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온도와 산소 용해도, 얼음물고기

이상적인 몸
- ATP는 2분 사용량
- 산소 용해도는 고작 0.035g/L
- 혈액은 헤모글로빈으로 포화상태  
- 혈액에 포도당, 지방의 농도 증가는 큰 부담이 된다  
- 철분의 용도는 대부분 헤모글로빈에 있다
- 철분은 세균, 암세포등의 증식 속도를 조정하는 Key다
- 혈색증(철분 침적)이 있으면 오래살기 힘드나 역병에 강했다
- 산소의 용해도만 높다면 그렇게 숨가쁠 이유가 없다  

- 갯지렁이 헤모글로빈의 산소 운반력은 최대 40배
- 얼음 물고기는 헤모글로빈이 없이 산다

The icefish produces a natural "antifreeze," enabling it to survive in the subzero waters of the Antarctic. It lacks red blood cells and hence looks rather pale, but has excellent blood circulation, and a strong heart which weighs as much as that of a small mammal.


극단적 저온 - 체액의 점도 증가 , 산소 용해도 증가
대책1 해모글로빈 제거
   남극어류 : 혈액의 적혈구 숫자를 줄임 (인간 45% --> 15~18%)
   얼음물고기 : 적혈구 완전히 제거 = 혈액은 산소를 머금은 소금물
대책2  : 미세소관 구조 변경
대책3 : 결빙방지 단백질 발명
           트레오닌-알라닌-알라닌 or 트레오닌-프롤린-알라닌 : 반복배열 (4~55회)
           얼음결정에 달라붙어 결정 성장억제, 트레오닌 탄수화물과 결합하여 얼음결정 성장억제


아프리카 희망봉의 남쪽, 희망봉과 남극대륙 거의 중간에 '부베 섬'이 있습니다. 현재로는 노르웨이령으로, 빙하로 덮여 있는 작은 섬입니다. 1930년, 이곳에 도착한 학자들은 놀라운 생명체를 발견합니다. 이곳에서만 사는 물고기였습니다.겉모양은 일반 물고기와 다를 바 없었습니다. 커다란 눈, 가슴지느러미와 꼬리지느러미, 길게 튀어나온 턱과 그 안의 이빨들... 그러나 다른 물고기들과 뚜렷이 구분되는 특징이 있었는데, 그것은 이 물고기의 몸이 투명하다는 점이었습니다. 마치 얼음처럼 투명하다고 해서 얼음물고기(Ice Fish : 아래 사진)라 이름붙여진 이 물고기는, 연구결과 피에 헤모글로빈이 전혀 없음을 알 수 있었습니다.
모든 척추동물의 혈액에는 헤모글로빈이 포함되어 있어 산소를 온몸으로 전달한다는 것이 상식입니다. 그러나 이 얼음물고기의 피에는 소량의 백혈구들만이 발견되었을뿐 거의 완전한 소금물임이 밝혀졌습니다. 어떻게 헤모글로빈 없이 산소공급이 가능할까요? 비밀은 기체의 용해도에 있습니다. 고체물질은 온도가 높을수록 용해도가 크지만 기체는 온도가 낮을수록 용해도가 커지죠. 남극해 근처의 -1℃ 이하의 물에서 사는 이 얼음물고기의 피에는 충분한 산소가 녹을 수 있으며, 그에 따라 헤모글로빈이 없어도 충분한 산소를 온몸에 전달할 수 있었습니다.
이 얼음물고기의 DNA를 조사해본 결과, 헤모글로빈을 만드는 유전자가 완전히 파괴되어 있음이 밝혀졌습니다. 최초에, 생존에 필수적인 헤모글로빈을 만드는 유전자에 돌연변이가 일어났습니다. 일반적인 경우라면 이 헤모글로빈을 만들 수 없는 얼음물고기는 도태되어야 합니다. 하지만 다행인지 불행인지, 그곳은 남극해 부근이었습니다. 차가운 얼음물 속에서, 헤모글로빈 없이도 충분한 산소가 피(소금물)에 녹아 몸에 전달될 수 있었던 것이죠. 오히려 헤모글로빈이 있을 경우, 저온에서는 혈액의 점도가 증가합니다(그때문에 차가운 바다에 사는 물고기들은 일반적으로 적은 양의 적혈구를 가지고 있습니다). 하지만 이 헤모글로빈을 만들지 않는 얼음물고기들은 오히려 저온에서 혈액의 점도가 증가하지 않는다는 '자연선택상의 이점'을 가지게 되었습니다.  이 얼음물고기는 놀라운 진화의 결과물입니다만, 불행히 그 미래는 밝지 못합니다. 전지구적인 온난화에 의해 그들이 사는 환경도 온도가 올라가고 있기 때문입니다. 헤모글로빈이 없는 상태에서 그들의 피에 녹는 산소량은 점차 줄어들 것이며, 결국 그들은 질식해서 도태될 것입니다. 완전하게 파괴된 유전자로 더이상의 헤모글로빈을 만들 수 없기 때문이죠.


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지구온난화로 작아지는 물고기
성장에 필요한 산소 부족

김웅서 한국해양학회장/한국해양과학기술원 책임연구원다른 기사 보기
저작권자 2017.08.29 ⓒ ScienceTimes

지구온난화가 진행되어 바닷물 온도가 계속 올라간다면 물고기 크기가 지금보다 20-30 퍼센트 작아진다는 캐나다 브리티시컬럼비아대학교의 연구 결과를 2017년 8월 21일자 사이언스 데일리가 보도하였다.
물고기는 자라서 몸 크기가 늘어나면 점점 더 많은 산소를 필요로 한다. 그렇지만 물속에 녹아있는 산소를 흡수해야 하는 아가미의 표면적은 몸이 커지는 만큼 늘어나지를 않는다. 예를 들어보자. 대구의 몸무게가 2배가 되더라도, 즉 몸집이 100퍼센트 늘어나도 아가미는 약 80퍼센트 정도만 늘어난다. 따라서 몸집이 커질수록 산소 수요량보다 공급량이 줄어들게 된다. 이러한 법칙을 ‘아가미-산소 제한설(gill-oxygen limitation theory)’이라 한다.
어류는 변온동물이기 때문에 체온을 스스로 조절할 수 없다. 물의 온도가 올라가면 체온도 따라 올라가 신진대사가 빨라진다. 그러면 생리 기능을 유지하기 위해서 더 많은 산소를 필요로 한다. 산소는 더 필요한데 몸이 커지면 설상가상 더 많은 산소가 필요하게 되고, 아가미는 충분한 산소를 공급하지 못해 결국 어류는 성장을 멈춘다.
수온이 높아지면 물고기의 산소 소비량은 늘어나지만, 물속에 녹아있는 산소량은 오히려 줄어든다. 액체에 기체가 녹아들어가는 현상을 기체의 용해라 한다. 우리 주변에서도 액체 속에 기체가 녹아있는 것을 쉽게 발견할 수 있다. 사이다나 콜라 병 뚜껑을 따면 기체 방울이 올라온다. 사이다나 콜라에 녹아있던 탄산가스가 나오는 것이다. 기체 방울은 액체 온도가 높을 때 더 많이 나온다. 액체의 온도가 높으면 그 속에 기체가 더 적게 녹기 때문이다. 마찬가지로 바닷물의 온도가 높아지면, 거기에 녹아있는 기체의 양은 적어진다. 그러나 고체의 경우는 이와 반대이다. 우리는 경험적으로 설탕이나 소금이 더운 물에 더 잘 녹는다는 사실을 알고 있다.
지구온난화로 바닷물의 온도가 올라가면 이런 이유로 물고기 크기가 작을 때 성장을 멈춰 결과적으로 크기가 작아진다. 영향의 정도는 물고기의 종류에 따라 다르다. 어떤 물고기는 영향을 더 받기도 하고, 어떤 종류는 영향을 덜 받기도 한다. 다랑어처럼 빠르게 헤엄치는 물고기는 더 많은 에너지가 필요하고, 따라서 더 많은 산소를 필요로 한다. 다랑어 경우에는 다른 물고기보다 온난화로 인해 크기가 작아지는 경향이 더 클 수 있다.

예전에는 밥상에 오르는 물고기들이 크기가 컸다. 그렇지만 요즘은 큰 것을 구경하기 어려워졌다. 남획과 더불어 지구온난화까지 물고기 크기를 작게 만드는데 가세하고 있다.



분당 1∼2회 피부호흡 촉진 위한 행동 추정…북아메리카 자라에서 확인

찬피동물인 자라는 수온이 15도 이하로 떨어지는 10월 중순께 겨울잠에 들어간다. 연못이나 저수지 또는 강바닥의 모래나 펄 속에 몸을 반쯤 파묻고 수온이 오르는 이듬해 늦봄을 기다린다.
이 기간에 자라는 공기를 호흡하기 위해 물 밖으로 나오는 일이 없다. 이를 두고 자라가 겨우내 장내 호흡을 한다거나 아가미 조직이 있다거나 하는 논란이 계속됐다. 이런 수수께끼를 풀 가설이 나왔다. 북아메리카산 자라가 겨울잠을 자는 동안 ‘푸시 업’을 하면서 피부호흡을 통해 물속 생활을 견뎌낸다는 보고가 나왔다.
마이클 플러머 등 미국 하딩대 연구자들은 북아메리카 고유종 자라(학명 Apalone Mutica)를 야외와 실험실에서 관찰한 결과 겨울잠을 자는 자라가 부족한 산소를 보충하기 위해 주기적인 팔굽혀펴기 동작으로 피부의 산소 섭취를 촉진한다는 사실을 확인했다고 ‘파충류학 저널’ 최근호에서 밝혔다.
연구자들은 야외 수조에서 기르던 자라가 겨울 동안 바닥에 반쯤 묻힌 상태에서 몸의 뒷부분을 규칙적으로 들어 올렸다 내렸다 하는 동작을 하는 것을 발견했다. 연구자들은 이런 행동이 피부호흡 촉진과 관련이 있다고 보고 실험에 나섰다.
자라는 허파를 통한 호흡과 피부호흡으로 산소를 공급한다. 거북과 달리 등딱지가 부드러운 자라는 등딱지를 통해 피부호흡을 한다. 물속에 녹아있는 산소를 추출해 받아들이고 이산화탄소를 내보낸다.
피부호흡을 위해서는 산소가 풍부한 물이 피부와 활발히 접촉해야 한다. 겨울 동안 자라는 에너지 소비를 줄이기 위해 활동을 중단하고, 종종 수면이 얼어붙기 때문에 피부호흡에만 전적으로 의존한다.
자라는 피부로 산소가 풍부한 물이 쉽게 공급되는 얕은 강바닥에서 월동한다. 대조적으로 피부호흡을 하지 않는 거북은 자라보다 깊은 땅속에서 겨울을 난다.
연구자들이 12마리의 자라를 실험실에서 다양한 조건에서 월동시킨 결과 자라들은 분당 1∼2회꼴로 팔굽혀펴기를 하듯 몸의 뒷부분을 들어 올렸다 내렸다 하는 동작을 되풀이했다. 이런 행동은 개체마다 차이가 컸고 환경조건에 따라서도 달라졌다.
연구자들은 자라의 푸시업 행동이 수온이 높을수록 잦지만, 여름철 활동기에는 거의 나타나지 않는다고 보고했다. 또 물속의 산소 농도가 낮을 때는 높을 때보다 푸시업 빈도가 2배로 잦았다. 수온이 매우 낮아 자라가 필요한 산소량이 많지 않고 또 물속에 녹아있는 산소량이 풍부할 때 푸시업의 빈도는 떨어졌다.
이를 통해 연구자들은 “자라가 팔굽혀펴기를 하는 까닭은 피부호흡을 촉진하기 위한 것으로 보인다”는 결론을 얻었다. 이런 행동이 피부와 물의 접촉을 늘려 산소가 흡수되기 쉽게 하기 때문이다. 그러나 연구자들은 “푸시업 행동으로 몸속의 산소 포화도가 높아졌는지 직접 확인하는 것은 다음 연구 과제”라고 밝혔다.
연구자들은 이런 행동이 중동의 유프라테스 자라에서도 확인됐지만, 자라에 얼마나 널리 퍼져 있는지는 분명치 않다고 밝혔다. 우리나라에 서식하는 자라는 북아메리카산 자라와 같은 자라과에 속하지만, 종은 다르다.

자라는 기상천외한 생리작용으로 유명한 동물이다. 얼마 전 자라가 목의 특수기관 이용해 배설과 함께 산소를 섭취한다는 사실이 밝혀지기도 했다