지구는 뜨겁고 습합니다. 바다는 생명으로 가득 차 있습니다. 초기 오징어, 장어, 바다 벌레는 더 작은 동물을 잡아먹었습니다. 그러나 지상에는 움직임이 없었다. 동물들은 아직 해변으로 올라가지 않았습니다. 이것이 약 4억 5천만년 전 오르도비스기 말기의 지구 모습이었습니다. 따뜻한 물은 야생동물에게 완벽한 환경을 조성합니다. 그러나 그것은 곧 바뀔 수 있습니다. 얼마 지나지 않아 땅이 얼기 시작했고 빙상이 퍼지기 시작했습니다.
Springtails는 고대입니다. 그들은 4억여 년 전에 처음 나타났으며 곤충과 공통 조상을 공유할 수 있습니다. 그러나 그 이후로 그들은 곤충과는 다른 방향으로 진화해 왔습니다. 이제 우리는 그들이 부동액 단백질을 개발한 최초의 동물이라는 것을 알고 있습니다. 이미지 출처: Philippe Garcelon/Wikimedia Commons
이전에는 따뜻하고 야생동물에게 적합했던 물이 차갑고 사람이 살 수 없게 되었습니다. 종 이후의 종들이 굴복했습니다. 짧은 시간 안에, 지구 역사상 두 번째로 심각한 대량멸종의 일환으로 모든 생명체의 절반이 사라졌습니다.
오르도비스기 시대의 생활은 오늘날과는 많이 달라 보였습니다. 땅은 척박하고 생명이 없으나 바다에는 생명이 가득하도다. 여기에 사진에 나오는 오징어와 말미잘이 특히 지배적입니다. 그러나 이때에도 스프링테일이 존재합니다. 이미지 출처: FritzGeller-Grimm/WikimediaCommons
Springtails: 부동액 단백질을 지닌 생존자
그러나 살아남은 동물 중 하나는 톡토기였습니다. 작은 곤충과 같은 동물이 추위에 맞서기 위해 특별한 전략을 개발했습니다. 동물 세포는 세포가 얼지 않도록 보호하는 단백질을 생산하기 시작했습니다.
톡토기는 부동액 단백질을 생산한 최초의 동물이었을 것입니다. 과학자들은 이전에 동물들이 훨씬 나중에서야 이런 일을 시작한다고 생각했습니다. 오르후스 대학(Aarhus University)과 캐나다 퀸스 대학(Queen's University)의 연구 결과가 이를 보여줍니다.
마틴 홀름스트럽(Martin Holmstrup)은 “우리는 부동액 단백질이 진화 역사에서 여러 번 독립적으로 발전했다는 것을 알고 있습니다. 물고기에도 있고, 곤충에도 있고, 일부 거미에도 있습니다. 그러나 이러한 결과를 보기 전까지 우리는 이 단백질이 동물계에서 이렇게 일찍 발달했다는 사실을 전혀 몰랐습니다.”라고 말합니다.
그는 오르후스 대학교 생태과학과 교수이자 새로운 연구의 연구원 중 한 명입니다.
스프링테일은 정원을 포함해 어디에서나 찾을 수 있습니다.
톡토기는 작은 동물로, 가장 큰 종은 길이가 6mm에 불과합니다. 다리는 6개이고 앞쪽에 촉수가 2개 있습니다. 언뜻 보면 곤충처럼 보이지만 그렇지 않습니다. 사실, 그것은 진화계통에 자체 가지를 가지고 있습니다.
지금까지 연구자들은 9,000종 이상의 다양한 톡토기 종을 발견했으며 정원을 포함하여 거의 모든 곳에서 발견할 수 있습니다. 톡토기 벌레는 일반적으로 토양의 상층부나 나뭇잎 깔짚에 서식하며 작은 균류, 박테리아 및 기타 미생물을 먹고 삽니다.
이 동물은 투석기의 막대처럼 몸 아래에 고정되어 있는 갈라진 꼬리에서 그 이름을 얻었습니다. 꼬리는 갈래꼬리라고도 하는데, 적(호랑이 등)의 공격을 받으면 재빠르게 꼬리를 풀고 최대 10cm 높이까지 뛰어오를 수 있다.
스프링테일은 영양분을 식물에 재활용하는 데 도움이 되기 때문에 토양 건강에 유익합니다.
Martin Holmstrup은 실험실에서 거의 20종에 달하는 톡토기를 기릅니다. 작은 동물은 공간이 많이 필요하지 않습니다. 전체 식민지가 유리 그릇에 살 수 있다고 그는 말했습니다. "우리는 그들을 촉촉하게 유지시켜주는 석고 베이스가 있는 페트리 접시에 넣습니다. 사료로 약간의 건조 효모를 줍니다. 그것이 기본적으로 그들에게 필요한 전부입니다."라고 그는 말했습니다.
마틴 연구실의 스프링테일(Springtails)이 실험에 사용되었습니다. 그는 동물의 샘플을 캐나다에 있는 세 명의 동료에게 보냈고, 그들은 동물이 처음으로 부동액 단백질을 생산한 시기를 알아보기 위해 일련의 분자 실험을 수행했습니다.
연구자들은 세포가 부동액 단백질을 생성할 수 있게 하는 DNA 서열을 알고 있기 때문에 종, 과, 강에 걸쳐 동일한 서열을 검색할 수 있습니다. 그들은 또한 유전자의 기원을 초래한 돌연변이가 발생한 시기, 즉 오르도비스기 시기를 계산할 수 있습니다.
"계산에 따르면 톡토기는 다른 동물보다 오래 전에 부동액 단백질을 생산한 것으로 나타났습니다. 이는 물고기와 곤충에서 백만년이 지나서야 발생했습니다. 비록 식물과 박테리아 및 단세포 조류와 같은 미생물이 훨씬 더 일찍 유사한 메커니즘을 개발했을 수도 있지만"이라고 그는 말했습니다.
스프링테일을 찾는 방법
생태과학과의 Martin Holmstrup과 그의 동료들은 실험실을 위해 스프링테일을 직접 수집했습니다. 그들은 덴마크, 아이슬란드, 그린란드에 모였습니다.
찾기가 어렵지 않으며 정원에서도 찾을 수 있습니다.
다음 단계를 따르세요.
정원에서 흙이나 나뭇잎을 한 줌 모아 체에 넣습니다.
조절 가능한 조명을 체 위에 놓고 트레이를 체 아래에 놓습니다.
빛의 열로 인해 스프링 테일은 더 시원한 환경을 찾습니다. 이렇게 하면 체를 통과하여 쟁반으로 떨어지고 거기서 기어가는 모습을 볼 수 있습니다.
톡토기는 세계 거의 모든 곳에서 찾을 수 있지만 북극에는 다른 어느 곳보다 톡토기가 더 많습니다. 소수의 다른 육지 동물만이 그린란드와 캐나다의 추위에서 살아남을 수 있습니다. 즉, 톡토기는 방해받지 않고 박테리아와 곰팡이를 먹을 수 있습니다.
"스프링테일의 매우 강력한 부동액 단백질 덕분에 추운 지역에서도 살아남을 수 있습니다. 그곳에서는 다른 벌레 및 곤충 몇 마리와 먹이를 공유하기만 하면 됩니다. 그리고 천적도 많지 않습니다."라고 Martin Holmstrup은 말합니다.
겨울에 북극 기온이 떨어지면 톡토기는 부동액 단백질을 생산하기 시작합니다. 그들은 작은 얼음 결정의 표면에 부착되어 성장을 방해할 수 있기 때문에 "얼음 결합 단백질"이라고도 불립니다. 토양이 얼면 육상동물은 얼음 결정과 밀접하게 접촉하게 되기 때문에 부동액 단백질은 얼음이 동물의 체내로 확산되어 죽는 것을 방지하는 중요한 역할을 한다.
"우리와 대부분의 다른 동물과 마찬가지로 톡토기는 '혈액'이 얼면 생존할 수 없습니다. 부동액 단백질이 이를 방지하는 데 도움이 됩니다."라고 그는 말했습니다.
톡토기는 모양과 크기가 다양하며 종은 9,000종 이상입니다. 이것은 우리가 발견한 종의 수에 불과합니다. 연구자들은 톡토기 종이 두 배 이상 많은 것으로 추정합니다. 이미지 출처: Andy Murray/Wikimedia Commons
건포도처럼 건조하다
그러나 이 특별한 단백질은 톡토기가 북극의 추위에서 살아남을 수 있는 유일한 능력이 아니라 또 다른 생존 방법을 가지고 있습니다.
"모든 생명체는 세포 내부에 물 분자를 갖고 있기 때문에 영하의 온도에 매우 취약합니다. 물이 얼면 세포가 파괴됩니다. 이를 방지하기 위해 스프링테일은 스스로 건조되어 겨울 동안 일종의 동면 상태에 들어갑니다."라고 Martin Holmstrup은 설명합니다.
톡토기가 동면할 때 신진대사가 너무 느려지므로 과학자들은 이를 실제로 측정할 수 없습니다. 그러나 봄이 오면 물을 다시 몸 안으로 흡수하고 신진대사를 다시 시작합니다.
"동결건조를 연상시키는 과정인 포도를 건조시켜 건포도를 만드는 것과 비교할 수 있습니다. 겨울 동안 톡토기는 줄어들고 작고 주름진 동물이 됩니다. 그런 다음 봄이 오면 물을 흡수하여 정상적인 크기로 부풀어 오른다"고 그는 말했습니다.
냉동되어 죽어야 하는 물고기에서도 발견됩니다.
특정 동물 종이 지구상에서 가장 추운 지역에서 어떻게 생존하는지 수년간 미스터리였습니다. 지난 세기 중반이 되어서야 과학자들은 동물이 추위에 대처할 수 있게 해주는 부동액 단백질을 발견했습니다.
수십 년 동안 과학자들은 북극 물고기가 어떻게 섭씨 영하 1.8도의 추운 물에서도 헤엄칠 수 있는지 궁금해했습니다. 바닷물은 염분 함량으로 인해 어는점이 낮습니다. 반면에 물고기 피는 어는점이 -1℃로 물 속에서 얼지 않을 수 없습니다.
"어린 바다에서 물고기가 어떻게 살아남는지는 오랫동안 미스터리였습니다. 그러나 1960년대 후반 미국 연구원 Arthur DeVries는 북극 물고기에서 발견된 단백질을 분리할 수 있었으며, 이는 물고기가 평생 동안 과냉각 상태에 있더라도 물고기의 세포와 혈액에 얼음이 형성되는 것을 방지한다는 사실을 발견했습니다"라고 Martin Holmstrup은 설명합니다.
그 이후로 연구자들은 다른 많은 동물, 식물 및 미생물에서 부동액 단백질을 발견했습니다. 이러한 부동액 단백질은 현재 산업계에서 사용됩니다.
부동액 단백질의 역사와 응용
오늘날에는 많은 식품이 냉동 식품으로 사고 팔립니다. 그러나 문제는 얼음 결정이 형성되기 시작하면 냉동 식품이 변할 수 있다는 것입니다. 그들은 종종 음식의 맛과 질감을 감소시킵니다.
그러나 이러한 상태는 특수 부동액 단백질로 예방할 수 있다고 Martin Holmstrup은 설명합니다.
"생선 부동액 단백질을 암호화하는 유전자가 산업용 효모 세포 배양에 복사되었습니다. 이를 통해 효모는 다양한 식품에 첨가할 수 있는 매우 유용한 단백질을 생산할 수 있습니다."라고 그는 말했습니다.
특히 단백질이 풍부한 음식 중 하나는 아이스크림입니다.
"저는 Unilever가 정말 사랑스러운 질감을 만드는 데 도움이 되는 단백질을 아이스크림에 사용한다는 것을 알고 있습니다. 아이스크림은 단단한 얼음 결정으로 변하지 않고 해동하고 다시 냉동할 수도 있습니다. 장기적으로 이 효과는 이식된 장기의 냉동 보존에 사용될 수 있습니다. 항공우주 및 풍력 터빈 산업과 같은 다른 산업에서도 이 단백질을 실험하고 있습니다. 그들은 이 단백질이 항공기 날개에 얼음이 형성되거나 얼음이 얼지 않도록 보호할 수 있기를 바라고 있습니다."