안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 말벌 집단의 사회 구조는 꿀벌의 사회 구조와 어떤 점에서 다를까요
네, 말씀해주신 것처럼 말벌과 꿀벌 모두 사회성 곤충으로, 개체 간 협동을 통해 집단 생활을 하지만, 사회 구조와 계급 운영 방식에서 차이가 있습니다. 우선 여왕벌과 일벌의 구성에서 꿀벌은 여왕벌이 일반적으로 1마리이고 이는 말벌도 마찬가지입니다. 일벌의 경우에는 꿀벌에서는 여왕의 딸로서 알을 낳지 못하는 벌이 해당하고, 말벌에서는 여왕의 딸이지만 일부 종에서는 알을 낳을 수 있는 벌이 해당합니다. 또한 집단의 구조적 측면에서 꿀벌은 연중 집단 유지가 가능하지만, 대부분 말벌 집단은 일시적이며 계절에 따라 재생 및 소멸합니다. 마지막으로 사회적 역할의 측면에서 꿀벌은 정교한 의사소통과 역할 분화라는 특징이 있지만 말벌은 유동적 역할과 공격적 방어 특징이 강합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 말라리아 모기는 일반 모기와 비교할 때 외형상 어떤 특징이 있나요?
네, 질문해주신 것처럼 말라리아를 매개하는 모기는 주로 아노펠레스 속 모기로, 일반적인 모기와 비교했을 때 몇 가지 외형적 특징을 통해 구별할 수 있습니다. 우선 말라리아 모기는 휴식할 때 몸을 비스듬히 세우고 V자 형태로 앉는데요 이때 몸과 바늘 같은 주둥이이 거의 일직선이 아닌 각도를 이루며, 뒷다리가 길어 특유의 앉는 모양을 형성하며 반면에 일반 모기는 바닥에 거의 수평으로 앉습니다. 즉 말라리아 모기와 일반 모기는 앉는 형태에서 차이가 있습니다. 또한 말라리아 모기의 날개에는 작고 뚜렷한 검은 점이나 줄무늬가 있는데요 반면에 일반 모기 날개는 투명하거나 점무늬가 거의 없습니다. 마지막으로 말라리아 모기는 슬림하고 가는 체형을 가지며, 다리가 길고 가는 편이고 일반 모기는 상대적으로 체형이 둥글고 짧은 다리를 가지고 있는 경우가 많습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 옐로우스톤의 온천에 서식하는 극한미생물은 어떤 과학적 가치가 있을까요?
옐로우스톤 국립공원과 같은 온천 환경에는 고온, 고산성, 금속 농도 등 극한 환경에서 살아가는 미생물, 즉 극한미생물이 서식하고 있는 환경입니다. 이곳에서 서식하는 미생물로는 70~90°C 이상의 고온에서 살아가는 미생물인 극호열균, pH가 2~3 정도로 매우 산성인 환경에서도 생존하는 산성호기성균 등이 있는데요, 극한미생물이 만드는 효소는 극한 환경에서도 안정적이라는 특징이 있습니다. 이는 과학적으로 매우 중요한 가치를 가집니다.예를 들어서 Taq DNA polymerase라는 효소는 Thermus aquaticus에서 발견된 효소인데요, 고온 PCR(중합효소 연쇄반응) 실험에 필수적입니다. 일반 DNA 중합효소는 95°C에서 변성되지만, Taq 효소는 고온에서도 안정적이기 때문입니다. 이외에도 극한 환경에서 생존하는 미생물은 원시 지구 환경에서 생명이 어떻게 존재했는지 이해하는 단서 제공하는데요 고온, 산성 환경에서 단백질과 DNA 안정성 연구를 통해 생명의 적응 전략을 파악할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 나무 중에서 활엽수가 왜 침엽수가 화재에 강한가요?
우선 활엽수는 넓은 잎을 가지고 있으며, 잎에 수분 함량이 상대적으로 높은 반면에 침엽수는 바늘 모양의 잎을 가지고 있으며, 잎이 두껍고 왁스층이 있어 수분 손실은 적지만 건조 시 쉽게 연소됩니다. 이때 높은 수분 함량은 연소에 필요한 열에너지를 흡수하므로, 활엽수의 잎은 불이 붙더라도 타는 속도가 느립니다. 또한 소나무, 전나무오 같은 침엽수에는 수지와 테르펜이라는 가연성 물질이 많이 포함되어 있는데요, 따라서 불이 붙으면 수지가 빠르게 연소하면서 화염을 확산시키는 연료 역할을 합니다. 반면에 활엽수는 이러한 수지가 적어, 불이 붙어도 화염 전파력이 약합니다. 또한 활엽수는 두껍고 습한 껍질을 가지고 있으며, 가지가 비교적 촘촘하고 낮게 퍼져있기 때문에 불이 나도 핵심 줄기까지 불이 쉽게 전달되지 않는 반면에 침엽수는 얇은 껍질, 높이 솟은 가지 구조를 가지고 있기 때문에 불이 한 번 붙으면 나무 전체로 빠르게 확산됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 텔로미어가 짧아지는 것은 노화와 어떤 관련이 있나요?
네, 질문해주신 것과 같이 일반적으로 TTAGGG 반복 서열이 수천 회 반복된 구조인 텔로미어(telomere)는 염색체 말단에 존재하는 반복 DNA 서열로, 염색체를 보호하고 세포 분열 과정에서 안정성을 유지하는 중요한 역할을 합니다. 텔로미어가 짧아지는 것과 노화의 관계는 세포 분열과 DNA 복제 메커니즘과 밀접하게 연결되어 있습니다. 우선 주된 역할은 크게 두가지인데요, 첫번째는 염색체 말단 보호로 염색체 끝이 손상되거나 서로 붙는 것을 방지하며 두번째는 복제 시 손실 방지로 DNA 복제 과정에서 DNA 중합효소가 말단 끝을 완전히 복제할 수 없기 때문에, 텔로미어가 버퍼 역할을 하게 됩니다. DNA 복제 과정에서 DNA 중합효소는 5'→3' 방향으로만 DNA를 합성할 수 있는데요 이 때문에 선도가닥은 문제없이 복제되지만, 지연가닥은 RNA 프라이머를 제거하면 말단의 일부 DNA가 복제되지 않습니다. 결과적으로 매 세포 분열마다 텔로미어가 조금씩 짧아지게 됩니다. 텔로미어가 너무 짧아지면 세포는 더 이상 분열할 수 없는 상태, 즉 세포 노화 상태에 들어가는데요, 이는 염색체 말단이 손상된 것으로 인식되어 DNA 손상 반응이 활성화되고 세포주기는 G1/S 체크포인트에서 정지되기 때문입니다. 따라서 대부분 정상 체세포에서는 텔로미어가 점차 단축되며, 세포 분열 횟수 제한이 존재합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 진핵세포에서 인트론은 어떤 역할을 수행하나요?
진핵세포의 유전자에서 인트론은 단백질을 직접 암호화하지 않지만, 유전자의 기능과 발현 조절에 중요한 역할을 수행하는데요, 우선 인트론은 엑손 사이에 존재하는 비암호화 서열입니다. 전사후, 초기 전사 산물인 pre-mRNA에는 엑손과 인트론이 모두 포함되는데요, 이후 스플라이싱 과정에서 인트론이 제거되고 엑손만 이어져 성숙한 mRNA가 됩니다.인트론의 주된 기능은 선택적 스플라이싱 조절인데요, 하나의 유전자로 여러 종류의 단백질을 만들 수 있게 해줍니다. 이로 인하여 엑손의 일부를 포함하거나 제외함으로써 다양한 단백질 형태를 생성할 수 있으며, 이는 진핵생물의 복잡한 기능과 조직 특이적 발현을 가능하게 합니다. 또한 전사 조절의 기능이 있는데요, 일부 인트론은 전사 인자 결합 부위를 포함하여 유전자의 발현 수준을 조절하며 유전자 발현이 세포 종류, 발달 단계, 환경 조건에 따라 적절하게 조절되도록 기여합니다. 마지막으로 인트론은 mRNA 구조 형성에 기여하고, 핵에서 세포질로 이동할 때의 안정성을 높이는 역할을 할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 원핵세포가 가지고 있는 폴리리보솜의 장점은?
원핵세포가 가진 폴리리보솜 구조는 단백질 합성 효율과 속도 측면에서 매우 중요한 장점을 제공할 수 있는데요, 폴리리보솜은 하나의 mRNA에 여러 개의 리보솜이 동시에 결합하여 병렬로 단백질을 합성하는 구조입니다. 원핵세포에서는 핵이 따로 없기 때문에 전사와 번역이 동시에 일어나는데요 즉, DNA에서 mRNA가 만들어지는 즉시 그 mRNA를 리보솜이 붙잡고 단백질을 합성할 수 있습니다. 이때 원핵세포는 환경 변화에 매우 민감한데요, 폴리리보솜을 사용하면 하나의 mRNA에서 여러 개의 단백질 사슬을 동시에 합성할 수 있어, 단백질 생산 속도가 매우 빠릅니다. 이는 세포가 환경 변화에 신속하게 대응해야 하는 원핵생물의 생존 전략과 맞물리는 것입니다. 또한 하나의 mRNA를 여러 번 읽어 단백질을 만들기 때문에, mRNA 분자를 반복적으로 재사용할 수 있어 효율적인데요, 반면에 진핵세포는 핵과 세포질이 분리되어 있고, mRNA 처리가 필요하므로 번역 시작까지 시간이 더 걸립니다. 즉 원핵세포는 세포 내 구조가 단순하고 핵이 없어 전사-번역 연속 과정이 가능하며 따라서 mRNA가 만들어지는 즉시 단백질이 합성되며, 폴리리보솜 구조 덕분에 동시에 여러 단백질이 생산되어 신속한 반응이 가능합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 인간이 약 2만 여개의 유전자를 가지고 있다는 사실은 어떻게 알아냈나요?
네 질문해주신 것처럼 인간이 약 2만여 개의 유전자를 가진다는 사실은 인간 게놈 프로젝트와 그 후속 연구를 통해 밝혀졌습니다. 1990년에 시작된 인간 게놈 프로젝트는 인간의 DNA 전체 약 30억 염기쌍을 해독하는 것을 목표로 했고, 2003년에 초안이 완성되었는데요 연구자들은 DNA를 잘게 쪼개어 서열을 해독한 뒤 컴퓨터로 이를 퍼즐처럼 이어 붙이는 방식으로 전체 게놈을 재구성했으며, 이후에는 차세대 염기서열 분석 기술을 활용해 더 빠르고 정밀한 해독이 가능해졌습니다. 그러나 단순히 염기서열을 읽는 것만으로는 유전자의 개수를 알 수 없기 때문에, 실제 단백질로 번역될 수 있는 구간을 찾는 오픈 리딩 프레임 분석, 세포에서 발현되는 mRNA를 직접 시퀀싱하는 전사체 분석, 그리고 다른 동물과의 비교를 통한 보존된 유전자 영역 탐색과 같은 다양한 방법을 동원해 유전자를 판별했습니다.처음에는 인간에게 10만 개 이상의 유전자가 있을 것이라 예상했지만, 실제 분석 결과 단백질을 암호화하는 유전자는 예상보다 훨씬 적었으며 현재는 약 2만~2만 1천 개 정도로 추정하게 된 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 지금 유라시아 지역의 인류는 어디서 오게 된걸까요
현생 인류라고 불리는 호모 사피엔스는 약 20만~30만 년 전 아프리카에서 처음 등장했는데요, 화석 기록과 유전체 연구 모두 현생 인류는 아프리카 기원임을 지지하며 이를 아프리카 기원설이라고 합니다.약 6만~7만 년 전, 일부 호모 사피엔스 집단이 기후 변화와 자원 부족을 계기로 아프리카를 떠나 중동으로 이동했으며 이들은 다시 여러 갈래로 퍼져나갔습니다. 유럽에서는 네안데르탈인과 접촉 및 교배하면서 현생 인류가 점차 유럽 전역으로 확산했으며 아시아에서는 남아시아와 동남아시아 거쳐 중국, 시베리아, 그리고 결국 한반도·일본까지 확산되었고 일부 집단은 베링 육교를 건너 아메리카 대륙으로 진출했습니다.이동한 인류 집단은 현지 환경에 맞추어 자연선택을 거쳤는데요 추운 북유럽과 시베리아에서는 밝은 피부, 추위 적응 대사를 중앙아시아에서는 목축·유목 생활과 젖소 이용에 따른 유당 분해 능력이 발달했으며 동아시아에서는 전분 식단에 맞춘 아밀라아제 효소 증가가 나타났습니다. 또한 유라시아로 들어간 호모 사피엔스는 네안데르탈인, 데니소바인과 교배하여 일부 유전자를 물려받았는데요, 지금도 유라시아인 유전체의 1~3% 정도는 이들과의 혼혈 흔적입니다. 이 유전자들은 면역력이나 환경 적응에 기여한 것으로 추정됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 앵무새나 구관조는 왜 주위 목소리를 따라하나요?
질문해주신 것처럼 앵무새나 구관조가 사람의 목소리나 주변의 소리를 따라 하는 이유는 이들의 본능적인 의사소통 습성과 관련이 있습니다. 앵무새와 구관조는 무리를 이루어 생활하는 사회적 동물인데요, 이들은 개체 간의 유대감을 유지하고, 집단 정체성을 확인하며, 개별 개체를 식별하기 위해 매우 복잡한 소리를 사용합니다. 따라서 서로의 소리를 흉내 내는 능력은 집단 내에서 소속감을 강화하고 관계를 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.또한 앵무새 무리에서는 개체마다 고유의 이름과 같은 소리가 있는데요 다른 개체가 그 소리를 반복해서 불러 주면, 이는 마치 이름을 불러주며 교류하는 것과 같은 효과를 냅니다. 이런 습성 때문에, 사람과 함께 사는 앵무새는 사람의 말을 모방함으로써 자신이 그 무리에 속해 있다고 표현하는 셈입니다. 특히 앵무새와 구관조는 보이스러닝능력을 가진 몇 안 되는 동물인데요 사람과 유사하게 청각 피드백을 통해 들은 소리를 기억하고 발성 근육을 정교하게 조절해 재현할 수 있습니다. 따라서 주변의 어떤 소리든 언어로 인식해 따라 할 수 있는 것입니다. 감사합니다.