와 정보처리를 하며 생명현상을 이러가고있는 신경계와 세포, 그리고 가장 정적인 생명체라고 할 수 있는 나무와 식물들의 소통하는 방식, 그리고 곤충 중에서 가장 사회적이라고 알려진 개미와 꿀벌의 소통하는 방식, 그리고 소리와 깃털로서 자신을 드러내는 새들, 바닷속에서 소통하는 어류로 가장 잘 알려진 돌고래의 신호와 정보의 교환하는 방법에 대해서 알아보겠습니다
신경계와 세포
현대 정보의 네트워크가 여러 통신망으로 연결되어있는것처럼 뇌는 아주 복잡한 신경망으로 서로 연결되어서 외부의 자극을 인식하고 이 신호를 빠르게 처리하여 신체적인 움직임을 일으킵니다
신호가 전달되는 과정은 눈, 코, 혀, 귀, 피부등의 외부에 있는 감각기관이 환경에서 전달되는 자극을 느끼고 받아들입니다 이 자극을 통한 신호는 큰 흐름으로는 척추뼈 안에 있는 척수를 지나 뇌로 전달되고 뇌에서 해야 할 행동을 결정하고 이 명령은 다시 척수를 거쳐 신경계의 끝인 말초신경으로 전달되어 운동기관이 움직이게 되고 하나의 신경세포에서 또 다른 신경세포로의 전달은 다음과 같습니다
옆의 신경세포로부터 받은 자극은 수상돌기로 전달되고 이 신호는 다시 세포체로 전달됩니다 그리고 신경의 전기적인 에너지인 활동전위가 만들어지고 이 전기적인 에너지는 축삭을 따라 이동하다가 축삭 끝에서 화학적인 신경전달물질이 방출되고 이 신경전달물질은 시냅스를 통해 옆의 뉴런에 전달됩니다
이러한 자극의 신호와 전달방식으로 우리는 감각과 움직임을 경험하고있습니다
또한 인체는 신경계뿐만이 아니라 우리의 몸 하나하나를 이루고있는 세포하나하나는 다 유기적으로 연결되어서 신호를 받고 전달되는 과정을 통하여 생명활동을 이어가고 있습니다
예를 들어 세포 하나하나는 세포막으로 둘러싸여져있고 그 안에 핵과 내부기관으로 존재합니다 핵 안에는 DNA가 있어 우리의 생명을 이루고 있는 코드가 보관되어 있습니다 이러한 각각의 내부기관은 세포막으로 보호받고 있는데 세포막은 이들 기관을 보호하는 역할을 할 뿐만 아니라 세포외부의 환경을 감지하고 판단하여 신호를 내부기관에 보내며 또한 필요한 물질과 불필요한 물질을 구분하여 차단시키기도 합니다
세포의 내부에서는 이러한 신호를 받고 필요한 물질을 만들어내기도 하고 불필요한 물질을 방출하기도 합니다
가장 정적인 생명 나무와 식물의 신호와 전달
우리는 나무와 식물을 가장 정적인 생명체로써 인식합니다
그래서 이들은 그저 땅 속의 양분을 빨아들이고 햇볕을 흡수하면서 단순하게만 살 것 같지만 나무와 식물들도 서로 네트워크를 이루어 신호와 정보를 주고받으며 살아간다고 합니다
나무와 식물은 어떠한 방법으로 소통하며 살 수 있을까요
땅 속 나무들의 뿌리에는 균사라는 곰팡이가 나무와 함께 공생하며 살고 있습니다 이들 균사는 나무뿌리보다 더 세밀하게 토양과 밀접되어있어서 나무뿌리보다 물과 영양분을 흡수하는 능력이 월등하게 뛰어나다고 합니다 그래서 균사들은 광합성을 통하여 만들어내는 탄수화물과 당분을 나무의 뿌리를 통하여 흡수하고 또 자신이 땅에서 흡수한 물과 미네랄과 영양분을 나무에게 공급해 줍니다 이렇게 나무뿌리와 균사는 아주 끈끈한 공생관계인데 더 놀라운 것은 균사는 나무와 나무를 연결시키는 네트워크 역할도 하는데 나무들은 이 균사들을 통하여서 화학물질과 전기적으로 신호를 한다고 합니다
생태학자들은 식물들이 뿌리의 균사를 통하여서 어떻게 서로 정보를 교환하는지는 실험하여 놀라운 결과를 발견하였고 2013년 7월 에코로지 레터지에 발표하였습니다
실험의 방법은 여러 종의 콩을 그룹을 나누어 재배하였습니다
각 그룹마다 3개의 콩은 균사가 들어있는 토양과 접촉되도록 하였고 2개의 콩은 균사가 살고 있는 흙과 분리시켰다고 합니다 그리고 콩 잎사귀들이 나무뿌리의 균사를 통해서 신호하는 것만을 관찰하기 위해서 잎사귀로 화학물질을 방출하여 신호하는 것을 예방하기 위해서 식물의 잎사귀들을 봉지로 감싸고 각 그룹마다 콩 식물 하나에만 잎사귀에 구멍을 뚫어 진액을 빨아먹어 죽게 하는 곤충인 진딧물을 붙였습니다 그랬더니 균사가 있는 토양과 연결된 식물들은 모두 진딧물의 천적인 말벌을 유인하는 화학물질을 분비시켜 진딧물을 쫓았는데 균사와 연결되지 않은 식물들은 화학물질을 만들어내지 않았다고 합니다
나무나 식물은 또한 화학적인 물질을 방출하는 방식으로 신호를 주고받기도 합니다 예를 들어 해충이 침범하였을 때 나뭇잎은 화학물질을 방출하여 위험신호를 알리는데 담배의 재료로 쓰이는 담뱃잎이라는 식물은 해충이나 애벌레가 침입하면 이들의 입에서 나오는 침을 이용해 새로운 종류의 화학물질을 만든다고 합니다 그러면 이 화학물질의 냄새를 맡고 애벌레의 천적인 긴 노린재를 와서 애벌레를 퇴치한다고 합니다
또한 애기장대의 잎사귀는 상처를 입으면 공기 중으로 캄슘이온을 방출하는데 이 칼슘이온이 지나가는 잎은 스트레스 호르몬인 자스몬산이 만들어진다고 합니다 자스몬산은 세포벽을 단단하게 만들기 때문에 곤충이 나뭇잎을 소화시키기 어려운 물질로 만드는 것입니다
결국 칼슘이온을 위험신호로 내보내기 때문에 자스몬산이 만들어지는 건데 칼슘이온이 만들어지는 근본원인은 글루탐산이 분비되기 때문이라고 합니다 글루탐산은 애벌레등 나뭇잎에 외부로부터의 공격이 있을 시 세포외부에 분비되는 물질입니다 세포 외부에 있던 글루탐산은 세포막에 있는 글루탐산 유사 수용체와 결합하고 그 결과 칼슘 이온 통로가 열리면서 칼슘 이온이 세포 간의 채널을 통해 먼 곳에 있는 잎까지 전달될 수 있다과 합니다
곤충과 새들의 소통방식
화학물질을 통하여 정보를 주고받는 곤충으로 개미가 가장 잘 알려져 있습니다
오래전 프랑스의 작가 베르베르는 ' 개미들의 소통방식을 주제로 해서 소설을 써서 우리나라에서 폭발적인 인기를 끈 적이 있습니다 개미의 몸은 머리에서 끝 부분까지 온갖 화학물질을 만들어내는 분비샘으로 가득 차있다고 합니다 프랑스의 작가 베르나르 베르베르는 개미의 이러한 소통을 주제로 소설을 써서 우리나라에서 폭발적인 인기 끌었었는데 소설 속에서 주인공은 개미들의 화학물질로 신호를 주고받는 것을 연구하여 주인공이 개미와도 신호를 주고받고 소통하다는 스토리였습니다
꿀 벌들은 서로 어떻게 소통할까요 꿀 벌들은 꼬리의 춤으로 신호를 주고받는다고 합니다
꿀벌들은 돌아다니다가 꿀이 듬뿍 들은 꽃을 발견하면 꼬리로 춤을 추며 꿀이 있는 꽃의 거리와 방향을 알려주는데 춤을 출 때 춤을 추는 속도는 거리를 나타내고 꼬리 춤의 방향과 중력 방향의 합성 각도는 먹이가 있는 방향을 나타낸다고 합니다
위치와 방향을 알리는 이 춤의 정보는 너무나 분명해서 독일의 과학자들은 꿀 벌과 같은 모양의 로봇을 만들어 꿀벌과 같이 위치와 방향을 알리는 춤을 추게 하였는데 꿀벌들은 과학자들이 지정해 놓은 위치까지 오게 하는 데 성공했다고 합니다
조류들도 여러 가지 방법으로 의사소통을 합니다 주로 소리, 특정한 동작, 춤 등을 통해서 신호를 주고받는다고 합니다 소리는 새들의 특성이기도 한데 그동안은 새들의 이런 소리를 단순한 의미의 소리일 것이라고 추측했으나 스위스 취리히 대학의 연구팀의 연구결과로는 새가 특정행동을 할 때는 기본적인 소리를 조합해서 울음소리를 낸다고 발표하였습니다 연구팀은 새들을 관찰하며 새끼에게 먹이를 줄 때의 소리와 비행할 때의 소리 등을 자세히 분석하여 비행할 때 내는 소리를 들려줄 때는 하늘을 쳐다봤고 새끼에게 먹이를 줄 때 내는 소리를 들려주자 둥지를 쳐다보았다고 합니다
또한 새들은 자신의 깃털로 자신을 드러내는 데 사용하기도 하는데 공작은 화려한 깃털로서 자신을 과시하는 대표적인 새이기도합니다
이와 비슷한 방식으로 자신을 나타내는 새 종류도 있는데 유럽세 서식하는 어치라는 새입니다
이 새는 머리 위에 있는 깃털을 얼마나 세우냐에 따라서 자신의 의사를 전달할 뿐만 아니라 사회적인 위치까지도 나타낸다고 합니다
힘이 있는 어치는 항상 머리의 깃털을 세우고 있고 힘이 없는 어치는 항상 머리의 깃털을 낮추어야 하는데 잘못하여 머리 깃털을 세우면 봉변을 당할 수가 있다고 하며 학자들이 이 새들의 깃털의 각도와 사회적인 위치를 연구했더니 깃털을 세운 각도와 사회적인 위치가 딱딱 맞아떨어졌다고 합니다
바닷속에서의 소통하는 방식
어류 중에는 전기나 초음파로서 신호를 주고받는 종들도 있습니다 대표적으로 알려진 어류로는 초음파로서 신호를 주고받는 돌고래가 있으며 돌고래는 어두운 바닷속에서 주로 살기 때문에 시각보다는 청각이 발달했다고 했기 때문에 소리를 통해 의사를 소통하며 주변을 탐색하고 먹이를 찾는 등의 활동을 하면서 살아갑니다
전기뱀장어 같은 종류는 체내에서 전기를 만들어내 다른 뱀장어에게 전기 신호를 보냄으로써 서로 정보를 교환하고 바닷속의 물체들을 탐지하기도 한다고 합니다
아프리카 강의 어두운 해저에서 서식하는 코끼리 고기라고 불리는 어류도 전기로서 신호를 주고받는데 이들은 꼬리 부근의 근육이 변형 도니 신경세포를 이용하여 전기를 발전시켜 전기신호를 만들어내며 같은 종끼리 신호를 주고받는다고 합니다
이렇게 신호와 정보는 자연계에서 다양한 현상과 시스템을 통해서 무수히 관찰될수있는 생명의 현상들입니다 이러한 현상의 특정한 패턴이나 구조를 체계적으로 연구함으로써 자연을 더 깊이 이해할수있을것입니다