최근 들어 개구리 디자이너의 안색과 기분이 유독 좋아 보여요. 개구리 디자이너에게 무슨 일이 일어난 걸까요?

[통합과학 개념 이해하기]

다양한 방식의 겨울잠

먹이가 부족하고 추운 겨울은 야생 동물이 생존하기 어려운 시기입니다. 그래서 많은 동물은 가을에 먹이를 저장하거나 따뜻한 지역으로 이동하지만, 그중 일부는 먹지도, 활동하지도 않고 잠을 자며 겨울을 버팁니다. 이를 ‘겨울잠’이라고 해요.

겨울잠을 자는 방법은 동물의 종에 따라 다릅니다. 동물은 크게 변온동물과 항온동물로 나뉘어요. 변온동물은 양서류, 파충류 등 스스로 체온을 조절할 수 없는 동물들입니다. 주변 기온이 낮아지면, 변온동물의 몸속 수분도 서서히 얼어붙습니다. 단, 몸 전체가 어는 건 아니에요. 개구리의 경우 혈관과 일부 장기, 몸속 수분의 약 65%가 얼어요. 이때 혈관 속 피는 얼지 않도록 간에 있던 녹말을 포도당으로 바꾸어 피 속 당을 평소의 100배 이상 높여요. 당 분자가 물 분자 간의 결합을 방해하면서 얼기 시작하는 온도, 어는점이 훨씬 낮아지죠.

당 농도가 짙은 피는 혈관을 따라 흐르진 않지만, 세포 속에 머물면서 필요한 산소를 제공하고, 세포 자체가 얼거나 터지는 일이 없도록 막아줘요. 이러는 동안 개구리는 심장 박동과 호흡이 거의 멈춘 ‘가사 상태’가 됩니다. 살아 있지만 죽은 것처럼 보이는 상태예요. 봄이 되어 기온이 오르면 피부의 얼음이 녹아 생긴 물이 혈관으로 들어가며 피의 농도가 옅어져요. 이후 온몸에 다시 피가 돌며 개구리는 깨어나요.

스스로 체온을 조절할 수 있는 항온동물은 겨울 동안 말 그대로 깊은 잠에 듭니다. 약 3~4개월 동안 땅굴이나 나무 속에서 잠을 자고, 틈틈이 깨어 먹이를 먹거나 배변 활동을 해요. 변온동물처럼 체온을 떨어트리고 심장 박동, 호흡을 조절하는 동물도 있고, 평소와 같은 상태로 긴 시간 푹 잠드는 동물도 있어요. 곰의 경우, 겨울잠에 들기 전 지방을 가득 쌓고 자는 동안 이 지방들을 에너지로 바꿔요. 잠든 상태에서도 평소처럼 큰 소리 등 외부의 자극에 반응하고, 두뇌활동도 유지된답니다.

개구리의 겨울잠

1. 주변 기온이 영하로 떨어지면, 개구리의 피부 아래에서 얼음 결정이 생긴다.

2. 간에 있던 녹말이 포도당으로 바뀌어 주요 장기, 근육의 세포로 이동한다. 포도당 농도가 높아진 혈액은 영하에도 얼지 않는다.

3. 개구리 몸속 물의 65%가 얼어붙는다. 혈관이나 심장 등 장기도 얼어붙고 기능을 멈추지만, 피와 세포는 얼지 않아 생명이 유지된다.

곰의 겨울잠

1. 가을이 되면 평소보다 훨씬 많은 양의 먹이를 먹어 지방과 영양분을 쌓는다.

2. 겨우내 잠을 자며 활동하는 데 드는 에너지를 최소화한다. 체온은 변하지 않는다. 가끔 잠깐씩 깨어 활동하기도 한다.

[통합과학 넓히기]

우주인도 겨울잠을 잔다? NASA의 겨울잠 실험

겨울잠을 자는 포유류는 곰을 제외하면 대부분 다람쥐처럼 몸 크기가 아주 작습니다. 몸이 작으면 몸 전체보다 피부가 차지하는 비율이 높아서, 체온을 유지하는 데 에너지가 훨씬 많이 들어요. 비교적 몸집이 큰 인간은 굳이 겨울잠을 자지 않죠. 그런데 미국의 한 연구팀은 인간이 겨울잠에 드는 방법을 연구하고 있어요. 화성처럼 멀리 있는 행성을 인간이 직접 탐사하려면, 겨울잠 기술이 꼭 필요하기 때문이에요.

2025년 4월, 미국 피츠버그대학교 연구팀은 포유류가 겨울잠을 잘 때와 비슷한 수준으로 인간의 대사율을 낮춘 실험 결과를 국제 학술지 ‘플로스원’에 발표했어요. 대사율은 동물이 생존하는 데 필요한 최소한의 에너지양이에요. 연구팀은 건강한 성인 11명에게 마취제의 일종인 덱스메데토미딘을 먹인 후 눈을 감고 편하게 쉬도록 했어요. 그다음 참가자를 두 그룹으로 나누어 한쪽은 평소와 같이, 다른 한쪽은 피부에 차가운 패드를 붙이고 있도록 하고, 체온과 산소 등 에너지 소비가 어떻게 변하는지 관찰했죠.

실험 결과, 두 그룹 모두 실험 후 6시간이 지나자, 대사율이 실험 전보다 약 20% 감소한 것으로 나타났어요. 또 패드를 붙인 참가자들의 평균 체온은 실험 전 36.9°C였으나, 마취제를 먹은 후 6시간이 지나자 35.4°C까지 떨어졌어요. 인간이 스스로 체온을 떨어트리고 겨울잠에 빠질 수는 없지만, 적절한 환경이 갖추어지면 다람쥐나 너구리처럼 체온을 낮추고 심장 박동과 호흡을 조절하며 에너지를 아낄 수 있다는 사실을 확인한 거예요. 연구팀은 또 2025년 8월, 건강한 성인 5명을 9개월간 하루에 20시간씩 재우는 실험 결과를 공개했어요.

잠들기 전 몸의 떨림 반응을 막아주는 진정제를 먹은 참가자들은 체온과 심박수, 혈압이 평소보다 낮아져서 대사율이 20%씩 감소하는 것으로 나타났어요. 이런 상태에서도 잠시 일어나 화장실에 가거나 약간의 식사를 할 수 있었죠. 이러한 활동을 통해 지방과 근육이 줄어드는 일을 막을 수 있어요.

이 연구는 미국항공우주국(NASA)이 2024년부터 지원하는 ‘우주인 겨울잠 프로젝트’의 한 실험이에요. NASA는 2030년 이후 화성에 우주인을 보낼 계획이지만, 지금의 기술로 지구에서 화성까지 가는 데는 약 21개월이 걸려요. 우주선 안에서 겨울잠을 잘 수 있다면, 우주인들의 지루함도 덜고 우주선에 실을 식량 등도 아낄 수 있을 것으로 기대돼요.

▲Tim Betler, UPMC

20시간 수면 실험에 참여한 참가자가 몸 상태를 검사하는 모습.

▲AI 생성 이미지(미드저니)/div>