학문
굉장히 기온이 낮은 남극에 사는 동물은 왜 얼지 않을까요?
안녕하세요. 남극은 일반적으로 기온이 영하 30도 밑이라고 하던데요, 왜 남극 동물은 얼지 않을 수 있는지 궁금합니다. 차가운 환경에서 체액은 왜 얼지 않을까요? 일부 동물은 부동 단백질을 가지고 있다고 하는데, 이것은 어떤 역할을 하나요?
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
남극처럼 극도로 추운 환경에 사는 동물들이 얼지 않는 이유는 체온 유지 전략과 체액이 얼지 않도록 만드는 분자 수준의 적응을 했기 때문입니다.
말씀해주신 것처럼 남극의 기온은 겨울철에는 영하 40~60도까지 내려가며, 바닷물조차 약 영하 1.8도 수준인데요 일반적인 생물의 체액은 대부분 물로 이루어져 있기 때문에, 물리적으로 보면 이런 온도에서는 얼어야 정상입니다. 그런데도 남극 동물들이 생존할 수 있는 이유는 얼음이 형성되지 않도록 적극적으로 막는 생리 시스템을 갖추고 있기 때문입니다. 이때 핵심은 체온 조절 전략인데요 펭귄이나 물범처럼 남극에 사는 포유류와 조류는 기본적으로 항온동물입니다. 이들은 외부 온도와 무관하게 체온을 약 37~40도 수준으로 유지하며 이를 위해 두꺼운 피하지방층, 밀도가 높은 깃털이나 털, 그리고 말초 혈관 수축을 통한 열 손실 최소화 전략을 사용합니다. 즉, 이 동물들은 체액이 얼지 않도록 차가워지지 않게 만드는 쪽에 초점을 둔 생물들입니다. 또한 말씀해주신 부동단백질도 중요한 역할을 합니다. 물은 온도가 내려가면 분자들이 규칙적인 육각 결정 구조를 만들면서 얼음이 되고 얼음 결정이 한 번 만들어지면, 주변의 물 분자들이 계속 달라붙으면서 빠르게 성장합니다. 생물에게 치명적인 것은 바로 이 얼음 결정의 성장인데요 세포 안이나 혈관 속에서 얼음 결정이 커지면, 세포막과 조직이 물리적으로 파괴됩니다. 부동 단백질은 이 과정의 아주 초기에 개입하는데요, 이 단백질은 얼음 결정의 특정 면에 선택적으로 달라붙어, 결정이 더 커지는 것을 물리적으로 차단합니다. 중요한 점은, 부동 단백질이 물을 안 얼게 만드는 것이 아니라, 얼음이 자라지 못하게 만드는 것이라는 점입니다. 그 결과 체액은 실제 어는점보다 더 낮은 온도에서도 액체 상태를 유지할 수 있습니다.
마지막으로 남극 생물들은 세포막 자체의 성질도 다르게 진화했습니다. 낮은 온도에서는 세포막이 딱딱해지기 쉬운데, 남극 생물들은 불포화 지방산 비율이 높은 막 구조를 가지고 있어 저온에서도 막이 유동성을 유지합니다. 이는 얼음이 생기지 않더라도, 저온으로 인한 세포 기능 정지를 막는 데 매우 중요합니다. 감사합니다.
채택된 답변남극 동물들은 영하의 온도에서도 부동 단백질(AFP)을 가지고 있어 체액이 얼지 않는 것입니다.
부동 단백질은 체내에 생긴 미세한 얼음 결정의 표면에 달라붙어, 물 분자가 추가로 결합해 결정이 커지는 것을 물리적으로 막아줍니다. 그 덕분에 얼음 가시가 세포를 파괴하는 것을 막고, 어는점을 주변 바닷물 온도보다 낮게 유지할 수 있죠.
그리고 펭귄이나 물개 같은 정온 동물은 두꺼운 지방층으로 열 차단막을 형성하고, 동맥의 열을 정맥으로 전달하는 대향류 열교환 시스템을 통해 체온을 지키는 것입니다.
결론적으로 얼음이 커지지 않도록 하는 화학적인 부분과 열 손실을 최소화하는 설계를 활용해 극지방의 혹한을 견뎌내는 것입니다.
남극 동물의 체액이 얼지 않는 이유는 몸속에 생성되는 부동 단백질이 얼음 결정의 성장을 억제하기 때문입니다. 이 단백질은 혈액 속에 생긴 미세한 얼음 핵에 결합하여 결정이 커지거나 주변 조직을 파괴하는 것을 방지하는 부동액 역할을 수행합니다. 또한 남극의 물고기나 펭귄 등은 두꺼운 지방층이나 깃털을 통해 체온 유실을 막고 혈관 조절을 통해 말단 부위의 냉동을 피합니다. 일부 종은 혈액 내 염분 농도를 조절하거나 특수한 효소 체계를 갖추어 극저온 환경에서도 신진대사를 유지하며 생존합니다.