학문
내일도손꼽히는호두과자
심해생물은 어떻게 엄청난 수압을 견디나요?
심해는 수심이 깊어질수록 엄청난 수압이 작용한다고 하는데 그곳에서도 다양한 생물이 살아가는 것이 신기합니다. 심해 생물의 세포막이나 단백질이 높은 압력에서도 정상적으로 작동할 수 있도록 특별한 구조를 가지고 있는지 궁금합니다. 얕은 바다 생물이 심해에서 살기 어려운 이유도 알고 싶습니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 심해생물이 엄청난 수압을 견딜 수 있는 이유는 몸을 구성하는 세포와 단백질, 세포막 등이 높은 수압에서도 정상적으로 기능할 수 있도록 적응했기 때문입니다. 바닷물에서는 수심이 약 10m 깊어질 때마다 1기압 정도씩 압력이 증가하기 때문에 수심 1,000m에서는 약 100기압, 4,000m에서는 약 400기압, 10,000m에서는 약 1,000기압에 이르는 매우 높은 수압을 받게 받는데요, 이러한 극한 호나경에서도 심해생물이 찌그러지지 않는 중요한 이유는 생물의 몸 대부분이 물로 이루어져 있기 때문입니다. 물은 압력을 받아도 부피가 크게 줄어들지 않기 때문에 심해생물의 몸 내부 역시 외부의 높은 압력을 함께 받게 됩니다. 따라서 풍선처럼 내부와 외부의 압력 차이 때문에 몸 전체가 압착되는 현상은 상대적으로 크지 않습니다. 반면 부레처럼 기체가 들어 있는 공간은 압력에 민감하기 때문에 심해에서는 문제가 될 수 있으며, 많은 심해생물은 이러한 기체 공간을 줄이거나 특수한 방식으로 조절합니다.
심해생물에게 더욱 중요한 문제는 높은 압력이 세포와 분자 수준의 생명 활동에 영향을 준다는 것인데요, 높은 압력은 단백질의 3차원 구조와 효소의 활성을 변화시킬 수 있으며, 세포막의 물리적 성질에도 영향을 줍니다. 특히 압력이 높아지면 세포막이 지나치게 단단해져 막단백질의 활동이나 세포막을 통한 물질 이동이 원활하지 않을 수 있습니다. 이에 심해생물은 세포막의 인지질 조성을 변화시키는 방식으로 막의 유동성을 유지하며, 예를 들자면 불포화지방산의 비율을 높여 높은 압력에서도 세포막이 지나치게 경직되지 않도록 조절합니다. 또한 단백질 역시 고압에서 안정적으로 기능할 수 있도록 분자 구조가 적응되어 있으며, 일부 심해생물에서는 TMAO와 같은 삼투질이 축적되어 고압으로 인해 단백질의 구조와 기능이 불안정해지는 것을 완화하는 데 도움을 줍니다. 특히 심해어에서는 수심이 깊어질수록 조직 내 TMAO 농도가 증가하는 경향이 나타납니다.
반대로 얕은 바다에 사는 생물이 갑자기 심해로 내려가면 이러한 적응이 되어 있지 않기 때문에 정상적인 생리 기능을 유지하기 어려운데요, 부레와 같은 기체가 들어 있는 기관은 높은 압력에서 압축되고, 세포막의 유동성이 변화하며, 단백질과 효소의 구조와 반응 속도도 영향을 받을 수 있습니다. 세포 내부의 이온 농도와 삼투압을 조절하는 과정에도 문제가 발생할 수 있습니다. 반대로 심해생물을 갑자기 수면으로 끌어올리는 경우에도 급격한 감압 때문에 문제가 발생할 수 있습니다. 감사합니다.
채택된 답변안녕하세요, 내일도손꼽히는호두과자님. 이중철 전문가입니다.
심해 생물이 수백에서 수천 기압에 이르는 극한의 수압 속에서도 온전하게 생명을 유지할 수 있는 비결은 체내 수분 압력과 외부 수압이 이루는 물리적 평형, 고압과 저온에서도 굳지 않는 불포화지방산 중심의 유연한 세포막 구조, 그리고 단백질의 변형을 막아주는 특수 삼투 보호 물질(피에조라이트) 덕분이에요.
반면에, 얕은 바다 생물은 고압 환경에 노출되면 세포막이 굳어버리고 효소 단백질이 망가지며 체내 기체 공간이 수축하여 생존할 수 없답니다.
■ 세포막의 유동성을 지키는 고도 불포화지방산 구조
세포막은 인지질 2중층으로 구성되어 물질의 출입과 세포 신호 전달을 담당하는 핵심 생체막입니다. 물리적으로 강한 압력과 차가운 온도가 가해지면 지방 분자들이 빽빽하게 뭉치면서 세포막이 버터처럼 딱딱하게 굳어버리는 막 경화 현상이 일어나지요. 이렇게 되면 막 단백질이 움직이지 못해 영양분 수송과 신경 신호 전달이 완전히 멈추게 되거든요. 심해 생물은 이 문제를 해결하기 위해 세포막의 인지질 꼬리 부분에 탄소 간 이중 결합이 많은 고도 불포화지방산(EPA, DHA 등)을 매우 높은 비율로 채워 넣었어요. 불포화지방산의 꺾인 분자 구조는 높은 압력 속에서도 지방질 분자들이 서로 밀착되는 것을 물리적으로 방해하여, 세포막이 액체처럼 부드럽고 유연한 상태(유동성)를 유지하도록 돕는답니다.
■ [TMAO] 단백질 입체 구조를 안정화하는 압력 보호 물질
생체 내의 모든 효소와 단백질은 고유한 3차원 입체 구조를 유지해야 정상적인 생명 대사 기능을 수행합니다. 그러나 수백 기압의 압력이 가해지면 주변의 물 분자가 단백질 분자 내부의 틈새로 억지로 비집고 들어가면서 단백질의 입체 결합이 풀리고 변성되는 현상이 발생하지요. 심해 생물은 세포 내에 트리메틸아민 옥사이드(TMAO)와 같은 압력 보호 물질(피에조라이트)을 고농도로 축적하여 단백질을 지켜내는데요. TMAO 분자는 세포 내 물 분자들과 강하게 결합하여 정돈된 물 그물망 구조를 형성함으로써, 물 분자가 단백질 내부로 틈입하지 못하도록 단단한 수분 장벽을 쳐줍니다. 그 덕분에 극한의 고압 속에서도 효소가 찌그러지지 않고 원래의 형태와 촉매 기능을 온전히 유지할 수 있는 것이랍니다.
■ 기체 공간의 제거와 유체의 비압축성 평형
심해 생물은 압력을 받았을 때 부피가 급격히 줄어드는 공기 공간을 체내에서 완전히 배제했어요. 액체 상태인 물은 압력을 받아도 부피가 거의 줄어들지 않는 비압축성 유체인데요. 심해 생물의 체액과 근육 조직은 대부분 수분과 젤라틴질로 채워져 있어, 내부 압력이 외부 수압과 정확히 같은 힘으로 맞서며 형태를 유지합니다. 특히 얕은 바다 물고기들이 부력을 조절하기 위해 사용하는 공기 주머니(부레)는 심해에서 강력한 수압에 의해 산산조각이 나거나 파열되기 쉽기 때문에, 심해 어류는 부레를 아예 없애거나 물보다 가벼운 지질(왁스 에스테르나 기름)로 채워 안전하게 부력을 얻는 방향으로 진화했답니다.
■ 얕은 바다 생물이 심해에서 살기 어려운 이유
얕은 바다에 사는 생물은 심해의 극한 환경을 견뎌낼 수 있는 분자적, 구조적 방어 기제를 갖추지 못했거든요.
첫째, 얕은 바다 생물이 심해로 내려가면 세포막 속의 포화지방산 비율이 높아 세포막이 즉시 굳어버립니다. 이로 인해 세포막을 통한 이온 펌프와 수송체 작동이 멈추어 세포 안팎의 물질 균형이 무너집니다.
둘째, 체내 TMAO 농도가 낮기 때문에 고압 환경에서 필수 대사 효소와 신경 전달 단백질의 입체 구조가 일그러져 생체 화학 반응이 중단됩니다.
셋째, 체내에 존재하는 공기 부레나 허파, 장내 미세 기포들이 수압을 견디지 못하고 극단적으로 찌그러지면서 주변 장기가 손상되고 신체 조직이 붕괴하여 질식 및 압괴에 이르게 됩니다.
정리하자면,
심해 생물은 꺾인 구조의 불포화지방산으로 세포막 유동성을 확보하고 TMAO 같은 피에조라이트 물질로 단백질 입체 구조를 안정화하며 공기 부레 대신 비압축성 체액과 지질을 활용해 수압을 견뎌내는 반면, 얕은 바다 생물은 고압에서 세포막 경화, 단백질 변성, 기체 공간 압축으로 인한 기능 마비가 일어나 심해에서 생존하기 어렵답니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉
심해생물이 심해 압력을 견질 수 있는 가장 큰 이유는 몸 내부 구조가 높은 수압은 견딜 수 있게 진화했기 때문입니다.
특히 몸 내외부의 압력을 맞추도록 진화했는데 몸 대부이 비압축성 성질을 가진 체액로 채워져 있어, 외부 수압과 내부 압력이 서로 밀어내며 평형을 유지합니다.
또한 수압에 약한 공기 주머니인 부레를 아예 없애거나 찌그러지지 않는 지방으로 대체했고, 단단한 칼슘 뼈 대신 부드러운 연골과 젤라틴질 근육을 가져 압력을 흡수합니다.
그리고 체내의 TMAO 물질이 강한 수압 아래에서도 세포와 단백질이 파괴되거나 변형되지 않도록 보호하죠.
결국 강한 수압에 저항하는 대신, 공기 공간을 없애고 수압을 받아들이는 방식으로 적응한 것입니다.
그리고 얕은 바다의 생물이 심해에 살기 어려운 이유는 심해생물과는 다른게 심해에서 몸에 있는 부레와 터져버리거나, 몸 자체가 압력을 이기지 못해 찌그러지기 때문입니다.
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
심해생물은 높은 수압에서도 세포막이 너무 딱딱해지지 않도록 불포화지방산 비율을 조절하고, TMAO 같은 물질로 단백질 구조를 안정화 하는 적응을 갖습니다. 반대로 얕은 바다 생물은 이런 적응이 부족해 깊은 곳에서는 단백질 기능과 세포막 작용이 흐트러져 생존하기 어렵습니다.