안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 멍청한 세포?들 여러개 알려주세요!
사실 세포 입장에서 보면 모두 나름의 이유와 효율성이 있어서 ‘멍청하다’고 할 수는 없지만, 겉보기에는 조금 엉성하거나 바보 같아 보이는 세포들은 일부 있는데요 대표적인 예시로 '지방세포'가 있습니다. 지방세포는 커다란 기름방울을 한가득 채우고 있어서 세포질이 얇게 밀려나 있고, 핵도 구석으로 몰려 있는데요 기능은 단순히 ‘에너지 저장’이 주된 역할이라서, 다른 세포에 비해 너무 단순해 보이는데요 동그랗게만 보이지만, 사실 에너지 대사 조절에서 중요한 역할을 합니다. 다른 예시로는 '점액세포'가 있는데요, 장이나 기도에 있는 세포인데, 이름 그대로 술잔 모양으로 생겨 있으며 안은 뮤신 당 단백질로 가득 차 있어서 투명하고 흐물흐물해 보이는 외형을 가지고 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 동물들은 지진이 나기 전에 사람보다 먼저 알 수가 있나요?
네, 말씀해주신 것처럼 동물들이 지진이 나기 전에 사람보다 먼저 알 수 있다는 근거가 일부 있긴 합니다. 쥐, 곤충, 코끼리, 개구리 등은 인간보다 훨씬 민감한 청각이나 체감 수용기를 가지고 있는데요, 실제로 지진 직전에 발생하는 저주파 진동이나 미세한 지각 움직임을 감지할 수 있습니다. 또한 일부 곤충, 새, 어류는 자기장과 전기장 변화에 민감한데요 지각 변형이 일어나면 암석이 미세하게 전하를 방출할 수 있는데, 동물들이 이를 감지한다는 가설도 있습니다. 지진은 본격적인 큰 진동 전에 미세한 전진동이 발생하는데요 동물들은 인간보다 민감해서 이 P파를 더 빨리 감지하고 반응할 수 있습니다. 그러나 동물의 반응은 종마다, 개체마다 달라 일관성이 없고, 단순히 환경 변화에 의한 행동일 수도 있어 예측 지표로 활용하기는 어려우며 따라서 동물 행동은 보조적 단서일 수는 있지만, 과학적으로 신뢰할 수 있는 지진 예측 수단은 아직 아닙니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 왼손잡이가 가장 많은 나라들의 분포에 있어서 다른나라들과 다른 특징으로는 무엇을 꼽을 수 있을까요
왼손잡이의 비율은 전 세계적으로 대체로 인구의 8~15% 정도에서 관찰되는데, 국가별로는 그 안에서도 꽤 차이를 보이며 실제로 어떤 나라들은 왼손잡이의 비율이 두드러지게 높거나 낮게 나타나는데, 이는 단순히 생물학적 요인보다는 사회문화적 요인이 크게 작용한 결과라고 보는 것이 맞습니다. 서구권에서는 왼손잡이 비율이 12~15%로 세계에서 가장 높은 편이고, 아시아권에서는 공식적인 왼손잡이 비율은 3~6% 정도로 낮게 보고됩니다. 이외 중동, 아프리카 일부 지역에서는 더 낮은 편으로 나타나며, 일부 문화에서는 왼손 사용을 부정적으로 보는 경향이 강합니다. 이와 같은 차이를 만들게 된 데에는 사회문화적 요인이 작용한 결과인데요, 서구권에서는 20세기 중후반부터 ‘왼손잡이 교정’이 사라지고 오히려 개인 특성으로 존중되면서 자연 발생 비율이 드러나게 되었습니다. 반대로 동아시아나 이슬람권에서는 ‘왼손은 부정하다, 글씨를 쓰기 불편하다, 식사 예절에 맞지 않는다’ 같은 사회적 규범이 강해서, 어린 시절 교정으로 오른손잡이가 되는 경우가 많았습니다. 또한 서구는 왼손잡이용 필기 도구나 가위, 악기 등이 보급되었지만, 아시아권은 상대적으로 보급이 늦어 불편 때문에 교정이 권장되었으며 특히 세로쓰기·붓글씨 전통이 있는 한국·일본·중국에서는 왼손 필기가 불편하여 오른손 교정이 강하게 권장되었습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포 크기에는 한계가 존재하는 이유가 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 세포는 크기가 커질 수 있는데에 한계가 있습니다. 이는 '표면적 대 부피의 비율'을 고려해봐야 하는 사항인데요, 세포는 영양분 흡수, 노폐물 배출, 신호 전달 등을 주로 세포막을 통해 수행합니다. 세포가 커질수록 부피는 세제곱으로 증가하지만, 세포막의 표면적은 제곱으로만 증가합니다. 즉, 세포가 일정 크기 이상 커지면 세포 안의 물질대사를 감당할 만큼의 표면적이 부족해지므로, 물질 교환에 심각한 한계가 생깁니다. 또한 이때 세포 내부에서 물질 이동은 대부분 확산이나 능동수송에 의해 일어나는데, 확산 속도는 거리의 제곱에 비례하여 늦어집니다. 따라서 세포가 지나치게 커지면 중심부까지 산소, 영양분, 신호 분자가 도달하는 데 시간이 오래 걸려 대사 효율이 떨어지기 때문에 세포 크기에는 한계가 존재하는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 극호염균이 ATP를 생산하는 방법은 어떤가요?
네, 극호염균은 일반적인 세포와는 조금 다른 독특한 ATP 생산 전략을 가지고 있는데요 특히 말씀해주신 것처럼 박테리오로돕신이라는 단백질을 활용하는 것이 특징입니다. 대부분의 세포는 유기물 대사 → 전자전달계(ETC) → 화학삼투 기전의 과정을 거치는데요, 이때 전자전달계를 통해 프로톤(H⁺) 기울기를 막 안팎에 형성하고, 이를 ATP 합성효소를 이용하여 ATP를 합성하며 이때 주된 에너지원은 포도당과 같은 유기물의 산화 과정에서 나오는 전자입니다. 하지만 극호염균은 매우 높은 염 농도의 환경에서 서식하는데요, 이 환경에서는 전자전달계가 제대로 작동하기 어려운 조건이 많기 때문에 따라서 빛 에너지를 직접 이용하여 ATP를 합성하는 독특한 전략을 추가적으로 사용합니다. 박테리오로돕신은 광펌프 단백질인데요 분자 내에 레티날이라는 색소가 결합되어 있으며, 빛을 흡수하면 레티날의 형태가 변합니다. 이 변화가 단백질의 구조 변화를 유도하여 세포 안에서 밖으로 H⁺ 이온을 펌핑하게 되며, 결과적으로 세포막을 경계로 한 프로톤 농도 기울기가 형성되고 이를 이용하여 ATP를 합성하는 방식입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 인공지능 로봇벌 개발 시도가 실제 꿀벌 감소 문제를 대체할 수 있을까요
인공지능 로봇벌은 실제로 일본, 미국, 유럽 등 여러 나라에서 연구가 진행 중인데요, 하지만 아직 꿀벌의 감소 문제를 근본적으로 대체할 수 있을지는 논쟁 중입니다. 우선 인공지능 로봇벌은 초소형 드론에 센서와 인공지능을 장착해 꽃을 인식하고, 전기적으로 꽃가루를 붙였다가 다른 꽃으로 옮겨 수분을 유도하는 실험들이 일부 성공했습니다. 또한 온실이나 좁은 농업 환경에서 특정 작물에 인공 수분을 보조하는 도구로 쓰일 수 있는 가능성이 있습니다. 따라서 완전 대체보다는 꿀벌 개체수가 부족한 특정 지역이나 계절에 보조적으로 활용될 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 한 군집의 꿀벌은 수만~수십만 마리가 활동하는데, 이를 로봇벌로 대체하려면 엄청난 수의 드론이 필요하기 때문에 현재 배터리 지속 시간과 충전 효율로는 현실적이지 않습니다. 또한 벌집 단위로 스스로 증식·유지되는 꿀벌과 달리, 로봇벌은 제작·관리·수리 비용이 막대합니다. 농업 전반에 투입하기엔 비용 대비 효과가 낮다는 한계가 존재합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 농약 사용이나 기후 변화가 꿀벌의 생존에 어떤 위협을 가하는가요
벌의 대량 폐사는 단순히 양봉업의 문제를 넘어서서 생태계와 식량 안보에 직결되는 큰 위기이기 때문에, 과학자들이 매우 주목하는 사안인데요, 꿀벌에게 위협을 가할 수 있는 농약으로는 네오니코티노이드 계열 살충제가 대표적입니다.이 살충제는 꿀벌의 아세틸콜린 수용체에 결합하여 신경 신호 전달을 방해하며, 그 결과 방향 감각과 학습 능력이 떨어져 벌이 집을 찾지 못하거나 꽃을 제대로 탐색하지 못합니다. 또한 해당 살충제에 중독된 벌은 꿀과 꽃가루를 수집하는 능력이 크게 줄어들어 집단 전체의 먹이 부족으로 이어지며 농약 노출은 벌의 면역 체계를 약하게 만들어, 바이러스나 기생충감염에 더 쉽게 노출됩니다. 뿐만 아니라 여왕벌의 번식력 저하, 애벌레 발달 이상 등이 발생하여 집단 유지가 어려워집니다. 이외에도 지구 온난화와 이상 기후 현상도 꿀벌에 큰 위협을 가하는데요, 기온 변화로 식물의 꽃 피는 시기와 꿀벌의 활동 시기가 어긋나면, 벌이 먹이를 얻을 수 있는 기간이 짧아지고 있습니다. 또한 꿀벌은 체온 유지가 중요한 곤충인데, 기온이 지나치게 높으면 체온 조절에 실패해 생존율이 떨어지게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 체세포분열이 일어날 때 이중키네신의 역할은?
체세포분열에서 방추사의 운동을 일으키는 모터 단백질에는 크게 디네인과 키네신 계열이 있는데요, 여기서 말씀해주신 이중키네신은 주로 Kinesin-5 계열(대표적으로 Eg5, Cin8 등)을 가리킵니다. 우선 디네인은 음성 말단(- end) 방향 모터 단백질인데요, 동원체에 결합한 후 방추사의 -극(즉, 중심체) 방향으로 이동하면서 자매염색분체를 끌어당기고, 분리 과정에서 중요한 역할을 합니다. 다음으로 Kinesin-5 계열은 네 개의 모터 도메인을 가진 쌍방향 교차형 키네신인데요, 이는 +극 방향 모터 단백질로서, 서로 반대 방향으로 배열된 미세소관(방추사)을 동시에 잡아당겨 중심체들을 서로 밀어내는 힘을 만듭니다. 더 구체적으로는 분열이 진행되는 동안, 중심체가 서로 멀리 떨어져 안정된 양극성 방추체 구조를 유지할 수 있도록 해주며, 후기에서 중심체들이 더 멀어지며 염색분체 분리를 강화하는 데 기여합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. RNA 전사 과정에는 DNA 복제와는 달리 부가적인 단백질이 필요 없는 이유가 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 DNA 복제와 RNA 전사는 모두 DNA 이중가닥을 풀고, 주형을 읽어 새 가닥을 합성한다는 점에서는 비슷하지만, 필요한 효소와 단백질의 범위가 다릅니다. 우선 세포 분열을 위해 DNA 복제는 염색체 전체를 정확히 한 번, 끝까지 복제해야 하는데요 따라서 복제 효율과 정확성이 매우 중요합니다. 이에 따라서 여러 보조 단백질을 필요로 하는데요 우선 헬리케이스는 이중나선을 풀어주는 역할을 합니다. 이 과정에서 SSBP는 풀린 단일가닥 DNA가 다시 붙지 않도록 안정화해주며, 프리마제는 프라이머를 합성해주고, DNA 중합효소는 프라이머를 연장하며 새로운 DNA 합성합니다. 반면에 전사의 목적은 DNA 전체가 아니라 특정 유전자의 일부 구간을 읽어 mRNA, rRNA, tRNA 등을 합성하는 것이기 때문에 이 과정은 상대적으로 짧고, DNA 전체를 다 열 필요가 없습니다. 따라서 전사 과정에서 작용하는 핵심 효소는 RNA 중합효소 하나입니다. 또한 RNA 중합효소는 DNA 복제의 여러 보조 기능을 스스로 수행할 수 있는 능력을 가지고 있는데요 우선 DNA의 이중가닥을 자체적으로 열고 전사 버블을 형성하며 DNA 중합효소와는 달리 프라이머 없이도 직접 합성 시작 가능합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 원핵생물의 DNA 복제 과정에서는 진핵생물처럼 한계가 존재하지는 않나요?
네, 질문해주신 것과 같이 진핵생물에서는 선형 염색체를 가지고 있기 때문에 DNA 복제 시 3’ 말단 끝 부분을 완전히 복제할 수 없는데요 DNA 중합효소는 항상 5’→3’ 방향으로 합성하며, 이때 3' OH기를 제공해 줄 프라이머를 필요로 합니다. 이후 마지막 프라이머가 제거된 자리에는 DNA를 보충할 수 있는 3’ 말단이 없어 말단 부위가 점차적으로 짧아지는 현상이 발생하는데요, 이 때문에 텔로미어라는 반복 서열이 존재하며, 세포 분열이 반복될수록 텔로미어가 점점 짧아져 복제 한계가 생기고, 결국 세포 노화가 발생하는 것입니다. 반면 원핵생물, 특히 대부분의 박테리아는 환형의 염색체를 가지고 있는데요, 이와 같은 환형 DNA에서는 끝이 존재하지 않기 때문에 3’ 말단 문제 자체가 생기지 않습니다. 즉 DNA 복제는 양 방향으로 원형에서 시작하여 두 방향으로 진행하며, 결국 두 개의 완전한 원형 DNA가 만들어집니다. 따라서 진핵생물처럼 말단 복제 문제로 인한 한계는 발생하지 않으며 또한, 일부 원핵생물의 플라스미드도 환형 구조이므로 같은 원리로 말단 문제에 제한을 받지 않습니다. 감사합니다.