미토콘드리아는 어떤 요인으로 외부세포에서 우리몸의 공생관계로 갖게 된건가요
미토콘드리아는 원시세포 과거를 보게 되면 외부독자적인 세포였다고 하는데요 그렇다면 어떤 환경적인 요인으로 우리몸의 공생관계로서 자리를 잡게 된건가요
안녕하세요.
미토콘드리아의 기원과 그들이 고등 생물 세포와의 공생 관계로 발전한 과정은 개인적으로도 매우 흥미롭게 공부했던 경험이 있습니다. 이는 진화 생물학적 현상으로 내생설(endosymbiotic theory)로 설명할 수 있습니다. 내생설에 따르면, 현대의 진핵 세포(eukaryotic cell) 내 미토콘드리아는 원시적인 호기성 세균(aerobic bacteria)이 초기 eukaryotic cell에 의해 흡수되고, 결국 공생적인 관계를 형성하게 되면서 발전한 것입니다.
이 공생 관계는 형성의 주요 동기는 서로에 대한 상호 이익(mutual benefit)에 있습니다. 초기 유카리오틱 세포는 호기성 호흡을 수행할 수 있는 방법이 제한적이었으나, 호기성 박테리아는 효율적인 에너지 생산 방법인 산소를 이용한 호흡(aerobic respiration)을 할 수 있었습니다. 이 박테리아가 세포 내에 통합되면서, 세포는 산소를 이용하여 더 많은 에너지를 생산할 수 있는 능력을 획득하게 되었습니다. 반면, 호기성 박테리아는 진핵 세포의 구조적 보호와 영양분을 공급받게 되었습니다.
환경적인 요인으로는 지구의 대기 조성 변화, 특히 산소 농도의 증가가 큰 역할을 했습니다. 산소는 강력한 산화제로서 많은 초기 생명체에게는 독성을 가졌지만, 산소를 이용해 에너지를 효율적으로 생산할 수 있는 생물에게는 생존의 기회를 제공했습니다. 따라서, 산소를 이용할 수 있는 민토콘드리아의 조상은 생존과 번성에 유리한 위치를 점하게 되었고, 이것이 진핵 세포 와의 공생 관계를 더욱 공고히 하는데 기여했습니다.안녕하세요.
미토콘드리아가 현재의 세포 내에서 공생관계를 맺게 된 이유는 진화적 관점에서 매우 중요한 사건으로, 이는 약 20억 년 전 발생한 세포 내 공생설(endosymbiotic theory)로 설명됩니다. 이 이론에 따르면, 미토콘드리아는 원래 독립적으로 살아가던 고대의 세균이었으며, 이 세균이 다른 원시 세포와 공생관계를 형성하면서 오늘날의 진핵세포 내에 존재하게 된 것입니다. 미토콘드리아의 기원은 알파 프로테오박테리아(alpha-proteobacteria)라는 고대 세균으로 추정됩니다. 이 세균은 스스로 에너지를 생성할 수 있는 능력을 가진 독립적인 생물체였습니다. 미토콘드리아와 이 고대 세균의 유전자와 기능을 비교해 보면, 그 둘이 매우 유사한 특성을 공유하고 있다는 점에서 이러한 진화적 기원을 뒷받침합니다. 약 20억 년 전, 지구의 대기 중 산소 농도가 크게 증가하는 사건이 있었습니다. 이를 산소 대폭발(Great Oxygenation Event)이라고 부릅니다. 이 시기에는 산소를 에너지원으로 사용하는 호기성 생명체가 출현하게 되었으며, 산소를 독으로 여겼던 혐기성 생명체들은 어려운 생존 환경에 직면했습니다. 산소를 이용해 에너지를 효율적으로 생산할 수 있는 능력을 가진 호기성 세균(미토콘드리아의 조상)은 산소가 증가하는 환경에서 생존과 번영에 유리했습니다. 반면, 산소를 독성 물질로 여겼던 다른 원시 생물들은 산소로부터 보호를 받거나, 산소에 적응할 필요가 있었습니다. 원시 진핵세포는 크기가 점점 커지고 복잡해지면서 더 많은 에너지가 필요해졌습니다. 그러나 그 당시 원시 진핵세포는 에너지를 충분히 효율적으로 생산할 수 없었습니다. 호흡을 통해 산소를 이용해 에너지를 생산할 수 있는 호기성 세균(미토콘드리아의 조상)이 진핵세포와 공생관계를 형성함으로써, 세포는 더 많은 에너지를 얻게 되었고, 호기성 세균은 세포 내에서 보호받으면서 안정적인 환경을 제공받았습니다. 공생관계는 아마도 다음과 같은 단계로 진행되었을 것입니다. 우선 초기에는 호기성 세균이 다른 원시 진핵세포의 세포 안으로 들어갔을 가능성이 있습니다. 이것이 우연한 사건일 수도 있지만, 침입한 세균이 세포 내에서 살아남으면서 독립적으로 존재하기 시작했습니다. 진핵세포와 호기성 세균은 서로에게 이익이 되는 관계를 발전시켰습니다. 호기성 세균은 산소를 이용해 세포가 필요로 하는 에너지를 ATP 형태로 생산해 주었고, 세균은 진핵세포 내에서 안정적인 환경과 영양분을 얻을 수 있었습니다. 이 상호 이익의 관계가 공생으로 발전하게 되었습니다. 시간이 지남에 따라 호기성 세균의 많은 유전자가 진핵세포의 핵으로 이동하여 통합되었습니다. 그 결과로 호기성 세균은 더 이상 독립적으로 존재하지 않고, 세포의 일부로서 기능하게 되었습니다. 즉, 현재의 미토콘드리아는 고유한 DNA를 가지고 있지만, 일부 유전자들은 세포핵의 유전체로 통합되어 더 이상 완전히 독립적으로 생존할 수 없게 된 것입니다.
사실 정확히 알지는 못합니다.
다만 미토콘드리아의 기원과 공생 관계 형성에 대한 가장 인정되고 있는이론은 '세포내 공생설'입니다. 이 이론에 따르면, 미토콘드리아의 조상은 원시적인 세포 내에서 에너지를 효율적으로 생산하는 박테리아였습니다. 이 박테리아가 다른 원시 세포에 흡수되었지만 소화되지 않고 공생 관계를 형성하면서 미토콘드리아로 진화했다는 것입니다.
이러한 진화가 가능했던 이유에도 여러가지 가설이 있습니다.
원시 지구의 환경은 산소가 풍부하지 않고 유기물이 부족했을 가능성이 높고 이러한 환경에서 에너지를 효율적으로 생산할 수 있는 미토콘드리아는 다른 세포에게 큰 이점을 제공했을 것입니다. 또 원시 지구에서는 다양한 독성 물질이 존재했을 가능성이 있어 미토콘드리아는 이러한 독성 물질을 해독하는 데 도움을 주어 세포를 보호하는 역할을 했을 수 있다는 가설도 있습니다.
미토콘드리아는 약 20억 년 전 원핵생물이 초기 진핵세포와 공생하면서 우리 세포의 일부가 된 것으로 추정됩니다. 당시 환경은 산소가 급격히 증가하던 시기로, 산소를 효율적으로 사용하는 세포가 생존에 유리했습니다. 미토콘드리아의 조상인 세균은 산소를 이용해 에너지를 생산할 수 있었고, 이를 통해 숙주 세포에 에너지를 제공하며 공생 관계가 형성되었습니다. 이 공생은 에너지를 더 많이 필요로 하는 진핵세포의 진화와 생존에 큰 도움을 주었습니다.
안녕하세요. 박창민 수의사입니다. 공생 관계로 미토콘드리아는 호기성 박테리아인 리케차의 친척으로 알려져 있습니다. 감사합니다.