수정에서 출산까지: 한 사람의 인간은 어떻게 만들어지는가

1827년 어느 겨울 오후, 쾨니히스베르크 대학교의 한 실험실에서 카를 에른스트 폰 베어는 개의 난소를 현미경 아래에 밀어 넣었고, 그때까지 누구도 확인해 내지 못했던 무언가를 보았다. 작은 액체로 가득 찬 난포 하나 안에 창백한 구체 하나가 들어 있었으니, 바로 포유류의 난자였다. 해부학자들이 새와 마찬가지로 포유류도 어떤 종류의 알에서 시작될 것이라고 처음 추측한 이래로 약 150년 동안 사람들은 그 존재를 의심해 왔지만, 실제로 그것을 눈으로 본 사람은 아무도 없었다. 폰 베어가 그것을 보았고, 같은 해에 그는 그 결과를 De Ovi Mammalium et Hominis Genesi, 곧 "포유류와 인간의 알의 발생에 관하여"라는 거창한 제목을 단 얇은 라틴어 논문으로 발표했다.

이 단 한 번의 관찰은 근대 발생학의 진정한 출발점을 의미했는데, 모든 인간 생명의 출발점이 하나의 세포임을 밝혀냈기 때문이다. 그 뒤에 이어지는 모든 것, 곧 성인 몸속의 수조 개에 이르는 세포, 모든 장기, 모든 신경, 모든 뼈는 그 난자가 정자와 융합한 사건으로 거슬러 올라간다. 이 글이 답하려는 질문은 겉보기에는 단순하다. 벽에 붙여 놓은 설계도도 없고 교통을 지휘하는 현장 감독도 없는 단 하나의 세포가, 40주에 걸쳐 어떻게 스스로를 접어 완전한 인간이 되는가?

거의 일어나지 않는 만남

수정은 그 명성이 시사하는 것보다 훨씬 더 드물고 훨씬 더 지리적으로 특정한 사건이다. 사정 시 남성은 약 2억 개에 이르는 정자를 방출하는데, 이는 앞으로의 여정이 그만큼 가혹하기 때문에 존재하는 엄청난 숫자다. 정자는 자궁의 길이를 통과해 나팔관 안으로 들어가야 하며, 물살을 거슬러, 적대적인 화학 환경을 뚫고 나아가야 하지만, 그 대부분은 끝내 도달하지 못한다. 그 2억 개 중에서 수정이 보통 일어나는 곳인 나팔관의 넓은 바깥쪽 구간, 곧 팽대부에 실제로 도달하는 것은 겨우 수백 개뿐이다.

타이밍은 이 만남을 더욱더 좁은 가능성으로 몰아넣는다. 배란 이후 난자는 약 12시간에서 24시간 정도만 생존력을 유지한다. 정자가 이미 나팔관에서 기다리고 있지 않거나 그 짧은 시간 안에 도착하지 못하면, 난자는 퇴화하여 사라진다. 그러므로 수정은 드물고, 짧으며, 몸속의 한 특정한 위치에 못 박혀 있다. 정신없는 경주가 의기양양한 도착으로 끝난다는 대중적인 이미지는 틀린 것은 아니지만, 그 만남이 아예 일어나지 못할 길이 얼마나 많은지는 제대로 담아내지 못한다.

정자가 난자를 만나는 화학

정자가 마침내 난자에 도달하면, 그 결합은 단순한 충돌이 아니라 순서대로 일어나야만 하는 일련의 분자 단계다. 난자는 투명대라고 불리는 두꺼운 바깥 외피, 곧 당단백질로 된 껍질에 싸여 있다. 정자는 먼저 그 외피에 있는 특정한 당단백질에 결합하는데, 이 인식 사건은 정상적인 조건에서 난자와 정자가 같은 종에 속하도록 보장하는 데 도움을 준다.

결합은 다음 단계를 촉발한다. 정자의 머리에는 첨체라고 불리는 모자가 달려 있으며, 그 안에는 효소가 가득 차 있다. 접촉이 일어나면 첨체 모자는 그 효소들을 쏟아내고, 효소들은 투명대를 뚫고 길을 소화해 내어 정자가 난자 자체의 막에 도달할 수 있게 한다. 그러면 두 막이 융합하고, 정자의 내용물은 그 핵을 포함하여 난자 안으로 들어간다. 그 순간 각각 23개의 염색체 한 벌을 지닌 두 개의 반수체 핵이 결합하여, 46개의 온전한 한 벌을 지닌 하나의 이배체 핵이 된다. 이 결합된 단 하나의 세포가 바로 접합자, 곧 새로운 개체의 첫 번째 세포이자 그 뒤에 오는 모든 것의 유전적 출발선이다.

두 번째 정자에게 문을 쾅 닫기

첫 번째 정자가 난자와 융합하는 그 순간, 새로운 문제가 나타난다. 만약 두 번째 정자가 들어오게 된다면, 그렇게 생긴 세포는 두 벌이 아니라 세 벌의 염색체를 지니게 되는 삼배체 상태가 되고, 그런 배아는 정상적으로 발생할 수 없다. 진화의 해법은 수정이 시작되는 순간 난자를 걸어 잠그는 것이며, 이는 서로 다른 시간 척도에서 작동하는 두 가지 별개의 메커니즘으로 이루어진다.

첫 번째는 거의 즉각적이다. 융합이 일어난 지 1초도 안 되는 사이에, 난자의 막은 전하의 급격한 변화, 곧 빠른 차단 역할을 하는 탈분극을 겪어, 잠시 동안 다른 정자가 융합하는 것을 불가능하게 만든다. 이 전기적 장벽은 빠르지만 일시적이며, 임시방편에 불과하다. 두 번째 메커니즘은 더 느리지만 영구적이다. 그 뒤로 이어지는 몇 초와 몇 분에 걸쳐 난자는 효소를 방출하여 투명대를 화학적으로 단단하게 만들고, 한때 수용적이었던 외피를 뚫을 수 없는 껍질로 바꾸어 놓는다. 빠른 전기적 차단과 느린 화학적 차단, 이 두 반응이 함께 작용하여 오직 하나의 정자만이 자신의 유전체를 기여하도록 보장한다. 이것들이 없다면 수정의 흔한 결과는 운명이 정해진 삼배체 세포일 것이고, 성공적인 임신은 규칙이 아니라 예외가 될 것이다.

하나의 세포에서 속이 빈 세포 공으로

수정이 되고 나면, 접합자는 처음에는 거의 속임수처럼 보이는 일을 한다. 그것은 분열하고, 또 분열하지만, 자라지는 않는다. 전체 부피는 거의 일정하게 유지되는데 세포 수는 늘어나므로, 이어지는 각각의 세포는 그 앞의 세포보다 더 작다. 자라지 않으면서 분열하는 이 초기 단계는 난할이라고 불리며, 약 20시간마다 세포 수가 대략 두 배로 늘어나는 놀랍도록 규칙적인 시계에 맞추어 진행된다.

그 일정은 따라가기 쉽다. 약 하루 반 무렵이면 두 개의 세포가 되고, 4일째에는 상실배라고 불리는 약 16개의 세포로 된 단단한 공이 되며, 5일이나 6일째에는 액체로 가득 찬 공간의 한쪽에 안쪽 세포 덩어리(내부 세포 덩어리, 곧 배아 그 자체가 되는 부분)가 모여 있는, 포배라고 불리는 속이 빈 구체가 된다. 이 모든 과정 내내 자라나는 세포 덩어리는 여전히 원래의, 변하지 않은 투명대 안에 싸인 채 나팔관을 따라 천천히 자궁을 향해 떠내려간다. 자궁에 도달했을 때에야 비로소 포배는 그 외피에서 부화하여 자궁벽 속으로 파고드는데, 이 사건이 바로 임신을 고정시키고 배아와 어머니 사이의 긴 협력을 시작하는 착상이다.

온몸이 되는 세 장의 시트

수정 후 3주째에, 배아는 세포 공을 조직화된 동물의 시작으로 바꾸어 놓는 묘기를 부린다. 내부 세포 덩어리는 한 장이 다른 한 장 위에 차곡차곡 쌓인 세 장의 평평한 시트, 곧 세 개의 배엽으로 스스로를 재조직한다. 바깥쪽의 외배엽, 가운데의 중배엽, 그리고 안쪽의 내배엽이다. 겉보기에는 단순한 이 배치가 온몸의 기본 설계도인데, 인간의 모든 조직은 이 세 배엽 중 하나로 거슬러 올라갈 수 있기 때문이다.

그 배정은 일관되며, 마침맞게도 1828년에 폰 베어 자신이 직접 밝혀냈다. 외배엽은 바깥쪽 표면과 신경계를 만들어 내는데, 여기에는 피부, 털, 그리고 뇌와 척수 전체가 포함된다. 중배엽은 구조와 순환에 관여하는 조직, 곧 근육, 뼈, 혈액, 심장, 콩팥을 만들어 낸다. 내배엽은 안쪽 내벽, 곧 장관과 거기서 싹터 나오는 장기들을 형성하는데, 여기에는 폐, 간, 이자가 포함된다. 이 세 배엽이 자리를 잡고 나면, 발생은 접히고, 이동하고, 신호를 주고받는 문제가 되어, 배엽들이 구부러지고 서로 작용하며 장기를 빚어낸다. 그 장기 형성의 대부분, 곧 기관 형성은 대략 3주째부터 8주째까지 진행되며, 이는 전체 과정에서 가장 섬세하고 가장 취약한 구간이다.

두 사람이 함께 짓는 임시 장기

배아가 자신의 장기들을 놓아 가는 동안, 또 다른 장기 하나가 나란히 조립되고 있는데, 그것은 어느 한 개체에게도 속하지 않는다. 태반은 진짜 장기이지만 이상한 장기로, 태아 조직(영양막, 곧 포배의 바깥쪽 세포들)과 어머니의 조직(자궁내막, 곧 자궁의 내벽)이 뒤섞여 만들어진다. 그것은 여러 면에서 척추동물 생물학에서 독특하다. 임신 때마다 처음부터 새로 길러지고, 단 하루도 더 가지 않는 꼬박 40주 동안 지속되며, 한 번에 여러 가지 일을 수행하고, 아기와 함께 분만된 뒤 버려진다.

태반이 하는 일들은 하나하나 짚어 볼 가치가 있는데, 그것이 여러 성인 장기의 일을 동시에 하고 있기 때문이다. 태반은 기체 교환을 담당하여, 태아가 아직 쓸 수 없는 폐를 대신해 산소를 공급하고 이산화탄소를 제거한다. 영양과 노폐물을 관리하여, 포도당과 아미노산을 비롯한 영양소를 태아에게 건네주는 한편 대사 노폐물을 실어 나른다. 그리고 내분비샘으로 기능하여, 임신을 유지하고 어머니의 몸을 출산과 수유에 대비시키는 호르몬을 만들어 낸다. 여기서 바로잡을 가치가 있는 끈질긴 오해가 하나 있는데, 이 주제 전체에서 가장 흔한 학생들의 오류 중 하나이기 때문이다. 어머니의 혈액과 태아의 혈액은 섞이지 않는다. 두 순환계는 완전히 분리된 채로 있다. 모든 교환은 융모막 융모, 곧 어머니의 혈액 웅덩이에 잠긴 채 놓여 있는 손가락 모양의 태아 돌기들의 얇은 막을 가로지르는 확산을 통해 일어난다. 산소, 영양소, 노폐물은 그 막을 건너지만, 두 혈류는 결코 합쳐지지 않는다.

3막으로 펼쳐지는 40주

인간의 임신 기간은 약 40주로, 관례적으로 각각 약 13주에 이르는 세 개의 삼분기로 나뉘며, 각 삼분기에는 저마다 고유한 발생 우선순위, 저마다 특징적인 위험, 그리고 저마다 임상적 이정표가 있다. 첫 번째 삼분기는 건축의 시기다. 수정, 난할, 착상, 세 배엽, 그리고 기관 형성이 모두 일어나는 때가 바로 이때이며, 몸의 기본 설계가 놓이고 있기 때문에 교란에 가장 취약한 시기이기도 하다. 두 번째 삼분기는 대체로 성장과 정교화에 관한 것으로, 이미 형성된 장기들이 성숙하고 커지며 움직임을 감지할 수 있게 된다. 세 번째 삼분기는 마무리와 살찌우기에 관한 것으로, 태아가 체중을 늘리고, 폐가 공기를 호흡할 수 있는 지점을 향해 성숙하며, 몸이 바깥 세상에서의 삶을 준비한다.

발생학은 이 시간표를 가로질러 특히 뚜렷한 선 하나를 8주 말에 긋는다. 그 시점 이전의 발생 중인 생명체는 배아라고 불리고, 그 이후로는 태아라고 불린다. 이 구분은 임의로 정한 표현이 아니다. 그것은 기관 형성이 사실상 끝나는 순간, 곧 주요 장기들이 대략 다 만들어지고 그 작업이 새로운 구조를 짓는 일에서 이미 있는 것들을 그저 키우는 일로 옮겨 가는 순간을 표시한다. 배아는 건축 중인 상태이고, 태아는 대체로 자라나고 있는 상태다.

이 40주 전체 과정에서 놀라운 점은 이제 그것이 얼마나 정밀하게 추적될 수 있는가 하는 것이다. 현대 산과학은 임신을 약 일주일 이내로 날짜를 따질 수 있고, 6주째 무렵이면 뛰고 있는 심장을 영상으로 볼 수 있으며, 대략 16주째면 태아의 성별을 알아낼 수 있다. 이것은 인간 생물학 전체에서 가장 잘 지도화된 과정 중 하나이며, 그 일정은 어떤 외부의 지시가 아니라 유전체 그 자체에 의해 정해진다. 곧 지금까지 살았던 모든 인간을 만들어 낸 바로 그 동일한 유전자들이 정해진 순서로 켜졌다 꺼졌다 하며 그 일정을 정한다.

핵심 요약

인간의 발생은 2억 개 중 살아남은 수백 개의 정자 중 하나가 난자의 짧은 12시간에서 24시간의 시간 안에 나팔관의 팽대부에 도달하여, 투명대에 결합하고, 첨체 효소를 방출하며, 융합하여 이배체 접합자를 이루는 데서 시작되고, 그 순간 빠른 전기적 차단과 느린 화학적 차단이 난자를 봉인하여, 그렇지 않았다면 생존 불가능한 삼배체 세포를 만들었을 두 번째 정자를 막아낸다. 그런 다음 접합자는 자라지 않으면서 난할하여, 약 20시간마다 대략 두 배로 늘어나면서 두 개의 세포에서 4일째에는 16개의 세포로 된 상실배로, 5일이나 6일째에는 속이 빈 포배로, 이 모든 것이 원래의 투명대 안에서 이루어지다가, 자궁벽에 착상한 뒤 3주째에 모든 조직이 거기서 유래하는 세 배엽(외배엽, 중배엽, 내배엽)으로 재조직되는데, 이 배정은 1828년에 폰 베어 자신이 직접 확립한 것이다. 기관 형성은 8주째까지 진행되며, 이것이 배아가 태아가 되는 분기선이고, 한편 태아의 영양막과 어머니의 자궁내막으로부터 공동으로 지어진 임시 장기인 태반은 두 개의 분리된 혈류를 결코 섞지 않으면서 꼬박 40주 동안 기체 교환, 영양, 노폐물 제거, 그리고 호르몬 생산을 떠맡는다. 임신은 각각 저마다의 뚜렷한 우선순위를 지닌 약 13주의 세 삼분기에 걸쳐 펼쳐지는데, 그 순서가 너무나 잘 지도화되어 있어 현대 산과학은 그것을 주 단위로 날짜를 따질 수 있으면서도, 그 전체 일정은 유전체에 의해 쓰이고 실행된다.