안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 새들이 집단을 이루어서 생활하는 것을 보는데요. 이건 어떤 법칙이나 그런것이 있는 건지 아니면 그냥 단순히 본능인지 궁금합니다. 알려주세요
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 새들이 집단을 이루는 데에는 분명한 생존상의 이점이 있는데요 우선 무리 속에 있으면 한 마리가 잡힐 확률이 줄어드는 희석 효과와, 많은 눈으로 포식자를 빨리 발견할 수 있는 탐지 효과가 있습니다. 또한 무리가 함께 움직이면 먹이를 더 쉽게 찾을 수 있으며, 기러기처럼 V자 대형을 이루어 날면 공기 저항을 줄이고 에너지를 절약할 수 있습니다. 짝짓기, 정보 교환, 개체 간 학습에도 유리하며, 이런 이점 때문에 새들은 본능적으로 집단을 이루도록 진화해 온 것입니다. 흥미로운 점은, 집단 전체가 마치 하나의 거대한 유기체처럼 움직이는 것처럼 보이지만, 사실은 각 개체가 단순한 국지적 규칙(local rules)만 따르기 때문이며, 대표적으로는 “보이드 모델 (Boids model, 1986년 Craig Reynolds)”이 이를 잘 설명합니다. 너무 가까이 다가오면 멀리 떨어지는 '충돌 회피', 이웃 개체들의 평균 방향과 속도에 맞추는 '정렬' 등이 있습니다. 또한 새들은 이런 행동을 배우지 않아도, 유전적으로 프로그램된 신경 회로를 통해 무리짓기를 하지만 그 결과로 나타나는 집단 패턴은 복잡계 과학과 수학적 모델로도 설명할 수 있습니다. 즉, 본능이 만들어낸 행동이 물리·수학적 원리와 만나 법칙처럼 보이는 것이라고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 오리 너구리처럼 알을 낳는 포유류가 또 존재하나요?
안녕하세요.포유류는 크게 세 가지 부류로 나뉘어지는데요, 단공류 (Monotremata)는 알을 낳는 포유류이고 유대류 (Marsupialia)는 미숙한 새끼를 낳아 주머니에서 키우는 포유류 (예: 캥거루, 코알라)이며 태반류 (Placentalia)는 태반을 통해 비교적 발달한 새끼를 낳는 포유류 (예: 사람, 개, 고래 등)입니다. 이중에서 오리너구리(Platypus)가 속한 단공류가 바로 알을 낳는 포유류인데요, 현재 지구상에 존재하는 단공류는 오직 호주와 뉴기니 지역에만 살고 있으며, 두 가지 계통이 있습니다. 하나는 질문해주신 오리너구리로, 부리가 오리처럼 생겼고, 물에서 생활하며 암컷이 알을 낳아 몸으로 품어 부화시키며, 부화한 새끼는 젖을 먹고 자랍니다. 다음으로 가시두더지는 가시가 돋은 고슴도치 비슷한 포유류인데요 알을 낳지만, 알을 몸의 주머니(pouch) 안에 넣어 품습니다. 부화 후에도 새끼를 일정 기간 보호합니다. 단공류는 포유류 중에서도 가장 원시적인 계통으로, 파충류와 포유류의 중간적 특징을 지니고 있는데요 즉 알을 낳지만, 새끼를 젖으로 기르는 점에서 분명히 포유류로 분류되며, 오늘날 단공류는 극히 적은 종만 남아 있지만, 이는 포유류의 초기 진화 모습을 보여주는 살아 있는 화석같은 존재입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 동물과 달리 식물은 지방을 당으로 전환할 수 있는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 식물은 세포 소기관인 글리옥시솜(glyoxysome)에 존재하는 글리옥실산 회로(glyoxylate cycle) 덕분에 지방을 당으로 전환할 수 있고, 반대로 동물은 이 대사 경로가 없기 때문에 지방으로부터 당 전환이 불가능합니다. 동물과 식물 모두 지방(특히 저장된 트라이아실글리세롤)은 β-산화 과정을 거쳐 아세틸-CoA로 분해하는데요, 일반적인 TCA 회로(시트르산 회로)에서는 아세틸-CoA가 들어와도, 그 과정에서 방출되는 CO₂ 때문에 탄소가 순수하게 축적되지 않고, 당 생성으로 이어지지 못합니다. 그래서 동물은 “지방은 에너지원”으로만 쓰지, 이를 당 합성(포도당신생합성, gluconeogenesis)의 재료로는 쓰지 못합니다. 또한 동물과는 다르게 식물(특히 기름을 저장하는 종자: 유채, 콩, 해바라기 등)에는 글리옥시솜(glyoxysome)이라는 특수 퍼옥시솜(peroxisome)이 있는데요, 이곳에서는 TCA 회로가 변형된 글리옥실산 회로가 작동합니다. 이 회로에는 아이소시트르산 라이에이스(isocitrate lyase)와 말산 신생효소(malate synthase)라는 효소가 추가로 작용하여, 아세틸-CoA의 탄소를 CO₂로 날리지 않고 숙신산(succinate) 같은 4탄소 화합물로 전환할 수 있습니다. 이 숙신산은 미토콘드리아와 세포질로 이동하여 포스포엔올피루브산(PEP)을 거쳐 포도당신생합성으로 이어지면서 최종적으로 포도당으로 바뀝니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 왜 달팽이, 소라, 전복은 껍질 겉모습이 오른쪽 나선형일까요?
안녕하세요. 네, 말씀하신 대로 바닷가에서 발견되는 소라, 전복, 그리고 밭에서의 달팽이 껍질 대부분은 겉모습이 오른쪽 나선형(우선형, dextral)이고, 왼쪽 나선형(좌선형, sinistral)은 극히 드문데요 이 현상은 단순한 우연이 아니라 발생학적·유전학적 메커니즘과 진화적 선택 압력이 작용한 결과라고 볼 수 있습니다. 연체동물(복족류, 즉 달팽이·소라류)은 수정란이 몇 차례 분열하는 난할 단계에서 세포들이 비틀리며 배열되는데, 이때의 꼬임 방향이 껍질의 나선 방향을 결정하는데요, 이 비틀림 방향은 어미 달팽이로부터 유전되는 모계 효과 유전자에 의해 정해집니다. 즉, 새끼의 유전자가 아니라 어미의 세포질 요인에 의해 껍질이 오른쪽으로 말릴지, 왼쪽으로 말릴지가 결정되는 것이지요. 그래서 한 집단에서는 대부분이 오른쪽 껍질을 가지지만, 드물게 유전자 변이로 인해 왼쪽 껍질 개체가 나타나기도 합니다. 또한 달팽이나 소라는 체외 수정이 아니라 서로의 생식기를 맞대어 교미하는데 이때 한쪽이 왼쪽 나선, 다른 쪽이 오른쪽 나선이면 생식기가 비대칭으로 맞지 않아 교미가 거의 불가능해지며, 따라서 소수로 나타난 좌선형 개체는 번식 성공률이 매우 낮습니다. 또한 일부 연구에서는 포식자가 달팽이나 소라를 공격할 때 오른쪽 나선에 맞춰진 행동 습성을 보인다는 보고가 있습니다. 따라서 드물게 등장한 좌선형 개체는 포식자로부터 살아남을 가능성이 더 높을 수도 있습니다. 하지만 짝짓기 장벽 때문에 결국 개체군에서 소멸하는 경우가 많습니다. 결과적으로, 우선형이 개체군의 표준으로 고정되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 말벌이 꿀벌을 대량으로 죽이는 이유가 궁금합니다
안녕하세요.네, 질문해주신 말벌이 꿀벌을 공격할 때 보이는 대량 학살 현상은 단순히 먹이를 얻기 위한 사냥이라기보다는, 자신들의 번식과 군집 생존 전략과 밀접하게 관련되어 있는데요, 우선 말벌은 육식성 곤충으로, 본인들이 직접 꿀벌을 먹는 것이 아니라 대부분 애벌레에게 먹일 단백질 자원을 확보하기 위해 꿀벌을 잡습니다. 즉 말벌 성충은 주로 꽃의 꿀이나 수액 같은 당분을 먹고 살지만, 애벌레는 단백질이 필요한데요, 따라서 성충 말벌은 꿀벌이나 다른 곤충을 잡아 토막 내어 둥지로 가져가 애벌레에게 먹입니다. 이때 필요한 양이 많기 때문에, 한두 마리를 잡는 것보다 한 번의 공격으로 최대한 많은 개체를 제거하는 것이 효율적입니다. 또한 말벌이 꿀벌 집단을 공격할 때는 단순한 개체 사냥을 넘어, 먹이 창고를 확보하기 위한 습격의 의미가 있는 것인데요, 꿀벌 군집은 수천~수만 마리가 모여 있고, 벌집에는 꿀과 애벌레 같은 풍부한 자원이 있기 때문에 말벌의 입장에서는 일종의 “대규모 약탈 대상”입니다. 따라서 단순히 몇 마리만 잡는 것이 아니라, 꿀벌 집단 자체의 방어 능력을 무력화시키고 둥지를 장악해야 자신들의 애벌레가 장기간 풍부한 단백질을 공급받을 수 있습니다. 즉, 대량 살해는 사냥의 부산물이 아니라, 군집 전체를 제압하려는 전략인 것입니다. 마지막으로 말벌의 공격 방식의 측면에서 벌은 강력한 턱을 사용해 꿀벌을 물어 죽이지만, 실제로는 모든 개체를 먹지 않고 죽인 뒤 버리는 경우도 많습니다. 이는 먹이로 삼을 수 있는 개체를 신속히 분리해내고, 나머지는 단순히 방어세력을 제거하는 과정에서 발생하는 현상입니다. 꿀벌 몇 마리만 먹으면 된다는 인간적 관점과 달리, 말벌에게는 꿀벌 군집을 붕괴시키고 자원을 독점하는 것이 더 중요하기 때문입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 인체의 진화적인 질문이요 남자는 왜 아직 젖꼭지가 있죠?
안녕하세요. 네, 질문해주신 사항에 대해 답변 드리자면, 남성에게 젖꼭지가 존재하는 이유는 발생학적 과정과 진화적 맥락을 함께 살펴보면 이해할 수 있습니다. 포유류의 배아는 초기 발달 단계에서 아직 성별이 구분되기 전, 공통된 기본 설계도를 바탕으로 형성되며 이때 젖꼭지는 이미 만들어지는데요, 이후 남성 호르몬이나 여성 호르몬의 영향을 받아 생식 기관과 이차 성징이 분화되지만, 일찍 형성된 젖꼭지는 퇴화되지 않고 그대로 남게 되는 것입니다. 또한 진화의 관점에서도 남성의 젖꼭지는 특별히 제거될 선택 압력을 받지 않았습니다. 어떤 기관이 진화적으로 사라지려면 그 기관이 생존이나 번식에 불리하게 작용해야 하는데, 남성의 젖꼭지는 있어도 큰 해를 끼치지 않기 때문에 굳이 사라질 필요가 없었던 것입니다. 오히려 생존에 이득이 되는 방향으로 강한 압력이 작용하지 않는 한, 이러한 중립적인 특징은 세대를 거듭하면서 자연스럽게 유지되게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 인체의 진화적인 질문이요 남자는 왜 아직 젖꼭지가 있죠?
안녕하세요.질문해주신 “남성에게 젖꼭지가 왜 존재하는가?”에 대해서 답변드리자면 인간을 포함한 포유류 배아는 초기 발달 단계에서 성별이 구분되기 전에 동일한 기본 설계도를 따르기 때문인데요, 즉 젖꼭지는 배아가 성별을 구별하기 전에 이미 형성되는 구조 중 하나이기 때문에, 즉 남녀 모두 공통된 기본 청사진으로 만들어지기 때문에 남성에게도 젖꼭지가 남게 되는 것입니다. 이후 성호르몬(안드로겐, 에스트로겐)의 영향으로 생식기관이 분화하지만, 이미 형성된 젖꼭지는 특별히 퇴화되지 않고 그대로 남는 것입니다. 또한 진화 과정에서 불필요한 기관이 반드시 사라지는 것은 아닌데요, 남성의 젖꼭지를 없애려면 유전자적으로 ‘없애는 돌연변이’가 발생해야 하고, 그것이 개체의 생존이나 번식에 이득이 있어야 퍼질 수 있습니다. 그러나 남성의 젖꼭지는 생존이나 번식에 큰 해가 되지 않으며 즉 있어도 해롭지 않기 때문에 굳이 사라질 선택 압력이 작동하지 않은 것입니다. 따라서 남성의 젖꼭지는 일종의 중립적 특징(neutral trait)으로서 계속 남아 있는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 된장잠자리는 우리나라에서 월동하지 못한다는데, 남부지방이나 제주도에서도 그런가요?
안녕하세요. 네, 맞습니다. 된장잠자리는 사실 우리나라 토종이 아니라, 남쪽 열대·아열대 지역에서 발생한 뒤 계절풍을 타고 한반도까지 날아오는 대표적인 이주성 잠자리인데요, 잠자리는 알 → 유충(약충, 수서생활) → 성충 단계를 거치는데 된장잠자리는 따뜻한 기후에서 연중 여러 세대를 이어가며 번식하지만, 우리나라의 겨울은 너무 춥기 때문에 알이나 유충이 겨울을 나지 못합니다. 즉, 한반도에 도달한 된장잠자리는 가을까지 활동하다가, 추위가 시작되면 개체군이 끊어지는 것입니다. 하지만 남부지방이나 제주도는 본토보다 겨울이 따뜻하기 때문에, 일부 곤충은 월동이 가능해지는 경우가 있으며, 그러나 된장잠자리는 열대·아열대성 곤충으로, 겨울에 기온이 영상으로 유지되더라도 수온이 충분히 따뜻하지 못해 유충이 생존하기 어렵습니다. 실제 연구 결과에서도 된장잠자리가 제주도에서도 안정적으로 번식·정착하는 사례는 보고되지 않았고, 따라서 현재까지는 남부 해안이나 제주도에서도 겨울을 나지 못하고, 매년 바람을 타고 새롭게 유입되는 일회성 방문자의 성격이 강합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포 내에서 신호전달 과정 시 증폭은 어떤 방식으로 일어나나요?
안녕하세요.네, 질문해주신 세포 내 신호전달(signal transduction)에서 말하는 “증폭(amplification)”은, 세포 밖에서 온 작은 자극이나 소수의 리간드 분자가 세포 안에서 연속적인 분자 반응 사슬을 거치면서 수백~수천 배로 커져서 최종적인 생리적 반응을 일으키는 현상을 말하는 것인데요, 예를 들어, 하나의 호르몬 분자가 수용체 단백질에 결합하면, 그 수용체는 단순히 하나의 반응만 일으키는 것이 아니라 여러 개의 G단백질을 차례차례 활성화할 수 있습니다. 즉, 1개의 자극이 10개의 활성화된 단백질로 바뀌는 식으로 신호가 곱셈 효과를 갖습니다. 대표적인 예는 MAP kinase 경로나 protein kinase A 경로가 있는데요, 활성화된 단백질 인산화 효소(kinase)는 여러 개의 기질 단백질을 동시에 인산화할 수 있습니다. 예를 들어, 한 분자의 kinase로부터 수십 개의 다른 단백질 인산화가 일어나고 그 각각이 다시 또 다른 수십 개의 단백질 활성화로 이어질 수 있으며, 이처럼 연속적이고 누적적인 인산화 반응은 지수적으로 신호를 증폭시킵니다. 이때 신호 전달 중간에서 생성되는 cAMP, Ca²⁺, IP₃, DAG 같은 작은 분자들이 대표적인데요, 예를 들어, 하나의 G단백질이 효소(아데닐릴 고리화효소)를 활성화하여 이 효소가 수천 개의 ATP를 cAMP로 전환할 수 있습니다. 이렇게 만들어진 수천 개의 cAMP는 단백질 kinase A 분자 수백 개를 동시에 활성화하여, 다시 수천 개의 단백질을 조절하며, 이 작은 분자들은 빠르게 퍼지고 수적으로 많기 때문에 강력한 증폭 효과를 내는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물세포에서는 중심립 대신에 어떤 소기관이 해당 기능을 수행하나요?
안녕하세요.말씀하신 대로 동물세포에서는 중심립이 S기에 복제되어 중심체를 구성하여 미세소관을 조직하고, 세포 분열 시 방추사를 형성하는 핵심 역할을 합니다. 그러나 식물세포, 특히 고등 식물세포(현화식물 세포)에는 중심립이 존재하지 않습니다. 그렇다고 해서 방추사가 형성되지 않는 것은 아니며, 식물세포는 다른 방식으로 미세소관조직 중심(MTOC, microtubule organizing center)을 형성하는데요, 동물세포나 일부 하등 진핵생물(예: 조류, 일부 원생생물)에는 중심립이 있어 중심체 기능을 담당합니다. 그러나 고등 식물세포는 중심립이 퇴화하거나 아예 존재하지 않습니다. 식물세포의 미세소관은 특정 소기관에 국한되지 않고, 핵막 주변, 세포질 내 다양한 부위에서 새롭게 중합되며 방추사를 형성하는데요 즉, 중심립이 없어도 다수의 MTOC가 세포 내에 분산된 형태로 존재해, 결과적으로 방추사가 형성됩니다. 하지만 예를 들어, 선태식물(이끼류)이나 조류(algae) 같은 일부 원시적 식물에서는 중심립이 존재하여 동물세포와 유사한 방식으로 방추사가 형성되기도 하며 그외고등식물에서는 중심립 없이도 세포분열을 성공적으로 수행합니다. 감사합니다.