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태양광을 이용하는 도롱뇽

ecobgri | 2014.01.02 20:33 | 조회 1454

태양광을 이용하는 도롱뇽

 

A solar salamander


동향분석

과학자들은 종종 수십 년 동안 연구해 온 익숙한 시스템에서 전혀 새로운 특이사실을 발견하곤 한다. 캐나다 핼리팩스 소재 댈하우지대학의 라이언 커니(Ryan Kerney) 박사의 경우도 그러한 사례에 속한다고 할 수 있다. 그는 오랫동안 연구해 온 점박이도룡뇽(Ambystoma maculatum)의 배아를 무심코 관찰하던 중 특이한 현상을 발견하였다. 즉, 배아를 둘러싼 우무질막(jelly capsule)은 물론 배아 자체의 내부에서 에머랄드빛(진녹색)의 영롱한 광채가 발산되는 것을 목격한 것이다(첨부그림 1 참조). 조사 결과, 도룡뇽의 배아와 이를 둘러싼 젤리캡슐을 녹색으로 물들인 주인공은 Oophilia amblystomatis라는 단세포 조류(single-celled alga)로 밝혀졌다. 점박이도룡뇽은 물 속에 알을 낳는데, 생물학자들은 오랫동안 O. amblystomatis가 점박이도룡뇽과 공생관계에 있다는 것을 알고 있었다.

그러나 이러한 공생관계는 도마뱀의 배아와 인접한 외부에 서식하는 조류 사이에서 발생하는 것으로 생각되었다. 왜냐하면 도룡뇽은 대사과정에서 질소가 풍부한 노폐물을 배출하고 이것이 조류에게는 매우 유용한 영양분이 되기 때문이다. 이와 반대로 조류는 광합성을 통하여 주변의 용존산소량을 증가시켜 도룡뇽 배아의 호흡을 도와 주는 것으로 간주되었다.

7월 28일 우루과이 푼타 델 에스테(Punta Del Este)에서 열린 제 9차 국제 척추동물 형태학회 총회(International Congress of Vertebrate Morphology)에서, 커니 박사는 "O. amblystomatis는 점박이도룡뇽의 외부에 서식하는 것이 아니라, 도룡뇽의 전신세포 내부에 서식한다."고 발표하였다. 더욱이 커니 박사에 의하면, 도룡뇽의 세포 내부에 서식하는 조류는 광합성의 산물(산소와 탄수화물)을 도룡뇽의 세포에 직접 공급한다고 한다. 광합성 생물체와의 이러한 밀접한 공생관계는 산호와 같은 무척추동물에서 발견된 적은 있으나, 척추동물에서 발견된 것은 이번이 처음이다. 척추동물은 후천적 면역시스템(adaptive immune system)을 보유하고 있어서 외부의 물질을 파괴하기 때문에, 공생자(symbiont)가 척추동물의 세포 내부에서 안정적으로 서식하는 것은 불가능한 것으로 생각되어 왔다. 그러나 이번 사례의 경우, 도룡뇽이 자신의 면역시스템을 침묵시키거나 조류가 이를 회피한 것으로 생각된다.

커니 박사는 알에서 부화하기 이전의 도룡뇽 배아를 장노출 형광사진(long-exposure fluorescent image)으로 촬영하였다. 그 결과 도룡뇽 배아의 전신에 산재(散在)한 작은 점모양의 조류세포들이 형광에 반응하는 것으로 나타났는데, 이것은 이 세포들이 엽록소를 보유하고 있다는 것을 의미한다. 커니 박사는 전자전달현미경(TEM)을 이용하여 이 작은 세포들의 모습을 보다 자세히 관찰한 결과, 도마뱀의 세포 내에 있는 여러 개의 미토콘드리아들이 조류세포들을 에워싸고 있는 것으로 확인되었다. "미토콘드리아는 포도당의 대사물을 산화시켜 ATP를 만들어 내는 세포의 발전소라 할 수 있다. 따라서 도롱뇽 세포의 미토콘드리아는 조류가 광합성을 통하여 만들어 낸 산소와 탄수화물을 이용하기 위해 조류세포의 주변을 에워싼 것으로 보인다."고 커니 박사는 설명했다.

adult salamander


Algae in the salamanders' cells could be providing them with photosynthetic products, including oxygen.John Cancalosi/naturepl.com

도롱뇽과 조류의 공생관계가 어떻게 성립되는지는 아직 알려져 있지 않다. 커니 박사는 조류가 도롱뇽의 세포 안으로 들어간 과정을 추적하고 있는데, 이와 관련하여 일부 선행연구들이 이 과정을 연구하는 데 도움이 될 것으로 보인다. UC 산타크루스의 린다 고프 박사(Lynda Goff, 분자해양생물학)는 30년 전에 점박이도롱뇽과 조류의 공생관계를 연구하여 논문을 발표한 적이 있는데, 그 논문에 의하면 도롱뇽의 배아를 둘러싼 우무질막에 조류가 부족하면 그 배아는 부화가 늦어진다고 한다. 그는 또한 "배아발생이 진행됨에 따라 조류의 개체수가 로그적으로 증가(logarithmic increase)하며, 도롱뇽과 조류의 관계는 정태적(static)이 아니다."라고 밝힌 바 있다.


조류의 개체수가 로그적으로 증가한다는 것은 배아의 발생이 진전됨에 따라 배아세포 안에서 조류가 신속하게 세포분열하거나, 아니면 외부에서 신속하게 유입된다는 것을 의미한다. 만일 후자의 경우가 맞다면, 외부의 조류는 어떻게 배아 안으로 들어갈 수 있을까? 조류가 배아 안으로 들어갈 수 있는 가장 적절한 시기는 배아의 신경계가 형성되는 시기인 것으로 보인다. 인디애나 대학의 로저 행가터(Roger Hangarter)가 촬영하여 커니 박사가 제시한 저속촬영 비디오를 유심히 관찰하면, 배아가 발생하는 시점에서 배아의 측면에서 녹색 불꽃이 피어나는 것을 볼 수 있다. "이 녹색 불꽃은 조류의 무리를 의미하는데, 이들은 도롱뇽의 배아에서 방출되는 질소가 풍부한 노폐물을 먹기 위해 배아 주변으로 몰려든 것으로 보인다. 노폐물이 배출되는 통로가 있다면 배아 내부로 들어갈 수 있는 통로도 있을 것이다. 그리고 엄청난 수의 조류가 몰려든다면, 그중의 일부가 배아 안으로 들어갈 확률도 높아진다."고 커니 박사는 설명했다.

커니 박사의 설명은 지금껏 많은 과학자들이 점박이도롱뇽의 배아 내부에서 조류를 발견하는 데 실패한 이유를 알 수 있게 해 준다. 그들은 대부분 조류가 급격히 증가하기 이전의 단계에서 도롱뇽의 배아를 관찰했던 것이다. 그러나 그렇다고 하여 발생 초기의 배아가 조류를 전혀 보유하지 않고 생각하면 오산이다. 이번 연구를 통하여 커니 박사가 달성한 또 하나의 흥미로운 업적은 `어미 도롱뇰의 수란관(oviduct)에 조류가 존재한다`는 증거를 발견한 것이다. 수란관은 배아를 둘러싸는 우무질막이 생성되는 곳이므로, 이 발견은 도롱뇽의 공생조류가 번식 과정에서 모태로부터 자손으로 전달된다는 것을 의미한다. "나는 조류가 도롱뇽의 생식세포로 들어갈 수도 있다고 생각한다. 이번 연구는 `척추동물의 면역세포는 외계의 생물체를 공격한다`는 기존의 도그마에 도전장을 던지는 것이다."라고 커니 박사의 발표를 경청한 UC 버클리의 데이비드 웨이크(David Wake) 명예교수는 말했다.

그렇다면 도롱뇽의 면역세포가 조류의 세포를 공격하지 않고 수용하는 이유는 무엇일까? 이에 대하여 스페인 마드리드의 국립 자연과학박물관(National Museum of Natural Sciences)에서 도롱뇽의 발생과정을 연구하는 데이비드 버클리(David Buckley) 박사는 다음과 같이 말한다: "이번 연구는 척추동물이 발생과정에서 「아(我)와 비아(非我)의 구별」을 학습하는 메커니즘에 대해 많은 것을 생각하게 한다. 도롱뇽은 사지가 잘라져도 재생되는 능력을 갖고 있으므로, 성체 도롱뇽의 모든 세포는 상당한 만능성(pluripotency)을 갖고 있다고 할 수 있다. 도롱뇽의 면역세포 역시 여타 척추동물과는 다른 메커니즘을 통해 자아인식 능력을 학습하는 것으로 보인다." 한편 이번 학회를 참관한 신시내티 대학의 대니얼 부흐홀츠(Daniel Buchholz, 발생생물학)는 "다른 도롱뇽들도 점박이도롱뇽과 마찬가지로 세포내에 조류를 보유하고 있을 가능성이 있다. 우리가 찾으려고 노력만 하면 보다 많은 사례를 찾아낼 수 있을 것이다."라고 깊은 관심을 보였다. 이번 연구는 척추동물과 조류 간의 공생에 대한 새로운 사실을 밝힘은 물론, 척추동물의 면역계가 외계의 생물을 인식하는 과정에 대해 많은 시사점을 던지는 흥미로운 연구로 평가된다.


원본논문: "Photosynthetic Endosymbiosis in a Vertebrate: the Spotted Salamander, Ambystoma maculatum and its Green Algal Symbiont, Oophilia amblystomatis", presentation on 28 July at the Ninth International Congress of Vertebrate Morphology in Punta del Este, Uruguay.

출처 : http://www.nature.com/news/2010/100730/full/news.2010.384.html

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