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후각과 향기물질

후각의 역할 : 후각의 인식기작
- 식물이 수 많은 향기 물질을 만드는 이유
- 식물도 곤충의 냄새를 맡는다?
- 후각은 가장 원시적(원초적) 감각으로 유전자의 많은 부분을 차지한다
- 후각은 시각정보에 의존하면서 퇴화중이다
- 감정과 기억력에 관여하고 중요도까지 적어진 것은 아니다

향기물질은 누가 만드는 것일까 ?

지구상에는 약 1,200만~3000만종 종의 화학물질이 존재한다. 세계 최대의 화학물질 데이터베이스인 Toxline에는 1,100,000종이 실려 있다고 한다. 이중 95%가 탄소화합물이다. 인간은 매년 2,000여종을 새로 합성한다고 한다. 매년 2000종 * 100년 = 20만종. 인간이 합성한 물질이 20만종이 안되면 나머지 화합물은 누가 만든 것일까. 대부분 식물이 합성한 탄소화합물이다. 인간은 매년 새롭게 합성을 하기도 하지만 그만큼 안 쓰게 되는 화학물이 증가한다. 따라서 식물이 가장 위대한 화학자(화학공장)인 셈이다.  향이 있는 물질은 반드시 휘발성이 있고 약간의 친수성과 상당한 친유성이 있어야 한다. 따라서 향료물질은 대부분 분자량이 300이하(보통 200)이하의 탄소수 16개 이하(4~16개)다. 그 중에서 8~10개의 범위가 가장 우아한 방향을 가지고 탄소수가 적으면 짧고 강하고 길어지면 미묘하고 오래가는 향취가 된다. 따라서 전체 유기물 중 향기물질은 40~50 만종 정도로 추정한다. 이중 산업적으로 사용하는 것은 식품이 2500종 이하 향장품등 전체를 합해도 5000종 이하다. 이 작업에 식물의 많은 유전자가 개입하여 이루어진 고도의 복잡한 기술이다. 그래서인지 유전자 수가 인간보다 많은 식물이 더 많다. 식물의 2차 대사산물 중에서 Terpenoid 특히 Monoterpene은 식물의 휘발성 냄새의 대부분을 구성한다. 이들 혼합물들은 저장주머니를 가진 특화된 세포에서 생산되고 적절한 시간에 공기로 방출된다.

식물은 왜 이렇게 많은 종류의 화학물질을 합성하는 것일까 ?

A. 균류, 곤충, 동물을 불러 모은다
콩과 식물들의 뿌리는 플라보노이드(Flavonoid)를 분비한다. 이 물질은 nodD라고 하는 세균 혹(nodule) 유전자에 결합하여 이 유전자를 활성화시킨다. 이 유전자의 산물은 뿌리혹의 생장과 기능을 조절하는 유전자를 작동시킨다. 질소고정 세균은 이러한 뿌리혹 속에 살면서 콩과식물과 서로 유익한 관계를 유지한다. 식물의 80%이상이 이 공생시스템에 의하여 성장에 가장 결정적 요소인 단백질(질소원,NO3) 자원을 확보한다. 화분 매개 생물을 불러 온다. 곤충, 병원균, 꽃가루 매개자들(pollinators)에게 똑같이 유혹의 신호를 보낸다. 밤에 꽃이 피는 식물들이 최상의 꽃가루 매개자 곤충들을 유혹하기 위해서는,  꽃의 색이나 모양보다 휘발성 물질들이 더 좋은 신호일지 모른다. 침엽수를 밀어내고 세상을 온통 꽃이 피는 식물이 지배하는 것에는 이 공생시스템이 결정적인 힘이었다. 심지어 담배식물은 벌을 유혹할 때 벤질아세톤이라는 향기 물질을 유혹한 후 잠시 후 니코틴 성분 쓴맛을 만들어 섞어 쫓아내어 보다 많은 벌이 다녀가도록 제어한다.  적의 적은 친구라는 경우는 식물에도 적용되어, 곤충에 의해 공격당하고 있는 식물은 자신을 갉아먹고 있는 곤충의 천적을 불러들이는 물질을 보내는 식물도 있다.

B. 방어기작
나무들은 스트레스를 받을 때, 생태학적 네트워크에 대해 증기 형태로 아스피린(살리실산)을 방출한다. 이것은 식물고유 방어체계의 신호물질로 여러 가지 식물의 조직에서 동물이 싫어하는 물질과 소화되지 않은 물질을 연쇄적으로 만드는 과정을 촉발한다. 그리고 이 물질은  인근 식물들에 의해 읽혀지고, 재해석되어, 그들 자신의 방어를 조절할 수 있도록 도와준다. 식물은 이동하지 못한다. 초식곤충과 초식동물에 유일한 방어체계가 여러 가지 화학물질을 만드는 방법뿐이다. 고분자는 형태를 만들고 저분자는 방해물질이 된다

C 공격수단이기도 하다
초식동물등도 적이지만 식물 간에도 치열하게 경쟁한다. Phytoncide가 대표적인 경우로 식물이 주위 식물의 성장을 방해 한다

산다는 것은 느낀다는 것이다

박테리아는 크기가 몇 마이크로미터에 지나지 않는 단세포 생물이다. 박테리아의 대표 격인 대장균도 냄새를 느낀다. 사실 대장균에게 진짜 코가 달려 있는 것은 아니다. 인간이 공기 중의 화학물질을 코로 감지하는 것이 비유해서 대장균의 화학물질 센서를 코라고 부르는 것뿐이다. 대장균의 코, 즉 단백질 센서는 산소, 아미노산, 펩타이드, 당의 냄새를 구분한다. 센서는 막대 모양의 대장균 끝에 있으며, 이 센서에 화학물질이 결합하면 단백질의 세포막 안쪽에서 화학적인 변화가 일어난다. 대장균은 그중에서 자신에게 가장 중요한 영양분인 아스파라긴산을 감지하고 그 방향으로 움직이도록 편모 근육을 조절한다. 짚신벌레가 식염수와 아세트산 용액 속에 든 분자들을 인식할 수 있는 능력이 있다.  미생물의 화학물질에 대한 이런 반응을 주화성(chemotaxis)라고 하는데, 세포 하나에 불과한 단세포 생물조차도 냄새를 맡을 수 있기에-화학물질을 구별할 수 있어- 후각은 가장 원시적인 감각이라는 별칭을 얻게 된 것이다. 후각은 여느 감각보다 수 억년 앞서 35억년 전에 나타난 것으로 짐작된다.

대부분의 동물에게 후각은 생존에 필수적인 본능으로 진화되었다. 가장 예민한 후각을 가진 동물은 개나 다람쥐처럼 냄새분자가 가라앉은 땅에 코를 바짝 댄 채 기어 다니는 짐승이다. 지구상의 모든 포유류의 공통점은 ‘후각’의 발달이다. 하지만, 인간은 직립보행을 하면서 ‘후각’은 퇴화하고 시각이 발달했다. 포유류는 양쪽 눈을 통해 먹이와의 거리를 정확히 판단할 수 있으며, 먼 거리를 봐야하는 조류가 발달했다.  남자는 사냥에 수단으로 시각적 정보를 중시하였고, 여자는 상대적으로 후각이 예민하다

향의 인지 기관(Brain) 및 인식기작

후각에는 1000 ~ 1400개의 유전자가 관여한다(2004 Nobel Prize : Richard Axel & Linda Buck findings on chemoreceptors). 인간 25,000 게놈 중에서 가장 큰 유전자 군이다. 척추동물의 시각유전자 4종 (야행성 2종, 인간은 3종)에 비해서는 압도적인 규모다. 실제 50종류 이상의 취맹이 확인된 것으로 보아 각각 다른 유전자가 개입되어 향을 구별함은 확실하다. 그런데 후각 유전자의 상당량이 퇴화되어 375종만 작동하는 것으로 되어 있고, 이 375가지의 조합으로 10,000가지의 냄새를 구분 가능하다고 한다. 10만 가지라는 주장도 있다. 하지만 누구도 그렇게 많은 종류를 정확하게 표현하지 못한다. 매우 숙련된 조향사가 다루는 향의 종류가 3000종 수준이다.

인간의 후각은 퇴화 중이다 : 실제로 기능하는 것은 3백75가지
    색각이 불안전한 쥐, 여우원숭이, 신대륙원숭이는 18% 화석화
    콜롬부스원숭이, 구대륙원숭이 : 29% 화석화
    인간이외의 유인원(우랑우탕, 침팬지, 고릴라) 33% 화석화
    인간 60% 이상 화석화

지구상의 모든 포유류의 공통점은 ‘후각’의 발달이다. 하지만, 인간은 직립보행을 하면서 ‘후각’은 퇴화하고 시각이 발달했다. 동물들의 의사소통에는 대충 네 가지 종류가 있다. 촉각·후각·시각·청각에 의한 소통이 그들이다. 우리 인간은 이 중에서 특별히 시각과 청각에 의존하는 동물이지만, 이 세상 절대다수의 동물들은 주로 후각을 이용하여 의사소통을 한다. 인간도 제한적이나마 후각을 사용한다. 남성에 비하면 여성들이 훨씬 더 후각에 의존하는 편이다.

다른 동물이 냄새에 민감한 것은 개수의 차이와 페르몬 기관의 유지 때문이다

   사람은 500만개의 후각세포를 가진 반면 토끼는 1억개, 개는 인간의 44배로 2억2000만개에 달한다 개는 인간보다 ‘티올’이라는 화학물질의 냄새를 맡는 능력이 2000배,  ‘낙산’이라는 물질의 냄새를 맡는 능력은 1000만 배 이상 발달해 있다. 동물들마다 후각 기능이 다른 이유는 생존 전략으로서의 후각 기능의 중요성이 다르기 때문이다. 새는 지표에서 높은 곳에서 날기 때문에 그들의 생존에 냄새 맡기가 별로 중요치 않다. 따라서 그들은 후각기관을 퇴화시키고 대신 시각기관을 발달시켰다. 가장 예민한 후각은 역시 네 발 달린 짐승들이 갖고 있다. 뱀과 곤충과 코끼리도 후각이 발달한 축에 속한다. 수컷 나비는 몇 km 떨어진 곳에 있는 암컷 나비의 냄새를 맡고, 돼지는 15cm 땅 속에 있는 송로버섯 냄새를 맡는다.

시각 정보에 비하여 느림보 감각이다

   후각 정보는 후각신경을 통해 뇌로 들어가 측두엽의 안쪽에 위치한 후각 중추에 도달한다. 우리 뇌의 후각 중추는 후각 기능이 시원찮은 동물답게 아주 작다. 뇌 전체의 불과 0.1%밖에 안 된다.(나비는 절반이 후각계) 후각 중추는 감정의 뇌인 변연계의 일부이다. 감정이 논리에 비해 정밀하지 못한 것처럼, 감정과 밀접한 관련이 있는 후각 역시 시각이나 청각에 비해 정밀하지 못하다. 또 후각은 왼쪽 뇌의 언어중추와는 별로 연관이 없으므로 언어로 묘사하기 힘들다. 우리는 피부에 가해지는 감각에 대해 따끔따끔하다, 간지럽다, 부드럽다 등으로 묘사한다. 시각적 자극에 대해서는 푸르둥둥하다, 발갛다, 누리끼리하다고 한다. 하지만 냄새는 그럴 수 없다. 물론 김치찌개 냄새, 돼지 삼겹살 냄새 같은 표현은 사용되지만 이런 냄새를 단어를 사용해서 분석해 묘사하기는 어렵다. 미국의 케인이란 학자는 피검자의 눈을 가린 채로 어떤 냄새를 맡게 한 뒤 시간이 지나 다시 냄새를 맡게 하면서 같은 냄새가 나면 알려 달라고 했다. 그 결과 동일한 냄새를 가장 잘 인지하는 시간은 대략 12초가 지나서였다. 그런데 20%의 사람은 주지도 않은 냄새를 맡았다고 했다. 이처럼 후각은 뭔가 좀 모자란, 느림보 감각이다

중요도까지 적어진 것은 아니다. 차단할 수 없는 유일한 감각

후각과 두뇌의 해부학적 구조로 인하여 강한 감정을 일으키는 냄새에 대한 기억은 오래도록 머리에 남게 된다. 그에 비해 뇌의 언어중추는 후각중추보다 훨씬 늦게 개발된 영역이다. 언어로 묘사되는 기억은 훨씬 시각적이고 이성적이지만, 냄새가 갖는 감성의 풍부함을 따를 수는 없다.  언어로 된 기억은 기록의 힘을 빌리지 않고는 오래 남겨 두기 어렵지만 냄새로 이루어진 기억은 작은 단서만 있으면 언제 어디서든 회상될 수 있다. 냄새는 기억중추를 자극하여 우리를 시공을 초월하여 더 아득한 과거 속으로 데려가곤 한다. 냄새는 오랜 세월 동안 덤불 속에 감춰져 있던 지뢰처럼 기억 속에서 슬며시 폭발한다(Proust현상, 섬광메모리). 냄새의 뇌관을 건드리면 모든 추억이 한꺼번에 터져 나온다.이것이 냄새가 뇌 속에서 다양한 신경망들을 폭발시키는 것을 설명한 것이다. 낙엽 태우는 냄새는 군고구마를 먹었다는 단순한 사실만 떠올리지 않는다. 오히려 어머니의 사랑을 받던 따스한 감정이 더 생생하다. 냄새와 기억의 관계에서 냄새의 효과는 순간적으로 나타나기 때문에 생각할 시간을 갖기도 전에 이미 감정을 자극한다. 이 때문에 우리는 특정한 냄새를 인지했을 때, 그 실체나 이유를 이해하기도 전에 알 수 없는 감정에 곧장 휘말리기도 하는 것이다. 후각은 감정이 중요한 역할을 하며 무언가 나쁜 일이 생길 때 후각이 예민해질 수 있다. 이것은 뇌의 진화의 관점에서 명확한 것이다. 뇌는 후각세포가 진화한 것 이다. 시각과 언어등 인간의 특성을 좌우하는 부신피질은 후각세포가 부풀어 나중에 진화한 것이다

따라서 시각정보는 인간의 감정에 직접 연결되지 않지만 후각은 후각, 학습, 기억, 감정에 직접 연결되어 있다. 해마과 편도체등은 인간의 가장 기본적인 생명현상과 관여 된다. 해마가 손상이 되면 장기기억을 하지 못하고 편도체가 손상되면 갈망하는 욕구도 사라진다.

취맹의 상실감.  만약 우리가 후각과 미각을 잃게 되어 음식의 맛을 모르고 식욕을 잃어 잘 먹지도 못하게 되면 인생에서 큰 활력을 잃게 되며 실제로 많은 노인들이 이러한 문제를 가지고 살아가고 있다. 치매의 초기증상이 후각의 상실이다. 후각과 미각의 소실은 단순히 삶의 활력 문제일 뿐만 아니라 화재나 독성 가스, 상한 음식 등에 대한 주의를 하지 못하게 함으로써 건강과 생명에도 중대한 위협이 될 수 있다. 미국의 경우는 매년 20만명 이상의 환자들이 이와 같은 문제로 의사들을 찾아오고 있으며 실제로는 이보다 훨씬 많은 사람들이 후각과 미각 이상으로 고통을 받고 있다고 한다. 또한 중요한 것이 상실감이라고 한다. 익숙한 냄새, 악취마저 익숙하면 편안한데 이런 냄새가 사라지면 연결되지 않고 고립된 상실감이 커진다고 한다.

인간은 페로몬으로부터 자유로워진 것일까 ?

   향료 1방울을 30mX30mX10m 체육관에 떨어뜨렸다면. 1cm당 존재하는 분자 수는 얼마나 될까 ?
향료 평균 분자량 150정도다. 150g = 6.02 x 1023   1방울(0.3g)은 1.2 x 1021
체육관 = 30,000 X 30,000 X 10,000 = 9 x 1012 Cm3. 그러므로 체육관 1Cm3 당 = 1.300,000,000 개 향료 분자 존재한다. 향료 1방울이 적은 분자 수는 아니다. 이것이 페르몬이 가능한 이유이다. 페르몬은 특정 물질을 특정 동물이 맡을 수 있도록 진화된 것이다. 향료 1방울을 1/1억으로 희석해도 체육관 넓이에 13개의 분자가 존재하게 된다. 이 물질만 감지하는 전용 수용체만 있다면 일반 동물이 전혀 감지하지 못할 농도도 충분히 감지 가능해진다.

이렇게 적은 양의 물질에 인간도 반응 할까 ?

페로몬을 감지하는 기관이라고 알려진 보습코기관이 성인에게서는 흔적만 남아 있다. 보습코기관은 대다수 양서류, 파충류, 포유류의 후각계에 딸린 감각기관의 일종이다. 사람의 보습코기관은 태아 때는 있으나 태어난 뒤 퇴화한다. 보습코기관이 페로몬을 검출하는 기관이라면, 그것이 퇴화했으니 인간은 페로몬을 감지하지 못하는 것이 아닐까? 그것은 월경주기 동조현상에서 처럼 인간 사이에 화학적 의사 전달이 이뤄진다는 증거와 모순되는 듯하다. 2001년 미국 록펠러 대학 피터 몸베르츠 교수팀은 페로몬 수용체의 유전자를 찾아내 이 유전자가 실제 사람의 후각 점막에서 발현된다는 사실이 밝혀냈다.  

1899년 이래 지금까지 실험한 수많은 냄새분자의 결과는 여성이 평균 2~3배 민감한 걸로 나타났다. 그런데 부르지오날에는 남성이 더 민감하다. 정자가 부르지오날을 감지해 농도가 높은 쪽으로 이동한다는 독일 루르 대학 마르크 스퍼 교수팀의 2003년 연구결과를 보고 혹시 남성이 이 냄새에 더 민감하지 않을까 해서 실험을 해본 결과 남자가 부르지오날 향기만큼은 여자보다 2배 이상 민감하다는 것을 밝혔다.  테스토스테론(남성호르몬) 냄새를 맡은 뒤 여성과 동성애 남성은 뇌 부분이 강한 반응을 보였으나 이성애 남성은 아무 변화가 없었다. 에스트로겐(여성호르몬) 냄새를 맡게 했을 때  남성은 생식을 관장하는 뇌 부위에서 강력한 활성을 보였고 여자나 동성애 남자는 그렇지 않았다.

아무리 담대하고 냉철한 남자라도 흔들릴 수밖에 없는 것이 딱 한 가지 있다면 바로 여자의 눈물일 것이다. 오죽하면 여자에게 눈물은 ‘최고의 무기’라는 말도 있을까. 그런데 최근 남자가 여자의 눈물에 약한 이유가 눈물의 화학작용(냄새) 때문이라는 연구결과도 있다.  
아주 미세한 꽃 향기가 있는 방에서 쓴 글에는 향기가 없는 방에서 쓴 글보다 ‘행복’과 관련된 단어가 약 3배 많이 사용한다는 결과도 있다. 커피향을 맡기만 해도 효과가 있다. 커피맛과 카페인을 싫어하거나 건강을 우려해 마시기를 꺼려하는 사람은 입 대신 코로 커피를 마셔도 뇌가 활성화되고 스트레스가 완화된다.  미국 모넬 화학감각연구센터 조지 프레티 박사는 남성의 겨드랑이에서 나온 땀에서 페르몬으로 추정되는 성분을 추출한 뒤 여성들에게 냄새를 맡게 했다. 여성들은 남성의 땀 냄새를 알아차리지 못했으나 땀 냄새를 6시간 동안 맡은 여성들은 실험을 하기 전보다 기분이 편안해지고 긴장이 많이 풀렸다. 긴장이 풀어진 여성들은 남성과 관계를 맺기가 더 쉬우며 배란을 앞당겨 임신을 더 쉽게 하게 된다. 페로몬의 영향이 극히 미미하다고 단정 짓는 것도 섣부르다. 배란기나 겁에 질렸을 때 인간의 체취가 달라진다는 연구 결과가 있다. 그런 체취 변화가 일어날 때 페로몬이 분비되지 않을까. 가령 공포 페로몬, 불안 페로몬 같은 것들이 있어서 함께 있는 사람들에게 두려움이나 불안감을 퍼뜨리는 데 관여하지 않을까.

Aromatherapy, 아유르베다(Ayurveda), 삼림욕 ... 향기가 인간의 생리적 기능에 미치는 영향은 생각보다 강하다는 의미다. 좋은 향은 좋은 기분을 좋은 기분은 기억력을 높이고 인간을 치유하는 힘이 있다.