안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 거북이들은 알을 낳기 위해서 바다에서 생활을 하다가 육지 모래속에 알을 낳고 다시 바다로 가는데, 이 회귀본능은 어떤 원리인지 궁금합니다.
안녕하세요.바다거북이들이 바다에서 대부분의 생애를 보내다가도, 번식 시기에는 특정한 육지 해변으로 돌아와 모래 속에 알을 낳는 ‘회귀 본능’은 생물학적, 진화적 원리가 복합적으로 작용한 결과입니다. 이 회귀 행동은 내비게이션 능력, 자기장 감지, 유전적 기억, 진화적 생존 전략이 결합된 현상으로 이해할 수 있습니다. 먼저, 바다거북은 놀랍게도 지구 자기장을 감지하는 능력을 갖고 있습니다. 바다거북은 바다를 헤엄치면서 지구 자기장의 강도와 방향에 따라 자신의 위치를 파악하고 이동 경로를 설정합니다. 이 자기장 감각은 일종의 생물학적 나침반처럼 작동하며, 어린 시절에 태어났던 해변의 자기적 특성을 인식하고 기억했다가, 수년 또는 수십 년 후 성체가 되어 정확히 그 해변으로 돌아올 수 있게 합니다. 실제로 연구에 따르면, 바다거북은 지구 자기장의 지도 정보(magnetic imprinting)를 학습하여 고향 해변의 고유한 자기장 서명을 기억한다고 합니다. 또한 이 행동은 유전적으로도 각인되어 있습니다. 바다거북의 대부분은 태어난 해변으로 돌아와 산란을 하는 ‘귀소성(homing behavior)’을 보이며, 이러한 특성은 종의 생존과도 밀접하게 연관됩니다. 수천 년 동안 바다거북은 알을 해안의 모래 속에 낳아야만 후손이 생존에 유리하다는 진화적 압력을 받아 왔습니다. 바다는 알이 떠내려가거나 포식자에 노출되기 쉽고, 적절한 온도나 산소 공급을 유지하기 어렵기 때문에, 상대적으로 안전한 육지 모래 속이 알을 부화시키기에 더 적합한 환경이었던 것입니다. 거북이 알은 온도와 습도, 산소 공급이 일정 수준 유지되어야 부화할 수 있습니다. 모래는 적당한 보온성과 수분 유지력을 제공하며, 햇볕을 받아 온도를 조절하는 동시에, 공기 중 산소가 모래 틈을 통해 알에 전달되어 발달을 돕습니다. 반면 바다 속은 알이 산소 부족과 압력 변화, 침식, 물고기 등 포식자에게 훨씬 더 쉽게 노출되며, 부화에 필요한 조건을 만족시키기 어렵습니다. 그래서 바다거북은 알을 안전하게 보호하기 위해 물리적 환경이 더 유리한 육지로 올라와 산란하게 된 것입니다. 결론적으로, 바다거북의 회귀 본능은 자기장 인식 능력, 유전적 기억, 생존에 유리한 산란 환경의 선택이라는 진화적 메커니즘이 결합된 결과입니다. 바다거북이 바다에서 살지만 육지에 올라와 알을 낳는 것은 오랜 세월 동안 자연선택을 통해 확보된 생존 전략으로, 오늘날에도 그 정교한 생애 주기가 유지되고 있는 놀라운 생물학적 현상입니다.
생물·생명
Q. 상위 포식자일수록 체내 중금속이 많잖아요?
안녕하세요.네, 말씀하신 것처럼 상위 포식자일수록 체내에 중금속이 축적되는 경향이 있습니다. 이러한 현상은 생물농축(bioaccumulation)과 생물증폭(biomagnification)이라는 생태학적 원리로 설명되며, 먹이사슬의 최상위에 위치한 동물일수록 중금속과 같은 독성 물질을 몸에 더 많이 축적하게 됩니다. 중금속은 자연적으로 존재할 수 있지만 산업 활동, 폐수, 광산 개발, 화석 연료 연소 등의 인간 활동에 의해 생태계로 다량 유입됩니다. 이런 오염물질은 한 번 생물체 내로 들어오면 쉽게 배출되지 않으며, 먹이사슬을 따라 점점 더 높은 농도로 축적됩니다. 해양 동물 중에서는 톱상어, 황새치, 참치 등 대형 포식어류나 해양 포유류가 대표적입니다. 대표적으로 참치, 황새치, 상어와 같은 포식성 어류는 먹이사슬의 상위에 있으며, 체내에 수은(특히 메틸수은)이 많이 축적됩니다. 특히 메틸수은은 신경독성을 가지며, 사람에게도 중독을 유발할 수 있습니다. 이들은 수십 년 동안 바다에서 다른 물고기를 잡아먹기 때문에 수은이 오랫동안 축적될 수 있습니다. 또, 고래나 물개 같은 해양 포유류도 PCB나 카드뮴, 납 같은 중금속을 높은 농도로 체내에 지니고 있습니다. 육상 동물 중에서는 육식성 조류와 포유류가 대표적입니다. 예를 들어, 독수리, 매, 부엉이처럼 다른 동물을 잡아먹는 맹금류는 먹이동물을 통해 축적된 중금속을 흡수하며, 이로 인해 납이나 카드뮴 중독 증세를 보일 수 있습니다. 또한, 멧돼지나 여우 같은 육식성 또는 잡식성 포유류도 서식지 오염에 따라 중금속을 축적하는 경우가 많습니다. 공중 생물 중에서는 먹이사슬의 상위에 있는 조류가 해당합니다. 예를 들어, 황조롱이나 흰꼬리수리처럼 먹이사슬 상위에 있는 조류는 환경 오염의 영향을 직접적으로 받습니다. 과거에는 DDT와 같은 잔류성 유기오염물질로 알껍질이 얇아지는 현상이 관찰되었고, 현재는 납 탄환이나 수은 축적이 주요 문제로 지적되고 있습니다. 결론적으로, 해양 생태계의 상위 포식자, 특히 대형 어류와 해양 포유류가 중금속 축적 면에서는 가장 심각한 수준이라고 볼 수 있습니다. 이들은 먹이사슬의 길이가 길고, 상대적으로 더 많은 먹이를 섭취하며, 수명이 길어 체내 축적량이 높기 때문입니다. 반면, 육상과 공중 생물도 서식 환경의 오염 정도에 따라 높은 중금속 농도를 보일 수 있으며, 특히 포식성 동물일수록 그 경향이 뚜렷합니다. 이러한 이유로, 사람도 상위 포식자를 식품으로 섭취할 경우 중금속 노출 위험이 커지기 때문에, 임산부나 어린이에게는 대형 어류 섭취를 제한하는 권고가 있기도 합니다.
생물·생명
Q. 미생물 mfc 발전기에서 유산균으로 전기를 생산하지 못하나요?
안녕하세요.MFC에서 전기를 생산하는 핵심은 전자전달(electron transfer) 능력을 가진 미생물이 필요하다는 점인데요, 이러한 미생물은 자신이 분해한 유기물에서 나온 전자를 전극(anode)으로 직접 또는 간접적으로 전달할 수 있어야 합니다. 대표적인 전기생산성 미생물로는 Geobacter sulfurreducens, Shewanella oneidensis 같은 외부전자전달능력을 가진 세균(exoelectrogens)이 있습니다. 반면, 유산균은 주로 해당과정(glycolysis)을 통해 유기산(주로 젖산)을 만들어내는 발효형 미생물로, 전자전달사슬이 단순하며 외부로 전자를 내보내는 능력이 거의 없습니다. 즉, 유산균은 생리적으로 전자를 전극으로 이동시키는 경로를 가지지 않기 때문에 일반적인 조건에서는 전기를 생산하지 못합니다. pH 3이라는 산성 조건이 미생물 전기 생산에 미치는 영향에 대해서 생각해보자면, 김치와 요구르트가 일주일 발효된 후 pH가 3 수준으로 떨어졌다는 점도 주요 문제였습니다. 일반적인 exoelectrogen 세균은 중성(pH 6.5~7.5) 환경에서 가장 잘 자랍니다. 산성 환경은 이들의 생장을 억제하고, 전자전달을 위한 효소 작용에도 부정적인 영향을 줍니다. 즉, 유산균 중심의 산성 발효 환경은 MFC에 적합하지 않으며, 김치나 요구르트와 같은 고산성 발효식품은 원천적으로 MFC 전기 생산에 부적합한 조건을 제공합니다. 이론적으로는 유산균도 유전자 조작을 통해 외부 전자전달 경로를 부여하거나, 전도성 나노물질(예: graphene, carbon nanotube)을 이용해 전자를 간접적으로 전달하도록 돕는 연구들이 존재합니다. 하지만 이는 고급 생명공학 기술과 특수 조건이 필요한 분야이며, 간이 실험이나 자연발효된 식품에서는 실현하기 어렵습니다. 또한, 일부 연구에서는 유산균이 금속산화물이나 전도성 재료와 접촉했을 때 아주 미약한 수준의 전자전달 가능성이 보고되기도 했지만, 이 역시 실질적인 전기 생산 수준에는 미치지 못합니다. 정리해보자면 유산균 중심의 발효식품(김치, 요구르트)은 MFC에서 전기를 생산하기에 적절하지 않습니다. 전기생산이 가능한 MFC 실험을 하고 싶으시다면, 하수 슬러지, 퇴비, 갯벌 흙, 또는 Geobacter가 자생하는 퇴적토를 전극에 사용해야 합니다. 또한 실험 시, 중성에 가까운 pH 유지, 전도성 높은 전극재료, 그리고 산소가 차단된 혐기성 환경 유지도 필수적입니다. 이를 보완하기 위해서는 김치나 요구르트 속 유산균이 아닌, 외부에서 얻은 Geobacter나 Shewanella를 배양하여 anode에 접종하고, 김치즙이나 요구르트를 유기물 공급원(기질)으로 활용하는 방식은 일부 가능성 있을 수 있습니다. 다만 이 경우에도 발효산물이 너무 산성화되지 않도록 희석하거나 완충(pH buffer) 조건을 설정해줘야 합니다. 요약하자면, 유산균은 본래 전기를 생산하는 미생물이 아니기 때문에 현재의 실험 조건으로는 전기 생산이 어렵습니다. 그러나 MFC에 적합한 조건을 갖춘 exoelectrogen을 활용하고, 유기물로 발효액을 사용하는 식으로 실험 설계를 바꾸면 보다 유의미한 결과를 얻으실 수 있을 것 같습니다.
생물·생명
Q. 어두운곳에서 잘 자라는 식물도 있나요?
안녕하세요.일반적으로 식물은 생존과 성장을 위해 햇빛을 필요로 합니다. 이는 식물의 엽록체에서 햇빛 에너지를 이용해 이산화탄소와 물을 포도당과 산소로 전환하는 광합성 과정을 통해 이루어지며, 식물 대부분이 이를 통해 에너지를 얻습니다. 그러나 일부 식물은 햇빛이 매우 부족한 환경, 즉 어두운 곳에서도 생존하거나 비교적 잘 자랄 수 있도록 진화해왔습니다. 대표적인 예로는 ‘음지 식물(shade-tolerant plants)’이 있습니다. 이들은 직사광선이 거의 들지 않는 숲속 그늘이나 실내와 같은 환경에서도 살아남을 수 있도록 낮은 광도에서도 광합성을 효율적으로 수행하는 능력을 갖추고 있습니다. 대표적인 음지 식물로는 산호수(Aglaonema), 스파티필룸(Spathiphyllum), 디펜바키아(Dieffenbachia), 그리고 고사리류가 있습니다. 이 식물들은 빛을 적게 받아도 엽록소의 양을 늘리거나 엽면적을 넓혀 빛을 최대한 흡수하려는 구조적 적응을 보입니다. 한편, 극단적으로 햇빛 없이 자라는 식물도 존재합니다. 이들은 일반적인 광합성 식물이 아니라 균류나 다른 식물의 영양분에 의존하는 기생 식물 또는 부생 식물입니다. 예를 들어, 쇠뜨기(Corallorhiza spp.)나 무엽란류(Monotropa uniflora, 속칭 유령식물)는 엽록소가 거의 없거나 전혀 없으며, 곰팡이균(균근)을 통해 주변 식물 뿌리로부터 간접적으로 영양분을 흡수하여 살아갑니다. 이들은 숲 속 깊은 곳이나 지하처럼 완전히 빛이 없는 환경에서도 생존할 수 있습니다. 결론적으로, 대부분의 식물은 빛을 필요로 하지만, 일부 식물은 약한 빛에서도 잘 살아갈 수 있도록 적응했으며, 드물게는 광합성을 하지 않고도 곰팡이나 다른 식물에 의존하여 어두운 곳에서도 생존하는 특이한 식물들도 존재합니다. 이러한 식물들은 식물계에서 진화적 다양성과 적응의 놀라운 예시를 보여주는 존재들이라 할 수 있습니다.
생물·생명
Q. 필리핀의 마스바테섬은 우리나라의 제주도와 같은 풍경과 느낌이 있고 흰소들과 말들이 많은데 이러한 소와 말은 어떤 품종들인가요?
안녕하세요.필리핀의 마스바테(Masbate)섬은 독특한 목축 문화를 지닌 지역으로, 평탄한 초원지대와 바닷가 절벽이 어우러져 제주도와 비슷한 풍경과 정서를 느끼게 합니다. 특히 마스바테는 필리핀에서 목축업의 중심지로 알려져 있으며, 소와 말의 사육이 활발하게 이루어지고 있습니다. 이곳에서 관찰되는 흰소들과 말들은 특정 품종의 유전적 특성과 지역 문화의 결합으로 인해 형성된 독특한 유형입니다. 먼저, 소의 경우 마스바테섬에서는 주로 브라만(Brahman)과 이와 교잡된 품종이 사육됩니다. 브라만은 인도 기원으로, 열대기후에 잘 적응하는 품종이며, 큰 귀와 처진 피부, 밝은 회색 또는 흰색 외형이 특징입니다. 이 품종은 고온다습한 환경과 기생충에 강해 필리핀과 같은 열대 지역에서 매우 적합합니다. 마스바테에서는 이 브라만 품종을 중심으로 기르 소(Cattle Ranching) 문화가 발달해 있으며, 외래 품종과의 교잡을 통해 내성, 성장 속도, 육질 개선을 도모한 결과, 마스바테 고유의 흰소 유형이 자리잡게 되었습니다. 말의 경우 마스바테섬은 필리핀에서도 카우보이 문화(Cowboy Culture)가 발달한 독특한 지역으로, 매년 로데오 마스바테뇨(Rodeo Masbateño)라는 목축 축제가 열릴 정도로 말과의 연관성이 깊습니다. 이 지역에서 사육되는 말들은 대체로 필리핀 포니(Philippine Pony) 또는 마스바테 포니(Masbate Pony)라 불리며, 이는 스페인 식민지 시기에 들어온 안달루시안(Andalusian) 품종이나 중국계 말들과 현지 토착종이 혼합되어 형성된 말들입니다. 체구는 작고 근육질이며, 험한 지형과 무더운 날씨에서도 뛰어난 적응력을 보입니다. 흰색을 띤 말들은 선천적 유전 특성이나 선택 교배의 결과로 탄생한 개체로, 제주도의 제주마와 비슷한 지역 특화형 품종이라 할 수 있습니다. 결과적으로 마스바테섬의 흰소와 말들은 외래 품종과 현지 기후에 대한 적응력, 그리고 지역 문화의 영향을 받아 형성된 기후친화적, 지역 특화형 가축 품종입니다. 이는 자연환경에 따라 동물이 어떻게 선택적으로 적응하고, 인간의 사육 방식과 문화가 그것을 어떻게 고유한 품종으로 발전시켰는지를 보여주는 좋은 예이며, 마스바테섬의 풍경과 함께 이 동물들은 자연과 인간, 문화의 복합적 공존을 상징한다고 할 수 있습니다.