안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 식물이 환경 변화에 스트레스를 받을 때 어떤 생물학적 반응이 나타나나요???
안녕하세요.네, 식물은 환경 변화로 인해 스트레스를 받을 경우 다양한 반응이 나타날 수 있는데요, 물론 식물이 동물처럼 움직이거나 도망칠 수는 없지만, 환경 변화에 따라 다양한 생리·분자 수준의 반응을 통해 스트레스에 대응하며 여기서 말하는 스트레스에는 가뭄, 염분, 온도 변화, 병원균 침입, 기계적 자극 등이 포함됩니다. 식물이 스트레스를 받을 때 나타나는 주요 생물학적 반응에는 호르몬 신호 변화가 있는데요, 스트레스 상황에서 식물 호르몬이 급격히 변합니다. 아브시스산(ABA)은 가뭄·염분 스트레스 시 증가하며 기공을 닫아 수분 손실 억제하고 에틸렌은 병원균 감염·물리적 상처 시 증가하는데 이는 방어 유전자 발현, 노화 촉진합니다. 이외에 자스모네이트(JA), 살리실산(SA)은 해충·병원균 공격에 대한 방어 반응을 유도하게 됩니다. 또한 고온, 강광, 병원균 침입 시 과산화수소(H₂O₂), 슈퍼옥사이드(O₂⁻) 같은 ROS가 빠르게 쌓이는데요, ROS는 세포 손상을 일으킬 수 있지만 동시에 방어 신호 분자로 작용해 스트레스 관련 유전자를 켜는 역할도 합니다. 이외에도 2차 대사산물(phenolic compounds, 알칼로이드, 테르페노이드 등)을 합성해 해충·병원균을 억제하는데요 예를 들자면 카페인, 탄닌, 피토알렉신 등은 스트레스 시 더 많이 만들어집니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 고양이과 동물들도 육식만 하지 않고 간혹 풀도 뜯어 먹던데 구체적인 이유가 뭔가요
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 고양이과 동물들은 풀을 뜯어먹기도 하는데요, 사자, 호랑이, 집고양이 같은 고양이과 동물은 엄격한 육식동물이지만, 간혹 풀을 뜯어 먹는 행동이 보고되는 이유는 주식과는 별도로 생리적·행동학적 이유와 관련있습니다. 가장 큰 목적은 소화 보조 및 구토 유도인데요, 고양이과 동물은 털을 많이 삼키거나 뼈·깃털·기타 소화하기 힘든 동물성 잔해를 섭취하는데 이때 풀에 들어 있는 섬유질(cellulose) 은 소화되지 않지만 위를 자극해 구토를 유도하기 쉽습니다. 이를 통해 위 속의 헤어볼이나 소화되지 않는 물질을 토해내어 소화기 건강을 지키는 효과가 있습니다. 다음으로 풀에 포함된 섬유질은 그대로 장을 통과하면서 장 연동운동을 돕고 배변을 원활히 하는데요, 특히 뼈를 많이 먹은 뒤 변이 단단해질 때, 풀을 먹으면 변비 완화에 도움이 됩니다. 마지막으로 풀 자체는 소화 효율이 거의 없지만, 일부 연구에서는 풀에 들어 있는 엽록소, 엽산, 미네랄 같은 미량 성분을 보충하기 위한 본능적 행동일 가능성도 존재합니다. 감사합니다
생물·생명
Q. 너구리는 야행성 동물이라고 들었는데, 낮에는 주로 어디에서 시간을 보내나요?
안녕하세요.네, 말씀해주신 것과 같이 너구리는 야행성 동물인데요, 그래서 먹이 활동은 주로 해가 진 뒤에 이뤄지고, 낮에는 주로 휴식을 취하는데, 그 방식이 서식지와 주변 환경에 따라 조금 달라집니다. 우선 너구리는 숲이나 산지에서는 스스로 판 굴이나 다른 동물이 버린 굴을 이용해 낮 동안 숨는데요 이때 땅굴뿐 아니라 바위틈, 나무 뿌리 근처, 쓰러진 나무 아래도 휴식처가 됩니다. 또한 굳이 굴이 없더라도 빽빽한 덤불이나 억새, 갈대밭 같은 곳에 몸을 숨기고 웅크리고 있으며, 외부에서 잘 보이지 않고 체온 유지에도 유리합니다. 반면 도시로 내려온 너구리는 굴 대신 하수구, 폐건물, 창고 주변, 다리 밑 같은 은폐된 장소를 은신처로 삼으며 실제로 사람 눈에는 낮 동안 잘 안 띄는 이유가 바로 이런 곳에 숨어 있기 때문입니다. 다음으로 겨울에는 활동량이 줄고, 굴에서 오랜 시간 휴식을 취하는데 일종의 반휴면 상태로 지내기도 하며, 이는 완전한 동면은 아니지만 활동을 최소화하게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 제주도에서 단호박이 익어서 터졌다고 하는데요.
안녕하세요.네, 질문주신 단호박이 익어서 터졌다는 현상은 실제로는 직접적인 열로 조리처럼 익는 것이라기보다는, 고온 환경에서 생리적 스트레스와 과일 내부의 압력 변화로 인해 나타나는 현상인데요, 여름철 밭에 노출된 단호박은 강한 햇빛을 받아 표면 온도가 40~50 ℃ 이상까지 올라갈 수 있는데, 이는 단순한 대기 기온(예: 33~35 ℃)보다 훨씬 높은 값으로, 여름의 검은 비닐 멀칭 밭에서는 더 심각해집니다. 또한 단호박은 과육이 두껍고 수분 함량이 많은데, 고온에서 과일 내부 수분이 빠르게 증발하거나 세포 내 삼투압이 변하면, 껍질이 견디지 못하고 갈라지거나 터질 수 있으며 높은 기온은 호박 내부의 호흡률과 에틸렌 생산을 증가시켜 성숙을 빠르게 진행시킵니다. 이로 인해 과육이 무르면서 터지거나, 외피에 균열이 생기기 쉽습니다. 대기 기온이 30 ℃를 넘고, 특히 35 ℃ 이상 지속될 때 위험이 커지는데요, 과실 표면 온도는 햇빛을 직접 받으면 40~50 ℃까지 오를 수 있으며, 이 수준에서는 세포막 손상, 수분 불균형, 급격한 성숙 및 균열이 일어나면서 “익어서 터진 것처럼 보이는 현상”이 발생하게 되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 핵과 퍼옥시좀으로는 신호분자가 절단 안되고 단백질이 유입되는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문주신 것처럼 미토콘드리아와 엽록체로 단백질이 유입될 때에는 신호분자가 절단되지만 핵과 퍼옥시좀으로 유입될 경우에는 그렇지 않은 이유는 세포 소기관의 단백질 수송 방식과 단백질 신호서열 처리 방식의 차이에서 비롯된 것인데요 우선 핵(nucleus), 퍼옥시좀(peroxisome), 미토콘드리아, 엽록체는 모두 세포질에서 합성된 단백질을 받아들이지만, 그 과정이 조금씩 다릅니다. 미토콘드리아·엽록체에서 신호서열이 절단되는 이유는 미토콘드리아와 엽록체는 이중막 소기관으로, 세포 내 단백질 수송에서 막을 통과(translocation)해야 내부로 들어가는데 이때 단백질은 풀린(denatured, unfolded) 상태로 막 통로를 통과하며, 내부로 들어온 뒤 다시 접히게 됩니다. 이때 수송이 끝난 후에는 원래 필요했던 N-말단 신호서열(타깃팅 펩타이드) 가 더 이상 쓸모가 없기 때문에 전용 펩티다아제에 의해 절단되며 따라서 미토콘드리아/엽록체 단백질들은 보통 성숙 단백질(mature protein) 상태에서 신호서열이 없는 형태로 존재합니다. 반면에 핵에서 신호분자가 절단되지 않는 이유는 핵 단백질의 수송은 핵공복합체(nuclear pore complex, NPC) 를 통해 이루어지는데, 이 경우 단백질이 접힌(native folded) 상태 그대로 들어가며, 수송 과정에서 막을 뚫지 않고 NPC를 통과합니다. 핵 위치 신호(NLS, nuclear localization signal)는 짧은 아미노산 서열로, 단백질이 계속해서 핵으로 드나들 때마다 필요하며 따라서 NLS는 절단되지 않고 단백질 내에 영구적으로 유지되는 것입니다. 실제로 많은 전사인자, 조절 단백질들이 세포 상태에 따라 핵-세포질 사이를 오가는데, 이때 신호서열이 보존되어야 합니다.또한 퍼옥시좀에서 신호분자가 절단되지 않는 이유는 퍼옥시좀 단백질 수송 역시 막을 통과하는 것이 아니라 특수한 수송 기작을 통해 접힌 상태의 단백질이 들어가는데, 대표적으로 PTS1(Peroxisomal targeting signal 1, C-말단의 SKL 서열)이나 PTS2(N-말단 서열)가 있습니다. 이 신호들은 수송 리셉터 단백질이 인식하여 단백질을 퍼옥시좀 내부로 옮기는 데 사용되는데, 내부에 들어온 후에도 절단되지 않고 유지됩니다. 이유는 핵과 마찬가지로, 퍼옥시좀 단백질의 위치 인식 및 기능 조절에 이 서열이 계속 필요하기 때문입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 수국의 꽃 색깔이 다양한 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 수국의 꽃 색깔 발현은 다른 종의 꽃에서의 색 발현과 약간 차이가 있는데요, 수국의 꽃 색깔이 다양한 것은 단순히 유전적인 차이만이 아니라, 토양의 화학적 성질과 금속 이온의 가용성이 크게 작용하기 때문입니다. 수국의 꽃 색은 주로 안토시아닌(anthocyanin) 이라는 색소에 의해 결정되는데요, 안토시아닌은 pH와 금속 이온과의 결합 여부에 따라 빨강, 파랑으로 다양하게 변합니다. 산성 토양(pH 5.5 이하)에서는 토양 속 알루미늄 이온(Al³⁺)이 잘 녹아 식물체로 흡수되는데요, 이때 안토시아닌과 결합해 청색(파란색~보라색) 계열 꽃이 됩니다. 중성~약알칼리성 토양(pH 6.0 이상)에서는 알루미늄 이온이 잘 녹지 않아 흡수가 적으며 안토시아닌이 알루미늄과 결합하지 않고, 보통 적색~분홍색 계열로 발현됩니다. 또한 알루미늄(Al³⁺)뿐만 아니라 철(Fe²⁺), 마그네슘(Mg²⁺) 등 다른 금속 이온들도 안토시아닌과 상호작용하여 색 변화에 영향을 줄 수 있는데요, 따라서 같은 지역이라도 미세한 토양 성분 차이에 따라 다양한 색이 나타납니다. 하지만 모든 수국이 토양에 따라 색이 변하는 것은 아닌데요, 큰잎수국(Hydrangea macrophylla) 은 대표적으로 토양 조건에 따라 색이 바뀌지만, 흰색 품종처럼 특정 색만 발현하는 경우도 있으며 따라서 토양 요인과 유전적 요인이 함께 작용합니다.
생물·생명
Q. 지구생태계에서 꿀벌이 중요한 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 꿀벌은 지구 생태계에서 단순히 꿀을 만들어내는 곤충을 넘어 매우 핵심적인 역할을 담당하는 생물인데요,꿀벌은 꽃에서 꿀과 꽃가루를 먹이로 삼는데, 이 과정에서 자연스럽게 꽃가루를 다른 꽃으로 옮기게 됩니다. 이로 인해 식물의 수분이 이루어지고, 열매와 씨앗이 맺히게 되는데요, 세계적으로 인간이 섭취하는 식물성 먹거리 중 약 70% 이상이 곤충에 의한 수분에 의존하는데, 그중 꿀벌이 가장 중요한 비중을 차지합니다. 또한 사과, 딸기, 참외, 수박, 아몬드 같은 과일과 견과류는 꿀벌의 수분이 있어야 제대로 결실할 수 있는데요, 꿀벌이 줄어들면 농작물의 생산량이 크게 줄고, 품질(과일의 크기·형태)도 나빠집니다. 따라서 꿀벌은 세계 식량 안보와 경제적 가치에도 큰 영향을 미칩니다. 즉 꿀벌이 꽃가루를 옮겨줌으로써 야생식물도 번식할 수 있고, 이는 곧 다양한 식물이 유지되는 데 기여하는데요, 식물이 다양하게 자라야 초식동물과 그를 먹는 육식동물까지 먹이그물 전체가 안정되므로, 꿀벌은 생태계 균형의 핵심 축이라고 할 수 있습니다. 꿀벌 개체 수와 건강 상태는 환경의 변화를 민감하게 반영하는데요, 말씀하신 것처럼 농약 사용, 기후 변화, 서식지 파괴에 따라 꿀벌이 크게 줄어들고 있는데, 이는 곧 생태계 전반의 위기 신호라고 볼 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 나무마다 단풍잎이 다르게 나타나는 이유는 무엇일까요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것과 같이 가을에 나무마다 단풍잎이 다르게 나타나는 이유는 주로 잎 속 색소의 조성, 농도, 분해·합성 과정의 차이와 더불어 유전적 특성, 환경 조건이 서로 다르게 작용하기 때문인데요, 우선 단풍이 드는 생화학적 원리를 보면, 여름 동안 잎은 광합성을 위해 엽록소(초록색 색소)를 많이 합성하여 빛을 흡수합니다. 그러나 가을이 되어 낮이 짧아지고 기온이 떨어지면 엽록소의 분해가 촉진되고 더 이상 새롭게 합성되지 않는데요, 이때 잎에 원래 존재하던 다른 색소들이 드러나거나 새로 합성되면서 단풍이 생기는 것입니다. 예를 들어, 노란색과 주황색은 카로티노이드가 담당하며, 붉은색은 안토시아닌이라는 색소가 새롭게 합성되면서 나타납니다. 또한 나무마다 단풍 색깔이 다른 것은 바로 이 색소의 비율과 대사 경로의 차이 때문인데요 예를 들어, 은행나무나 포플러처럼 노랗게 물드는 나무는 카로티노이드가 주로 남아 눈에 잘 드러나는 경우이고, 단풍나무나 옻나무처럼 붉게 물드는 나무는 가을에 당분이 잎에 축적되면서 안토시아닌이 합성되어 나타나는 것입니다. 같은 붉은색이라도 품종과 종에 따라 안토시아닌의 농도와 종류가 달라서 진홍색, 보라색, 자주색 등 다양한 색조가 만들어집니다. 마지막으로 같은 종의 나무라도 햇빛을 많이 받는 잎과 그늘진 잎은 색깔이 달라질 수 있는데요, 햇빛을 많이 받는 부분에서는 광합성 산물이 잎에 축적되어 안토시아닌 합성이 활발해지므로 붉은빛이 강해지고, 그늘진 곳은 주로 노란색을 띠는 경우가 많습니다. 토양의 산도, 수분 공급 상태, 기온 차이 역시 색소 합성과 분해 속도에 영향을 주어 단풍의 색이 다양하게 나타나게 합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 잠자리의 날개는 어떤 구조를 가지고 있어서 빠르고 자유롭게 날 수 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 잠자리가 곤충 중에서도 가장 뛰어난 비행 능력을 가진 이유는 바로 독특한 날개 구조와 근육의 움직임 방식을 가지고 있기 때문인데요, 우선 잠자리의 경우에는 앞날개와 뒷날개가 독립적으로 움직입니다. 대부분의 곤충은 앞·뒷날개가 서로 연결되어 같은 방향으로 움직이지만, 잠자리는 앞날개와 뒷날개가 따로따로 움직일 수 있으며 이로 인해 앞으로 나는 것뿐 아니라, 제자리 비행(호버링), 뒤로 날기, 옆으로 날기까지 가능해집니다. 또한 날개에 그물망 같은 굵은 날개맥이 촘촘히 발달해 있어서, 얇은 막이지만 매우 튼튼한데요, 이는 고속으로 날 때 날개가 휘거나 찢어지지 않게 지탱해줍니다. 게다가 날개가 단순히 펄럭이는 것이 아니라, 미세하게 비틀리고 휘어지도록 설계되어 있는데요, 이 미세한 변형이 공기 흐름을 잘 잡아내어, 양력(뜨는 힘)과 추진력을 극대화하며, 벌, 파리 같은 곤충은 날개를 직접 움직이지 않고, 몸통을 진동시켜 간접적으로 날개를 움직입니다. 하지만 잠자리는 근육이 날개와 직접 연결되어 있어, 날개의 각도를 자유롭게 조절할 수 있으며, 그래서 방향 전환이 빠르고 섬세합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 암치료발전에대해궁금해서질문합니다
안녕하세요.네, 질문주신 것과 같이 암 치료는 지난 수십 년 동안 개복수술, 복강경(내시경) 수술, 로봇 수술로 발전해왔고, 앞으로는 '수술 자체를 줄이거나 대체하는 방향'으로 발전할 가능성이 있는데요, 우선 현재까지의 흐름을 말씀드리자면 개복수술은 큰 절개로 종양을 직접 제거하여 시야 확보가 좋지만 회복이 오래 걸리고 합병증 위험이 높았습니다. 다음으로 복강경이 등장하면서 작은 구멍을 통해 내시경과 기구로 수술하기 때문에 통증과 회복 부담이 줄어들었습니다. 최근 로봇 수술로 정밀한 절개와 섬세한 조작 가능해졌으며 특히 폐암·전립선암·간담췌계 암에서 점점 활용 확대 중입니다. 따라서 앞으로는 “더 적게 자르고, 가능하다면 아예 자르지 않는 수술”로 갈 가능성이 크며, 로봇수술이 더 작고 정교해져, 거의 흉터 없는 수준의 수술 가능할 것입니다. 또한 유연한 마이크로 로봇, 나노로봇 기술도 연구 중이며 폐암이나 간암도 지금보다 훨씬 덜 침습적으로 수술할 수 있을 것입니다. 또한 고주파나 레이저 등을 이용하여 종양을 절개하지 않고 열이나 에너지로 태워 없애는 방식으로 현재 간암, 신장암, 폐암 일부에 사용되며 점점 정밀해지고 있습니다. 감사합니다.