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안녕, 나는 정자(精子)야. 정자라는 촌스런 이름을 가진 여자가 아니고 수컷이 만들어내는 그 정자 말이다. 동그란 머리에 기다란 꼬리를 흔들어대며 헤엄쳐 다니는 나를, 알고 있지?

사람들이 날 처음 발견한 건 17세기였어. 미생물의 시대를 연 네덜란드의 위대한 과학자 안토니 레벤후크가 1679년에 자신의 정액 속에서 꿈틀거리는 수백만 마리의 나를 현미경으로 처음으로 본 거였지. 레벤후크는 나를 사람들에게 공개하는 게 꽤나 낯간지러웠나 봐. 영국왕립학회에 보낸 편지에서 내가 학식 있는 사람들의 비위를 건드릴지도 모른다며 나를 꼭 공개하지 않아도 된다고 했지. 다행히도 영국왕립학회는 레벤후크의 우려와 달리 당당히 나를 발표했어.

당시 사람들은 나를 두고 말이 많았어. 레벤후크는 나를 정액에 사는 작은 생명체라고 생각했어. 그러면서 난자와 결합해 수정을 하는 게 아닌가 하고 ‘올바른 의심’을 했지. 하지만 많은 사람들은 날 수정과 무관한 그저 작은 벌레쯤이라고만 여겼어. 나를 발견하고도 100년 정도 흐른 뒤에야 이런 오해가 풀렸지. 내가 난자와 결합해 수정을 하는 생식세포라는 게 밝혀진 거야.

나를 발견한 지 300년이 넘게 흘렀지만 여전히 나에 대한 편견이 많은 거 같아. 잘 알겠지만, 생식세포인 내가 가진 임무는 수많은 경쟁자를 물리치고 나의 파트너인 난자와 만나 결합하는 거야. 난자와 만나는 정자는 오직 하나. 그러니 수컷의 몸 밖으로 나와 암컷의 몸으로 들어가면 그야말로 전진, 또 전진하는 거지. 그래서인지 나를 두고 사람들은 그저 빨리 난자에게로만 헤엄쳐가려는 저돌적이고 경쟁밖에 모를 거란 이미지만 떠올리나 봐.

하지만 최근 나에 대해 전혀 새로운 면들이 발견됐어. 나에 대한 편견을 깨는 최신 이야기 한번 들어볼래?

편견 하나 보잘 것 없이 작다?
No. 몸보다 더 긴 슈퍼정자 있어!

수컷은 자신의 유전자를 후손에 남기기 위해 암컷 앞에서 온갖 구애 행동을 불사한다. 암컷을 꾀어내기 위해 온몸에 멋을 내고 춤을 추고 선물 공세를 하기도 한다.

하지만 이것은 어디까지나 절반의 성공이다. 암컷이 다른 수컷과도 상대를 한다면 수컷은 자신의 유전자가 다음 세대로 이어질 거라고 장담할 수 없기 때문이다. 결국 후손을 남기는 중대한 임무를 마무리 짓는 건 암컷의 몸 안으로 들어간 수컷의 정자에게 달려 있다. 정자가 다른 정자들을 제치고 난자와 수정해야 수컷의 구애가 마침내 빛을 보는 것이다. 그러니 이기적인 유전자의 입장에서 보면 어쩌면 최종 성패를 쥐고 있는 정자가 수컷 자체보다 더 중요할지도 모른다.

그래서일까. 일부 생물종은 수컷 자신보다 정자에 더 공을 들인다. 자신의 몸보다 더 긴 슈퍼정자를 생산해내기도 한다. 슈퍼정자야말로 다른 정자를 제치고 난자와 상봉할 가능성이 높을 것이기 때문이다. 하지만 정자의 몸집을 키우는 전략은 대개의 생물들이 택한 전략과는 정반대다. 수정확률을 높이기 위해 인간을 포함한 대부분의 생물은 수많은 정자를 만들어내는 ‘다다익선’의 전략을 취한다. 인간의 경우 한 번 사정으로 배출되는 정자는 5000만~5억 마리가량이다.

반면 정자가 클수록 좋다는 입장의 생물은 소수의 강력한 정자만을 만들어낸다. 지금까지 발견된 가장 큰 정자는 학명이 ‘드로소필라 비푸르카(Drosophila bifurca)’라는 초파리의 것이다.

2006년 6월 국제학술지 ‘네이처’에 따르면 이 초파리의 정자는 길이가 6cm 정도다. 이에 반해 초파리 자신의 몸길이는 고작 수mm밖에 안 된다. 인간이 이 초파리라면 인간의 정자는 길이가무려 40m가 넘는 셈이다. 하지만 실제 인간의 정자는 길이가 50μm(마이크로미터, 1μm=10-6m)로 오히려 초파리 정자의 약 1000분의 1 수준이다. 슈퍼정자를 생산하는 이 초파리 수컷은 암컷이 난자 하나를 만드는 동안 6개 정도의 정자를 생산한다.

초파리 외에도 자연계에서 슈퍼정자를 생산하는 대표 생물종은 패충류(Ostracoda )다. 패충류는 모양이 홍합과 비슷해 ‘홍합새우’라고도 불린다. 현재 2000여 종이 바다와 민물, 육상 등에 서식한다. 패충류 가운데에는 자신의 몸길이보다 10배나 긴 슈퍼정자를 만들어내는 종이 있다. 몸길이는 고작 1mm 정도밖에 안 되는데, 정자 길이는 무려 1cm가 넘는다.

그렇다면 슈퍼정자는 언제, 그리고 왜 출현했을까. 지난해 6월 독일 뮌헨대 연구팀은 이와 관련한 흥미로운 연구 결과를 ‘사이언스’에 발표했다. 지금은 멸종되고 없는 1억 년 전의 패충류 화석에서 가장 오래된 슈퍼정자의 흔적을 발견한 것이다.

패충류는 외부가 단단한 껍데기로 둘러싸여 있어서 5억 년 전에 살던 종까지 화석으로 흔히 발견된다. 하지만 독일 연구팀이 조사한 패충류 화석의 경우는 좀 예외였다. 화석 내부에 부드러운 장기까지 남아 있었던 것이다. 독일 연구팀은 첨단 영상 기술을 동원해 이 패충류의 3차원 모습을 복원했다. 그러자 이 패충류에 자신의 몸보다 긴 슈퍼정자가 2개 들어 있음이 드러났다. 이 패충류는 슈퍼정자를 만들어내기 위해 자기 몸통의 3분의 1을 정자 생산에 할당했다. 슈퍼정자를 받아들여야 하는 암컷의 배 아래쪽에 커다란 공간을 갖고 있었던 점도 확인됐다. 이 연구는 지난해 말 미국의 과학잡지 ‘디스커버’에 그해에 밝혀진 가장 괴상한 과학이야기 15가지 중 하나로 선정됐다.

이렇게 슈퍼정자의 진화 역사가 최소 1억 년은 됐음이 밝혀지긴 했지만 과학자들은 아직 슈퍼정자에 대해 풀지 못한 게 있다. 비록 슈퍼정자가 난자와의 수정을 높이기는 하지만 자기 몸보다 더 긴 정자를 만들어내는 건 분명히 쉽지 않은 일이다. 과학자들은 패충류가 왜, 그리고 어떻게 슈퍼정자를 최소 1억 년이란 긴 세월 동안 고집해올 수 있었는지를 밝혀내기 위해 연구 중이다.

편견 둘 정자들은 승자독식의 무한경쟁만 한다?
No. 가족끼리 협력하는 따뜻한 세계!

수천 내지 수억 마리의 정자들에서 승자는 오직 하나일 뿐이다. 모두가 서로 경쟁자다. 그래서 정자의 경쟁은 전쟁이라고 부를 만큼 치열하다.

정자는 오로지 경쟁만 하는 고독한 존재일 뿐일까. 그렇지 않다. 최근 연구에 따르면 혈연관계의 다른 정자를 알아볼 뿐 아니라 이들과 무리를 지어 난자에게 향하는 팀플레이까지 한다. 2002년 7월 영국 셰필드대 생식전문 생물학자 해리 무어 교수는 들쥐의 정자가 마치 열차 여러 대가 무리를 지어 나아가듯이 그룹을 짓는 특이한 행동을 한다는 사실을 ‘네이처’에 발표했다.

무어 교수는 어느 날 자신이 키우는 고양이가 물어온 들쥐 한 마리를 보고 깜짝 놀랐다. 그 들쥐는 상당히 큰 고환을 갖고 있었는데, 이는 암컷이 여러 수컷 들쥐와 교미한다는 의미다. 그 들쥐의 학명은 ‘아포데무스 실바티쿠스(Apodemus sylvaticus )’로 유럽에서 흔히 볼 수 있는 종류였다.

무어 교수는 호기심에 들쥐의 정자를 현미경으로 한번 살펴보기로 했다. 그러자 눈앞에서는 정자들이 무리를 짓는 놀랄 만한 광경이 펼쳐졌다. 마치 여러 대의 기차가 한꺼번에 몰려서 이동하는 듯했다. 큰 무리는 정자가 최대 100마리나 됐다. 무어 교수는 무리를 이루는 정자들이 그렇지 않은 정자들보다 훨씬 빠르게 움직인다는 사실을 알아냈다. 혼자일 때보다 무리일 때 유영속도가 50%나 더 빨랐다. 그만큼 무리 속 정자가 난자와 수정될 가능성이 높다.

그렇다면 정자는 왜 무리를 짓는 걸까. 해답은 올 1월에서야 밝혀졌다. 미국 하버드대 진화유전학자 하이디 피셔 박사팀은 쥐의 정자를 대상으로 실험한 결과 정자의 무리 짓기가 바로 복잡한 짝짓기 양상과 혈연관계 때문이라는 사실을 ‘네이처’에 발표했다.

피셔 박사팀은 먼저 서로 다른 종의 정자가 만났을 때 어떤 특성이 있는지를 알아보기로 했다. 연구진은 교잡이 가능할 정도로 가까운 사이인 두 종류의 쥐를 연구 대상에 올렸다. 둘 다 북아메리카산이지만 서식지가 서로 다른 흰발생쥐(Peromyscus maniculatus)와 올드필드 흰발생쥐(P. polionotus)가 선택됐다.

과학자들은 이 두 가지 종의 정자들을 구분하기 위해 다른 색깔로 염색했다. 그런 다음 두 종의 정자들을 하나의 배양접시에 담았다. 그러자 정자의 3분의 2 가량이 자신과 같은 종의 정자들과 무리를 짓는 것으로 나타났다. 정자가 무턱대고 아무하고나 무리를 이루는 게 아니라 자신과 같은 종인지를 먼저 구분할 줄 안다는 얘기다.

연구팀은 정자가 어느 정도까지 다른 정자들을 알아보는지가 궁금했다. 그래서 종은 같지만 수컷이 다른 정자들을 대상으로 한 실험에 돌입했다. 결과는 짝짓기 양상에 따라 다르게 나타났다.

올드필드 흰발생쥐는 대부분이 ‘일부일처제’다. 이 종의 정자는 다른 수컷의 정자와 만나서 경쟁을 할 가능성이 낮다. 동일 수컷의 정자들끼리만 경쟁을 벌이면 되는 것이다. 실제 실험결과도 이런 상황을 반영했다. 올드필드 흰발생쥐의 정자들은 다른 수컷의 정자들과 만나도 무리를 짓지는 않았다.

반면 흰발생쥐는 확연히 다르다. 한 마리의 암컷이 여러 수컷과 교미하는데, 1분 사이에 다른 수컷을 상대할 정도로 관계가 복잡하다. 그래서 한 마리의 암컷에서 태어나는 새끼 흰발생쥐들은 아빠가 제각각인 경우가 많다. 흰발생쥐의 정자는 다른 수컷의 정자들과 심한 경쟁을 벌일 수밖에 없다.


피셔 연구팀은 흰발생쥐 두 마리의 정자를 한데 섞었다. 그러자 예상대로 동일한 수컷에서 나온 정자들끼리 무리를 짓는 것을 볼 수 있었다. 놀랍게도 한 배에서 태어난 흰발생쥐 형제 간에도 서로 무리를 확연하게 구분 짓는 것으로 나타났다.

흰발생쥐의 정자에겐 아무리 같은 배에서 태어난 친척뻘 정자들도 그저 남남일 뿐이었다. 피셔 박사는 “서로 다른 종의 정자만큼이나 한 배에서 태어난 쥐의 정자들이 서로를 잘 알아보는 데 꽤 놀랐다”고 말했다. 여러 수컷의 정자와 경쟁해야 하는 정자는 자신의 가장 가까운 혈연관계를 알아보고 협력하는 기술을 발전시켰다.

그렇다면 정자는 서로 어떻게 형제를 알아보는 걸까. 영국 셰필드대의 저명한 동물행동학자 팀 버크헤드 교수는 “수컷 쥐가 정자의 표면에 서로를 알아볼 수 있도록 화학적 특징을 남겨놓았다거나 혹은 정자가 유전적으로 서로를 알아볼 수 있는 뭔가를 만들어내기 때문”이라고 추정했다. 실제로 효모와 같은 일부 단세포 생물은 서로를 알아보고 결합하려는 단백질을 생산하는 유전자를 갖고 있다. 피셔 박사는 흰발생쥐도 이와 비슷할 것이라고 생각했다.

쥐를 포함해 포유류의 95% 이상은 암컷이 여러 수컷을 상대하는 복잡한 짝짓기를 한다. 이 분야의 연구자들은 혈연관계의 정자끼리 협력하는 모습이 어쩌면 우리의 생각보다 정자 세계에서 흔한 게 아닐까 추측하고 있다. 하지만 대체로 ‘일부일처제’인 인간의 경우는 꼭 그렇지만은 않다. 정자의 이런 행동을 처음으로 발견한 무어 교수는 호기심 반, 기대 반으로 사람 정자도 조사했다. 그러나 그는 “아직까지 그런 경우를 확인하지 못했다”고 설명한다.

편견 셋 단순무식하게 전진만 한다?
No. 수정 위해 속도 조절한다!

정자가 난자와 성공적으로 만나려면 무식하게 무조건 빨리 헤엄쳐 앞으로 나가기만 하면 되는 걸까. 결코 그렇지 않다. 난자로 향한 험난한 길을 헤쳐 나가려면 정자에겐 적당한 속도와 타이밍이 필요하다.흔히 우리는 꼬리를 흔들며 난자를 향해 돌진하는 정자의 모습을 상상한다. 하지만 이런 이미지와 달리 정자는 남성의 생식기에서 일생의 대부분을 가만히 움직이지 않고 하염없이 기다리기만 한다. 그러다 여성의 생식기 안에 들어가면 움직이기 시작한다. 정자는 언제 자신이 움직여야 할지 타이밍을 아는 셈이다.

여성의 몸속에서 정자는 나름대로 속도를 조절할 줄 안다. 만에 하나 여성의 몸속으로 들어간 정자가 처음부터 무턱대고 최고 속도로 돌진한다면 난자에닿기도 전에 힘이 빠져버리고 만다. 반면 힘을 너무 아낀 나머지 천천히 움직인다면 정자는 다른 정자에게 승리를 빼앗길지 모른다. 그래서 정자가 난자와의 상봉에 성공하려면 난자에 가까워질수록 속도를 높여야 한다.

어떻게 정자는 자신이 움직일 타이밍을 알고 속도를 조절하는 걸까. 오래전부터 과학자들은 정자의 움직임이 내부의 산성도에 따라 달라진다는 사실을 알고 있었다. 정자 내부의 산성이 내려갈수록(산성도는 높아질수록) 정자의 움직임이 빨라진다는 것이다. 정자가 때를 기다리며 머물러 있는 남성 생식기는 높은 산성을 띤다. 이곳에서 정자 역시 강한 산성을 띤다. 그러던 정자가 여성 생식기 안으로 들어가면 산성이 떨어지면서 움직이기 시작한다. 그러다가 난자에게 가까이 갈수록 산성은 점점 더 약해지고 염기성을 띠면서 마지막으로 박차를 가한다. 정자의 움직임과 산성도와의 관련성은 이미 오래전에 밝혀졌지만 정작 그 일이 어떻게 이뤄지는지는 지난 수십 년 동안 베일에 가려져 있었다.

정자가 강한 산성을 띠는 이유는 내부에 산성을 띠게 하는 수소이온(H+)이 많기 때문이다. 정자 내부는 수소이온 농도가 정자 바깥인 여성의 생식기보다 1000배나 진하다. 정자가 운동성을 가지려면 내부에 있는 수소이온(H+)을 밖으로 배출해야 한다. 어떻게 정자가 때를 알고 수소이온을 바깥으로 내보내는지는 그동안 의문이었다.


미국 샌프란시스코 캘리포니아대 생리학과 유리 키리초크 교수팀은 2월 초 발행된 생명 분야의 전문학술지 ‘셀’에 그 해답을 공개했다. 키리초크 교수가 주목한 것은 바로 정자의 표면 막에 있는 ‘Hv1’이라는 분자였다. Hv1이란 분자가 수소이온을 밖으로 배출하는 구멍 역할을 하는 것이다. 연구팀은 Hv1의 문을 여는 열쇠가 외부 환경에 있음을 확인했다. 그것은 외부의 산성도와 아연 농도였다. Hv1 분자는 산성도가 높아지고 아연의 농도가 줄어들 때 열린다.

남성 생식기는 산성도가 낮고 아연의 농도가 높다. 반면 여성의 생식기는 산성도가 높고 아연 농도가 낮다. Hv1 분자는 남성과 여성의 이런 차이를 인지하는 것이다.Hv1의 문을 여는 또 다른 열쇠는 아난다마이드(anandamide)라는 물질이었다. 아난다마이드는 여성의 생식기에 분포해 있고 특히 난자 주변에서 농도가 높다. 난자에 가까워질수록 정자가 마지막 힘을 내는 이유도 이 물질 때문이다.

아난다마이드와 Hv1 분자의 관계는 대마초를 피는 남성이 불임이 되는 이유를 설명해주기도 한다. 아난다마이드는 대마초에 들어 있는 각성제 성분인 카나비노이드(cannabinoid)라는 물질과 닮았기 때문이다. 그렇다면 대마초가 오히려 정자의 운동능력을 키울 수 있지 않을까. 키리초크 박사는 오히려 대마초 흡연자는 불임이 될 확률이 매우 높다고 설명한다. 대마초를 피면 남성생식기 내에서 이미 정자가 활성화되면서 몇 시간 내에 힘을 다 써버린다는 뜻이다. 연구팀은 이번 연구가 남성의 생식에 새로운 세계를 열어줄 것으로 보고 있다. 새로운 남성 피임법을 개발하거나 반대로 불임의 원인이 되는 운동성이 약한 정자를 활발하게 움직이게 할 방법을 찾을 수 있을 것으로 기대하고 있다.