먹이에 맞춘 몸 — 소화관의 적응과 식욕의 되먹임

앞의 세 글에서 사람의 소화계를 처음부터 끝까지 따라왔습니다. 효소가 무엇을 자르는지 보고, 흡수가 어디서 갈리는지도 봤어요.

이 마지막 글에서는 두 가지 질문으로 범위를 넓힙니다.

• 다른 동물의 소화계는 왜 사람과 다르게 생겼는가? — 진화적 적응
• 애초에 얼마나 먹을지는 무엇이 정하는가? — 식욕의 되먹임 조절

두 질문 모두 이 챕터를 다른 단원과 연결해 줍니다. 앞의 것은 진화와, 뒤의 것은 호르몬과 이어져요.

치아 — 먹이가 도구를 정한다

동물의 이빨을 보면 무엇을 먹는지 상당 부분 알 수 있습니다. 기계적 소화의 도구가 먹이의 물성에 맞춰 달라진 결과예요.

	육식동물	초식동물	잡식동물(사람)
송곳니	길고 날카롭다 — 먹이를 잡고 찌른다	작거나 없다	중간 — 크게 발달하지 않음
앞니	작다	발달 — 풀을 끊고 뜯는다	발달 — 자른다
어금니	날이 서 있다 — 고기를 자른다	넓고 평평하다 — 맷돌처럼 간다	낮고 둥글다 — 부순다
턱 운동	주로 위아래	좌우로 갈기	위아래 + 좌우

차이를 만드는 건 결국 세포벽입니다. 고기에는 세포벽이 없어 씹지 않고 삼켜도 효소가 닿을 수 있어요. 그래서 육식동물의 이는 자르는 데 특화됩니다. 반면 식물 세포는 셀룰로스 세포벽에 싸여 있어서, 이걸 물리적으로 부수지 않으면 안의 내용물에 효소가 닿지 못합니다. 초식동물이 오래 씹고 어금니가 맷돌처럼 생긴 이유가 여기 있습니다.

사람의 치아는 어느 쪽으로도 극단적이지 않습니다. 특화되지 않은 것 자체가 잡식이라는 증거예요. 무엇이든 어느 정도 처리할 수 있게 절충된 구조입니다.

소화관의 길이 — 초식동물이 긴 이유

겉에서 안 보이는 차이가 더 큽니다. 몸 크기가 비슷해도 초식동물의 소화관이 육식동물보다 훨씬 깁니다.

이유는 두 가지입니다.

• 식물은 영양 밀도가 낮다. 같은 열량을 얻으려면 훨씬 많은 양을 처리해야 합니다. 긴 관은 곧 큰 처리 용량이에요.
• 식물은 분해가 어렵다. 세포벽 때문에 시간이 오래 걸립니다. 관이 길면 음식이 몸 안에 머무는 시간이 길어져, 느린 분해 과정을 끝까지 진행할 수 있어요.

육식동물은 반대입니다. 고기는 영양 밀도가 높고 분해가 쉬우니 짧은 관으로 충분합니다. 게다가 소화관은 유지 비용이 드는 기관이라, 필요 없이 길면 손해예요. 필요한 만큼만 갖는 것이 적응입니다.

같은 논리가 한 종 안에서도 보입니다. 올챙이는 조류를 먹고 살아 소화관이 길지만, 개구리로 변태하며 육식으로 바뀌면 소화관이 짧아집니다. 먹이가 바뀌면 소화관이 따라 바뀐다는 것을 한 개체 안에서 보여 주는 사례예요.

셀룰로스 — 사람도 소도 분해하지 못합니다

여기가 이 글의 첫 번째 오답 지점입니다. "소는 셀룰로스를 분해하는 효소를 가지고 있다"고 쓰면 틀립니다.

먼저 왜 어려운지부터. 녹말과 셀룰로스는 둘 다 포도당만으로 이루어진 다당류입니다. 재료가 같아요. 차이는 포도당끼리 이어지는 결합의 방향 하나뿐입니다. 녹말은 α 결합, 셀룰로스는 β 결합이에요.

그런데 효소는 기질의 모양을 정확히 알아봅니다. 결합의 입체적 방향이 다르면 아밀레이스의 활성 부위에 들어맞지 않아요. 효소의 기질 특이성이 이렇게 극적으로 드러나는 예가 드뭅니다. 분자식이 사실상 같은데 하나는 주식이고 하나는 소화가 안 되는 겁니다.

그래서 사람에게 셀룰로스(식이섬유)는 열량이 거의 없습니다. 흡수되지 않고 지나가요. 그래도 쓸모는 있습니다. 부피를 만들어 연동운동을 자극하고, 대장에서 수분을 잡아 변이 굳는 것을 막습니다. 흡수되지 않는 것이 목적인 영양소인 셈이에요.

그러면 소는 어떻게 풀만 먹고 삽니까? 자기가 분해하지 않습니다. 세균에게 맡깁니다.

일부 세균과 원생생물은 β 결합을 끊는 효소를 만듭니다. 초식동물은 이들이 살 수 있는 발효실을 소화관 안에 마련해 주고, 미생물이 셀룰로스를 분해해 내놓는 산물을 흡수해요. 상리공생입니다. 미생물은 안정된 서식지와 먹이를 얻고, 숙주는 혼자서는 못 쓰던 에너지원을 얻습니다.

흰개미도 같은 전략을 씁니다. 나무를 먹지만 셀룰로스를 직접 분해하는 게 아니라, 장 속 공생 미생물이 대신 해 줍니다. 초식은 사실 미생물과의 동맹이에요.

발효실을 어디에 두느냐 — 맹장과 반추위

미생물에게 자리를 내주는 방식은 크게 둘로 갈립니다. 발효실이 소화관의 뒤쪽에 있느냐, 앞쪽에 있느냐입니다.

뒤쪽 발효 — 맹장. 토끼와 말은 소장과 대장이 만나는 자리의 맹장이 크게 발달해 있습니다. 여기가 발효실이에요. 그런데 문제가 있습니다. 맹장은 흡수의 주역인 소장보다 뒤에 있어요. 미생물이 애써 만들어 낸 영양소가 흡수될 기회를 놓치고 그대로 나갈 수 있습니다.

토끼의 해결책이 유명합니다. 맹장을 거친 부드러운 변을 다시 먹습니다. 이번에는 그 내용물이 소화관을 처음부터 통과하므로 소장에서 제대로 흡수돼요. 지저분해 보이지만 구조적 한계를 행동으로 보완한 합리적인 전략입니다.

앞쪽 발효 — 반추위. 소·양·사슴 같은 반추동물은 발효실을 아예 위 앞쪽에 둡니다. 위가 네 개의 방으로 나뉘어 있어요.

순서	이름	하는 일
①	혹위(반추위, 루멘)	가장 큰 방. 공생 미생물이 셀룰로스를 발효시킨다
②	벌집위	혹위와 함께 작동하며, 덜 분해된 덩어리를 입으로 되올린다
③	겹주름위	되새김질을 마친 내용물에서 물을 흡수한다
④	주름위	진짜 위 — 여기서 처음으로 소화효소(펩신 등)가 분비된다

②번에서 일어나는 것이 되새김질(반추)입니다. 덜 분해된 덩어리를 입으로 되올려 다시 씹고 삼키는 거예요. 기계적 소화를 여러 번 반복해 표면적을 계속 늘리는 겁니다. 이 챕터에서 계속 나온 "표면적 = 속도" 논리가 여기서도 반복됩니다.

앞쪽 발효의 결정적인 이점은 발효실이 소장보다 앞에 있다는 것입니다. 미생물이 만든 산물이 소장을 지나가므로 흡수 기회를 놓치지 않아요. 그리고 하나 더 있습니다. 혹위에서 불어난 미생물 자체가 소장으로 떠내려가 소화됩니다. 미생물의 몸은 단백질이에요. 소는 풀에서 에너지를 얻고, 그 풀을 먹고 자란 미생물에서 단백질을 얻습니다. 풀만 먹고도 근육이 붙는 이유가 이겁니다.

사람의 맹장은 작고, 거기 달린 충수는 흔히 흔적기관으로 불립니다. 다만 최근에는 충수가 림프조직을 포함하고 있어 면역에 관여하거나, 설사 등으로 장내세균이 쓸려 나간 뒤 다시 채워 주는 세균 저장소 역할을 한다는 설명이 제시돼 있습니다. 확정된 결론은 아니니, 서술할 때는 "제안돼 있다" 정도로 적는 편이 정확합니다.

네 호르몬 중 식욕을 올리는 것은 그렐린 하나뿐이다 — 송쌤생명과학 자체 제작

얼마나 먹을지는 누가 정하나 — 되먹임으로 돌아오기

이제 두 번째 질문입니다. 지금까지는 먹은 뒤의 이야기였어요. 그러면 먹을지 말지는 무엇이 정합니까?

답은 음성 되먹임입니다. 체온과 혈당을 조절하던 그 원리가 식욕에도 그대로 쓰여요. 영양 상태를 알리는 호르몬들이 시상하부의 식욕 조절 중추로 모이고, 시상하부가 이를 통합해 배고픔과 포만감을 만들어 냅니다.

네 개의 호르몬을 방향과 함께 외우세요. 방향을 뒤집어 쓰는 실수가 압도적으로 많습니다.

호르몬	어디서 분비	언제 올라가나	식욕에 미치는 방향
그렐린	위	공복일 때 (식사 전에 상승)	촉진 — 넷 중 유일
인슐린	이자 β세포	식후 혈당이 오를 때	억제
PYY	소장(하부)	식후, 음식이 내려올 때	억제
렙틴	지방조직	몸의 지방량이 많을수록	억제

표를 시간 규모로 한 번 더 나누면 구조가 보입니다.

• 끼니 단위(단기) — 그렐린·인슐린·PYY. 몇 시간 안에 오르내리며 "지금 먹을까 그만 먹을까"를 결정합니다. 그렐린이 식사 전에 올라 식욕을 켜고, 먹고 나면 인슐린과 PYY가 올라 끕니다.
• 체중 단위(장기) — 렙틴. 지방조직이 얼마나 저장돼 있는지를 뇌에 보고합니다. 며칠·몇 주 규모의 신호예요.

렙틴의 논리가 특히 깔끔한 음성 되먹임입니다. 지방이 늘면 렙틴이 늘고 → 식욕이 억제되고 → 지방이 줄고 → 렙틴이 줄고 → 식욕이 돌아옵니다. 저장량을 일정 범위로 붙잡아 두는 회로예요.

그런데 이 회로에는 비대칭이 있습니다. 줄어드는 쪽에 훨씬 민감해요. 체중을 줄이면 지방이 줄어 렙틴이 떨어지고, 몸은 이것을 굶주림 신호로 읽어 식욕을 강하게 올립니다. 반대로 지방이 늘어도 식욕이 그만큼 강하게 억제되지는 않아요. 다이어트 후 체중이 되돌아오기 쉬운 데에는 이런 생리적 배경이 있습니다. 먹을 것이 부족한 환경에서 진화한 몸이라 굶주림을 막는 쪽으로 회로가 기울어 있는 것이죠. 실제로 비만인 사람은 렙틴 농도가 낮기는커녕 높은 경우가 많고, 신호에 반응이 둔해진 렙틴 저항성이 관여한다고 봅니다.

가장 많이 틀리는 지점을 못 박아 둡시다. 그렐린과 렙틴의 방향을 뒤집는 실수입니다. 이렇게 묶어 외우세요.

• 그렐린 = 위에서, 비었을 때, 먹어라 — 배에서 "그르렁" 소리가 날 때 나온다고 연결하면 방향이 뒤집히지 않습니다.
• 렙틴 = 지방에서, 쌓였을 때, 그만 먹어라 — 지방조직이 직접 말한다는 점이 핵심이에요. 먹은 양이 아니라 저장량을 보고합니다.

여기서 한 가지 더 짚을 게 있습니다. 지방조직이 호르몬을 분비한다는 사실 자체가 중요한 발견이었어요. 오랫동안 지방은 그저 저장 창고로 여겨졌는데, 렙틴이 알려지면서 지방조직이 내분비 기관이라는 관점이 자리 잡았습니다. 내분비계 개관에서 다룬 "호르몬은 내분비샘에서만 나오는 게 아니다"라는 이야기의 좋은 예입니다.

쌤 한마디 — 이 글에서 서술형으로 나올 자리는 둘입니다. 하나는 "초식동물은 셀룰로스 분해효소가 없는데 어떻게 셀룰로스를 이용하는가". 답안에는 반드시 "공생 미생물이 분해한다"와 "미생물 자체도 단백질원이 된다" 두 가지를 쓰세요. 앞의 것만 쓰면 반만 받습니다. 다른 하나는 식욕 호르몬의 방향이고, 이건 표를 손으로 한 번 다시 그려 보는 게 제일 빠릅니다. 그리고 "그렐린은 위에서, 렙틴은 지방조직에서"라는 분비 장소까지 같이 물어보는 문제가 많으니 세트로 외우세요.

정리하면

먹이가 다르면 소화계도 다릅니다. 치아는 먹이의 물성에 맞춰지고(육식은 자르는 날, 초식은 가는 맷돌), 초식동물의 소화관이 긴 이유는 식물이 영양 밀도가 낮고 분해가 느려 더 오래, 더 많이 처리해야 하기 때문입니다.

셀룰로스는 어떤 동물도 스스로 분해하지 못합니다. 녹말과 재료는 같지만 결합의 방향이 달라 효소가 알아보지 못해요. 초식동물은 공생 미생물에게 발효실을 내주고 그 산물을 얻습니다. 발효실을 뒤쪽에 두면 맹장형(토끼·말), 앞쪽에 두면 반추위형(소·양)이고, 앞쪽에 두는 편이 흡수에 유리하며 미생물 자체가 단백질원이 된다는 이점까지 있습니다.

먹는 양은 음성 되먹임으로 조절됩니다. 그렐린만 식욕을 촉진하고(위에서, 공복에), 인슐린·PYY가 끼니 단위로, 렙틴이 지방 저장량에 맞춰 장기적으로 식욕을 억제합니다. 이 신호들은 모두 시상하부에서 통합돼요.

Ch.42는 여기서 끝납니다. 그런데 소화가 끝났다고 일이 끝난 게 아니에요. 흡수한 영양소는 순환계를 타고 온몸의 세포로 가야 하고, 그 세포들이 영양소를 태우고 남긴 노폐물은 콩팥이 처리해야 합니다. 소화·순환·호흡·배설은 결국 하나의 흐름이고, Ch.42는 그 흐름이 시작되는 자리였습니다.