하나의 세포는 어떻게 복잡한 인간이 되는가?

평범한 일상 속에서 갑자기 위화감이 드는 순간, 가끔 있지 않나요? 저는 어제 양치질을 할 때 그랬습니다. 문득 내 입 속에 치아를 가지고 있다는 너무 당연한 사실이 이상하게 느껴졌거든요. 
'아니, 왜 그게 이상해?' 라고 물을 수도 있겠지만, 들어 보세요, 인간은 하나의 단순한 덩어리가 아닙니다. 상아질로 된 치아, 부드러운 살, 단단한 뼈, 섬세한 혈관, 그 외에도 생명을 유지하는 수많은 장기들... 이 모든 것이 각기 다른 성분과 구성으로 이루어져 '나' 라는 복잡한 존재를 완성하죠. 그런데 이 모든 게 단 하나의 세포에서 시작된다는 사실이 신기하지 않나요?
더욱 신비로운 점은 그 세포들이 뒤죽박죽 아무렇게나 자라나는 게 아니라, 대부분의 경우 정확히 자기 위치를 찾아간다는 점입니다. 눈이 있을 자리에 치아가 아닌 눈이, 팔이 있어야 할 곳에 심장이 아닌 팔이 생기는 그 정교함. 대부분의 인간이 균일하게 인간의 모습으로 태어나죠. 도대체 어떻게 그게 가능할까요?
오늘은 이 두 가지 궁금증을 해결해보려고 합니다.

 

1. 세포 하나가 어떻게 여러 조직이 되는가

[1] 하나의 세포

정자와 난자가 만나 만들어진 수정란은 DNA라는 유전 정보를 가지고 있습니다. (참고로 생식세포에 대해서는 이 포스팅에서 짧게 다뤘던 적이 있죠) DNA는 마치 건물의 설계도처럼 몸을 어떻게 만들지 상세히 기록하고 있죠. 이 하나의 세포는 분열을 시작하면서 본인과 똑같은 복사본들을 무수히 만들어냅니다.

[2] 세포들의 역할 분담

처음에는 모든 세포가 똑같은 DNA를 가지고 있습니다. 하지만 시간이 지나면서 각 세포는 본인의 운명을 결정하게 됩니다. 어떤 세포는 피부가 될 준비를, 또 다른 세포는 뇌가 될 준비를 하는 거죠. 예를 들면...
- 피부 세포는 피부를 만드는 데 필요한 케라틴 단백질을 만드는 유전자는 켜고, 나머지는 끕니다.
- 신경 세포는 신경 전달 물질을 만드는 유전자는 켜고, 나머지는 끕니다.
마치 오케스트라에서 모든 연주자가 악보를 가지고 있지만, 바이올린 연주자는 바이올린 파트만 연주하고, 피아노 연주자는 피아노 파트만 연주하는 것과 같습니다. 정말 정교한 프로그램이죠?
그런데 단순히 이렇게 역할만 나누는 게 아닙니다. 치아 자리에 치아가 있고, 심장 자리에는 정확하게 심장이 생기죠. 세포들은 어떻게 본인의 자리를 알고 있을까요?

2. 각각의 세포는 어떻게 자기 자리를 찾는가?

그건 바로 '발생 신호 시스템' 덕분입니다.
세포 하나하나는 혼자 제멋대로 움직이는 게 아니라 주변 세포와 끊임없이 언제/어디서/무엇이 될지 대화합니다.
이 소통은 다양한 화학적 신호를 주고받으면서 하는데, 그중에서도 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 형태 형성 물질(Morphogen)입니다. 이것은 특정 단백질로 세포 주변에 퍼지면서 농도 차이를 만들어냅니다. 세포는 이 농도를 읽고 본인의 역할을 결정하게 되죠. 예를 들어서...
- 농도가 높은 중심부에 있는 세포는 '나는 중요한 기관이 되어야겠구나'를 판단하고, 심장이나 신경 같은 중심 장기로 분화하죠.
- 반면 농도가 낮은 바깥쪽에 있는 세포는 '나는 외곽에 있으니까 피부 같은 구조를 맡아야겠어'라고 반응하지요.
결국 세포 하나하나가 자기 자리를 정확히 찾아가는 이 놀라운 과정은, 보이지 않는 신호와 정교한 조율 덕분에 가능한 일인 것입니다.

이번 포스팅에서 우리는 단 하나의 세포가 DNA라는 설계도와 발생 신호 시스템을 통해 어떻게 '나'라는 생명체로 완성되는지 살펴보았습니다. 그런데 이 놀라운 원리가 비단 인간에게만 적용되는 것은 아닙니다. 소, 닭, 돼지, 고등어, 고래... 생명체마다 형태는 달라도 같은 원리로 작동하는 패턴 생성 시스템 안에서 태어나죠.
그렇다면 이 시스템은 과연 언제부터 시작되었을까요? 초기 지구의 생명체는 어떤 모습이었을까요? 그리고 인간이 인간 모습을 하고, 짐승이 짐승 다운 모양을 갖추기까지 어떻게 진화해 왔을까요? 이 궁금증은 다음 포스팅에서 파헤쳐 보겠습니다.

지구 생명의 타임라인에서 인간은 언제부터 등장했을까?

*콘텐츠의 시각적 자료 제작에 AI 생성 기술이 활용되었음을 알려드립니다