생존 경쟁의 최전선, 이빨 5억 년의 진화사
이빨과 먹이는 어떻게 연관되는가?
인간은 왜 이갈이를 한 번만 할까?
이빨의 맞물림과 씹기 능력은 중요한 에너지원이다
새 이빨은 새로운 가능성을 낳는다
이빨의 구조와 기능, 인간 치아의 질환 등 이빨의 모든 것!
이빨은 5억 년에 걸쳐 진화해왔다. 지구상의 다양한 생물의 진화를 추동한 것은 이빨의 진화와 그로 인한 섭식 효율의 증가였다. 저자는 최초의 이빨 가진 어류에서 인간에 이르기까지 이빨의 역사를 풀어내며 이빨의 구조와 기능을 탐구하고 이를 통해 진화와 과거의 식생을 들여다본다. 우리는 왜 이빨에 끌리는가? 이빨에는 우리의 본능을 자극하는 게 있다. 우리의 옛 조상들이 이빨로부터 달아나려고 기를 썼기 때문인지도 모르고, 어쩌면 이빨이 우리를 규정하기 때문일 수도 있다. 평생을 이빨 연구에 매진해온 저자의 주된 관심사는 자연이 어떻게 일하는지, 생명이 어떻게 오늘날의 모습이 되었는지, 인류가 어떻게 적응했는지 등인데, 이빨은 이런 궁금증을 해소하는 데 더없이 적절한 도구다. 이빨의 크기와 모양, 구조, 마모, 화학 조성에 대한 이 책의 서술은 이빨이 어떻게 작용하고 오늘날 동물이 어떻게 이빨을 이용하며 과거에 어떻게 이용했는지에 대한 새로운 통찰을 선사한다. 이빨 진화의 역사를 총괄하는 이 책은 이빨의 해부학적 구조와 기능에서 포유류의 이빨, 인간 치아에 이르기까지 이빨의 모든 것을 흥미롭게 설명한다.
상어는 이갈이를 수백 번 할 수 있다
대부분의 척추동물은 이빨이 빠지고 새로 난다. 상어는 이갈이를 수백 번 할 수 있어, 평생 수만 개의 이빨이 입을 거쳐 간다. 새로 난 이는 크기, 모양, 구조가 전과 달라질 수 있다. 포유류의 경우, 치열에 큰 틈이 생기지 않도록 이갈이는 한 개 걸러, 또는 두 개 걸러 진행되는 경향이 있다. 이처럼 이갈이가 특이한 것은 성체가 되었을 때 턱의 성장이 멈추기 때문이다. 인간은 치아가 여러 세대에 걸쳐 점차 커질 필요가 없다. 두 세대면 충분하다. 젖니는 대체로 작으며 법랑질이 얇고 희다. 큰어금니를 제외한 젖니 스무 개를 전부 가는데, 턱에 여유 공간이 생김에 따라 여남은 개가 더 난다. 마지막 큰어금니는 턱 성장이 끝나는 시기에 난다. 하지만 대다수 포유류는 이갈이 패턴이 인간과 다르다. 생쥐는 태어날 때부터 성치이며, 이빨고래는 성치가 나지 않는다. 송곳니의 경우, 고양이와 원숭이 같은 일부 종은 단검 모양으로 길며, 날카롭고 뾰족한 끝은 싸울 때나 먹잇감을 찌르고 물고 붙잡을 때 쓴다. 바다코끼리, 하마, 멧돼지 등은 송곳니가 엄니로 변형된다.
포유류의 내온성, 그리고 다양한 이빨
포유류는 풀을 먹거나 다른 식물 부위를 뜯고, 미세 플랑크톤이나 덩치가 큰 동물까지 먹는다. 입맛이 까다로워 몇 가지 먹이에만 집중하기도 하고, 입에 넣을 수 있는 것이면 무엇이든 먹기도 한다. 이 놀라운 다양성의 비결은 무엇일까? 그 비결은 몸속에서 체온을 유지하는 능력인 내온성(內溫性)에 있다. 이것은 단순한 온혈이 아니라, 음식물에서 열을 발생시킨다는 뜻이다. 포유류는 추운 기후에서도 활동할 수 있다. 따라서 내온성은 몸의 화학 반응을 더욱 정교하게 조절할 수 있는 조건이 된다. 내온성이 없으면 포유류는 포유류일 수 없다. 하지만 몸의 난로를 계속 지피려면 에너지가 많이 필요한데, 기온이나 수온이 낮을수록 에너지가 더 많이 필요하다. 휴식을 취하는 포유류는 주위 환경에서 열을 흡수하는 비슷한 크기의 변온동물에 비해 5∼10배의 연료를 소비한다. 그런 만큼 음식물에서 최대한의 열량을 짜내야 하는데, 거기에서 이빨의 진가가 드러난다. 자연은 포유류가 내온성에 필요한 에너지를 얻을 수 있도록 이빨에 거센 압박을 가하는 것이다.
탄수화물 섭취량 증가와 충치의 만연
인간에게 충치나 치주질환이 만연한 것은 19세기 이후부터다. 치태 세균은 탄수화물을 분해하면서 부산물로 산을 배출한다. 이빨 표면의 피에이치(pH)가 낮아지면 무기질이 유실되고 최종적으로 충치가 생기거나 법랑질과 상아질이 점차 삭는다. 그런데 초기 현생 인류에게는 충치가 별로 없었다. 선사 시대에 살았던 텍사스 남부와 멕시코 북부의 수렵·채집인은 치과 질환을 지독하게 앓았는데, 이것은 탄수화물이 풍부한 야생 식이가 충치를 일으키는 치태 세균에 양분을 제공했기 때문일 것이라고 저자는 분석한다. 탄수화물은 신석기 농업 혁명과 함께 인류가 곡물을 재배하기 시작하면서 그 섭취량이 급증했고, 그에 따라 충치율도 다섯 배가량 증가했다. 19세기 이후에는 당분이 많은 식품과 정제 설탕을 쉽게 구할 수 있게 되면서 충치율이 더욱 치솟았다. 치태 세균은 당을 여느 탄수화물보다 훨씬 빨리 분해하기 때문에 산도가 높아지고 충치가 더 빨리 생긴다. 물론 유전적 성향이나 병리적 타액 등의 요인도 작용했겠지만, 신석기 혁명과 산업 혁명으로 인한 식이 변화가 충치율 증가에서 핵심적인 역할을 한 것은 분명하다.
너무 많이 씹으면 되레 소화 효율이 낮아진다
입을 다물었을 때 입술 위로 튀어나오는 엄니는 앞니나 송곳니가 커진 것으로, 과시나 싸움에 주로 쓰이지만 다른 역할을 할 수도 있다. 코끼리는 엄니로 땅을 파거나 나무에 표시를 하며, 일각돌고래는 엄니를 감각기관으로 이용하여 물의 온도, 압력, 화학 조성을 감지한다. 그런데 음식물의 처리는 무엇보다 씹기를 뜻한다. 이빨은 식물의 세포벽과 곤충의 외골격 같은 보호용 덮개를 찢어 영양소를 흡수한다. 음식물을 작은 조각으로 자르면 삼키는 덩어리의 크기가 작아지면서 동시에 소화효소가 작용할 표면적이 커진다. 표면적이 커지면 효소의 작용이 늘어나 음식물을 더 완벽하게 소화할 수 있다. 하지만 씹기에는 에너지와 시간이 들기 때문에 비용과 편익을 견주어야 한다. 씹는 시간이 늘수록 섭취에 드는 시간과 섭식량이 줄기 때문이다. 한 연구에서는 씹는 횟수를 15회에서 40회로 늘렸더니 섭취 열량이 12퍼센트 감소한 것으로 나타났다. 조각이 너무 작으면 장을 너무 빨리 통과하여 세균이 음식물 분해를 도울 시간이 없는 것이다.
♣ 책 속으로
생물이 성장하고 생존하고 번식하려면 주위 생물을 잡아먹어 연료와 원료로 삼아야 한다. 이빨이 중요한 이유는 먹는 자와 먹히는 자 사이에서 둘을 중개하기 때문이다. 이빨은 다윈이 말한 자연의 ‘생존 경쟁’에서 최전선에 서 있다. (10쪽)
이빨을 구성하는 조직의 기본적 유형은 척추동물마다 다르지만, 대부분의 포유류는 법랑질, 상아질, 백악질, 치수(齒髓)를 가지고 있다. 이빨의 주된 조직과 기본 골격은 상아질이고 치관은 법랑질 모자를 썼으며 치근은 얇은 백악질 층으로 덮여 있다. 상아질 안쪽은 비어 있어서 치관 내강(內腔)과 치근관(齒根管)을 연결하며 그 안에 치수, 신경, 혈관이 들어 있다. (31쪽)
고양이는 꿈틀거리는 먹잇감을 오랫동안 깊숙이 물어서 죽여야 하기에 송곳니가 더 크고 단단하지만 개는 먹잇감을 얕게 베어 상처를 입히고 그 밖의 먹이를 모으기 위해 앞니가 상대적으로 크다. (57쪽)
오리주둥이 공룡과 근연종은 더 기발하고 정교한 저작 체계를 발전시켰다. 대부분의 현생 파충류와 마찬가지로 경첩처럼 생긴 단순한 턱은 위아래로 여닫는 것이 고작이었다. 하지만 포유류처럼 마주보는 교합 면 사이에서 수직 운동과 좌우 운동을 할 수 있었다. 어떻게 그럴 수 있었을까? (101쪽)
신석기 혁명(농업의 발명과 확산)이 일어나고 인류가 곡물을 재배하기 시작하면서 탄수화물 섭취량이 급증했다. 이와 더불어 충치율도 다섯 배가량 증가했다. 19세기와 20세기에는 당분이 많은 식품과 정제 설탕을 쉽게 구할 수 있게 되면서 충치율이 더욱 치솟았다. 치태 세균은 당을 여느 탄수화물보다 훨씬 빨리 분해한다. 따라서 산도가 높아지고 충치가 더 빨리 생긴다. (181쪽)
이빨이 내게 중요한 이유는 진화를 입증하기 때문이다. (…) 이빨 덕에 수많은 동물이 생존 투쟁에서 우위를 차지했다. 생존과 번식을 위한 에너지의 수요는 강력한 유인(誘因)이다. 피식자 동식물이 제 몸을 보호하려고 질기거나 딱딱한 조직을 발달시키면 포식자는 먹잇감의 방어에 맞서 이빨을 날카롭거나 튼튼하게 진화시켜야 한다. (188∼189쪽)
