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아메바도 농사짓는다
강석기 동아사이언스 기자 sukki@donga.com
● 농부 아메바가 사는 법
사회성 아메바인 딕티오스넬리움(1)은 먹이환경이 나빠지면 수만 마리가 모여 군체를 만든다(2). 민달팽이처럼 움직이는 군체(점균류)는 자실체(3)를 만들어 포자를 퍼뜨린다. 이때 군체의 3분의 1 가량이 먹이인 박테리아를 다 잡아먹지 않고 포자에 남겨 둬 새로운 환경에서 번식시켜 잡아먹는다는 사실이 밝혀졌다. (제공 네이처)과학저널 ‘네이처’ 1월 20일자에 실린, 농사짓는 아메바에 대한 논문도 이런 ‘상상을 초월하는’ 예다. 여기서 농사를 짓는다는 건 은유적인 표현이 아니다. 논문 제목이 ‘사회성 아메바의 원시적인 농업(Primitive agriculture in a social amoeba)’이다.
아메바 하면 원생생물로 마치 인체면역계의 대식세포처럼 스멀스멀 기어 다니며 박테리아 같은 먹이를 포획해 먹는 모습이 떠오른다. 아메바에서 영감을 얻은 괴물이 등장하는 애니메이션도 있다.
지난 수십 년의 연구 결과 원생생물(단세포 진핵생물)이라는 묶음은 분류학적으로 의미가 없다는 사실이 밝혀졌다. 세포표면의 한 쪽이 부풀어 늘어나면서(위족이라고 부른다) 이동하고 먹이를 잡아먹는 형태를 보이는 ‘아메바’라고 불리는 생명체들도 알고 보니 분류학적으로는 서로 거리가 멀다는 말이다.
농사를 짓는 아메바 군체의 포자(왼쪽)에는 먹이인 박테리아가 득실거리는 반면 농사를 짓지 않는 군체의 포자에는 박테리아가 없다. 일부는 농부이고 일부는 아닌 것은 환경에 따라 유불 리가 다르기 때문이다. (제공 네이처)이번에 농부로 밝혀진 아메바인 딕티오스넬리움(Dictyostelium discoideum)은 ‘사회성 아메바(social amoeba)’라고 불리는데 독특한 생태 때문이다. 즉 먹이환경이 나빠지면 아메바 수만 마리가 모여 민달팽이처럼 생긴 다세포생명체인 점균류(slime mold)로 변신한다. 이 세포 덩어리는 세포의 수축과 팽창이 동조해 꿈틀거리며 움직인다.
최종적으로 일부(20% 정도)가 말라 죽으며 얇은 기둥을 만들고 나머지 세포가 위로 올라가 껍질이 딱딱한 포자가 돼 사방으로 퍼진다. 그 뒤 환경이 좋아지면 포자를 깨고 아메바가 기어 나온다. 이 괴상한 생명체는 단세포 생물이 어떻게 다세포 생물로 진화했는가에 대해 많은 걸 생각하게 한다.
미국 라이스대 데브라 브록 박사팀은 여러 곳에서 잡아온 35개 점균류의 생태를 조사했다. 그 결과 3분의 1인 13개가 농부라는 사실이 밝혀진 것. 이들은 먹이인 박테리아를 다 잡아먹지 않고 일부를 남겨둔 채 포자를 만들었다. 그 결과 포자는 박테리아를 지니고 이동한다. 새로운 환경에서 포자를 깨고 나온 아메바는 동반한 박테리아가 증식하면 이를 잡아먹고 살아간다.
‘그게 뭐 농사냐?’
이렇게 생각할 수도 있지만 농사란 결국 먹을 수 있는 걸 다 먹지 않고 남겨뒀다가 이를 심거나(씨) 길러(가축) 수를 늘려 먹는 행위에 다름 아니다. 따라서 아메바는 엄연히 농부인 셈이다. 다만 ‘원시적인’이라는 제한을 둔 건 이들이 농사를 효율적으로 짓기 위해 적극적인 노력을 하지 않기 때문이다.
● 개미에게 한 수 배워야
논문을 읽다보니 저자들이 농부 아메바를 사람과 하나로 묶고 농사짓는 개미나 흰개미를 한 수 위의 농부로 본다는 사실을 발견했다. 이게 뭔 소린가 싶어 참고문헌으로 나와 있는, 곤충 농업의 진화를 다룬 리뷰논문(2005년 생태·진화계 연례리뷰)을 다운받아 읽어봤다.
미국 텍사스대 율리히 뮐러 교수 등 저자들의 주장은 한마디로 “곰팡이를 키우는 곤충의 농업체계를 자세히 들여다보면 사람들이 농업전략을 개선하기 위한 영감을 얻을 수 있다”는 것. 지난 5000만 년 동안 곰팡이 농사를 지어온 개미에게 농사 경력 1만년의 인간이 배울 게 왜 없겠느냐는 것.
저자들은 개미 외에도 곰팡이 농사를 짓는 흰개미와 암브로사딱정벌레도 소개했다. 그렇다면 무슨 근거로 이들이 사람보다 더 발달한 농업체계를 갖고 있다고 말할 수 있을까. 아래 몇 가지 항목에 대한 비교를 소개한다.
농사짓는 개미란 그저 잎을 잘라다 집 속에 넣어주면 곰팡이가 자라 그걸 먹고 산다는 정도로만 알고 있었던 기자는 이런 접근에 충격을 받았다. 한마디로 5000만 년 전 농사를 시작한 개미는 인류가 농사를 짓게 되면서 부딪친 여러 문제들을 역시 맞닥뜨렸고 오랜 진화를 거쳐 최적의 해결책을 내놓았던 것이다.
예를 들어 개미는 잎을 농장에 넣기 전에 몸에서 분비하는 소독액으로 씻어내고 농장을 구획화 해 병충해를 입은 작물(곰팡이)이 있는 구획을 서둘러 폐쇄해 병이 번지는 걸 막는다. 또 구획마다 농작물의 성장상태를 달리해 병이 퍼지는 걸 억제한다고 한다.
작물이 너무 빽빽해지면 일부를 새로운 농장으로 옮겨 일정 밀도를 넘지 않게 한다. 또 항생제를 만드는 박테리아를 데리고 와 작물 옆에 두고 병충이 왔을 때 무기로 쓴다. 한편 작물을 공격하지는 않지만 영양원(나뭇잎)을 고갈시키는 잡초(다른 종류의 곰팡이)는 보이는 대로 집어다 내 버린다.
이들이 진짜 고도의 농사를 짓고 있음을 알 수 있는 건 이들이 이사를 하거나 인위적으로 이들을 없애면 남겨진 농장이 순식간에 잡초와 병충으로 들끓더라는 관찰이다. 방치한 논이 순식간에 잡초 밭이 되는 것과 마찬가지다.
두 달 가까이 구제역이 계속되면서 엄청난 피해를 끼치자 이참에 우리의 농업 방식 자체를 재검토해야 한다는 목소리가 점점 커지고 있다. 생산성에 치우친 개량으로 약골이 된 농작물(또는 가축)과 고밀도 재배(또는 사육) 환경은 인류의 농업을 위기로 몰고 있다. 이미 수천만 년 전에 비슷한 상황을 겪었을 곤충 농부들의 지혜에 귀기울여봐야 한다는 곤충학자들의 주장이 설득력 있게 느껴지는 이유다.
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아메바 세계에도 산파 있다
세포 분할을 돕는 산파 역할의 아메바가 발견돼 생물 진화와 아메바로 인한 질병 치료에 중요한 단서를 제공하고 있다.
이스라엘 바이츠만 연구소 일라이샤 모세 교수는 최근 뱀의 내장에 주로 기생하는 엔트아메바 인베이덴스라는 종의 아메바가 세포 분할을 통해 새로운 자손을 만들 때 다른 아메바를 부르는 화학물질을 분비해 산파 역할을 하도록 한다는 연구결과를 발표했다.
아메바는 암수의 결합으로 자손을 번식하는 고등생물과 달리 자신의 몸을 둘로 나눠 개체수를 늘인다. 세포분할은 허리부분에서 시작돼 점점 좁아지다가 끝내는 잘려져 나가는 식으로 진행된다. 이때 각각의 아메바가 가진 염색체는 모체의 염색체를 복사한 것이다.
그런데 엔트아메바 인베이덴스는 허리부분의 신축성이 뛰어나지 못해 두 세포로 완전히 분리되지 못하고 마치 샴쌍둥이와 같이 세포의 한 부분이 붙은 상태가 되기 쉽다.
모세 교수는 이때 아메바의 허리부분에서 주위의 다른 아메바들을 유인하는 화학물질이 분비된다는 사실을 알아냈다. 이 화학물질을 감지한 다른 아메바들은 완전히 분리되지 못한 아메바의 허리부분을 여러 방향에서 헤집고 들어가 두 아메바가 완전히 분리되도록 돕는다.
모세 교수는 완전히 분리되지 못한 아메바의 허리부분에서 수집한 화학물질을 아메바들이 들어 있는 실험접시에 떨어뜨렸을 때도 같은 현상이 발생함을 확인했다. 실험 결과 아메바들은 화학물질이 뿌려진 곳으로 몰려갔다. 산파 아메바를 유인하는 이 화학물질에 당이 포함돼 있다는 점은 확실하지만 아직 확실한 화학적 구조는 밝혀지지 않았다.
모세 교수는 이번 연구에 대해 ＂단독생활을 하는 단세포 동물에서 다른 개체와 협력관계를 갖고 있는 다세포 동물로의 진화과정을 산파 아메바를 통해 볼 수 있다＂고 말했다. 또한 ＂이번 연구결과를 이용해 장내 아메바의 세포분할을 억제한다면 아메바가 일으키는 이질과 같은 질병을 퇴치할 수 있을 것＂으로 기대했다.
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토양에 서식하는 아베마의 한 종류인 Dictyostelium discoideum 은 단세포 동물치곤 약간 복잡한 생활사를 가지고 있습니다. 이 아베마가 시기에 따라서 단세포 (unicelluar growth) 생활을 하다가 이들이 모여 다시 다세포 생활 (multicelluar development) 를 한다는 점 자체는 자연계에서 아주 드문일도 아니고 놀라운 일도 아니라고 할 수 있지만 일종의 사회적 공동체를 이루고 농사도 짓는 (?) 다는 사실은 놀라운 일이라고 할 수 있습니다. 최근의 연구에 의해 밝혀진 바에 의하면 단세포 동물이면 단순하게 살 것이라는 인간의 편견을 완전히 바꾸어 놓는 의외의 생활사가 D. discoideum 에 숨겨져 있습니다.
이 아메바는 일종의 알이라고 할 수 있는 자실체가 성숙되면 여기서 포자 (spore) 가 퍼저셔 주변 환경으로 방출됩니다. 이후 발아 (germination) 한 아메바는 주변의 박테리아 (특히 엽산 folic acid 를 분비하는 박테리아를 좋아함) 를 잡아먹으면서 성장과 분열을 반복합니다. D. discoideum 는 먹이가 풍부한 시기에는 이렇게 점균아메바 (myxamoebae) 상태로 존재하다가 먹이가 다 떨어지고 굶주리면 뭉쳐서 다세포 시기로 넘어가게 됩니다.
이들은 육안으로도 보이는 덩어리를 형성하게 되는데 이를 이동체 (slug) 라 부릅니다. 이들 점균류(粘菌類, Mycetozoa), 혹은 변형균류(變形菌類, Myxomycetes) 들은 우리 주변에서 흔하게 볼 수 있으며 생활 환경에 따라 단세포/다세포 형태를 변형하며 생활사를 영위하게 됩니다. 덕분에 분류학적으로 그 분류가 까다로운 종류이기도 합니다. 아무튼 여기까지는 서론이었고 본론은 이제부터 입니다.
2011 년 데브라 브룩 (Debra A. Brock) 등이 네이처에 보고한 바에 의하면 이 작은 아메바들이 사실은 세상에서 가장 작은 농부들이라고 합니다. (1) 브룩은 처음 이 작은 아메바가 자신보다 더 작은 박테리아를 체내에 지니고 있는 것을 보았을 때 (포식한 것이 아니었음) 호기심을 가지고 고생끝에 두개의 균주를 분리하는데 성공했습니다. 이들은 모두 Pseudomonas fluorescens 로 유전적으로 동일한 종의 박테리아 였습니다.
하버드 대학의 존 클라디 (Jon Clardy of the Harvard Medical School in Boston) 등 다른 연구자들의 도움을 얻어 이 아베마와 박테리아의 놀라운 공생 관계를 연구했는데 이들 아베마들이 박테리아를 서식처에 뿌린 후 다시 수확한다는 사실이 밝혀진 것도 이때였습니다. 즉 농사 짓는 단세포 생물을 발견한 것이었습니다.
(농사짓는 D. discoideum 의 생활사. 클릭하면 원본
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Life-cycle_of_farmer_dictyostelium_discoideum.jpg )
이들은 다음해 농사를 위해 파종할 씨를 먹지 않는 농부들처럼 농사지을 밑천인 박테리아를 자실체안에 가지고 있습니다. 이들이 발아하면 박테리아를 토양에 뿌려 증식시킨후 먹이로 삼게 되는데 중요한 것은 포식한 박테리아를 다 포식하지 않게 만드는 메카니즘입니다. 포식한 박테리아 중 일부는 phagosome 과 lysosome 이 달라 붙는 것을 - 달라 붙으면 소화됨 - 방해하는 메카니즘으로 보호 받습니다. 이후 이들이 다시 자실체를 만들 시기가 되면 다시 위의 사이클이 반복됩니다.
과학자들이 밝힌 바에 의하면 놀랍게도 모든 D. discoideum 이 농사를 짓지 않습니다. 농사를 짓기 위해서는 많은 비용을 지불할 수 밖에 없기 때문인데 사실 먹이가 풍부한 환경에서 농사를 짓는 건 바보 짓이라고 할 수 있죠. 필요에 따라 농사를 짓는 이런 놀라운 적응력은 진화가 만든 생명의 경이라고 할 수 있습니다.
2011 년 이 결과가 발표된 이후 많은 연구자들이 이에 대한 연구를 진행중에 있는데 2013 년 PNAS 에 발표한 바에 의하면 이들 아메바들이 오랜 세월에 걸쳐 사실 먹을 수 없는 균들을 먹을 수 있게 진화시켜온 것으로 보인다고 합니다. 이와 같은 사실은 농사에 사용된 균들과 야생 균들의 유전자를 비교하므로써 밝혀졌습니다. (2)
이 연구의 공저자인 퀄러 (David C. Queller) 는 '계통도는 포식할 수 있는 능력이 파생된 특성임을 보여준다. 이 균들은 본래 먹을 수 없던 것이었다. 그러나 먹을 수 있게 변했다. 이는 진화에서 기묘한 일이다. (먹히지 않기 위해서가 아니라) 먹히기 위해 진화했기 때문이다 ... The tree also tells us that edibility is a derived trait. These guys used to be inedible and became edible. That's just a weird thing to evolve: to be able to eaten '
이런 비슷한 경우는 인간이 야생 품종을 길들여 먹기 편리한 작물이나 가축으로 길들인 것에 비견할 만 합니다. 인위적인 선택압을 주는 경우 본래라면 잘 진화시키지 않을 인간에게 유용한 특성을 가진 품종들을 진화시킬 수 있습니다. 이런 비슷한 사례를 아베마가 해냈다는 것은 역시 자연의 경이 가운데 하나일 것입니다.