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동물은 지구자기장을 각인하고 후손에 전해준다
생명과학 한국연구재단 (2020-01-10)

초파리가 지구자기장을 각인하고 후손에게 전해준다는 실험결과가 나왔다. 한국연구재단은 채권석 교수(경북대학교 생물교육과) 연구팀이 초파리가 지구자기장을  각인하고 이를 이용해 먹이를 찾는다는 것을 규명했다고 밝혔다.

동물들은 오감 이외 자기장을 감지하는‘제6의 감각’이 있는데 예로 철새, 연어, 바닥거북 등은 출생 후 출생지의 지구자기장을 감각, 기억하여 회귀하는 것으로 추정되어 왔다.

하지만 성장단계 중 어느 시기에 지구자기장을 기억하는지, 기억한 지구자기장 정보를 무엇에 이용하고 어떻게 후손에 전해주는지 등에 대해서는 잘 알려지지 않았다.

연구팀은 지구자기장을 감각할 수 있고 행동학, 유전학 등의 실험에 널리 쓰이는 초파리를 실험모델로 이용하였다.

초파리는 산란된 지 여섯 시간에서 아홉 시간 사이의 알(egg) 시기에, 노출된 지구자기장을 각인하며  성체(adult) 초파리가 된 이후 30시간 정도 단식 상태에 놓이게 되면 알 시기에 노출되었던 자기장과 동일한 방향으로 이동하는 것을 관찰하였다.

하지만 각인된 초파리라도 굶지 않은 상태 또는‘대구자기장’과 세기가 다른‘밴쿠버자기장’이나‘마드리드자기장’에 놓여 있을 때는 각인행동을 보이지 않았다.

각인이 이뤄졌던 시기의 특정한 생리적 상태(실험에서는 단식) 및 지구자기장에서만 각인행동을 보인 것이다.

한편 부모세대의 각인행동은 특정 지구자기장에 노출되지 않고 성장한 후손 1세대에서도 관찰되었으며,  각인된 수컷과 각인된 암컷 부모 초파리로부터 태어난 후손 에서만 나타나 초파리의 지구자기장 각인행동 유전은 부·모 개체 모두에 의존적이었다.

이 연구결과는 자기감각(magnetoreception, magnetic sense) 연구가 시작된 이래 50여 년간 미해결 문제 중 하나였던 지구자기장 각인과 그의 유전, 각인의 생물학적 기능을 규명한 것이어서 주목받는다.
 
연구팀은 향후 지구자기장 각인 기작을 심층적으로 연구하는 한편 인간의 지구자기장 각인여부와 기능을 탐색할 계획이다.

초파리 모델을 이용해 동물의 생존활동에 관련된 자기각인행동을 규명한 연구로, 보편적 현상으로 동물에 적용하기에 이르지만 향후 고등동물에서의 기초연구자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업 (중견연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘미국립 과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)’에 2019년 12월 30일 게재되었다.


󰊱 주요내용 설명

< 논문명, 저자정보 >

논문명
Behavioral evidence for geomagnetic imprinting and transgenerational inheritance in fruit flies

- https://www.pnas.org/content/early/2019/12/24/1914106117
저  자
오인택(제1저자/경북대), 권혜진(경북대), 김형준 박사(한국뇌연구원), 김수찬 교수(한경대), 케네뜨 로만(Kenneth Lohmann) 교수(University of North Carolina, 미국), 채권석 교수(교신저자/경북대)


< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성

 ○ 지구는 형성 초기부터 하나의 자석처럼 지구자기장을 형성하고 있다. 현재 세균부터 포유동물 및 인간에 이르기까지 약 60 여 종의 지구상 생명체가 지구자기장을 감각하는 것으로 알려져 있으며, 자기감각 (magnetoreception, magnetic sense)은 동물에서 오감에 이어 육감(the sixth sense)으로 받아들여지고 있다. 
 ○ 1970년대 초 부터 시작된 자기감각 연구에 의하면, 자기감각을 하는 것으로 알려진 철새, 바다거북, 연어 등은 자신이 태어난 곳의 지구 자기장을 감각, 기억하여 이 지구자기장 위치 정보를 회귀, 이동 등에 이용하는 것으로 추정되어 왔다.
 ○ 하지만 이들 동물들이 지구자기장의 위치 정보를 성장 중 어느 시기에 기억하는지, 그 정보를 후손에 전해주는지, 후손에 전해준다면 어떻게 전해주는지, 또한 무엇을 위해 기억하고 전해주는지 등에 대한 실험적 증거는 명확히 밝혀진 바 없었다.
 ○ 연구진은 이러한 의문에 대한 답을 찾기 위해서, 지구자기장을 감각 하는 것으로 알려진 초파리를 실험모델로 이용하여 7년간 실험적 증거를 탐구하였다.

2. 연구내용
 ○ 초파리가 지구자기장을 각인(imprinting)하는지 알아보기 위해 아래와 같이 실험을 설계하였다. 실험실에서 사육한 과실초파리(fruit flies)의 알, 애벌레, 번데기 등의 시료를 그 해당 발생단계별 시기에 대구 지역의 지구자기장(대구자기장) 조건에 일정 시간 동안 노출시킨 후, 성체가 될 때까지 보통의 경우처럼 정상적으로 사육하였다. 
      * 각인: 동물이 출생 직후 특정 시기에만 시각, 후각 등의 자극을 기억하여 성체가 된 후 동일한 자극에 반응하는 현상
      **대구자기장: 지구과학 분야에서 활용하는 대구 지역의 표준 지구자기장
 ○ 30시간 단식을 유지한 성체 초파리 약 20마리를 투명한 플라스틱 시험관에 넣고 시험관 하단 또는 상단에 대구자기장 조건이 형성되도록 하고 시험관 내 초파리 위치를 녹화하여 분석하였다.
 ○ 산란 후 여섯 시간에서 아홉 시간 사이의 알 시기에 대구자기장 조건에 노출된 후 성체가 된 초파리는 대구자기장 조건이 형성된 시험관 하단 또는 상단 방향으로 통계적으로 유의하게 이동하였다.
 ○ 반면, 산란 후 세 시간에서 여섯 시간 사이의 알 시기 또는 애벌레, 번데기 단계에 대구자기장에 노출되었거나 대구자기장이 아닌 다른 지구자기장(밴쿠버자기장, 마드리드자기장 등)에 노출된 알로부터 성체가 된 초파리는 특정 방향으로의 뚜렷한 이동양상을 보이지 않았다.
 ○ 특히 산란 후 여섯 시간에서 아홉 시간 사이의 알 시기에 대구자기장 에 노출된 시료로부터 생겨난 초파리라도 굶지 않고 정상적으로 사육된 경우는 대구자기장 방향으로 이동하지 않았다. 또한 이 지구자기장 각인행동은 수컷보다는 암컷 초파리에서 뚜렷하였다.
 ○ 한편 이 부모 초파리의 지구자기장 각인행동은 그 특정 지구자기장에 노출되지 않고 성장한 자손 1세대 초파리에서도 관찰되었다. 즉, 부모 초파리의 지구자기장 각인행동이 자손 초파리에게 유전되어 나타 났으며, 이 경우 부·모 초파리 모두 그 특정 알 시기에 특정 지구자기장에 의해서 각인되는 것이 필요하였다.
 ○ 위와 같은 실험을 통해 아래와 같은 결론과 시사점을 도출할 수 있었다. 동물은 1) 지구자기장을 성장의 특정 시기에 각인할 수 있고, 지구 자기장을 기억하고 성체가 되어 동일한 자기장에 반응할 수 있음. 2) 부모 세대의 지구자기장 각인은 일정한 세대까지 후손에 유전될 수 있음. 3) 지구자기장 정보를 각인하여 먹이 탐색 등에 이용하며, 이는 생존에 유리하게 작용할 수 있음. 4) 기존의 연구결과를 고려하면, 지구자기장을 감각하는 인간도 지구자기장을 각인하고 이를 특정 기능에 활용할 가능성이 있음.
    
3. 연구성과/기대효과
 ○ 지난 50여 년의 자기감각 연구의 미해결 문제 중 하나였던 지구자기장 각인 및 유전의 실험적 증거를 보고함으로써 향후 자기감각 연구 분야 발전의 실마리가 될 것으로 기대된다.
 ○ 자기감각정보의 기억 및 유전의 생물학적 기작에 대한 심층적 이해에 기여하는 한편 감각 뇌과학을 비롯하여 후성유전학, 생물리학 등 기초과학 및 감각기반 융복합 응용과학의 발전에도 기여할 것으로 기대된다. 

자연의 지구자기장 세기 지도
(그림 1) 자연의 지구자기장 세기 지도
대구광역시 팔공산 기슭, 한 임야 지역에서 실험자의 보행 궤적상의 지구자기장 세기 실측치를 위성지도 상에 빨간색 점들로 표시했음. 지구자기장은 위 그림에서처럼 지역, 장소에 따라 큰 편차를 보임. 지구자기장 세기는 색깔의 진한 정도에 비례함.

초파리의 지구자기장 각인 시기

(그림 2) 초파리의 지구자기장 각인 시기
초파리가 지구자기장을 각인하는 시기는 산란 후 여섯 시간에서 아홉 시간이 경과된 알(egg) 시기에(* 표시) 국한된다. 이보다 앞선 산란 후 세 시간에서 여섯 시간이 경과된 시기의 알이나 이후의 애벌레(larva), 번데기(pupa) 등의 발생단계에서는 지구자기장 각인이 일어나지 않았음.

초파리의 지구자기장 각인행동
(그림 3) 초파리의 지구자기장 각인행동
산란 후 여섯 시간에서 아홉 시간 사이 알(egg) 단계에서‘대구자기장’을 각인한 초파리는 성체가 된 후 서른 시간 가량의 단식 상황에 놓이자 대구자기장 방향으로 이동하는 것이 관찰됨.
- 대구자기장을 투명한 시험관 하단에 형성(가운데)한 경우 아래쪽으로 이동하였으며 대구자기장을 상단에 형성(오른쪽)한 경우에 위쪽으로 이동함.
- 반면 각인된 대구자기장과 다른 세기의 지구자기장이 시험관 전체에 걸쳐 형성 (왼쪽)된 대조군의 경우 보통의 상태처럼 움직일 뿐 뚜렷한 이동의 방향성이 보이지 않음. 

󰊳 연구 이야기

<작성자 : 경북대 채권석>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

자기감각에 대한 본격적인 연구를 지난 13년 동안 진행해 왔다. 약 60여 종의 생명체가 지구 자기장을 감지한다고 알려져 있지만, 동물 한 개체의 일생에서 어느 특정 시기에 지구자기장을 감각하여 기억하는 것이 생존에 중요한지, 또한 기억한 정보가 후손에 유전되는지 등에 대해서는 명확히 알려져 있지 않았다. 우리는 동물의 시각 및 후각 각인에 대한 기존 연구결과를 참고하여, 개체 초기에 지구자기장을 각인할 것이라는 추측을 약 10년 전에 하고 7년 전부터 실험으로 이를 검증하고자 했다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

자기감각이라는 상대적으로 드문 연구주제로 인해 기존에 거의 없었던 자기장 각인 실험모델 수립에 많은 시간이 할애되었다. 2016년 발표한 논문(Molecular Brain)을 계기로 연구실 내에서 지구자기장을 정밀하게 조절하기 위해 김수찬 교수(한경대학교)와 긴밀한 공동연구를 진행하였다. 또한 본 연구가 어느 정도 진행된 상황에서 초파리 연구에 경험이 많은 김형준 박사(한국뇌연구원)의 여러 기여가 연구를 잘 마무리하는데 큰 도움이 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

실험을 위해 주변 전자파와 자기장의 간섭을 차단하고 의도대로 실험실에서 자기장을 정밀하게 조절하는 특수시설과 장치를 마련하는 것, 그리고 실험재료를 진행 단계에 맞춰 필요한 수준으로 준비하는 것이었다. 사전준비, 시행착오와 개선, 그리고 공동연구를 통해 하나씩 해결했다. 특히, 자기장 각인행동의 유전 실험을 5세대까지 수행한 것과 각인행동의 성(sex) 의존성 실험에 많은 어려움이 따랐다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 자기감각 연구와 달리, 초파리를 모델로 동물의 지구자기장 각인의 특정 시기를 최초로 명확히 규명한 것, 그 각인행동의 생물학적 기능(먹이 탐색)을 규명한 것, 그리고 각인된 정보가 유전된다는 것을 최초로 규명한 것 등이 특별한 성과라고 생각한다. 이들 성과는, 이연구 분야의 오래된 중요한 물음 중 하나에 대한 심층적 이해를 향한 중요한 발판이 될 것으로 사료된다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구는 기초연구의 성과로서 가까운 장래에 실용화될 가능성은 낮다고 생각한다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

1) 초파리 모델에서, 생명체의 지구자기장 각인 및 유전의 세포, 분자적 기작 규명
2) 위의 성과를 활용하여, 인간의 지구자기장 각인 여부 및 기작 규명

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

본 연구의 실험은 7년 전에 시작하였고, 졸업한 지 2년 된 교육대학원 석사과정 학생의 학위논문 주제였다. 연구실의 특별한 사정으로 이 학생이 졸업한 후 1년 반이나 경과된 후 논문이 투고되어, 심사 후 저널 편집자의 수정요구(revision)에 대한 부담이 매우 컸다. 하지만 비교적 가벼운 추가 실험 및 수정요구 그리고 졸업한 학생의 헌신적인 노력으로 잘 마무리할 수 있어서 연구실 입장에서는 매우 다행스럽게 생각한다. 이런 특별한 경험이 더욱 분발하는 의지를 다지는 좋은 계기가 되었다.

 

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