음식점이 몰려 있는 거리를 걸으면 온갖 음식 냄새가 코끝을 자극한다. 이때 우리의 코와 뇌는 서로 연계하여 냄새를 순식간에 분석하고 냄새의 정체를 밝혀낸다. 후각의 정보는 어떻게 처리될까?
0. 목차
- 후각의 메커니즘
- 냄새 분자 포획하기
- 냄새 분자에서 전기 신호로 바뀌는 메커니즘
- 후각의 신비
- 페로몬
1. 후각의 메커니즘
1-1. 냄새
공기 중에는 다양한 분자가 섞여 있다. 그것은 여러분의 입에서 나온 입냄새일 수도 있고 음식물에서 나온 것일 수도 있다. 냄새의 정체는 이것들의 아주 작은 분자들이다. 동물들은 눈에 보이지 않는 미량의 분자를 포착하고 그 미세한 형태를 차이를 알아채 어떤 분자인지 알아낸다. 냄새를 인식하는 것은 코 안쪽에 있는 '후각 상피'의 '수용체'라는 단백질이다. 후각 수용체는 여러 종류가 있으며 각자 다른 형태의 구멍을 가지고 있다. 구멍에 냄새 물질이 달라붙으면 세포는 후각 정보를 뇌로 전송한다.
1-2. 수용체
사람이 식별할 수 있는 냄새의 종류는 수만 가지가 넘는 것으로 생각된다. 하지만 이 냄새에 대응하는 수용체는 수만 가지 이상 존재하지 않는다. 사실 사람의 후각 수용체는 약 400개 정도밖에 없다. 그리고 수용체별로 이 냄새는 'OH기'라는 구조를 가지고 있거나 '케톤 구조'를 가지고 있다는 식으로, 하나의 냄새 물질에 대해 단편적인 정보를 뇌의 '후각 영역'으로 전달한다. 그런데, 400종류의 수용체로 어떻게 수만 가지 이상의 냄새를 구분하는 것일까? 냄새 물질의 대부분은 하나의 수용체에만 결합하는 것이 아니라 복수의 수용체에 결합한다. 그래서 수용체 자체는 400개밖에 없어도 '수용체'의 조합은 무수히 많을 수 있는 것이다.
아래의 그림은 수용체의 조합을 통해 냄새 분자를 식별하는 구조를 도식적으로 나타낸 것이다. '냄새 분자 A'는 분자의 어딘가가 '수용체 A', '수용체 B', '수용체 D'에 딱 들어맞으므로 반응한다. 한편, '냄새 분자 B'는 분자의 어딘가가 '수용체 B', '수용체 C'에 딱 들어맞으므로 반응한다. 수용체 B만으로는 '냄새 분자 A'와 '냄새 분자 B'를 구별할 수 없지만, 수용체의 조합을 비교하면 '냄새 분자 A'와 '냄새 분자 B'를 구별할 수 있다.
1-3. 뇌로 전송
이렇게 인식된 냄새 정보는 뇌의 여러 곳으로 전해진다. 냄새 정보는 먼저 후각세포에서 감지되면 바로 뇌의 일부인 '후각 신경구'에 전해진다. 수용체에서 냄새 정보는 '반응한 수용체의 조합'으로서 '후각 영역'에 전해져 냄새가 식별된다. '후각 영역'에서 인식된 냄새는 기억을 관장하는 해마에 전해져, 과거에 맡은 적이 있는 냄새와 연관되어 해석된다. 그리고 감정을 관장하는 편도체에 전해지면, '좋고 싫음' 등의 평가가 내려진다.
2. 냄새 분자 포획하기
우리가 숨을 들이마시면 비각 윗부분으로 공기가 들어온다. 이 부분에는 '후각 상피'라는 조직이 있는데, 이곳에는 냄새를 감지하는 수용체인 '후각 세포'가 늘어서 있다. 후각 상피는 '점액'으로 덮여있고, 점액 속에 '후각 세포'에서 나온 '후각 섬유'가 펼쳐져 있다. '후각 섬모'에는 많은 '후각 수용체'가 들어있다. '후각 수용체'의 종류는 '후각 세포'에 따라 다르므로, 후각 수용체와 후각 세포의 종류가 모두 약 400종이 있는 셈이다. 각각의 후각세포는 각각의 냄새 분자의 특정한 형태를 인식한다.
냄새 분자가 비강에 흡입된 후 후각 상피의 점액으로 들어가면, 냄새 분자가 후가 섬모의 수용체에 달라붙는다. 그리고 냄새 분자와 후각 수용체의 구멍 모양이 맞으면 후각 세포의 내부에서 전기 신호가 발생한다. 이 전기 신호는 상피 바로 위에 있는 '후각 신경구'로 전달된다. '후각 신경구'의 전기 신호들은 수용체의 종류별로 모여 '사구체(모세혈관들이 털 뭉치처럼 얽혀 있는 기관)'라는 곳에 모인다. 그리고 냄새 분자를 어느 정도 강하게 인식했는가의 수용체 조합의 정보가 뇌의 후각 영역에 전달된다.
- 기저 세포(Basal Cell): 후각 세포나 지지 세포가 되기 전의 세포이다. 후각 세포는 약 30~60일에 새로운 세포로 바뀐다. 또 후각 세포는 활발하게 새로 생기는 희귀한 신경 세포이다.
- 지지 세포(Supporting Cell): 기저 세포를 고정하는 세포이다. 후각 상피의 구조를 버티게 하기 때문에 '지지 세포'라고 불린다. 이 세포는 냄새 등을 감지하지 않는다.
- 후각 수용 세포(Olfactory Receptor Cell): 냄새 분자를 검출하면 전기 신호로 바꾼다. 점액 속에 뻗어 있는 '후각 섬모'라는 부분에 각각 특정한 냄새 수용체를 가지고 있다. 단순하게 '후각 세포'라고도 한다.
- 후각 섬모(Olfactory Cilia): '후각 수용 세포'의 돌출된 선모 구조로, '후각 섬모'의 돌출 방향은 일정치 않으며, '후각 수용 세포'의 융모가 신장된 상태이다.
3. 냄새 분자에서 전기 신호로 바뀌는 메커니즘
'후각 세포'의 맨 끝에는 '후각 섬모'가 5~10가닥 정도 나 있다. 그리고 후각 섬모의 표면에는 '후각 수용체'라는 단백질 분자가 있다. '후각 수용체'가 '냄새 분자'를 받아들이면 후각 수용체는 모양을 변화시킨다. 후각 수용체의 모양이 변하면 후각 수용체의 주변에 있는 'G 단백질'이 자극되어 활성화된다. 그러면 활성화된 G 단백질의 일부인 '알파 서브유닛(α Subunit)'이 이동해 '아데닐산시클라아제(Adenylate cyclase)'라는 효소를 활성화시킨다. 활성화된 '아데닐산시클라아제(Adenylate cyclase)'는 세포 안에 있는 '아데노신 3인산(ATP)'를 고리모양의 '아데노신 1인산(cAMP)'로 바꾼다. cAMP이 후각 세포의 막에 있는 '이온 채널'과 결합하면 '이온 채널'이 열린다. 이온 채널이 열리면 양이온이 세포 안으로 들어와 전류가 흐른다. 이것이 냄새 분자에서 전기 신호로 바뀌는 메커니즘이다.
- 후각 수용체는 세포막을 관통하듯이 묻혀 있다. 점액 속의 냄새 분자는 수용체의 세포 바깥쪽에 노출되어 있는 부분에 결합한다.
- 이 결합에 의해 수용체의 세포 안쪽으로 튀어나온 부분이 변형된다. 이 부분이 'G 단백질'이라는 단백질을 활성화시킨다. 활성화된 G 단백질이 세포막의 안쪽에 있는 '아네닐산 시클라아제(Adenylate cyclase)'라는 효소와 결합하면, 이 효소가 활성화되어 'cAMP'라는 작은 분자가 만들어지는 화학 반응이 활발히 일어난다.
- cAMP는 전달 물질로서 주변으로 퍼져, 세포막에 있는 '양이온 채널'과 결합한다. 그러면 '양이온 채널'이 열리고 세포의 바깥에서 나트륨과 세포 안쪽과 바깥쪽의 전기 밸런스가 변한다. 이 현상을 '탈분극'이라고 한다.
- 세포 안에 나트륨과 칼슘 이온이 증가하면 '음이온 채널'이 열리고, 세포 안의 염화 이온이 세포 밖으로 빠져나가 다시 탈분극이 일어난다.
- 3과 4에서 일어난 세포 안팎의 전기 밸런스 변화가 전기 신호로서 신경에 전해진다.
4. 후각의 신비
4-1. 후맹
많은 사람들이 느끼는데도 일부 사람들은 전혀 느끼지 못하는 냄새 물질이 몇 가지 존재한다. 냄새를 느끼는 방식에는 상당한 개인차가 존재한다는 사실은 실험을 통해서도 밝혀져 있다. 다만, 특정한 냄새를 느끼지 못하는 사람들이 그 몇 가지 특정 냄새를 맡지 못한다고 해서 약한 '후각 장애'는 아니다. 이러한 현상을 '후맹(嗅盲)'이라고 한다.
'후맹'이 일어나는 이유는 약 400종의 후각 수용체의 일부가 사람에 따라 기능하지 않거나 기능이 떨어지는 경우기 있기 때문이다. 예컨대, '사향노루'가 분비하는 달콤한 향기를 가진 페로몬인 '사향'의 냄새 분자는 1종의 수용체만을 활성화한다. 그런데 감수성이 떨어진 사향 수용체를 가진 사람이 생각보다 꽤 많다고 한다. 하지만 대부분의 냄새 물질은 복수의 수용체를 활성화시키기 때문에 일부 수용체가 기능하지 않아도 다른 수용체를 통해 냄새를 맡을 수 있다. 다만, 많은 후각 수용체가 기능하고 있는 사람이 비슷한 냄새를 구분하는 능력이 더 뛰어날 것이다.
4-2. 냄새 분자의 분자량
우리가 후각으로 파악할 수 있는 것은 공기 속에 떠다니는 물질이다. 그런데 분자는 작을수록 공기 속으로 휘발하기 쉽다. 그래서 분자가 너무 큰 물질은 냄새를 풍기지 않는다. '분자량'은 분자의 무게를 의미하는데, 분자량이 300 이상이면 휘발하지 못해 냄새가 나지 않는다.
4-3. 냄새 물질은 유기물이다.
후각으로 파악할 수 있는 것은 공기 속을 떠다니는 물질이다. 분자는 작을수록 공기 속으로 떠오르기 쉽다. 따라서 분자가 너무 큰 물질은 냄새를 풍기지 않는다. 분자의 무게를 의미하는 '분자량'으로 말하면, 예를들어 '산소(O2)'의 분자량이 약 32인데, 냄새 분자의 분자량의 상한선은 약 300이라고 한다.
또 냄새 물질은 탄소, 산소, 수소, 질소 등으로 만들어진 '유기물'이다. 우리는 유기물로 된 냄새만 맡을 수 있다. 하지만 여러분들은 동전에서 '금속 냄새'로 여겨지는 냄새를 맡아본 경험이 있을 것이다. 금속은 무기물인데 어떻게 냄새가 날까? 사실 '금속 냄새'는 금속 자체의 냄새가 아니다. 동전에 손이 닿으면 기름기 등의 유기물이 금속이 존재할 때만 일어나는 화학 반응이 일어나 유기물로 변하게 된다. 이 유기물이 휘발하면 '금속 냄새'로 오인하게 되는 것이다.
4-4. 탈감작(脫感作)
빵 가게에 들어가면, 잠시 동안은 빵 냄새를 강하게 느끼지만, 시간이 약간 지나면 빵 냄새가 별로 느껴지지 않는다. 왜 그럴까? 냄새를 전하는 전기 신호는 세포 안팎의 전기 밸런스가 변했을 때 생긴다. '전기 밸런스의 변화'는 세포 안팎을 연결하는 '이온 채널'이 열리면 이 통로를 통해 이온이 유입되면서 생기는 것이다. 빵 가게에 있는 동안의 냄새 물질은 후각 수용체와 계속 결합해 있다. 따라서, 이온 채널이 더 이상 열리지 않으므로 전기신호가 생기기 어려워진다. 그래서 후각 세포는 같은 냄새를 계속 접하게 되면, 그 냄새 신호를 보내지 않는 것이다. 이러한 현상을 '탈감작(脫感作)'이라고 한다. 즉, 항상 있는 냄새에는 둔감해지지만 새로운 냄새는 맡기 쉽다. 그래서 동물은 '탈감작'에 의해 주위 상황의 변화를 민감하게 포착하고 감지할 수 있다.
4-5. 동물들의 후각 능력 비교
동물들은 '수용체의 조합'으로 냄새 물질을 식별한다. 수용체의 조합이 많을수록 조합의 수도 많아지기 때문에, 더 다양한 냄새 물질을 식별할 수 있는 가능성이 커진다.
아래의 그림은 13종의 동물의 후각 수용체의 수를 비교한 것이다. 이 가운데서 아프카코끼리의 후각 수용체의 수가 압도적으로 많음을 알 수 있다. 심지어 아프리카코끼리는 후각으로 천적인 수렵 민족(마사이족)과 위해를 가하지 않는 농경 민족(칸바족)을 구별할 수 있다고 한다. 한편, 인간을 포함한 영장류는 후각 수용체가 적은 편이다. 진화 과정에서 지상에 살던 무렵에는 후각 수용체의 수가 많았지만 나무 위에서 살기 시작하고 수용체의 수가 줄어들었다. 이는 나무 위에서 시각에 의지해 살기 시작해, 후각에 의지하지 않아도 되기 때문이라고 생각된다. 또 과거에는 육지에 살았지만 나중에 물에서 살게 된 고래나 돌고래는 후각 수용체가 거의 기능하지 않게 되어 후각을 잃어 버렸다. 각 생물이 어느 감각에 특화되어 있느냐는 그 종이 어떤 환경에서 진화해 왔는가를 말해 준다.
후각 수용체는 DNA에 있는 설계도를 바탕으로 만들어지기 떄문에 DNA를 조사하면, 그 종의 후각 수용체의 종류를 알 수 있다. 초록색 부분은 현재 기능하고 있는 수용체의 유전자의 수를, 주황색은 기능을 잃은 수용체의 유전자의 수를, 파란색은 기능하고 있는지 없는지 알 수 없는 유전자의 수를 나타낸다.
5. 페로몬
5-1. 페로몬의 발견
'파브르 곤충기'를 쓴 프랑스의 박물학자 '장 앙리 파브르(Jean Henri Fabre)'는 1마리의 암컷 나방에게 엄청난 수의 수컷 나방이 달려드는 현상을 보고 연구를 거듭했다. 그리고 '적령기의 암컷은 인간의 후각으로는 감지할 수 없는 미묘한 냄새를 발산한다'라고 확신하였다.
그 후 60년이 지난 1959년, 독일의 화학자 '아돌프부테난트(Adolf Butenandt, 1903~1995)'가 다른 나방인 '누에나방'이 내는 '발산물'의 정체를 밝혀냈다. 그는 50만 마리에 이르는 암컷 나방의 분비샘을 모아 약 0.012g 정도의 물질을 추출했고, 그 분자 구조를 밝혀냈다. 이 유인 물질에는 '봄비콜(bomobykol)'이라는 이름이 붙여졌다. 같은 무렵, 이성을 유인하는 현상이 여러 곤충에서 발견되었다. 그래서 봄비콜이 발견된 그 해에, 이성을 유인하는 현상을 일으키는 물질에 대해 '페로몬(pheromone)'이라는 이름이 붙여지고 '동종의 다른 개체에 저항하기 힘든 행동과 생리적인 변화를 촉진하는 물질'로 정의되었다.
5-2. 페로몬의 효과
그러면 페로몬은 얼마나 적은량으로 효가과 발휘되고, 그 효과는 얼마나 저항하기 어려울까? '봄비콜'은 암컷 누에나방의 엉덩이'에 있는 분비샘에서 방출되는 곤충의 냄새 물질이다. 분비량은 극히 적은데, 1시간에 1/10억 g에 지나지 않는다. 하지만 수컷의 후각 기관(더듬이)는 매우 고감도여서, 약 80개의 봄비콜만 감지돼도 수컷은 다짜고짜 날개를 퍼덕인다.
그런데 사실 페로몬은 후각으로 감지해내는 물질만 포함되는 것이 아니다. 실제로 입을 매개로 생리적인 변화를 일으키는 물질도 발견되었는데, 이런 물질도 페로몬으로 여기고 있다. 또한 페로몬의 역할은 이성을 유인하는 데만 쓰이는 것이 아니다. 동료를 먹이가 있는 곳으로 이끄는 용도로 사용되는 페로몬도 있고, 적으로부터 도망치게 하는 페로몬도 있고, 둥지 내에서 역할 분담을 하게 하는 페로몬도 있다.
5-3. 야콥손 기관
코 내부로 들어간 공간인 '비강'에 가면 윗면에 후각을 담당하는 '후각 점막'이 있고, '비강'의 바닥면과 안쪽 옆면으로 구멍이 나 있는 '야콥손 기관(Jacobson's Organ)'이 있다. 쥐나 고양이, 말, 소 , 염소, 원숭이 등의 많은 포유류들은 페로몬 센서를 적어도 2개 이상 가지고 있다.
후각 점막에 냄새 물질의 센서 역할을 하는 뉴런들이 많이 있는 것처럼, 야콥손 기관에도 센서 역할을 하는 뉴런들이 많이 있어 다양한 종류의 물질을 감지할 수 있다. 그래서 '야콥손 기관'은 '제2의 코'로 불리기도 한다. 하지만 후각 점막에서 감지되는 페로몬도 있어 완전히 다른 역할을 한다기보다는 오히려 두 기관이 협력한다고 보는 편이다.
5-4. 인간도 페로몬의 지배를 받는가?
인터넷 광고 중에는 '여자들이 미치는 향수'처럼 이성을 유혹하는 '페로몬 향수'가 많다. 그런데 이러한 인간의 페로몬 향수가 과학적 근거가 있는 것일까? 결론부터 말하면 안타깝게도 인간의 페로몬의 존재에 대한 과학적 근거는 없다. 다만 현재 인간의 페로몬을 규명하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 성인의 야콥손 기관은 기능하지 않을 가능성이 높아, 페로몬이 존재한다면 '후각 점막'에서 감지될 것이라고 보고 있다.
하지만 현재 페로몬의 유력한 후보 물질이 있기는 하다. '안드로스타디에논(androstadienone)'과 '안드로스테놀(androstenol)', '안드로스테논'이라는 물질이다. 이 세 가지 물질은 모두 남성 호르몬의 일종인 테스토스테론과 그전 단계 물질이 분해되서 만들어진다고 생각된다.