안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 비 오는 날에 매미 울음소리가 줄어드는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.질문주신 것처럼 비가 오는 날에는 매미의 울음소리가 줄어드는데요, 우선 매미는 울음을 위해 날개와 고막 기관을 자유롭게 움직여야 하는데, 비에 젖으면 몸이 무거워지고 날개 진동이 어려워집니다. 특히 수컷 매미의 울음은 가슴 부분의 ‘발음판(tymbal)’을 빠르게 진동시키는 방식인데, 몸이 젖으면 진동 효율이 떨어져 큰 소리를 내기 힘듭니다. 또한 매미는 변온동물(곤충)이라 주변 온도가 내려가면 근육 활동이 둔해지는데요, 비가 오면 공기와 표면 온도가 내려가서 울음에 필요한 근육 수축 속도가 떨어지게 되며 울음은 많은 에너지를 쓰는 활동이라, 체온이 낮아진 상태에서는 우선순위에서 밀리게 됩니다. 또한 매미 울음은 수컷이 암컷을 유인하는 번식 신호로 작용하기 때문에, 비가 오는 동안은 암컷 매미도 활동이 줄어들기 때문에, 수컷 입장에서는 울어도 효과가 적습니다. 또한 빗소리가 울음소리를 덮어버려 소리 전달 효율이 떨어집니다. 이런 상황에서는 에너지를 아끼고 날씨가 좋아질 때 울려는 전략이 더 유리합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 파충류는 언제 등장했으며, 양서류와 비교하여 육상 생활에 더 유리했던 진화적 특징이 무엇인가요
안녕하세요.파충류는 지구 역사에서 약 3억 1천만 년 전, 석탄기(Carboniferous) 후반에 처음 등장한 것으로 알려져 있는데요, 이 시기는 광대한 석탄 습지가 존재하고, 대기 중 산소 농도가 높았으며, 곤충과 초기 육상 식물이 번성하던 시기였습니다. 당시 일부 양서류 계통에서 육상 생활에 더 적응한 그룹이 진화하여 초기 파충류(‘기저 파충류’라 불리는 암니오타)가 나타났습니다. 우선 파충류는 여러 가지 생리·해부학적 변화 덕분에 양서류보다 건조한 육상 환경에 훨씬 잘 적응할 수 있었는데요 파충류의 알은 양막(amniotic membrane)과 껍질로 보호되어 수분 손실이 적고, 알 속에는 양수같은 환경이 조성되어 배아가 물속과 유사한 조건에서 발달할 수 있습니다. 또한 양서류는 껍질 없는 젤리 같은 알을 물이나 습한 환경에 낳아야 하지만, 파충류는 건조한 땅에서도 번식이 가능했습니다. 게다가 피부가 두껍고 케라틴층으로 덮여 있어 증발로 인한 수분 손실을 최소화하며 양서류는 피부를 통해 호흡을 많이 하므로 항상 습기가 필요한 반면, 파충류는 주로 폐호흡을 하여 건조한 환경에서도 생존이 가능합니다. 또한 파충류는 표면적이 넓은 폐 구조를 가지며, 호흡 효율이 양서류보다 높고 이는 물속뿐 아니라 뜨겁고 건조한 환경에서도 안정적인 산소 공급이 가능하게 했습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 미토콘드리아와 엽록체가 이중막을 갖고 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.미토콘드리아와 엽록체가 다른 세포 소기관과 달리 이중막 구조를 갖는 이유는 그 기원이 세포 내 공생(endosymbiosis)에 있다는 진핵세포 진화 이론, 즉 엔도심바이오시스 가설과 밀접하게 관련되어 있는데요, 우선 미토콘드리아는 원핵세포인 호기성 세균에서, 엽록체는 남세균(시아노박테리아)에서 기원한 것으로 추정됩니다. 초기 진핵세포는 이러한 원핵세포를 포식하거나 내부로 받아들이면서 공생 관계를 맺었고, 시간이 지나면서 이들 세포가 진핵세포 내 소기관으로 통합되었으며, 원핵세포는 외막과 세포벽, 또는 세포막 구조를 갖고 있었기 때문에, 이 공생체가 세포 안으로 들어오면서 원래 외막이 그대로 남고, 진핵세포가 감싸면서 추가적인 외막이 형성되어 이중막 구조가 만들어졌다고 이해할 수 있습니다. 또한 미토콘드리아에서는 전자전달계와 ATP 합성이 일어나는 장소, 엽록체에서는 광합성 전자전달과 ATP 생성이 이루어지는 틸라코이드 막과 연결되는데요 즉, 에너지 변환 과정이 일어나는 핵심 기능막입니다. 이외에 이중막을 구성하는 바깥쪽의 공생 전 원핵세포의 외막이 그대로 유지되어, 세포질과 소기관 내막 사이의 경계 역할을 합니다. 외막은 물질 교환과 소기관 보호 기능을 담당합니다. 즉 DNA, 리보솜, 일부 단백질 합성 기구가 미토콘드리아와 엽록체 내부에 남아 있는 것도 이들이 과거 독립된 세포였음을 보여주는 증거이며 이중막은 단순히 구조적 특징이 아니라, 원핵세포 시절의 세포막과 진핵세포의 포식 과정에서 형성된 외막이 합쳐진 결과라고 볼 수 있겠습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 인수공통감염의 원리는 무엇인가요?
안녕하세요.인수공통감염(zoonosis, 또는 인수공통질병)은 동물에서 사람으로, 또는 사람에서 동물로 병원체가 넘어가는 현상을 말하는 개념인데요, 조류독감처럼 조류에 존재하던 바이러스가 사람에게 감염되는 사례가 대표적입니다. 우선 대부분의 바이러스나 세균은 특정 숙주에 최적화되어 있습니다. 즉, 특정 수용체와 결합할 수 있어야 세포 내로 들어가 증식할 수 있는데요, 예를 들어 조류독감(AI) 바이러스는 조류의 상기도 세포 표면에 있는 시알산 수용체에 결합하도록 진화했습니다. 사람 상기도 세포에는 조류형 시알산 수용체가 상대적으로 적지만, 일부 하기도(폐) 세포에는 존재하여 바이러스가 제한적으로 감염될 수 있습니다. 또한 서로 다른 종에서 온 바이러스가 사람에게 감염되려면, 바이러스가 사람 세포와 결합할 수 있도록 수용체 인식 특성을 바꾸는 유전자 변화가 필요합니다. 인플루엔자 바이러스의 경우, 조류형과 사람형 바이러스가 같은 개체 내에서 섞이면 재조합(reassortment)이 일어나 새로운 변이가 생기고, 인간 세포에 적합한 변이가 나타날 수 있습니다. 또한 이와 같은 종 간 감염은 숙주 간 접촉이 많아야 발생 가능성이 높은데요, 가금류 농장에서 조류 배설물이나 분비물과 사람이 직접 접촉하거나, 야생동물과 사람의 서식지가 겹치는 경우가 대표적입니다. 병원체는 환경에서 일정 시간 생존할 수 있어, 물, 흙, 먼지 등을 통해서도 전파될 수 있습니다. 즉 병원체가 사람에게 넘어왔다고 해서 바로 대규모 전염이 일어나는 것은 아니며, 인수공통감염이 사람-사람 전파로 이어질 수 있는지는 별개 문제로, 이 경우 바이러스가 사람 세포에서 효율적으로 증식하고, 사람 사이에 전파될 수 있는 변이가 필요합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 매미가 높은곳으로 날아가버리는 이유가 뭘까요?
안녕하세요.매미가 높은 곳으로 날아가는 행동은 단순히 ‘임의로 방향을 잡아서 날아가는 것’이 아니라, 진화적으로 형성된 생존·번식 전략과 관련이 있는 것인데요, 매미는 곤충류 포식자(새, 도마뱀 등)에 쉽게 노출됩니다. 즉 낮은 곳이나 눈에 잘 띄는 위치에 머물면 쉽게 발견될 수 있기 때문에, 높은 나무 위로 날아 올라 시야에서 벗어나거나 포식자의 접근을 어렵게 하는 전략을 사용합니다. 실제로 높은 곳은 포식자의 공격 범위가 상대적으로 낮습니다. 또한 수컷 매미는 높은 곳에서 울어 암컷을 유인하는데, 높은 위치에서 소리가 멀리 퍼지기 때문인데요, 나무 꼭대기에서 울면 암컷이 더 넓은 범위에서 신호를 감지할 수 있고, 이는 번식 성공률을 높이는 행동입니다. 이외에도 매미는 땅속에서 수년간 유충으로 지낸 뒤 성충이 되면 주로 수직 이동을 하는 본능을 가지고 있는데요, 낮은 위치에 머무는 것보다 수관(나무 위쪽)으로 올라가는 것이 일반적이며, 이는 나무 위에서 짝짓기, 산란, 그리고 포식자 회피가 동시에 가능하기 때문입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 육식 동물들끼리도 서로 잡아먹기도 하나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 육식 동물들끼리도 서로 잡아먹는 경우가 완전히 드물지는 않지만, 특정 조건에서 일어나는데요, 이를 생태학에서는 포식자 간 포식(Predator-on-predator predation) 또는 상위 포식자 간 경쟁이라고 부릅니다. 일반적으로 육식 동물들은 에너지 효율을 위해 초식 동물을 주로 사냥하지만, 몇 가지 상황에서는 동족이나 다른 육식 동물을 공격하거나 먹이로 삼습니다. 같은 종이라도 개체 간 경쟁에서 서로 공격하는 경우가 있는데요, 예를 들어 사자는 무리 내 또는 무리 간 영토 분쟁 중 서로 싸워 다치거나 죽일 수 있습니다. 하지만 이런 경우는 대부분 먹이를 목적으로 하기보다는 권력과 번식 기회를 확보하기 위한 싸움이며, 사자와 표범, 사자와 하이에나 같은 다른 종의 육식 동물 간에도 영역·먹이 경쟁 때문에 싸움이 일어나며, 죽은 개체를 먹는 경우도 있습니다. 또는 극심한 기근이나 먹이가 부족할 때는 다른 육식 동물을 사냥하기도 하는데요, 예를 들어, 하이에나가 죽은 사자를 먹거나, 늑대가 여유가 없을 때 다른 포식자 새끼를 공격하는 사례가 관찰되며, 표범은 다른 표범이나 사자의 새끼를 잡아먹는 일이 드물게 보고되며, 이는 생존과 번식 성공을 위한 전략과 관련이 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 아프리카 펭귄은 어떻게 따뜻한 곳에서 적용이 가능했던 건가요?
안녕하세요.질문해주신 아프리카 펭귄(Spheniscus demersus)은 남극의 황제펭귄처럼 극한의 한랭지에 사는 종과는 진화 계통이 다른, 온대 해안 환경에 특화된 펭귄인데요 펭귄류 전체는 남반구에서 기원했지만, 모두가 남극에 사는 것은 아니며, 진화 과정에서 일부 종은 점차 온대·열대 해역으로 확산하면서 환경에 맞춘 형태적·생리적 적응을 거쳤습니다. 아프리카 펭귄은 약 1천만 년 전 빙기·간빙기 주기와 해류 변화 속에서 남극 쪽 조상 개체군 일부가 벵겔라 해류가 흐르는 아프리카 남서부 해안으로 이동해 정착하면서 분화한 것으로 추정됩니다. 이 종이 따뜻한 곳에서 서식할 수 있는 이유는 몇 가지 생리적·행동적 적응 덕분인데요, 우선 아프리카 펭귄은 추운 물속에서 체온 유지가 필요한 만큼 여전히 두꺼운 깃털층과 지방층(피하 지방)을 유지하지만, 더운 기후에서는 과열을 막아야 하므로 다른 펭귄에 비해 지방층이 얇고, 체구가 비교적 작아 표면적 대비 부피 비율이 높아 열 발산이 쉽습니다. 또 눈 주위와 부리 위쪽에 노출된 피부 부위(“gular skin patch”)가 있어, 여기에 혈류를 늘리면 열을 외부로 방출할 수 있습니다. 더위가 심할 때는 날개를 살짝 벌려 체열 방출을 돕고, 그늘에 모이거나 물속에 자주 들어가 체온을 조절합니다. 서식 환경 측면에서도 아프리카 펭귄이 사는 해안은 연중 수온이 10~20℃ 정도로 비교적 시원한데요, 이는 남극 기원의 찬 벵겔라 해류가 남서아프리카 해안을 따라 북상하면서 만들어진 환경으로, 뜨거운 대륙성 기온과 달리 해안 수온이 안정적으로 낮아 이들이 서식하기에 적합합니다. 먹이인 정어리·멸치 같은 소형 어류도 이 차가운 해류에 풍부하게 분포해 펭귄의 생활을 가능하게 했습니다. 즉 아프리카 펭귄은 남극형 펭귄과 같은 조상을 공유하지만, 온대성 해류 환경과 비교적 따뜻한 기후에 맞춘 체형·생리·행동 조절 능력을 진화시켜 오늘날처럼 아프리카 남서부 해안에 적응한 것이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 고생대 동안 지구 대기의 산소 농도와 이산화탄소 농도는 어떻게 변화했으며, 이는 생명체의 진화에 어떤 영향을 미쳤나요?
안녕하세요.고생대(약 5억 4천만~2억 5천만 년 전) 동안 지구 대기의 산소와 이산화탄소 농도는 매우 큰 변화를 겪었으며, 이 변화는 당시 생명체의 진화와 다양화에 직접적인 영향을 주었는데요, 먼저 이산화탄소(CO₂)는 고생대 초기에 매우 높았습니다. 캄브리아기 초반에는 대기 CO₂ 농도가 오늘날 10~15배 정도였으며 데본기에 식물의 육상 진출과 관다발 식물의 확산이 시작되면서 광합성에 의해 CO₂가 대량 흡수되었고, 동시에 뿌리에 의한 암석 풍화가 활발해져 탄소가 해양 탄산염 형태로 고정되었습니다. 이로 인해 고생대 중·후반으로 갈수록 CO₂ 농도는 지속적으로 감소했고, 특히 석탄기에는 오늘날 수준에 가까울 정도로 낮아졌습니다. 이러한 CO₂ 감소는 지구 평균 기온 하락과 빙하기(특히 석탄기 말~페름기 초) 형성에 기여했습니다. 반면 산소(O₂)는 고생대 초반에는 지금보다 낮았지만, 육상 식물의 확산과 광합성 강화로 점차 상승했는데요, 데본기 후반부터 석탄기 중기에 이르러 대기 산소 농도는 약 35%까지 치솟아 지질시대 중 가장 높은 수준을 기록했습니다(현재 약 21%). 이 산소 농도 증가는 대형 곤충과 절지동물의 거대화를 가능하게 했는데, 예를 들어 날개 길이가 70cm에 달하는 거대 잠자리(Meganeura)나 길이 2m에 이르는 지네류(Arthropleura)가 살 수 있었습니다. 높은 산소 농도는 대사 효율을 높여 더 활발한 활동과 대형 체형을 가능하게 했고, 육상 척추동물의 호흡계 발달과 다양화에도 영향을 주었습니다. 그러나 고산소 환경은 산불 발생 빈도를 높였고, 페름기 말 대멸종 시기에는 화산 활동과 대규모 산불, 그리고 CO₂의 급격한 재증가가 맞물려 기후 변동이 심해졌으며 또한이산화탄소가 다시 증가하면서 온실효과가 강해졌고, 산소 농도는 급감하여 생태계에 큰 영향을 주었습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물의 육상 진출은 언제 이루어졌으며 이 사건이 지구 생태계와 대기 조성에 미친 영향은 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 식물의 육상 진출은 약 4억 7천만 년 전 오르도비스기 말~실루리아기 초에 처음 이루어진 것으로 알려져 있는데요, 당시 이전까지 지구의 육상 환경은 거의 식생이 없는 척박한 땅이었고, 광합성을 하는 생물은 대부분 바다 속에 살고 있었습니다. 최초로 육상에 적응한 식물은 선태류(이끼류)와 비슷한 원시적인 무관다발 식물로, 뿌리 대신 지하줄기 형태로 수분을 흡수했고, 큐티클과 기공 같은 구조를 발달시켜 건조한 환경에서 물 손실을 줄이며 살아갈 수 있었습니다. 이후 약 4억 년 전 데본기에 이르러 관다발 식물이 등장하면서 키가 큰 식물과 숲이 발달했고, 육상 생태계의 기반이 본격적으로 형성되었습니다. 이 육상 진출 사건은 지구 생태계와 대기 조성에 매우 큰 변화를 가져왔는데요, 우선 식물의 광합성 활동이 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 대규모로 흡수하고 산소(O₂)를 방출하여 대기 조성에 변화를 일으켰습니다. 데본기에는 광범위한 숲이 형성되면서 대기 산소 농도가 급격히 증가해, 이후 곤충과 대형 절지동물의 거대화를 가능하게 했고, 육상 동물의 다양화에도 기여했습니다. 또한 식물 뿌리의 발달은 암석 풍화를 촉진시켜 영양염류가 바다로 흘러가 해양 생태계의 생산성을 높였고, 풍화 과정에서 대기 CO₂가 장기간에 걸쳐 감소해 지구 기온을 낮추고 고생대 후반의 빙하기 형성에도 영향을 주었습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. DNA 추출 실험 에탄올 농도 몇 %부터 가능할까요?
안녕하세요.학교에서 흔히 진행하는 DNA 추출 실험에서 에탄올은 용액 속에 녹아 있는 DNA를 침전시키기 위해 쓰이며, 이 과정에서 중요한 점은 에탄올의 농도가 충분히 높아야 DNA가 물에서 분리되어 가라앉는다는 점입니다. DNA는 물과 잘 섞이는 친수성 구조를 갖고 있지만, 에탄올과 같은 유기용매가 들어오면 주변 물 분자들이 DNA를 감싸는 수화층이 붕괴되고, 대신 DNA끼리 수소결합과 염 결합을 통해 뭉치게 됩니다. 이때 농도가 낮은 에탄올은 용매 속 물 함량이 많아 수화층이 완전히 무너지지 않으므로 침전이 잘 일어나지 않습니다. 일반적으로 실험실에서는 95% 이상 무수(또는 절대) 에탄올이나 냉각된 100% 에탄올을 사용하며, 최소한 70% 이상은 되어야 눈에 보이는 침전이 안정적으로 형성되는데요, 80% 에탄올은 소독용 알코올에 해당하는 농도이므로, 95%에 비해 물이 더 많아 침전 효율이 다소 떨어질 수 있고, 특히 소량의 DNA를 다루거나 시료가 희석된 경우에는 침전이 희미하게 나타날 가능성이 높습니다. 그러나 시료량이 충분하고, 차갑게(냉동 보관 후 사용) 처리한다면 80% 에탄올로도 어느 정도 DNA 침전은 가능합니다. 다만, 뭉침이 약해 실처럼 선명하게 잡히는 양이 줄어들 수 있습니다. 즉 정리해드리자면 학교 실험에서 뚜렷한 결과를 보이려면 95% 이상 에탄올을 냉각해 사용하는 것이 가장 확실하고, 부득이하게 80%를 쓸 경우에는 시료를 많이 준비하고, 에탄올을 최대한 차갑게 유지하면 성공 가능성을 높일 수 있습니다. 감사합니다.