안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
Q. 일부 포유류들이 수천 km를 이동하는 '대이동'을 하는 이유는 무엇인가요
안녕하세요.일부 포유류들이 수천 킬로미터에 이르는 ‘대이동’을 감행하는 이유는 생존과 번식을 위한 자연 선택의 압력 속에서 진화적으로 형성된 행동 전략입니다. 이들은 대개 계절적인 자원 분포의 변화, 기후 변화에 따른 서식지 적합성, 번식기 환경 확보, 또는 포식자로부터의 회피 등을 위해 장거리 이동을 선택하며, 이러한 대이동은 종의 생존율과 번식 성공률을 높이는 데 결정적인 역할을 합니다. 대표적인 예로 북아메리카의 순록(caribou)을 들 수 있습니다. 캐나다와 알래스카에 서식하는 순록 무리는 매년 봄과 가을에 걸쳐 2,000~5,000km에 이르는 이동을 반복하는데, 이는 지구상에서 가장 긴 육상 포유류 이동 중 하나입니다. 그들은 여름에는 북극 툰드라 지역으로 이동하여 풍부한 이끼와 식물을 섭취하며 새끼를 낳고, 겨울에는 남쪽의 숲지대나 덜 추운 지역으로 돌아가 먹이를 구합니다. 이는 계절에 따른 식생 분포와 눈 덮인 지형의 차이, 그리고 새끼의 생존율을 고려한 생태적 전략입니다. 아프리카 대륙에서는 누(wildebeest)의 대이동이 잘 알려져 있습니다. 세렝게티 평원을 중심으로 약 150만 마리 이상의 누가 매년 약 1,000km 이상을 이동하며 물과 풀이 풍부한 지역을 찾아 순환하는데, 이들은 먹이와 물의 계절적 분포를 따라 움직이며 동시에 번식과 새끼 보호를 위한 최적 환경을 찾기 위해 끊임없이 이동합니다. 이 과정에서 수천 마리의 개체들이 하이에나, 사자, 악어 등의 포식자에게 희생되기도 하지만, 떼지어 이동함으로써 포식 압력을 분산시키고 집단의 생존 확률을 높이는 전략적 집단 행동으로 해석됩니다.해양 포유류인 혹등고래(humpback whale) 또한 대표적인 장거리 이동 동물입니다. 이들은 여름철에는 고위도 냉수 지역(예: 알래스카, 남극 인근)에서 풍부한 크릴과 먹이를 섭취하여 에너지를 비축한 뒤, 겨울에는 열대나 아열대 해역(예: 하와이, 멕시코, 호주 북부)으로 이동하여 번식을 합니다. 왕복 거리가 10,000km를 넘는 이동도 드물지 않은데, 이 긴 여정을 통해 새끼는 따뜻하고 포식자가 적은 바다에서 태어나 성장할 수 있고, 어미는 번식기 동안 충분한 에너지 예비를 바탕으로 새끼를 안전하게 돌볼 수 있습니다. 이 외에도 코끼리, 얼룩말, 바다표범, 박쥐류 등 다양한 포유류들이 생태적 필요에 따라 지역 또는 대륙 규모의 이동을 수행합니다. 때로는 기후 변화나 인간 활동으로 인해 기존 서식지의 조건이 악화되면서 이동이 더욱 극단화되거나, 아예 서식지를 바꾸는 사례도 증가하고 있습니다. 결론적으로, 일부 포유류들이 대이동을 하는 이유는 자원 이용의 효율성, 새끼의 생존 확보, 포식자 회피, 계절 변화 대응이라는 생태적 압력에 의해 형성된 복합적 전략이며, 이러한 이동은 유전적 본능과 환경의 상호작용 속에서 지속적으로 유지되고 진화하는 중요한 생존 메커니즘이라고 할 수 있습니다.
Q. 포유류를 다른 동물과 구분 짓는 가장 중요한 신체적 특징 3가지는 무엇인가요
안녕하세요.포유류는 조류, 파충류, 양서류, 어류 등 다른 척추동물과 뚜렷하게 구분되는 몇 가지 고유한 신체적 특징을 가지고 있으며, 이들 특징은 진화적 역사 속에서 포유류가 독자적인 생존 전략을 확립하게 해준 핵심 요소들입니다. 그중에서도 특히 포유류를 다른 동물들과 구분 짓는 가장 중요한 세 가지 신체적 특징은 ① 털의 존재, ② 젖샘을 통한 모유 수유, ③ 이중 턱관절과 3개의 중이뼈 구조라고 할 수 있습니다. 첫 번째 특징은 ‘털(hair 또는 fur)’의 존재입니다. 포유류는 생애 어느 시기든 최소한의 털을 반드시 가지고 있으며, 이 특징은 모든 포유류에게 공통되는 유일한 외형적 특성입니다. 털은 체온 조절을 위한 보온의 기능뿐 아니라, 감각, 위장, 의사소통 등의 다양한 기능을 수행하기 때문에 생존에 매우 중요한 역할을 합니다. 반면, 조류는 깃털을 가지고 있고, 파충류나 양서류, 어류는 일반적으로 비늘이나 매끈한 피부로 덮여 있어 털을 갖지 않습니다. 털의 존재는 포유류가 외부 환경, 특히 온도 변화에 효과적으로 대응하도록 돕는 결정적 요소입니다. 두 번째는 ‘젖샘(mammary glands)’을 통한 모유 수유입니다. 포유류라는 이름 자체가 ‘젖을 먹이는 동물(mamma: 유방)’에서 유래하였을 정도로, 이 특징은 가장 근본적이고도 중요한 생리적 특성입니다. 암컷 포유류는 새끼를 낳은 뒤 젖샘에서 모유를 분비하여 자손에게 영양을 공급하는데, 이는 자손이 외부 환경에서 살아남을 가능성을 크게 높입니다. 조류나 파충류, 양서류는 대부분 알을 낳고, 수정 후 일정 기간 뒤에는 부모와의 관계 없이 자란다는 점에서, 포유류의 자손 돌봄 행동은 매우 독특하고 진화적으로 큰 이점을 제공합니다. 세 번째로는 ‘이중 턱관절(double jaw joint)’과 함께, 고유한 청각 기관인 ‘세 개의 중이뼈(hammer, anvil, stirrup)’의 존재입니다. 포유류는 턱뼈의 구조가 조절되어 턱의 운동성과 씹는 기능이 발달하였고, 동시에 턱의 일부 뼈가 중이(중간귀)로 이동하여 망치뼈(malleus), 모루뼈(incus), 등자뼈(stapes)**라는 3개의 뼈로 구성된 정교한 청각 기관을 이루게 되었습니다. 이러한 중이뼈 구조는 음파를 더 정밀하게 전달하고, 청각 능력을 극대화하는 데에 중요한 역할을 하며, 다른 척추동물에서는 볼 수 없는 구조입니다. 조류는 단 하나의 중이뼈(columella)만을 가지며, 파충류와 양서류 역시 단순한 청각 구조만을 가지고 있습니다. 요약하자면, 포유류를 다른 동물들과 뚜렷하게 구분 지어주는 가장 핵심적인 신체적 특징 세 가지는 ① 털의 존재, ② 젖샘에 의한 모유 수유, ③ 이중 턱관절과 3개의 중이뼈를 포함한 특수한 청각 구조입니다. 이 세 가지 요소는 포유류가 다양한 환경 속에서도 온도 조절, 자손 보호, 감각 기능 향상 등을 통해 고등 동물로 진화하는 데 결정적인 역할을 해왔습니다.
Q. 포유류의 '털'은 보온 외에 또 어떤 다양하고 중요한 기능들을 수행하나요
안녕하세요.포유류의 털은 단순히 체온을 유지하기 위한 보온 기능을 넘어서, 생존과 적응에 매우 중요한 여러 가지 역할을 수행합니다. 이러한 털의 기능은 종에 따라, 환경에 따라 다양하게 진화하였으며, 털의 구조나 색깔, 밀도, 배열 방식 등을 통해 그 기능이 다채롭게 나타납니다. 따라서 포유류의 털은 보온이라는 1차적인 목적 외에도 생리적, 행동적, 진화적 측면에서 매우 중요한 의미를 지닙니다. 가장 먼저 언급할 수 있는 기능은 감각 기능인데요, 많은 포유류는 주둥이 주변이나 눈썹, 귀 근처에 감각 털(vibrissae)을 가지고 있는데, 대표적으로 고양이의 수염이 여기에 해당합니다. 이러한 감각 털은 신경이 풍부하게 분포된 모낭과 연결되어 있어 미세한 공기의 흐름이나 접촉을 감지할 수 있습니다. 이는 야간에 시력이 약한 동물이 어둠 속에서도 공간을 파악하거나 먹잇감을 인식하는 데 큰 도움을 줍니다. 또한 위장과 보호색 기능도 털을 통해 이루어집니다. 일부 포유류는 환경과 잘 어울리는 털 색깔을 가짐으로써 포식자의 눈에 띄지 않게 자신을 숨길 수 있습니다. 예를 들어 북극여우나 눈토끼는 겨울철 눈 덮인 환경에 맞추어 흰 털을 가지며, 여름에는 갈색으로 털갈이를 하여 계절에 따른 위장을 실현합니다. 이는 생존율을 높이는 데 결정적인 역할을 합니다. 의사소통 및 사회적 신호 전달 기능도 털을 통해 이루어집니다. 예를 들어 고양이나 개는 화가 나거나 경계심이 생겼을 때 털을 곤두세우며, 이는 상대방에게 위협을 가하는 시각적 신호가 됩니다. 또한 일부 종에서는 털의 색이나 무늬가 번식기 때 이성에게 매력을 어필하는 수단이 되기도 합니다. 예컨대 일부 원숭이류나 사자 수컷의 갈기는 성숙한 개체임을 나타내고, 암컷의 선택을 유도하는 특징으로 작용합니다. 피부 보호 기능도 빼놓을 수 없는데요, 털은 외부 자극으로부터 피부를 보호하는 1차적인 방어막 역할을 하며, 자외선이나 물리적인 상처로부터 피부를 덜 손상되게 막아줍니다. 일부 동물에서는 특정 종류의 털이 방수 기능을 가지기도 하며, 수달이나 바다표범은 밀도 높은 털 사이에 공기층을 형성하여 체온 손실을 막고 물속에서 오랫동안 활동할 수 있게 합니다. 또한 털은 기생충과 같은 외부 기생체 탐지 및 제거에 도움을 주기도 합니다. 동물들은 털을 고르거나 긁는 행동을 통해 피부에 접근하는 해로운 생물들을 인지하고 제거할 수 있으며, 이는 건강 유지와 직접적으로 관련됩니다. 요약하자면, 포유류의 털은 단순한 보온 기능뿐 아니라 감각, 위장, 의사소통, 피부 보호, 짝짓기 선택, 기생충 탐지 등 생존과 번식을 위한 다양한 기능을 복합적으로 수행합니다. 이처럼 털은 포유류가 다양한 환경에 적응하고 진화하는 데 있어 매우 중요한 생물학적 구조라 할 수 있습니다.
Q. 식물은 어떻게 물을 위로 끌어올리나요?
안녕하세요.식물에서 뿌리를 통해 흡수된 수분이 잎까지 이동하는 과정은 물리적 원리와 식물의 구조적 특성이 정교하게 맞물려 이루어지는 매우 중요한 생리 작용입니다. 이 과정은 주로 식물체 내의 물관(xylem)이라는 관다발 조직을 따라 이루어지며, 수분이 중력에 역행하여 위쪽으로 올라갈 수 있도록 하는 원동력은 여러 가지 힘이 복합적으로 작용한 결과입니다. 먼저, 수분은 땅속에서 뿌리의 가장 바깥 부분에 있는 뿌리털(root hair)을 통해 흡수됩니다. 뿌리털은 표면적이 넓고 흙과의 접촉면이 크기 때문에 효율적으로 물과 무기염류를 흡수할 수 있습니다. 흡수된 물은 뿌리 내부의 세포 간을 거쳐 물관이라는 관 모양의 조직으로 이동합니다. 이 물관은 죽은 세포들이 연결되어 형성된 긴 통로로, 뿌리에서 줄기, 그리고 잎까지 수분을 전달하는 주요 경로입니다. 이 물이 위쪽으로 이동하는 주요 원인은 증산 작용(transpiration)에 있습니다. 이는 식물의 잎에 존재하는 작은 구멍인 기공(stomata)을 통해 수분이 수증기 형태로 외부로 빠져나가는 현상인데, 이때 잎에서 수분이 빠져나가면서 물관 내에 음압(negative pressure)이 생기게 됩니다. 이 음압은 일종의 흡입력처럼 작용하여 물을 아래에서 위로 끌어올리는 역할을 하며, 이를 증산흡수설이라고 부릅니다. 또한 물 분자는 서로 잘 달라붙는 성질, 즉 응집력(cohesion)을 가지고 있기 때문에 물관 안에서 연속적인 물 기둥을 형성합니다. 동시에 물은 물관 벽과도 잘 달라붙는 부착력(adhesion)을 가지므로 물관 내벽을 타고 안정적으로 위로 이동할 수 있습니다. 이 두 가지 힘은 물관 내에서 물이 끊기지 않고 연속적으로 움직일 수 있게 도와주는 중요한 요소입니다. 한편, 밤이나 새벽처럼 증산이 활발하지 않은 시간대에는 뿌리압(root pressure)이 작용하기도 합니다. 뿌리 세포는 토양에서 이온을 흡수하고, 그로 인해 뿌리 내부의 삼투압이 증가하면서 물이 수동적으로 유입됩니다. 이때 물이 위쪽으로 밀려 올라가게 되는데, 이러한 뿌리압의 존재는 잎 끝에서 물방울이 맺히는 이슬 현상(guttation)으로 관찰되기도 합니다. 정리하자면, 식물이 뿌리에서 흡수한 수분은 물관을 따라 이동하며, 이 과정은 주로 잎의 증산 작용에 의해 유도된 음압, 물의 응집력과 부착력, 그리고 뿌리압 등 여러 물리적 힘에 의해 이루어집니다. 이러한 메커니즘 덕분에 식물은 효율적으로 수분을 공급받아 광합성을 수행하고 생명을 유지할 수 있게 되는 것입니다.
Q. 식물의 잎 기공은 언제 열리고 닫히나요?
안녕하세요.식물의 잎에 존재하는 기공(氣孔, stomata)은 식물이 광합성을 하고 수분을 조절하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 기공은 일반적으로 잎의 표면, 특히 하부 표피에 많이 분포해 있으며, 두 개의 공변세포(孔邊細胞, guard cells)로 이루어져 있습니다. 이 공변세포의 팽창과 수축에 따라 기공이 열리거나 닫히게 됩니다. 기공은 주로 낮 동안에 열리고 밤에는 닫히는 경향을 보입니다. 이는 식물이 광합성을 통해 에너지를 생산하는 데 필요한 이산화탄소를 흡수하기 위해 기공을 열기 때문입니다. 낮 동안 햇빛이 존재할 때, 엽록체에서 광합성이 활발하게 일어나면서 이산화탄소의 흡수가 필요해지며, 이에 따라 기공이 열려 외부 공기 중의 이산화탄소가 잎 내부로 들어오게 됩니다. 이 과정에서 산소는 외부로 배출되고, 동시에 수분 증산도 일어납니다. 기공의 개폐는 여러 요인에 의해 조절되는데, 주요 요인으로는 빛, 수분 상태, 이산화탄소 농도, 온도 등이 있습니다. 빛은 공변세포에 있는 엽록체를 활성화시켜 ATP를 생성하고, 이를 이용해 양이온(K⁺)이 세포 내로 유입되게 하여 삼투압이 증가하고 세포가 팽창하면서 기공이 열립니다. 반대로 어두운 환경에서는 ATP 생성이 줄어들고 공변세포 내 삼투압이 낮아져 세포가 수축하면서 기공이 닫힙니다. 또한 식물이 수분 부족 상태일 경우, 뿌리에서 생성된 아브시스산(ABA)이라는 식물 호르몬이 공변세포에 작용하여 기공을 닫게 합니다. 이는 수분 손실을 최소화하기 위한 식물의 생리적 반응입니다. 이산화탄소 농도가 잎 내부에서 충분히 높아지면 더 이상 외부에서의 흡수가 필요하지 않기 때문에 기공이 닫히는 경향도 있습니다. 정리하면, 식물의 잎 기공은 광합성이 활발한 낮에 열리고, 밤이나 수분이 부족한 상태, 혹은 이산화탄소 농도가 충분히 높을 때 닫히며, 이 과정은 공변세포의 삼투압 변화와 여러 생리적 요인에 의해 정교하게 조절됩니다.