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생물·생명
Q. 암컷만 특이하게 생긴 나비가 많은 이유는 뭘까요?
말씀하신 암끝검은표범나비의 의태나 멤논제비나비 암컷의 아종별 다양한 모습은 나비의 성적 이형의 한 예입니다.그리고 사람과 반대로 나비의 성염색체가 ZZ는 수컷, ZW는 암컷인 것은 이 현상에 중요한 영향을 미칩니다.Y염색체의 불안정성 때문에 수컷 변이가 많다는 가설과 같은 이유냐고 하셨는데, 실제 유사한 메커니즘이 작용할 수 있습니다. 나비의 W염색체는 사람의 Y염색체와 비슷한 특징을 가지기 때문이죠.먼저 사람의 Y염색체처럼 나비의 W염색체는 Z염색체보다 훨씬 작고, 유전자 수가 적으며, 반복적인 DNA 서열이 많아 유전적으로 불안정하고 퇴화하는 경향을 보입니다. W염색체가 성 결정 유전자를 포함하고 있더라도, 그 외의 유전자를 많이 잃어버리는 경우가 많습니다.또한 사람의 XY 시스템에서 X가 더 많은 유전자를 가지고 있고 Y가 성을 결정하는 주된 유전자를 가지고 있는 반면, 나비의 ZW 시스템에서는 W 염색체가 암컷을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 하지만 W 염색체의 퇴화는 Z 염색체에 존재하는 유전자 발현의 균형을 맞추기 위한 '용량 보상'이라는 복잡한 메커니즘을 필요로 합니다.그리고 암컷이 ZW 염색체를 가지고 있기 때문에, W 염색체에 있거나 W 염색체의 영향을 받는 유전자는 오직 암컷에게만 발현됩니다. 이는 암컷에게만 특이한 형질이 발달하는 데 유리한 유전적 기반이 될 수 있습니다. 특히, 포식자로부터 자신을 보호하기 위한 의태는 암컷에게 더 강한 자연 선택 압력이 될 수 있는데, 암컷은 알을 낳아야 하므로 번식에 성공하기 위한 생존이 더 중요하기 때문입니다.결론적으로, 나비의 ZW 성염색체 시스템에서 W 염색체의 퇴화와 그에 따른 유전적 특성 등이 작용하여 암컷에게만 특이한 형태나 의태가 발달하는 경향이 있다고 할 수 있습니다.
생물·생명
Q. 자일리톨이 뮤탄스균의 불필요한 활동을 반복하게 하는 이유가 뭔가요?
자일리톨이 충치를 일으키지 않는 이유는 여러가지가 있지만, 가장 핵심은 말씀하신 뮤탄스균의 에너지 대사를 방해하여 무력화시키기 때문입니다.뮤탄스균은 우리가 섭취하는 설탕을 먹고 에너지대사를 하는데, 그 결과 산을 만들어 충치를 유발하게 됩니다.그런데 자일리톨이 뮤탄스균에게 마치 설탕처럼 보입니다. 그래서 뮤탄스균은 자일리톨을 설탕으로 착각하고 세포 안으로 적극적으로 흡수합니다. 이 과정이 바로 말씀하신 '불필요한 과정 반복'의 시작입니다.뮤탄스균은 세포막에 있는 특정 운반체 단백질을 통해 자일리톨을 세포 안으로 들여보냅니다. 이 운반체는 설탕과 자일리톨을 구분하지 못하고 모두 들여보냅니다.세포 안으로 들어온 자일리톨은 설탕과 마찬가지로 인산화 과정을 거치게 되는데, 이는 에너지를 사용하여 인산기를 붙이는 과정으로, 뮤탄스균이 설탕을 대사하기 위한 필수적인 첫 단계입니다. 뮤탄스균은 ATP를 소비하여 자일리톨에 인산을 붙입니다.그러나 문제는 인산화된 자일리톨은 뮤탄스균이 다음 단계로 대사할 수 없다는 점입니다. 설탕은 인산화된 후 여러 단계를 거쳐 에너지를 생산하지만, 자일리톨은 그 다음 단계로 넘어갈 수 없어 에너지를 만들지 못합니다.결국 뮤탄스균은 세포 내에 축적된 인산화된 자일리톨을 다시 세포 밖으로 배출하려고 합니다. 이는 일종의 독성 물질이 쌓이는 것을 막기 위한 생존 기작이라고 볼 수 있습니다. 하지만자일리톨이 세포 밖으로 나가도, 뮤탄스균은 다시 자일리톨을 설탕으로 착각하고 재흡수하는 과정을 반복하게 되죠.이러한 흡수-인산화-배출-재흡수의 무한 반복은 뮤탄스균에게 엄청난 에너지 낭비를 초래하고, 에너지는 계속 소비되는데 실제로는 아무런 에너지도 얻지 못하니, 결국 뮤탄스균은 에너지 고갈로 인해 더 이상 증식하거나 산을 생산할 수 없게 되고, 수가 점차 감소하게 되는 것입니다.그리고 말씀하신 효소의 기질 특이성과 연결 지어 생각해보면, 자일리톨은 뮤탄스균 내 특정 효소의 '잘못된 기질'이 됩니다. 효소는 특정 모양을 가진 기질에만 결합하여 반응을 촉매합니다. 마치 자물쇠와 열쇠처럼, 특정 효소는 특정 기질에만 딱 맞습니다. 뮤탄스균의 경우, 설탕을 인산화하는 효소가 설탕뿐만 아니라 자일리톨에도 결합하여 인산화 반응을 일으키는 것입니다. 즉, 이 효소는 자일리톨을 진짜 기질인 설탕과 구별하지 못하는 허점을 가지고 있다고 볼 수 있습니다.마지막으로 인체 내 효소는 뮤탄스균의 효소와는 다른 기질 특이성을 가집니다.즉, 인체 내의 효소는 자일리톨을 설탕으로 착각하지 않으며, 자일리톨을 에너지원으로 사용하지도 않습니다. 자일리톨은 인체 내에서 소화되지 않고 대부분 배출되거나, 일부는 장내 미생물에 의해 발효되어 흡수됩니다. 따라서 자일리톨은 인체 내의 효소 활동이나 에너지 대사에 영향을 주지 않습니다. 효소 자체는 인체에서 줄거나 영향력이 약해지는 것이 아닙니다.
생물·생명
Q. 어떨 때 보면 바위도 뚫고 나오고 아스팔트에서도 돋아나는 식물들의 생명력은 원천은 뭘까요
가장 큰 부분은 생물학적인 특성 때문이라 할 수 있습니다.먼저 식물 세포는 세포벽이라는 단단한 구조로 둘러싸여 있습니다.식물이 물을 흡수하면 세포 안의 액포가 팽창하여 세포막을 세포벽에 강하게 밀어붙이는데, 이를 팽압이라고 합니다. 이 팽압은 식물 줄기가 곧게 서 있도록 돕는 동시에, 뿌리나 줄기의 끝이 자라면서 주변의 단단한 물질에 지속적으로 압력을 가하게 됩니다. 이 압력이 오랜 시간 축적되면 미세한 틈을 벌리거나 약한 부분을 부수면서 길을 만들어 나가는 것이죠.또 일부 식물은 뿌리에서 유기산과 같은 화학 물질을 분비하여 주변의 암석이나 토양 성분을 용해시키는 능력이 있습니다. 특히 바위 틈에서 자라는 식물들의 경우, 이러한 화학작용이 바위를 약화시키고 미세한 균열을 확장시키는 원인이 되죠. 아스팔트의 경우에도 시간이 지나면서 풍화되거나 작은 균열이 생기는데, 식물이 분비하는 물질들이 그런 과정을 촉진할 수 있습니다.
생물·생명
Q. 염색체를 합쳐 새로운 생명체를 만들 수 있나요?
이론적으로는 가능합니다.또 실제 그런 것을 연구하는 학문도 있는데 바로 합성 생물학입니다.합성 생물학은 기존 생명체의 구성 요소를 모방하거나, 아예 처음부터 인공적으로 설계하여 새로운 생물 시스템을 구축하는 학문입니다. 말씀하신 유전자를 조작하는 유전 공학은 물론이고 공학적으로 부품을 조립하듯이 생명체를 설계하고 만드는 개념이죠.
생물·생명
Q. 참새가 정말 러브버그의 포식자인가요?
결론을 먼저 말씀드리면 참새를 비롯한 일부 포식자의 등장으로 러브버그가 우리나라에서 멸종다고 보기는 어렵습니다.무엇보다 러브버그는 국내에 유입된 외래종이며, 고온다습한 환경을 좋아하는 특성상 기후변화의 영향으로 개체 수가 급증하고 있는데, 새로운 환경에 빠르게 적응하여 번성하는 외래종의 특성상, 소수의 포식자가 나타났다고 해서 급격히 멸종되기는 어렵습니다.또한 러브버그는 암컷 한 마리가 300~500개의 알을 낳을 정도로 번식력이 뛰어납니다. 이러한 높은 번식력은 포식자에 의한 개체 수 감소를 상쇄할 수 있습니다.게다가 러브버그는 주로 6월 말에서 7월 초에 대량 출몰하며, 약 2주 후에는 개체 수가 급격히 줄어드는 경향을 보입니다. 이는 장마와 같은 자연적인 요인에 의한 것으로, 포식자의 활동만으로 인한 멸종이라 말하기는 어렵습니다.결론적으로, 참새가 러브버그의 포식자 중 하나로 추정되기는 하지만, 이것이 러브버그가 우리나라에서 멸종될 것을 의미하지는 않습니다.