박광하의 생명과학 이야기
탈피[脫皮]하며 성장하는 생물: 갑상샘홀몬의 역할을 중심으로(3)
유형성숙(幼形成熟, neoteny)
유형성숙(幼形成熟, neoteny) 자체는 단지 액솔로틀만의 전유물은 아니지만, 특히 액솔로틀은 유생상태인 채로 성적 성숙에 이르고 일생을 유생상태로 살아간다는 점에서 유형성숙의 전형적이고 대표적인 사례다. 엑셀로틀의 올챙이는 어른으로 탈바꿈을 할 수 없으며, 이에 따라 다 자란 후에도 겉아가미를 지녀야 하고, 물에서 살아야 한다. 번식이 쉽고 잃어버린 신체를 쉽게 재생하고 놀라운 장기이식 능력(다른 아홀로틀의 장기를 이식받아도 거부반응이 전혀 없다) 때문에 과학연구 및 애완동물로 널리 쓰인다. 성적으로 성숙하기까지는 18-24개월이 걸리며, 이때 몸길이는 15-45센티미터이다. 네발을 가진 사지동물 중에서 가장 원시적인 것은 양서류이다. 사지동물은 태내(胎內)수정을 하게 되면서 지구 표면의 변화와 함께 차츰 육상으로 올라왔고, 육상생활에 적응하여 공기 호흡을 하게 되었다. 어류에서 양서류로의 진화는 고등 양서류인 무미류(無尾類) 등의 개체 발생을 보면 어느 정도 상상할 수 있다. 양서류에는 분류상으로 3분 한다. 다리가 없는 무족류, 꼬리가 있는 유미류와 꼬리가 없는 무미류로 나뉘는데 개구리 등이 무미류이고, 도롱뇽은 꼬리가 있어서 파충류에 속하는 도마뱀과 같은 부류로 생각하기 쉬운데 외부형태가 비슷할 뿐 완전히 다른 계통의 종류다. 도마뱀류는 유생이 물에서 살지 않는다. 현재의 유미류가 생긴 것은 백악기이고 이 시기의 지층에서 화석이 나오고 있다.
백악기(白堊紀, 영어: Cretaceous period)
백악기(白堊紀, 영어: Cretaceous period)는 중생대의 마지막 지질 시대로 쥐라기가 끝나는 1억4550만 년 ± 4백만 년 전부터 신생대 팔레오세가 시작하는 6천600만 년 ± 3십만 년 전 사이의 시기이다. 백악기라는 이름은 해당 시기에 살았던 조개나 산호류에서 만들어진 탄산 칼슘이 퇴적하여 형성된 백색의 암석이라는 의미의 백악에서 유래하였다. 미국의 캔자스 주에 백악기 지층이 많고 다양한 생물의 화석이 발견되는 곳이다. 양서류는 다리가 있는 것이 일반적이지만 다리가 없는 무족류의 양서류가 화석으로 발견되고 있는 것이다. 무족류의 화석으로는 “리소로프스”라는 것이 있는데 현존하는 것으로 오스트레일리아 등의 열대지방의 축축한 흙속에 서식하고 있다. 이와 같은 양서류 만의 변천과정을 살펴보면 물에서 육지로 상륙해서 위해 많은 세월이 필요 하였고 생체의 세포들은 끊임없이 변화하는 자연환경에 적응하기 위해 한순간도 멈추지 않고 변신의 변신을 거듭한 흔적을 발견하게 되는 것이다. 다 아는 바와 같이 곤충류는 파충류는 골격이 바깥쪽으로 설계 되어 있어서 외결격이라 하고 우파쪽의 척추동물들은 골격이 근육의 안쪽에 배치되어 있어서 내골격이라 한다. 어떤 것이 생존에 유리하냐?를 따지는 것은 큰 의미가 없다. 우파쪽에서 볼 때 약하디 약한 키틴(chitin)을 골격이라고 겉에다 싸 발라 놓고 빈약한 근육으로 날고 뛰어 보지만 외결격으로 무장한 우파쪽 동물과 대적한 다는 것 자체가 가소로운 일이나 끊임없는 변신을 통해 생존해 가는 전략에는 할 말이 없게 된다. 좌파쪽 동물도 몸집을 키워야 하는데 신체를 지탱하는 골격이 바깥쪽을 감싸고 있으니 한계성장을 할 수밖에 없는 것이며 해결방법으로 탈피[脫皮] 전략을 택한 것이며 먹을 만치 먹었으면 미련없이 활동을 중단하고 종족번식을 위한 탈피보다 단계가 높은 변태[變態]와 우화[羽化]라는 우파쪽에서 놀래 자빠질 메카니즘을 작동 시키는 것이다. 이런 작동이 앞에서 누차 언급한데로 생물체라는 한 개체가 한다기보다는 생물체를 구성하고 있는 천문학적인 숫자의 노동자에 해당하는 세포들이 각자의 주특기를 발휘한 공동작품으로 이루어지고 있다는 것이다. 갑상선에서 나오는 티록신이라는 호르몬은 무엇에 비유하면 적당할까? 첨단 산업의 비타민이라고 하는 희토류라고 비교 할 수 있지 않을까?
희토류(稀土類, Rare Earth Elements: REE)
희토류(稀土類, Rare Earth Elements:REE)란 란타넘[영어: Lanthanide]족에 속하는 원소 15개와 스칸듐, 이리듐 등 17개 원소를 말한다. 희토류는 희귀한 원소는 아니지만 농축된 광물 형태로는 구하기 힘들어 희토류라는 이름이 붙었다. 이것이 들어가야 스마트폰, 카메라, 컴퓨터, LCD 연마광택제는 물론 하이브리드 자동차, 풍력발전, 태양광발전 등이 작동하게 되니 마법을 가진 광물이라고 할 수 있다. 갑상선 호르몬은 심장운동, 위장관 운동, 체온유지 등 몸이 스스로를 유지해나가는 대사과정을 조절한다. 이를 통해 모든 기관이 제 기능을 적절히 유지하도록 하며, 태아와 신생아의 성장 발육을 촉진시켜 주는 역할도 한다. 전자기기의 희토류 버금가게 호르몬 티록신 분비가 부족하게 되면 몸이 무기력해지고 쉽게 피곤해질 뿐만 아니라 체온도 정상보다 낮아져 추위를 견디기 힘들어지게 된다. 아울러 몸이 붓고 장 운동이 약해져 변비 등이 심해지고, 심장근육의 수축력도 떨어져 오래 방치하면 심장병이나 고지혈증에 의한 동맥경화를 일으킬 수 있다. 유난히 추위를 잘 타서 삼복지경에도 내복까지 껴입고 다니는 경우, 일단 갑상샘의 기능을 의심해 봐야 한다. 티록신이 적절하게 공급돼야 몸이 정상으로 작동하는 것이다. 좌파쪽 동물들은 티록신 같은 호르몬류를 잘 활용해서 인간의 지능으로 따라가기 힘든 시스템을 구축해 놓았다. 혹한[酷寒]이나 폭염[暴炎]이 계속되면 번데기나 알의 형태로 변신해서 움직이지 않고 먹지 않으며 깊은 잠에 들어가는 것은 얼마나 현명한 전략인가? 잠을 실컨 자고 난후에 새로운 삶을 시작하니 생기가 충만 할 수밖에 없다. 변화를 두려워하는 것은 인간의 본능이다. 편안하고 익숙한 삶에 푹 젖어서 탈피를 두려워한다. 정권이 바뀌면 난장판이 돼서 끝장이 나는 것이 아닌가 하는 두려움을 갖는 것도 같은 심리다. 정신력을 옥죄는 허물이 있음을 인지하지 못하는 것이 인간의 한계가 있다. 껍질은 벗는 다는 것은 끝이 아니며 새로운 시작이다. 이 증거를 좌파쪽 동물들이 약 1억년 전부터 몸소 실천하며 보여주고 있는 것이라고 생각한다.
가장 극적인 매미의 변태
매미 애벌레는 땅속에서 여러 차례 허물을 벗고 자란 뒤 땅위로 나와 우화한다. 매미가 땅속과 땅위에서 얼마나 오래 지내는지는 정확히 알려져 있지 않다. 매미 애벌레가 땅속에서 지내는 기간은 일본의 연구결과 등을 보면 애매미 1~2년, 참매미 3~4년, 말매미 4~5년으로 추정된다. 국내에서 이를 관찰한 연구는 이뤄진 적이 없다. 애벌레는 땅 표면 근처까지 굴을 뚫고 기다리다 저녁 8시께 마침내 지상으로 나온다. 어둠 속에서 느릿느릿 어설픈 동작이지만 나무를 찾아 오르기 시작한다. 목표는 발톱으로 단단하게 움켜쥘 수 있는 안정된 나무껍질이다. 이곳에 멈춘 뒤 30여 분이 지나자 서서히 등이 부풀어 오른다. 탈피를 하는 데는 2~3시간이 걸린다. 애벌레의 탈피 시간은 개체마다 조금씩 달랐다. 새우등처럼 몸을 굽혀 한껏 부풀리자 탈피 각이 머리 쪽부터 세로로 갈라지기 시작했다. 껍질에서 윗몸을 빼내 몸을 일으켰다 굽혔다 하는 동작을 매우 조심스럽게 수십 번 몸을 떨며 되풀이했다. 오그라져 있던 날개가 3분의 1쯤 펼쳐지자 탈피 각 머리 부분을 꽉 움켜쥐고 몸을 일으켜 세워 꼬리 부분을 껍질에서 완전히 꺼낸 뒤 날개가 펼쳐지길 기다렸다. 허물을 벗는 단계마다 힘이 든 듯 동작을 멈추고 숨고르기 시간을 가졌다. 우화 과정을 역순으로 되밟는 장면. 날개가 길어지자 혼 힘을 다해 빠른 동작으로 탈피각의 머리 부분을 꽉 움켜지고 몸을 일으켜 세우며 탈피 각에서 빠져 나온다. 탈피 각에서 빠져 나온 참매미는 탈피 각 몸통으로 이동하여 안정된 자세를 잡고 날개가 길어지기를 기다린다. 물기에 젖어 있는 연약한 몸이 단단해 지기를 기다리며 완벽한 매미가 되기 위해 가끔 비행을 위해 날개를 움직이며 말린다. 세차게 내리는 비를 아랑곳하지 않고 허물을 갓 벗고 나온 매미는 전체적으로 색소가 없어 허옇고 날개에는 하얀빛이 돌았다. 눈에도 초점이 없어 보였다. 연약한 몸이 단단하게 굳어지고 눈이 반짝이고 날개가 꼿꼿하게 펴지는 데는 10시간이나 걸렸다. 애벌레가 땅위로 나와 완벽한 매미의 모습을 갖추는데 12~13시간이라는 오랜 시간이 걸리는 것이다. 우화하고 남은 탈피 각은 애벌레가 탈피할 때 나무껍질을 꽉 잡는 지지대 구실을 해 성충이 빠져나오기 좋게 해 준다. 또 몸이 마르고 굳어 날 때까지 의지하는 도구이기도 하다. 나무 위에 붙어 있는 흔히 보는 탈피 각은 매미 애벌레가 나무껍질을 꽉 움켜쥐고 매미로 탄생한 기나긴 ‘산통’의 징표이다
랍스터의 생리학
랍스터는 다른 동물들처럼 중앙집중식 두뇌구조를 갖고 있지 않다. 그 대신, 양면 대칭형 신경계통을 갖고 있다. 즉 각 분절마다 하나의 신경절(Ganglia)로 이루어져 있다. 이 신경절들은 각기 랍스터 복부면의 신경줄기와 연결되어 있으며, 또한 각기 다른 신체기능을 수행하고 있는 것이다. 랍스터 번식은 어부들에게는 특별한 관심의 대상이다. 왜냐하면 수산 자원의 지속적인 유지를 위한 대책을 시행하기 위해선 이러한 관계에 대한 명백한 이해가 반드시 필요하기 때문이다. 대서양 랍스터는 암컷이 여름시기에 자신의 외부골격을 탈피하고 난 직후(20-40분 이내)에 짝짓기를 한다. 수컷들은 대체로 성숙하여도 등껍질의 길이(40-45 밀리미터)가 암컷의 그 길이(90밀리미터 등껍질 길이)보다도 짧은 상태다. 작은 수컷들은 덩치가 더 큰 암컷들과는 짝짓기를 성공할 수 없다. 수컷들은 등껍질 길이가 45밀리미터 정도가 되어야 정자 생산을 할 수 있다. 그러므로 수컷이 최소한 대상 암컷의 크기 정도가 되어야 짝짓기를 감당할 수 있다. 암컷 랍스터의 난소는 몸통체에 위치해 있으며, 쌍 수란관은 가슴아래에서 나와서 큰 다리 세 번째 사이까지 내려와 있다. 이 곳이 수정관이 있는 곳이며 수컷의 정자가 안착하는 곳이기도 하다. 수정과정을 보면 암컷이 해면 바닥에서 올라와 물에 유영을 하는 동안에 수컷과 교접이 이루어지면서 수정관을 통해 정자를 주입하게 된다. 수정이 이루어진 후에 암컷의 수정관을 수컷은 젤라틴 성분 물질로 덮어 봉한다. 암컷은 교접 후에 난자를 키워 자신의 작은 다리에 수정된 알을 부착하기까지 약 15개월 정도 걸린다. 알을 꼬리부분 아래 다리에 달고 다니는 때를 “부화기”라고 하며, 부화될 때까지 다시 10-11개월이 걸리는 것이다. 생명체들의 생존전략은 어느 것 하나 신비스럽지 않은 것이 없다. 지구상의 모든 생물들이 그들 나름대로의 기발한 적응 전략을 개발하며 종족을 번식 시키고 생존해 가고 있는 것이다.
박광하(전 여주대신고 교감, 전 수원계명고 교장)
필자 박광하 선생은 고려대학교 생물학과를 마친 후에 평생을 생물과학 강의와 교육에 헌신하여 왔다. 20여년 전 호주로 이주하여 시드니에 거주하며 집필 활동을 하고 있다.