<정민기의 五感물리학>냄새도 모양·무게에 따라 달라진다?… 시각·청각만큼 복잡한 후각의 세계

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초파리가 좋아하던 냄새 분자
‘중수소화’되어 무게 늘어나자
더 이상 그 냄새를 찾지 않아

진동 주파수 따른 분류 기준
반례많아 완전한 설명 어려워

배우 신세경은 냄새를 볼 줄 안다. 물론 드라마 속 이야기다. 몇 년 전에 방송된 ‘냄새를 보는 소녀’에서 주인공 신세경은 냄새를 각양각색의 반짝이는 알갱이로 구분해 볼 수 있었다. 그럴듯한 상상이다. 실제로 냄새 분자는 여러 종류의 원자들이 이런저런 모양새로 달리 조합된 것이다. 그렇다고 신세경이 보는 것을 냄새로서 인지하는 건 아니었다. 어떤 색깔과 모양의 알갱이가 무슨 냄새에 해당하는지를 배워야 했다. 다시 말해, 봄으로써 아는 것이지, 냄새를 맡는 건 아니었다. 그런데 재미있게도 실제 후각의 많은 부분이 학습을 통해 얻어진다고 한다. 더불어 후각은 기억과 감정에 해당하는 뇌 활동과도 밀접하게 관련돼 있다. 누구나 경험한 적이 있을 것이다. 어떤 냄새를 맡는 순간, 어린 시절 또는 젊었던 어느 순간, 장소, 느낌이 즉각적이고 강렬하게 되살아나는 경험.

고대 로마의 시인이자 철학자인 루크레티우스(Lucretius)는 후각의 원리를 이렇게 설명한다. 음식 등에서 빠져나온 냄새 원자들은 각기 다른 크기와 모양새를 가졌는데, 콧속에서 딱 맞는 모양의 구멍으로 들어감으로써 냄새로 인지된다고. 어린아이의 귀여운 상상 같다는 생각이 든다. 하지만, 놀랍게도 루크레티우스의 주장은 현대 과학에서 이야기하는 후각의 미시적 원리와 크게 다르지 않다. 20세기 중반부터 논의되던 소위 ‘자물쇠-열쇠(lock and key)’ 원리에 따르면, 냄새 분자들이 가진 각각의 모양새에 들어맞는 후각 수용체(receptor)들이 콧속에 있다. 분자가 수용체와 결합하면 전기 신호가 생겨나고, 뇌로 전달돼 특정 냄새로 인지한다는 내용이다. 2000년 전 고대 사람들의 상상력이 허무맹랑한 건 아니었던 셈이다.

하지만, 자물쇠-열쇠 원리가 궁극적인 설명이 될 수 없다는 게 잘 알려져 있다. 비슷한 꼴의 분자들이 완전히 다른 냄새로 인지되거나, 전혀 다른 모양새를 가진 분자들이 비슷하게 냄새나는 경우가 종종 발견되기 때문이다. 물리학자 입장에서 후각은 시각이나 청각보다 훨씬 복잡하다. 보고 듣는 과정은 객관적으로 정량화하는 게 쉽다. 예를 들어, 빛은 파장에 따라 적외선, 가시광선, 자외선으로 줄을 세울 수 있고, 소리도 어느 주파수가 얼마만큼 들어 있는지를 따져서 음색을 구분할 수 있다. 반면에 구성 원자의 종류와 그들 간 결합 방식이 각기 다른 냄새 분자들을 무슨 기준으로 분류할 수 있을지 선뜻 떠오르는 게 없다.

그나마 분자들이 갖는 진동 주파수를 기준으로 삼는 방법이 있긴 하다. 각기 다른 종류의 수용체가 특정 주파수로 진동하는 분자와 선택적으로 결합한다는 생각이다. 2011년 PNAS지에 발표된 연구에서는 냄새 분자에 흔하게 포함된 수소를 동위원소인 중수소(deuterium)로 치환해 보았다. 중수소는 수소보다 중성자 하나가 더 있어서 무게가 두 배가량 무겁다. 하지만 둘은 크기와 생김새, 그리고 화학적 성질에서 거의 구분되지 않는다. 연구에서는 사람 대신 통제하기 쉬운 초파리를 사용했다. 초파리들은 좋아하던 냄새 분자의 수소가 중수소로 치환되자 더 이상 그 냄새 분자를 찾지 않았다. 분자의 무게가 늘어난 만큼 진동 주파수가 줄어들었기 때문이다. 거꾸로, 전혀 다른 종류의 분자들이 비슷한 진동수를 갖고 비슷한 냄새로 인지되는 경우도 발견된다. 하지만, 진동 이론 역시 반례들이 속속 발견됨으로써 완전한 설명이 되기 어려워 보인다.

후각은 오래된 감각이다. 진화의 과정에서 보고 듣는 감각은 물론이고, 촉각보다도 먼저 생겨났다고 여겨진다. 심지어 박테리아마저 후각 기능을 갖고 있을 정도다. 그 덕분에 이웃한 경쟁 박테리아에서 생긴 암모니아를 감지할 수 있다고 한다. 원시로부터의 이 감각을 이해하는 게 21세기의 과학자들에게 여전히 큰 숙제로 남아 있다.