안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 식물도 스트레스에 따라 성장이나 개화에 변화가 생기나요??
네, 질문해주신 것처럼 식물이 동물처럼 신경계를 가지고 있는 것은 아니지만, 외부 환경의 변화에 반응하여 성장과 발달을 조절하는 스트레스 반응 체계를 가지고 있습니다. 식물이 받는 스트레스는 크게 비생물적 요인과 생물적 요인으로 나눌 수 있는데요, 우선 비생물적 스트레스로는 가뭄, 염분, 온도, 빛 부족, 중금속 등이 있으며 생물적 스트레스로는 병원균, 해충, 기생 식물의 공격 등이 있습니다. 또한 식물은 신경이 없지만, 호르몬과 신호전달물질을 이용해 스트레스에 반응하는데요, ABA(앱시스산)은 가뭄 시 잎의 기공을 닫아 수분 손실을 줄이며 에틸렌은 스트레스가 심할 때 조기 노화나 잎 떨어짐을 유도하고 살리실산, 자스몬산은 병원체나 해충에 대한 방어 반응을 활성화하며 활성산소(ROS)는 세포 내에서 신호 분자로 작용하여 방어 유전자 발현을 유도합니다. 스트레스가 나타나는 방식을 예를 들자면 가뭄이나 염분 스트레스를 받을 경우에는 뿌리 발달 촉진, 지상부 성장은 억제되며, 빛이 부족할 경우에는 줄기가 길게 웃자라고, 영양분이 부족할 경우에는 잎이 작아지거나 색이 연해집니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 호두가 뇌모양과 매우 흡사한 것은 우연일까요?
네, 말씀해주신 것처럼 호두의 알맹이가 뇌와 유사한 모양을 하고 있다는 점은 많은 사람들이 오래전부터 주목해 왔고, 심지어 옛날에는 닮은 것은 닮은 기관에 좋다라는 전통적 사상으로 인해 호두가 뇌 건강에 좋다고 믿어지기도 했는데요, 하지만 과학적인 관점에서 보자면 호두와 뇌가 닮은 것은 우연적 결과라고 보는게 맞습니다. 호두의 표면이 울퉁불퉁하고 좌우 대칭처럼 보이는 것은 씨를 보호하는 단단한 껍질 속에서 배유가 자라는 과정의 산물인데요 즉 씨앗이 발달할 때, 제한된 공간 안에서 효율적으로 부피를 채우려는 구조적 압력 때문에 구불구불한 주름이 생깁니다. 따라서 뇌의 주름처럼 정보 처리 때문이 아니라, 단순히 성장 공간의 제약과 조직의 발달 패턴 때문에 비슷한 주름진 모양이 나온 것입니다. 또한 인간 뇌의 주름도 사실상 비슷한 물리학적 원리로 설명할 수 있는데요 대뇌 피질은 표면적을 넓혀 더 많은 신경세포를 수용하려고 성장하는데, 두개골이라는 제한된 공간 때문에 안쪽으로 말려 들어가며 주름이 생깁니다. 따라서 호두와 뇌가 비슷해 보이는 이유는, 제한된 공간 속에서 연조직이 발달하며 생기는 주름 구조가 물리적으로 닮았기 때문입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 호모 사피엔스는 왜 당뇨와 탈모가 없는 건가요?
말씀하신 호모 사피엔스에게 원래는 당뇨나 탈모가 없었는데, 네안데르탈인과 섞이면서 그런 질환이 들어왔다는 이야기는 유전체 분석 연구에서 나온 해석 중 하나입니다. 우선 호모 사피엔스는 약 30만 년 전 아프리카에서 등장해 전 세계로 퍼진 인류이며 네안데르탈인은 약 40만 년 전부터 유럽과 서아시아에 살았던 인류의 또 다른 종으로, 약 4만 년 전 사라졌습니다. 즉, 두 종은 완전히 다른 종은 아니어서, 중간에 여러 차례 교배가 있었고 오늘날 비아프리카인들의 유전체에 약 1~2% 정도 네안데르탈인 DNA가 남아 있습니다.이때 네안데르탈인에게서 유입된 일부 유전자는 오늘날 인간의 면역 반응, 피부·머리카락 특성, 대사 과정 등에 영향을 주게 되는데요 예를 들어, 어떤 네안데르탈인 유전자는 당 대사와 면역 기능을 조절하는데, 이는 빙하기 같은 환경에서 유리했을 수 있습니다. 하지만 현대의 풍족한 식단에서는 제2형 당뇨병 위험을 높이는 요인이 될 수 있습니다. 또 다른 일부 변이는 모발 성장 주기와 관련되어 탈모 경향에 영향을 준다고 보고된 바 있습니다. 따라서 사실 호모 사피엔스에게는 전혀 없었다라기보다는, 해당 질환에 취약하게 만드는 유전자 변이가 상대적으로 적었다는 의미에 가깝습니다. 즉, 원래 현생 인류 집단에도 다양한 유전자 변이가 있었지만, 네안데르탈인과의 교잡으로 들어온 변이들이 오늘날 특정 질환의 위험 요인으로 작용하게 된 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 남을 돕는 의로은 행동 요즘시대에 맞을까요?
인간은 사회적 동물이기 때문에, 서로 협력하고 돕는 행동은 집단의 생존을 높이는 데 크게 기여해 왔습니다. 진화론적 관점에서 보면, 타인을 돕는 행위는 집단의 신뢰와 결속을 강화하고, 궁극적으로 나 자신과 내 후손의 생존 가능성도 높이는 전략이 될 수 있습니다.하지만 오늘날에는 119 구조대, 경찰, 안전 시설 등의 법적, 제도적 안전망이 마련되어 있기 때문에, 무조건적인 자기희생은 예전보다 덜 요구됩니다. 그러나 여전히 위급한 순간에 타인을 돕는 행동은 사회적 가치로 높이 평가되며, 공동체 신뢰를 유지하는 중요한 요소입니다. 그러나 말씀해주신 것처럼 말씀하신 사례처럼, 도움을 주려다 본인이 목숨을 잃는 경우도 있습니다. 이는 매우 안타까운 일이지만, 동시에 그 행동의 숭고함을 사회는 인정합니다. 하지만 현대 사회에서는 용기 있는 행동과 함께 자기 안전을 고려하는 지혜도 필요한데요, 따라서 예를 들어 물에 빠진 사람을 구할 때, 수영 능력이 부족하다면 직접 뛰어드는 대신 구조 요청, 도구 사용이 더 바람직할 수 있겠습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 생물의 진화에서 유전적 부동은 어떤 형태의 진화를 말하는 것인가요?
생물의 진화를 설명할 때에는 몇 가지 서로 다른 메커니즘이 존재하는데요, 유전적 부동은 그중 하나로 자연선택과는 다른 메커니즘을 의미하는 개념입니다. 우선 유전적 부동은 확률적 요인에 의해 집단 내 대립유전자 빈도가 변하는 현상을 말하는데요 즉, 특정 형질이 생존이나 번식에서 더 유리해서 퍼지는 것이 아니라, 무작위적인 사건 때문에 어떤 유전자가 더 많이 전해지고 다른 유전자는 사라지는 과정을 뜻합니다.이러한 유전적 부동이 일어나는 방식으로는 '표본 추출 효과'가 있는데요, 세대를 거듭하며 부모 세대의 대립유전자가 자식 세대로 완전히 같은 비율로 전달되지 않고, 확률적 차이 때문에 비율이 조금씩 달라지게 되며, 이때 작은 집단일수록 이 효과가 크게 나타납니다. 다음으로 '병목 효과'가 있는데요, 이는 전염병, 자연재해, 서식지 파괴 등으로 개체 수가 급격히 줄어들면, 살아남은 개체들이 가진 유전자 구성이 다음 세대의 유전적 구성을 좌우하게 되는데, 이때 원래 집단의 유전적 다양성 상당 부분이 우연히 사라질 수 있습니다. 마지막은 '창시자 효과'로 소수의 개체가 새로운 지역에 이주하여 새로운 집단을 만들면, 이 집단의 유전자는 원래 집단의 유전자 풀을 온전히 반영하지 못합니다. 예를 들자면 섬으로 이동한 몇 마리 새가 새로운 집단을 이루면, 그 유전적 특성이 섬 개체군의 전체 특징으로 고착될 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 우리나라 DNA 복제 기술은 어느 수준인가요?
네, 말씀하신 것처럼 과거 2004-05년 황우석 교수 팀은 개를 포함한 여러 동물의 클론 복제에 성공했다고 발표했지만, 논문 조작이 드러나 큰 과학적·윤리적 논란으로 이어졌는데요, 해당 복제 기술은 한때 세계적으로 주목을 받았지만, 논문의 진위 문제가 이후 연구 기반에 타격을 주었습니다.현재 한국에서는 유전체 복제 및 복제 기술에 대한 연구를 진행중이며, 기초과학연구원(IBS) Genomic Integrity 센터는 DNA 복제 및 손상 복구 메커니즘 연구에 있어 국제적인 수준의 논문을 발표하고 있습니다. 또한 새로운 스위치 단백질을 발견해 DNA 복제 재개 과정을 규명한 연구는 Nature Communications에 공개되었습니다.이외에도 DNA 중합효소, 유전자 합성 시장에서 한국은 BIONEER, BIOFACT 등의 국내 기업이이 고품질 제품을 내놓으며 국제 경쟁력을 확보하고 있으며, DNA 합성 시장 규모도 지속 성장 중이며, 맞춤 합성과 올리고 합성 수요가 증가하고 있습니다. 특히 유전자 치료, 진단, 정밀의료, 농축 생명공학 분야에서 활발하게 활용되고 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. DNA 리가아제와 중합효소는 어떤 점에서 다른가요?
네, 말씀하신 것처럼 DNA 복제 과정에서 DNA 중합효소와 DNA 리가아제는 모두 필수적이지만, 역할과 작용 방식에서 차이가 있습니다. DNA 중합효소는 기존 DNA를 주형으로 하여 새로운 DNA 가닥을 합성하는 역할을 담당하는데요, 상보적 염기 결합을 통해 새로운 뉴클레오타이드를 연결하며 항상 5’ → 3’ 방향으로만 합성합니다. 이때 기존 DNA 가닥을 읽어 상보적 염기를 붙이는데 RNA primer가 있어야 DNA 합성 시작이 가능합니다. 일부 DNA polymerase는 3’→5’ exonuclease 활성으로 잘못 붙은 염기를 제거하며 복제 포크에서 선도 가닥(leading strand)과 지연 가닥(lagging strand) 합성합니다. DNA 리가아제는 이미 합성된 DNA 조각을 인산-디에스터 결합으로 연결하는데요, 즉, DNA 조각들을 하나의 연속적인 가닥으로 완성하는 역할을 합니다. 이때 특징은 DNA를 새로 합성하지 않는데요, 단지 기존 가닥 사이를 이어줍니다. 주로 지연가닥에서 작용하며 Okazaki 조각들이 이어질 때 필요합니다. 에너지는 ATP(또는 NAD⁺)를 사용하여 결합 형성합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 초파리가 눈에 알을 낳는다는데 목속에도 낳나요?
초파리나 일반적인 파리류가 사람 눈이나 몸 속에 알을 낳는다는 내용은 대중매체에서 과장되거나 혼동된 정보인 경우가 많은데요, 하지만 실제로 인간과 동물의 신체에서 유충이 기생하는 경우는 의학적으로 존재하며, 이를 인간유충증이라고 합니다. 과학적 연구에서 모델 생물로 쓰이는 파리인데요, 일반적인 초파리는 과일, 발효물, 부패물에 알을 낳으며, 사람 조직에 알을 낳거나 기생하지 않습니다. 따라서 눈에 알을 낳고 구더기가 생겨 실명한다는 사례는 초파리와 관련이 없습니다. 하지만 다른 종류의 파리는 인간 피부나 눈, 코, 귀 등 부위에 유충을 낳을 수 있는데요, 이런 유충은 알에서 부화한 애벌레 상태로 조직을 먹으며 성장할 수 있으며 눈, 피부 표면, 상처 부위에 주로 기생하며, 드물게 점막에서도 발생할 수 있습니다. 눈에 유충이 생기는 경우는 의학에서는 ophthalmomyiasis라고 하는데요, 유충은 보통 외부에서 눈 표면으로 침투하거나 결막, 눈꺼풀에 부화합니다. 인간 눈에서 유충이 성장할 경우 염증, 시력 저하, 심한 경우 실명까지 이어질 수 있는데요, 이는 알 → 애벌레 → 성충의 과정이며, 애벌레가 조직을 먹고 성장합니다. 또한 입, 식도, 기관지 등 내부 장기는 유충이 살아남기 어려운 환경인데요, pH가 낮은 소화액, 장 운동, 점막 방어 기전 때문에 대부분 유충이 죽습니다. 그러나 드물게 코, 구강, 폐 등 점막에 기생하는 사례가 보고된 바 있으며, 의료적 치료가 필요합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 온몸이 하얗게 되는 병을 알비노라고하던데 그반대로 검은색으로 되는 병도 있을까요?
알비노는 멜라닌 색소를 만들지 못해서 머리카락, 피부, 눈이 하얗게 되는 선천적 유전적 상태를 말하는데요, 멜라니즘은 알비노와 반대되는 현상으로, 멜라닌 색소가 과도하게 만들어져 피부, 털, 깃털 등이 매우 검게 나타나는 상태를 말합니다.알비노가 발생하는 원인은 멜라닌 생성 유전자에서 특정 변이가 발생하거나, 환경 적응으로 멜라닌이 많이 생성되는 경우인데요, 멜라니즘은 병이라기보다는 유전적 또는 자연선택에 의한 표현형입니다. 드물게 피부나 눈 색소가 비정상적으로 과다하게 축적될 수 있는데요, 예를 들어서 후천성 색소침착 질환이 있습니다. 즉, 전신이 검게 되는 선천적 상태는 멜라니즘으로 볼 수 있으며, 알비노처럼 병이라기보다는 유전적 표현형이며, 후천적으로 검게 변하는 피부 질환은 있지만, 온몸 전체가 검어지는 사례는 매우 드뭅니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 유전학과 생태학을 이해할 때 가장 핵심적인 개념은 무엇일까요??
네, 유전학과 생태학은 서로 다른 학문이지만, 생명체의 변화와 상호작용을 이해한다는 큰 틀에서 연결되어 있다고 할 수 있습니다. 우선 유전학의 기본 단위는 유전자인데요, 유전자는 수천 뉴클레오타이드로 구성된 DNA를 말하는 것이며, DNA의 염기 서열이 유전 정보를 저장하고 있다는 사실이 핵심입니다. 이때 염기쌍, 상보적 결합, 복제 과정 등을 이해하면 유전 정보 전달과 변이의 원리를 파악할 수 있습니다. 즉 유전학에서는 유전 정보가 어떻게 저장, 전달, 발현되고 변이되는가를 중심으로 이해하면 전체 흐름이 잡힙니다. 생태학은 생물과 환경의 상호작용에 대한 것인데요, 개체 → 개체군 → 군집 → 생태계 순서에서 에너지 흐름(생산자→소비자→분해자), 물질 순환(탄소, 질소, 인 등)에 대한 학문입니다. 이 학문에서 생물과 환경이 어떻게 상호작용하며 에너지와 물질이 흐르는가를 중심으로 이해하면 전체 생태학 구조가 명확해집니다. 이때 진화와 자연선택이 연결고리인데요, 유전학의 유전적 변이와 생태학의 환경 선택 압력에서 개체군 변화, 나아가 생태계 구조 변화를 이해할 수 있습니다. 즉 적응과 다양성을 설명할 때 두 분야의 원리가 동시에 적용됩니다. 감사합니다.