밤바다를 비추는 별 생체발광과 생체형광

여름밤 바닷가를 걷다 보면 파도가 부서지는 하얀 포말 사이로 신비로운 푸른빛이 반짝이는 장관을 목격할 때가 있다. 바닷물 속에 사는 미세한 식물성 플랑크톤들이 자극을 받을 때마다 스스로 뿜어내는 '생체발광(Bioluminescence)' 현상이다. 칠흑 같이 어두운 심해로 내려가면 이 빛의 향연은 더욱 화려해진다. 심해 생물의 약 90%는 스스로 빛을 내거나 다른 포식자의 눈을 속이기 위해 빛을 활용하는 진화의 마법을 부린다. 머리에 달린 초롱불로 먹이를 유인하는 아귀나, 위협을 느끼면 빛나는 먹물을 뿜어내고 도망가는 오징어가 대표적이다. 한편, 스쿠버 다이버들이 자외선 랜턴을 비췄을 때 밋밋했던 산호나 상어가 형광 초록색이나 붉은색으로 화려하게 빛나는 현상도 있다. 이를 '생체형광(Biofluorescence)'이라고 한다. 많은 사람들이 이 두 가지 현상을 혼동하지만, 생물학적으로 빛을 만들어내는 메커니즘은 화학 공장과 반사판의 차이만큼이나 완전히 다르다. 자연이 만들어낸 가장 차갑고도 효율적인 불빛, 생체발광과 생체형광의 은밀한 화학적 비밀을 비교해 보자.

화학 공장의 자체 생산, 생체발광

생체발광(Bioluminescence)은 외부의 빛이 전혀 없는 암흑 속에서도 생명체가 스스로 화학 반응을 일으켜 에너지를 가시광선(빛) 형태로 방출하는 현상이다. 가장 흔히 볼 수 있는 반딧불이를 떠올리면 이해하기 쉽다. 이 화학 반응의 핵심 재료는 '루시페린(Luciferin)'이라는 발광 물질과 이를 태우는 효소인 '루시페라아제(Luciferase)'다. 생물체가 뇌에서 빛을 내라는 신호를 보내면, 루시페린 분자가 효소의 도움을 받아 산소와 결합(산화)하면서 매우 불안정한 들뜬상태가 된다. 이 분자가 다시 안정한 원래 상태로 돌아올 때 남는 에너지가 밖으로 튀어나오는데, 이것이 바로 우리가 보는 푸른색이나 녹색의 차가운 불빛(냉광)이다. 전구가 에너지를 빛으로 바꿀 때 효율이 10% 미만이고 나머지는 뜨거운 열로 낭비되는 반면, 생체발광의 에너지 전환 효율은 거의 100%에 달해 열이 전혀 발생하지 않는 완벽한 에너지 기기다. 심해 생물들은 포식자를 놀라게 하거나 짝을 유혹하는 등 각자의 생존 전략에 맞춰 이 화학 공장을 정밀하게 제어한다.

빛을 훔쳐 색을 바꾸는 반사경, 생체형광

반면, 생체형광(Biofluorescence)은 생명체가 스스로 빛을 만들어내는 것이 아니라, 외부에서 들어온 빛을 훔쳐서 다른 색깔로 변환하여 내뿜는 광학적 마술이다. 깊은 바닷속은 붉은색이나 노란색 빛은 모두 물에 흡수되고 오직 파장이 짧고 에너지가 높은 푸른색 빛만 도달하는 푸른색 일색의 세상이다. 상어, 거북이, 산호, 그리고 수많은 열대어들의 피부에는 특수한 '형광 단백질(Fluorescent Protein)'이 들어 있다. 이 단백질은 바닷속을 가득 채우고 있는 차가운 푸른빛이나 자외선을 흡수한 뒤, 그 에너지를 잃어버리는 과정에서 파장이 더 길고 에너지가 낮은 초록색, 주황색, 붉은색 빛으로 형태를 바꾸어 다시 뿜어낸다. 즉, 형광 생물들은 외부에서 푸른빛(조명)을 비춰주지 않는 완전한 암흑 속에서는 아무런 빛도 내지 못한다. 심해어들이 왜 굳이 이런 복잡한 형광 단백질을 진화시켰는지에 대해서는 아직 학계의 의견이 분분하다. 시야가 좁은 깊은 바다에서 같은 종끼리만 볼 수 있는 비밀 암호로 쓰이거나, 강한 자외선으로부터 피부 세포의 DNA가 파괴되는 것을 막아주는 천연 선크림 역할을 한다는 가설이 유력하게 꼼히고 있다.

카무플라주, 빛으로 몸을 숨기다

심해에서 빛은 먹이를 유혹하는 미끼가 되기도 하지만, 가장 뛰어난 위장술(Camouflage)의 도구로 쓰이기도 한다. 대표적인 것이 해양 생물들의 '역조명(Counter-illumination)' 기술이다. 깊은 바다에 사는 오징어나 작은 물고기들은 배 부위에 수많은 발광 세포를 가지고 있다. 포식자가 밑에서 위를 올려다볼 때, 해수면에서 내려오는 희미한 햇빛이나 달빛 때문에 포식자의 눈에는 물고기의 까만 실루엣이 선명하게 노출된다. 이를 피하기 위해 물고기들은 자신의 배 부위에서 해수면에서 내려오는 빛과 완벽하게 똑같은 색깔과 밝기의 생체발광 불빛을 뿜어낸다. 이렇게 되면 밑에서 올려다보는 포식자의 눈에는 그림자가 사라지고 주변 바닷물과 완벽하게 동화되어 물고기가 마치 투명 인간처럼 사라진 것처럼 보인다. 위에서 내려오는 빛을 정교하게 계산하여 자신의 뱃살 불빛 조도를 조절하는 심해 생물들의 광학적 은폐 기술은 인간의 스텔스 기술을 뺨치는 경이로운 수준이다.

자연의 불빛이 가져온 의학의 혁명

해양 생물들의 낭만적인 발광 현상은 인간의 질병을 고치는 생명 공학의 역사를 완전히 뒤바꿔 놓았다. 1960년대 시모무라 오사무를 비롯한 과학자들은 발광 해파리(Aequorea victoria)에서 자외선을 받으면 녹색 빛을 내는 '녹색 형광 단백질(GFP)'을 처음으로 추출해 냈다.