후각 구조에 3가지 가설들

그러면 생물공학자나 기술자들이 전기회로나 금속을 사용하여 이간이나 동물의 후각 기관을 정확하게 재현할 수 없다는 것은 무슨 이유 때문일까? 거기에는 많은 장해가 있다. 일 예로 곤충의 후각 수용기를 들어 보자. 냄새나 맛을 감지하는 곤충의 화학적 감각기관은 입 주위에 있는 촉각과 길이 1천 분의 몇 밀리미터 또는 1백 분의 몇 밀리미터의 털이 촘촘히 나 있는 촉수이다. 니쿠 피티의 일종의 촉각에는 3,500개, 쇠파리에게는 6,000개 이상, 또 꿀벌 중 일벌에게는 약 12,000개의 화학적 수용기가 있다. 냄새에 대한 정보를 받아들여 처리하기 위한 수용 세포와 신경망이 분포해 있는 촉각의 크기를 생각한다면 곤충의 후각 기관의 구조를 연구하여, 그것을 모방해서 인공적인 장치를 만들려고 시도하는 생물공학자의 노고가 얼마나 큰가 쉽게 짐작할 수 있을 것이다.

가장 큰 장해가 되는 것은 냄새에 관한 물리학과 화학적인 지식이 오늘날까지도 여전히 불명료한 점이 많이 남아 있다는 사실이다. 아무리 역설적으로 들린 하더라도 냄새에 관한 본성은 지금 가지 참된 의미에서는 연구되지 않았다고 할 수 있다. 동일한 물질의 냄새라 하더라도 사람에 따라서 받아들이는 방향이 다르다. 어떤 물질은 강한 냄새를 갖지만 어떤 물질은 냄새가 전혀 없고, 또 상쾌한 냄새가 있는 하면 불쾌한 냄새가 있는 것은 어째서일까? 그 이유를 한 마디로 설명할 수 있는 사람은 한 사람도 없다. 이 문제에 대해서는 도 의견이 나누어진다. 우리들이 소리의 세기가 밝기나 온도를 측정할 수 있는 지금에도 냄새의 세기를 재는 척도조차 없는 것이 현 상황이다.

냄새의 발생과 후각의 구조를 설명하는 가설이 지금까지 30개 이상 제안되었지만 그것을 크게 나누면 다음의 3개로 된다.

화학적 가설은, 냄새의 질과 그 세기는 물질의 화학 조성에 좌우된다고 생각한다. 주지하다시피 각양각색의 물질의 개개 분자는 후상피라 부르는 점막표면에 잇는 신결종말에 어떤 형태로든 작용한다. 정지상태에 있을 대에는 신경섬유로 덮여 잇는 점막은 바깥 측이 정(+), 안 측이 부(-) 전하를 띠고 있다. 신경을 흥분시킨다는 것은 일시적으로 전위차를 발생시킨다는 것을 의미한다. 냄새를 내는 물질의 분자에 의해서 감극 (전해질 용액 안에서 일어나는 전해 분극을 방해하여 그 진행을 막는 일)이 발생한다. 감 극은 극히 짧은 시간에 급속히 신경섬유로 퍼져 중추신경계에 일정한 반응을 일으키게 해서 인간은 냄새를 감지할 수 있게 된다.

물리적 가설, 이른바 파동설은 냄새를 내는 물질의 능력과 물질 분자의 진동과 일정한 파장의 빛을 결부시킨 것, 즉 후각 메커니즘은 시각 메커니즘과 비슷하다고 생각하는 설이다. 즉 적외선의 양자가 후색소의 분자에 작용하여 그 구조를 변화시킨 결과 신경신호를 발생시킨다는 것이다.

제3의 물리, 화학적 가설은 로마의 시인이며 철학자인 루크레티우스에 기원을 둔다. 그는 코 부분에 형태와 크기가 다른 구멍이 있어서 그 속으로 물질이 내는 휘발성 냄새의 입자가 들어온다고 생각했다. 냄새를 지닌 각각의 물질 입자는 그에 특유한 일정한 형태와 크기가 있어서, 냄새를 감지한다는 것은 어떤 구멍에 이들 입자가 딱 들어맞는가에 따라서 결정된다 즉 구멍이 틀리면 냄새도 달라진다.

푸크레티우스의 이러한 생각은 20세가 중반가지 실험으로 검증되지 않았다. 분자의 공간적 구조를 연구하는 입체 화학(19세기 말에 성립했다)도 아직 없었고 원자의 크기나 원자 간의 거리를 측정할 수 있는 분광학적 방법(20세가 후반에 발달했다)도 전재하지 않았다. 그리고 앞에서 기술했던 몬 클리프가 1949년에 푸크레티우스의 설과 매우 비슷한 입체 화학적 가설을 주장했다.

몬 클리프는 다음과 같이 가정했다. 후각 기관에는 몇 개의 다른 형태의 수용기의 구멍이 있어서 각각의 형태의 구멍은 일정한 '1차'적인 냄새 - 시각의 3 원색, 미각의 4가지 기본적인 맛에 상당하는 원향 - 에 대응하여 냄새를 지닌 물질의 분자가 이들 수용기의 '구멍'에 딱 들어맞을 때 냄새를 감지한다. 바꾸어 말하면 냄새가 있는 물질의 분자는 후상피에 화학적 혹은 그 진동 에너지에 의해서 자극을 주는 것이 아니라 그 형태나 크기에 의해서 자극을 주는 것이다. 여기서 분자와 수용기의 구멍 사이에 기계적인 상호작용이 생긴다. 각각 배열된 분자는 플러그 다리가 콘센트에 들어가는 것과 대체로 비슷하게 수용기 구멍으로 들어가서 신경 임펄스를 만든다. 또 일부 분자는 두 개의 다른 콘센트로 들어간다. 즉 한쪽은 좀 더 폭이 넓은 수용기로 또 한족은 폭이 좁은 수용기로 들어가게 되는데 이 경우에는 복잡한 냄새를 감지한다.

1952년에 이 가설은 미국의 유기화학자인 J. E. 암웨어에 의해서 실험적으로 입증되었다. 600개에 달하는 유기 화합물의 냄새를 연구했던 그는 100개 이상의 유기 화합물이 장뇌(camphor, 진장, 유장, 방장 등 장목의 등치·뿌리·가지를 증류하면 장뇌유와 같이 무색 투명한 고체 또는 반투명의 광택이 있는 결정. 독특한 향기가 있음. 물에 녹지 않으나 주정, 에테르 등에는 녹으면 상온에서 승화하기 쉬움. 셀룰로이드, 무연 화약, 필름, 강심제 등의 제조 및 방충제, 방취제의 제조에 쓰임. C10 H16 O)의 냄새를 갖는다는 사실을 밝혔다. 그 외에 에테르 냄새, 사향 냄새, 꽃 냄새, 박하 냄새, 톡 쏘는 냄새, 썩는 냄새를 불리했다. 이들 7개의 냄새를 여러 가지 비율과 조합으로 혼합시킨 결과 암웨어 교수는 지금까지 알려진 냄새를 모두 재현해 낼 수 있었다. 그리고 물질의 냄새가 그 화학적 성질보다는 오히려 분자의 크기와 배열, 때로는 그 전하에 의해서 결정된다는 사실을 밝혔다. 즉 사향 냄새를 내는 분자는 원반 형태인데 장뇌 냄새를 내는 분자는 공같이 둥근 모양이다.

또 다음과 같은 실험이 실시되었다. 암웨어 교수는 지금까지 알려지지 않았던 물질의 분자를 설계하여 그 물질에서 나는 냄새를 예언했다. 화학자들은 교수의 희망대로 그러한 분자를 갖는 물질을 합성했다. 그것을 숙련된 향수 감정사가 조사했더니 그 냄새는 암웨어 교수가 예언한 대로였다. 그 후의 연구결과 냄새는 분자의 형태나 크기뿐만 아니라 후상피의 '수용부분'과 분자의 접촉을 촉진하는 특별한 기능을 지닌 원자단이 분자 내에 존재하는 것에 의해서도 좌우된다는 사실을 알았다. 이상과 같이 인간의 후각 기관은 분명히 '열쇠와 열쇠 구멍'의 원리로 작동되고 있다.

이상 열거한 3개의 가설은 언뜻 보기에는 수미일관한 것처럼 보이지만 어떤 것도 중대한 결함을 갖고 있다. 예를 들면 화학적 가설(미립자설)은 화학적으로 매우 비슷한 물질의 냄새가 어떻게 해서 다른 가를 설명하지 못한다. 화학 조성과 냄새를 내는 성질 사이에는 직접적인 관계가 없다고 보는 과학자의 의견이 옳을지도 모른다. 파동설도 아직 해결이 안 된 부분이 많이 있다. 예를 들면 진동수가 다른 빛을 흡수하는 물질이 어째서 똑같은 냄새를 내는가. 또는 역 흡수 스펙트럼이 완전히 똑같은데도 냄새가 다른 물질이 잇는 것은 어째서일까 하는 것을 알지 못한다. 현재 물리학자들은 어떤 파장의 빛도 만들 수가 있지만 '냄새를 일으키게 하는' 전자파를 발견하려는 시도는 모두 실패로 끝났다.

후각에 관한 현존하는 가설 중에서도 가장 확실하다고 보여지는 제3의 입체 화학적 가설에도 약점이 있다. 후각 기관의 정보 처리량이 크다는 것과 식별할 수 있는 냄새의 수가 매우 많다는 것이 겨우 7개의 기본적인 냄새로는 설명할 수 없다. 도 후구 내의 승모 세포의 수와 수용기의 구멍 형태의 수와 보통 식별이 가능한 냄새의 수가 크게 차이가 나는 이유도 설명할 수 없다.