잠을 자지 않으면 인지 능력과 운동 능력, 언어 능력, 감정조절 능력, 신체회복 능력 등이 급격히 저하됩니다. 대부분 사람은 이런 상태를 느끼기 전에 피로를 느껴서 하루 중 일정 시간 동안 잠을 잡니다.
이는 인간 외의 다른 생명체에서도 쉽게 관찰할 수 있는 현상입니다. 하지만 모든 생명체가 잠을 자는지에 대해서는 궁금증이 생깁니다. 생명체는 모두 잠을 잘까요?
먼저 많이 봤을 생물종의 분류부터 보면 아래와 같습니다. 종들이 모여 속을 이루고, 속들이 모여 과를, 과들이 모여 목을, 이렇게 상위 단계로 확장되는 분류 체계인데, 우리 인간과 가까운 포유류는 포유강에 속합니다.
포유류는 인간과 유사하게 렘수면(REM, Rapid Eye Movement sleep)과 비렘수면(NREM, Non Rapid Eye Movement sleep)으로 뚜렷하게 나뉘는 수면 활동을 보입니다. 다만, 시간과 패턴은 동물마다 다르고, 대개 잡아먹히기 쉬운 초식동물은 육식동물보다 더 짧은 잠을 잡니다.
이 분류체계에서 한 칸 더 위로 올라가면 포유류는 척추동물에 속합니다. 어류와 양서류, 파충류, 조류도 이에 속하고, 수면도 하는 것으로 알려졌는데, 수면의 구조는 포유류와 다릅니다.
조류는 수면 사이클이 있다기보다는 10초 정도로 매우 짧은 렘수면이 하룻밤에 약 1,000회 정도 반복되는 형태를 보입니다.
이들은 땅에 있을 때는 좌우뇌가 동시에 잠을 자면서도 상황에 따라 좌우뇌가 번갈아 가며 잠을 자기도 합니다.
예를 들어 비행을 계속하는 특성상 좌뇌와 우뇌 중 한쪽 반구만 자는 반구 수면을 하기도 합니다. 이는 물개와 같이 바다에 사는 포유류에게서도 나타나는 현상입니다. 흥미롭게도 양서강에서 양서류 중 미국 황소개구리는 잠을 자지 않는다는 1967년 논문 자료가 있습니다. 다만, 이 연구 하나인 상황이라서 현대적인 방법으로 재연구가 필요하고, 사실이라면 잠을 자지 않는 유일한 동물인 셈입니다. 
각설하고, 척추동물의 생물 분류 단위에서 한칸 더 위로 올라가면 동물계가 되는데, 척추동물과 무척추동물을 포함하는 개념입니다. 앞서 척추동물에 관해서 이야기해봤고, 무척추동물은 잠을 잘까요?
무척추동물 중 거미와 곤충 등의 절지동물은 하루 중 일부 동안 잠과 유사한 비활성 시기를 보입니다. 이 시기에서는 시각 뉴런의 활성이 줄어들고, 호흡량이 감소하며, 몸과 다리를 비틀거리며 쓰러질 듯한 행동을 보입니다.
절지동물 연구에 대표적으로 쓰이는 동물이 초파리인데, 여러 면에서 척추동물과 유사한 수면 활동을 보입니다.
2009년 중국의 여러 연구팀에서 진행한 실험에서는 인간과 마찬가지로 잠을 재우지 않으면 인지 기능이 저하됨을 확인했고, 2000년 줄리오 토노니 연구팀이 진행한 실험에서는 초파리에게 카페인을 주었을 때 휴식이 감소하는 것을 확인했습니다.
게다가 척추동물에서 잠에 관여하는 것으로 알려진 유전자(=Shaker)를 파괴했을 때 초파리의 수면 사이클이 망가져서 매일 8~10시간 수면하는 대신에 3~4시간만 자는 것으로 확인됐습니다.
이외에도 인간의 렘수면-비렘수면의 수면 활동과 비슷하게 뇌가 활발하게 활동하지만, 잠에 빠져있는 활성 수면(≒렘수면)과 깊은 수면(≒비렘수면)으로 나뉜다는 것도 밝혀졌습니다.
단, 인간의 수면은 렘수면, 비렘수면 등 여러 단계로 확연히 나누어졌으나 초파리에서 그러한 수면 단계가 보인다는 증거는 많지 않고, 인간과 달리 초파리는 짧은 시간 동안 잠깐씩 잠을 잔다는 차이점이 있습니다.
또 다른 대표적인 무척추동물(연체동물)에 두족류인 문어가 있습니다. 문어는 높은 지능을 지닌 것으로 알려진 비인간 동물인데, 활동 수면과 비활동 수면의 구분이 발견됐습니다.
비활동 수면 상태의 문어는 주변에 딱 붙은 상태로 그 주변과 유사한 색깔을 띤 상태에서 눈을 감고 휴식을 취합니다. 반면 활동 수면 상태에서는 눈과 다리를 움직이고, 호흡도 빨라지며 피부도 검은색을 띱니다. 이 상태는 1분간 지속됐으며 1시간 간격으로 반복된다고 합니다.
이러한 수면은 예쁜꼬마선충과 같이 수백 개의 뉴런으로 이루어진 작은 기생충들에서도 확인되는데, 산소 농도가 낮아지면 서로 뭉쳐서 행동을 멈추고, 산소 농도가 높아지면 활동을 재개하는 식으로 수면과 유사한 활동을 보였습니다. 즉, 신경계를 지닌 대부분 동물은 수면 또는 최소한 하루 중 비활성 시기를 보인다고 할 수 있습니다.
여기까지 주제의 의문은 해결했고, 더 나아가서 식물류나 균류는 어떨까요? 식물은 신경계가 없으므로 동물의 수면과 일대일 대응하기는 어려우나 밤에 잎이나 기공을 닫는 행동을 보인다는 특징이 있습니다.
균류도 낮과 밤에 다른 생활사를 보입니다. 균류에서도 동물과 같은 FRQ(Frequency의 약어)라는 생체 시계(Circadian Rhythms)를 조절하는 유전자가 포자 분출, 성장 등 각종 활동을 조절하는 식입니다.
이처럼 세포핵이 있는 모든 진핵생물은 어떠한 방식으로든 생체 시계를 가지는 것으로 알려졌고, 이를 위해 다양한 유전자와 생물학적 메커니즘을 갖추고 있습니다.
반면에 세포핵이 없는 원핵생물인 세균과 고세균의 경우에는 생체 시계가 존재하지 않는 것으로 알려졌는데, 핵이나 미토콘드리아 등 복잡한 구획화가 되어 있지 않아서 밤낮을 나누어 다른 대사 과정을 처리할 필요가 없고, 수명이 짧아서 굳이 구분할 필요가 없기 때문입니다.
또한, 이들이 열수 분출공(Hydrothermal vent)과 같이 바다 밑바닥의 고온·고압 등 극한의 특수 환경에서 진화한 영향도 있습니다.
한 가지 예외는 지구상에서 광합성하는 생물 중 가장 오래된 생물이 남세균인데, 원핵생물임에도 빛에 의존해 광합성 하는 특성상 생체 시계를 조절하는 메커니즘을 진화시킨 것으로 보입니다. 궁금증이 해결되셨나요?
- 원고 : 미시간대학교 의식과학센터에서 의식과학 분야를 연구 중인 장현우
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제공 사물궁이 잡학지식
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