해파리는 사람들이 생각하는 것보다 더 발전했습니다. 코펜하겐 대학교의 새로운 연구에 따르면 신경 세포는 천 개에 불과하고 중심 뇌가 없음에도 불구하고 카리브해 상자 해파리의 학습 능력은 상상했던 것보다 훨씬 더 복잡합니다. 이 발견은 뇌에 대한 우리의 근본적인 이해를 변화시키고 우리 자신의 신비한 뇌에 대해 깨달을 수 있습니다.
지구에서 5억년 이상이 지난 지금, 해파리가 진화적으로 큰 성공을 거뒀다는 사실에는 의심의 여지가 없습니다. 그럼에도 불구하고 우리는 항상 그들을 학습 능력이 매우 제한된 단순한 생물로 생각했습니다.
일반적으로 동물의 신경계가 발달할수록 학습 능력도 더 좋아진다고 믿어집니다. 해파리와 그 친척(자포동물로 통칭)은 다소 단순하고 중앙 뇌가 없는 신경계를 가진 최초의 살아있는 동물로 생각됩니다.
신경생물학자인 Anders Garm은 10년 넘게 세계에서 가장 독성이 강한 생물 중 하나로 알려진 해파리 그룹인 상자해파리를 연구해 왔습니다. 하지만 이 치명적인 해파리가 흥미로운 이유는 또 있습니다. 생각보다 단순하지 않다는 것이 밝혀졌습니다. 이는 단순한 신경계에 대한 우리의 이해를 뒤흔듭니다.
"한때 해파리는 습관화 학습, 즉 지속적인 소리나 지속적인 접촉과 같은 특정 자극에 익숙해지는 능력을 포함하여 가장 간단한 학습만 수행할 수 있다고 생각되었습니다. 이제 우리는 해파리의 학습 능력이 훨씬 더 정교해졌으며 실제로 실수로부터 배울 수 있다는 것을 발견했습니다." 코펜하겐 대학교 생물학과 부교수인 Anders Garm은 이렇게 말했습니다.
신경계의 가장 발전된 특성 중 하나는 경험, 즉 기억과 학습을 기반으로 행동을 변화시키는 능력입니다. Kiel University의 Jan Bielecki와 Anders Garm이 이끄는 연구팀은 상자 해파리에서 이 능력을 테스트하기 시작했습니다. 이번 연구 결과는 최근 Current Biology 저널에 게재되었습니다.
상자해파리는 세계에서 가장 독성이 강한 해파리 중 하나입니다. 그들은 독을 사용하여 물고기와 큰 새우를 잡습니다. 상자해파리(Tripedaliacystophora)는 약한 독을 갖고 있으며 작은 요각류를 잡아먹습니다.
상자해파리는 대부분의 동물처럼 중앙 집중화된 뇌를 가지고 있지 않습니다. 대신에 그들은 각각 약 천 개의 신경 세포가 있는 4개의 평행한 뇌와 같은 구조를 가지고 있습니다. 인간의 뇌에는 약 1000억 개의 신경세포가 있습니다.
상자해파리는 4개의 뇌와 유사한 구조에 걸쳐 24개의 눈을 가지고 있습니다. 이 눈 중 일부는 이미지를 형성하여 상자해파리에게 다른 유형의 해파리보다 더 정교한 시각을 제공할 수 있습니다.
침침한 맹그로브 숲 사이로 길을 찾기 위해 Tripedaliacystophora는 네 눈을 사용하여 물 속을 살펴보고 맹그로브 캐노피를 사용하여 탐색합니다.
Tripedaliacystophora는 몸 직경이 약 1cm에 불과한 가장 작은 상자 해파리 종 중 하나입니다. 카리브 해와 인도 태평양 중부 지역에 서식합니다.
많은 해파리 종과 달리 Tripedaliacystophora의 수컷 해파리는 짝짓기 중에 암컷을 잡기 위해 촉수를 사용합니다. 암컷의 알은 장내에서 수정되어 유충으로 성장합니다.
과학자들은 카리브해 맹그로브 습지에 서식하는 손톱 크기의 해파리인 카리브해 상자해파리(Tripedaliacystophora)를 연구했습니다. 여기서 그들은 24개의 눈을 포함하는 강력한 시각 시스템을 사용하여 맹그로브 뿌리에 있는 작은 요각류를 사냥합니다. 나무뿌리 그물은 사냥하기에 좋은 곳이지만 연체동물 해파리에게는 위험한 곳이기도 합니다.
그래서 상자해파리는 맹그로브 숲의 뿌리에 가까이 다가가면 돌아서서 헤엄쳐 갑니다. 너무 빨리 회전하면 요각류를 잡을 시간이 충분하지 않습니다. 그러나 너무 늦게 뒤집으면 부딪혀 젤라틴이 손상될 위험이 있습니다. 따라서 거리를 평가하는 것이 중요합니다. 연구원들은 대비가 핵심이라는 사실을 발견했습니다.
"우리의 실험은 해파리가 명암, 즉 물 표면에 대한 뿌리의 깊이를 사용하여 뿌리까지의 거리를 평가하여 적시에 헤엄칠 수 있도록 한다는 것을 보여줍니다. 훨씬 더 흥미로운 점은 거리와 명암 사이의 관계가 비, 조류 및 파도의 작용으로 인해 매일 변한다는 것입니다." Anders-Gam이 계속해서 말합니다. "매일 새로운 사냥이 시작될 때 상자 해파리는 시각적 인상과 실패한 회피 움직임의 감각을 결합하여 현재 대비를 학습합니다. 그들은 천 개가 넘는 신경 세포를 가지고 있지만(우리 뇌에는 약 천억 개의 신경 세포가 있음) 다양한 인상의 시간적 수렴을 연결하고 그 연결을 학습할 수 있습니다. 우리가 연관 학습이라고 부르는 것은 실제로 초파리나 생쥐와 같은 발달한 동물과 거의 같은 속도로 이루어집니다."
새로운 연구 결과는 단순한 신경계를 가진 동물에 대한 이전의 과학적 이해를 깨뜨렸습니다.
Anders-Gam은 "이것은 기초 신경과학에 있어 엄청난 뉴스입니다. 단순한 신경계가 무엇을 할 수 있는지에 대한 새로운 관점을 제공합니다"라고 말했습니다. "이것은 고급 학습이 처음부터 신경계의 가장 중요한 진화적 이점 중 하나였을 수 있음을 시사합니다."
캐리비안 상자 해파리는 맹그로브 뿌리에 서식하며 수중 먹이를 먹습니다. 이미지 출처: 앤더스 그램
연구자들은 실험실에서 맹그로브 습지 조건을 재현하여 상자해파리를 행동 영역에 배치했습니다. 여기서 연구자들은 대조 조건을 다양하게 변경하여 해파리의 행동을 조작하여 이것이 해파리의 행동에 어떤 영향을 미치는지 확인했습니다.
그들은 해파리가 실패한 탈출을 통해 학습한다는 것을 배웠습니다. 즉, 대조를 잘못 해석하고 나무뿌리에 부딪히면서 학습한다. 여기서 그들은 나무뿌리를 치는 시각적인 느낌과 기계적인 충격을 결합하여 언제 방향을 바꿔야 하는지 학습합니다.
"우리의 행동 실험은 3~5번의 실패한 회피 동작이 해파리의 행동을 변화시켜 더 이상 나무 뿌리에 닿지 않도록 하는 데 충분하다는 것을 보여줍니다. 흥미롭게도 이는 초파리나 생쥐가 학습하는 데 필요한 반복 속도와 거의 같습니다."라고 Anders-Gam이 말했습니다.
전기생리학 및 고전적 조건화 실험은 이 학습 방법을 더욱 검증했으며 해파리 신경계에서 학습이 일어나는 위치도 보여주었습니다.
과학자들은 또한 상자해파리에서 학습이 일어나는 곳을 보여주었습니다. 이는 이제 학생들이 고급 학습에 참여할 때 신경 세포에서 발생하는 정확한 변화를 연구할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다.
Anders-Gam은 "우리는 이것이 다양한 동물의 고급 학습의 세포 과정을 연구하기 위한 슈퍼 모델 시스템이 되기를 희망합니다. 현재 우리는 어떤 세포가 학습과 기억 형성에 관여하는지 정확히 확인하려고 노력하고 있습니다"라고 Anders-Gam은 말했습니다. "이 방법으로 우리는 학습 과정에서 세포에서 어떤 구조적, 생리적 변화가 일어나는지 조사할 수 있습니다."
연구팀이 해파리가 학습에 관여하는 정확한 메커니즘을 규명할 수 있다면 다음 단계는 이 메커니즘이 해파리에만 국한된 것인지, 아니면 모든 동물에서 발견되는 것인지 알아내는 것이다.
연구진은 “궁극적으로 우리는 이것이 일반적인 기억의 작동 방식인지 알아보기 위해 다른 동물에서도 동일한 메커니즘을 찾을 것”이라고 말했다.
Anders-Gam은 이 획기적인 지식이 다양한 목적으로 사용될 수 있다고 믿습니다. "뇌처럼 신비롭고 극도로 복잡한 것을 이해하는 것은 그 자체로 매우 놀라운 일입니다. 그러나 그것은 또한 상상할 수 없는 많은 유용한 가능성을 가지고 있습니다. 의심할 여지 없이 미래의 주요 문제는 다양한 형태의 치매가 될 것입니다. 저는 우리가 치매에 대한 치료법을 찾았다고 주장하는 것이 아니지만, 치매의 핵심 문제인 기억이 무엇인지 더 잘 이해할 수 있다면 더 나은 치료를 위한 기반을 마련할 수 있을 것입니다. 질병을 이해하고 싸울 수도 있습니다."
이번 연구는 오늘(9월 22일) 과학저널 Current Biology에 게재될 예정입니다.