LIBRARY

KOREA  ASSOCIATION FOR CREATION RESEARCH

창조설계

초파리의 눈 크기가 조절되는 방법

미디어위원회
2024-02-26

초파리의 눈 크기가 조절되는 방법

(How Flies Control Eyes Size)

David F. Coppedge


          좌우 대칭은 그냥 생겨나는 것이 아니다.

그것은 특수한 기계들에 의해 조절된다. 


  길이가 몇 밀리미터에 불과한 작은 초파리(fruit fly)도 한 문제를 갖고 있다. 초파리의 양쪽 눈이 일치해야 한다는 것이다. 한쪽 눈이 다른 쪽 눈보다 크면, 똑바로 날 수 없다. 초파리의 눈은 홑눈(ommatidia)이라고 불리는 약 800개의 개별적인 빛 감지 장치들로 구성된 겹눈(compound eyes)이라는 사실을 알게 되면, 문제는 더욱 복잡해진다. 돌연변이가 발달 과정을 방해하지 않는 한, 작은 초파리에 있는 이 작은 홑눈들이 완성해내 눈의 미세한 정밀도는 경이롭다. 2011년에 저스틴 쿠마(Justin Kumar)는 Developmental Dynamics 지(2011. 12. 15)에 이렇게 썼다.

초파리의 겹눈은 약 800개의 단위 눈들, 또는 홑눈들이 육각형 배열로 정밀하게 조립되어있는 신경계이다... 전형적인 눈은 단위 눈들의 32~34개가 맞물려있는 수직 기둥들을 포함하고 있다. 기둥 당 홑눈의 수는 눈을 가로지르며 차등적이며, 이로 인해 눈은 전체적으로 타원형 또는 달걀 모양이 된다. 또한 겹눈은 각 홑눈의 앞쪽에는 기계적 감각을 위한 강모(bristles, 털) 세트가 포함되어 있다.

이 모든 정교한 정밀성은 하나의 세포, 즉 수정란(zygote)에서부터 자라난다. 수천 번의 세포 분열 후, 번데기로부터 성충 초파리가 서로 거울처럼 대칭인 한 쌍의 겹눈(800개의 홑눈들로 이루어진)을 갖고 출현한다. 어떻게 이런 일이 일어나는 것일까?

.초파리의 겹눈(Wiki Commons). 


3D-대칭 구조의 구축

우리는 생물체의 좌우 대칭을 당연하게 생각하는 경향이 있다. 인간의 눈, 손, 발은 서로의 거울상 이미지이지만, 본질적으로 동일하며, 함께 작동한다. 하지만 대칭을 당연시해서는 안 된다. 대칭은 그냥 생겨나는 것이 아니다. 만약 유전적 프로그램이 작동되지 않는다면, 기형 눈, 짝눈, 실명 등의 문제가 발생할 수 있다. 게다가 이러한 유전적 프로그램은 거리가 떨어져 있어도 양쪽에서 동시에 같은 방식으로 작동해야 한다. 초파리의 왼쪽 눈은 오른쪽 눈이 무엇을 하는지를 어떻게 알까?

최근의 한 논문은 이 작은 비행 생물의 머리에서 겹눈이 성장하면서 필요한 정밀도를 어떻게 달성하는지를 엿볼 수 있게 해주고 있었다.


곤충 눈의 크기 정밀도(PLoS Biology2024. 1. 31). 이 글에서 바르셀로나 과학기술 연구소(Barcelona Institute of Science and Technology)의 마르코 밀란(Marco Milán)은 같은 저널에 실린 카사레스 등의 논문(아래 참조)을 논평하면서, 초파리의 눈이 '변동 비대칭(fluctuating asymmetry, FA)‘, 즉 크기와 모양의 흔들리는 불일치를 줄이는 제어 과정을 통해 성장하면서, 어떻게 '크기 정밀도(size precision)'를 달성하는지에 대해 설명하고 있었다. 사실상 눈의 성장하는 세포가 파동을 일으킨다는 것이다 :

새로운 연구는 증식하는 세포와 분화하는 세포 사이의 피드백 상호작용을 통해, 파리 눈에서 크기 정밀도를 조절하는 내장된 성장 제어 메커니즘을 밝혀냈다. 이 메커니즘은 생물 사이 및 생물 내부의 눈 크기 변동성을 줄여, 반대쪽 눈의 대칭을 유지하고, 눈 기능에 분명한 잠재적 영향을 미친다. 성장하는 눈 원기(eye primordium)에서 분화의 물결(wave of differentiation)이 전방으로 이동하여, 물결의 전방에 위치한 증식성 전구세포(progenitors)가 세포 주기를 종료하는 분화하는 망막 세포로서 모여진다(그림 1). 파동이 원기의 가장 앞쪽 영역에 도달하면, 조직에 남아있는 전구세포는 없어지고, 최종 눈 크기에 도달하게 된다. 분화 파동의 움직임은 두 모르포겐(morphogens, shape generators), BMP homolog Dpp, Hedgehog(Hh)의 활성에 의존한다. 이것들은 새로운 분화하는 망막세포로 모집되도록 주변 증식 세포 전방으로 신호를 보내는, 분화하는 망막세포들로부터 만들어진다. 이와 관련하여 연구자들은 전구세포의 세포자살(apoptosis)을 차단하여, 눈의 크기를 조절하는 Dpp의 역할을 밝혀냈고, 이 메커니즘이 눈의 크기 변동성과 변동 비대칭(FA)를 줄이는 데 중요한 역할을 한다는 증거를 제시하고 있다.

이 과정의 단순화된 다이어그램은 공개 접근 논문에 나와 있다. 간단히 말해, 발달 프로그램은 발달 중인 눈의 전구세포를 가로지르는 신호 파동으로 두 개의 모르포겐 단백질(Dpp 및 Hh)을 사용한다. 이 모르포겐은 다음 단계의 세포가 망막으로 분화하거나, 세포자살(apoptosis, 프로그램된 세포 사멸)에 의해 죽도록 지시한다. 더 이상 전구세포가 남지 않을 때, 눈은 완성되고, 분화는 끝난다.


살짝 엿보기

하지만 이 모든 것은 실제로 일어나는 일의 일부에 불과하다. 눈은 3차원 구조로, 곡선의 공간을 가로질러, 여러 줄이 동시에 성장하는 구조이다. 또한 각 홑눈은 발달 파동의 방향에 대해 직각으로 성장해야 하는 키가 큰 구조물이다. 각 줄의 홑눈들은 곡면의 다른 줄과 맞아야 하기 때문에, 크기가 같을 수 없다.

뿐만 아니라, 각 홑눈은 수정체, 빛에 민감한 단백질이 있는 망막, 뇌와 연결되는 신경세포를 성장시켜야 한다. 그리고 홑눈 사이에는 촉각에 민감한 강모(bristles, 뻣뻣한 털)가 자라나, 눈을 방해하지 않으면서, 먼지로부터 눈을 보호하고, 강모가 부딪치는 물체에 대해 초파리에게 알려줘야 한다.

완성된 눈에서 홑눈과 강모는 서로 단단히 맞닿아 있다. 각각은 뇌에 연결되어 360°에 가까운 범위의 이미지를 합성해낸다. 대부분의 경우 수십억 마리의 초파리들에게 이 과정은 완벽하게 작동한다.

초파리의 눈 사진을 보면 또 다시 궁금증이 생겨난다. 어떻게 하나의 수정란 세포에서 이런 경이로움이 자라날 수 있을까?

밀란(Milán) 박사는 초파리의 날개가 어떻게 성장하는지에 대한 이전 연구를 바탕으로, 새로운 연구가 어떻게 이루어졌는지 설명한다 :

다세포 유기체가 발달할 때, 각 기관의 최종 크기는 화학적, 기계적 신호에 의해 엄격하게 조절된다. 초파리는 이러한 단서들을 유전적으로 식별하고 분자적으로 해부할 수 있는 훌륭한 시스템을 갖고 있다. 이러한 동물에서 기관 크기의 절묘한 조절은 같은 곤충의 왼쪽 날개와 오른쪽 날개 사이에서 관찰되는 변동성 감소에서도 찾아볼 수 있다....

그는 이 하찮은 초파리가 어떻게 모르포겐과 세포자살에 의해 조각되어, 왕족에 걸맞은 화려하고 정밀한 눈 구조를 만들어내는지 시적으로 표현할 수밖에 없다 :

세포사멸은 이전에 성충 날개의 크기 변동성과 변동 비대칭(FA)을 줄이는 데 기여하는 것으로 밝혀진 바 있다. 따라서 세포사멸은 초파리의 왼쪽 눈과 오른쪽 눈, 그리고 날개의 크기를 정밀하게 조절함으로써 초파리가 공중의 여왕이 되는데 영향을 미치는 것으로 보인다.

... 그리고 다리와 더듬이, 그리고 다른 모든 부분도 마찬가지이다. "공중의 여왕(Queens of the air)" 이러한 단어는 우리가 귀찮은 해충을 묘사할 때 절대 사용하지 않는 단어이다. 마이클 디킨슨(Michael Dickinson)이 몇 년 전에 쓴 글처럼, 손으로 내려치기 전에 생각해보라!


진화는 어디에 있는가?

초파리 눈의 크기를 정밀하게 조절하는 피드백 제어는 BMP2 조절 세포자살(BMP2-regulated apoptosis)에 의해서 매개된다(PLoS Biology, 2024. 1. 31). 이 논문은 초파리 눈의 발달에 대한 자세한 내용이 담긴 공개 접근 논문이다. 이 논문이 설명하는 모든 복잡성이 설명되기 위해, 다윈의 '만물 우연발생의 법칙(Stuff Happens Law)'이 사용될 수 있는지 살펴보라 :

초파리(fruit fly, Drosophila)에서 눈 발달의 종료 시점은 모든 망막 전구세포가 분화될 때(분화가 세포 주기의 종료를 동반함으로서) 종료된다. 세 가지 특성들이 눈 크기의 정밀성을 극대화하도록 하는 강한 진화적 압력에 의해서 결과되었다 : 첫째, 이미지 해상도와 대비감도(contrast sensitivity)는 눈의 빛 감지 단위 수에 비례하기 때문에 크기는 시력에 직접적인 영향을 미치고, 둘째, 눈을 만들고 유지하는 데에는 매우 많은 에너지와 비용이 들기 때문에 요구되는 시력에 눈 크기를 맞춰야 한다는 압박이 있으며, 셋째, 좌우의 눈은 공간에서 대칭적으로 자리잡아야 한다. 따라서 발달 시에 눈의 비대칭을 최소화되어야 한다는 점이다. 이 논문에서 우리는 기관 크기 조절의 한 사례로서 초파리의 눈이 크기 정밀도를 유지하는 메커니즘을 조사하였다.

그것이 전부이다. 그것이 그들의 진화에 대한 언급이다. 파리는 정확한 크기의 눈이 필요했고, 눈먼 땜장이(Blind Tinkerer)가 자비를 베풀어 파리의 눈을 만들어주었다. 파리는 볼 수 있어야 했기 때문에, 진화를 통해 눈이 생겼다. 파리는 선명한 눈이 필요했기 때문에, 진화는 발달 잡음(developmental noise)을 최소화했다는 것이다.  

--------------------------------------------------------------


진화는 어떻게 이런 일을 해냈을까? 눈이 없고, 날개가 없던, 조상 생물에 '눈과 날개를 갖지 않으면 죽는다'고 압력을 가했기 때문인가? 뭘 원해? 맨날 땅바닥에서 장님으로 살라고? 진화는 요술지팡이를 흔들며 요정에게 겹눈을 달라고 요청했다.

진화는 정말 멋지지 않은가? 다윈의 진화론은 사물을 설명하는 데 놀랍도록 도움이 되지 않는가? 이해, 통찰력, 지혜를 얻게 해주지 않는가? ’만물 우연발생의 법칙‘이 없었다면, 과학이 어떻게 발전할 수 있었을까? 하지만 지적설계인 것 같은데 라고 속삭이면, 황제 다윈은 "꺼져!"라고 말하며 격노할 것이다.

하지만 다윈 성의 붕괴는 도처에서 일어나고 있다. 이 새로운 연구를 통해, 생명체가 지닌 공학적 능력에 대한 경외심이 커지길 바란다. 그리고 초월적 지혜의 창조주께 영광을 돌리게 되는 계기가 되기를 바란다.

어제 우리는 거대한 창조물인 웅장한 나선 은하를 살펴보았다. 오늘은 눈에 잘 띄지 않을 정도로 작은 초파리에 대해 살펴보았다. 작은 것부터 거대한 것까지, 모든 피조물들은 창조주 하나님의 초월적 지혜를 가리키고 있는 것이다.


*참조 : ▶ 동물의 눈

https://creation.kr/Topic102/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6488243&t=board

▶ 초파리

https://creation.kr/Topic102/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6492305&t=board

▶ 동물의 경이로운 기능들

https://creation.kr/Topic102/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6488433&t=board

▶ 동물의 비행과 항해

https://creation.kr/Topic102/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6488035&t=board


출처 : CEH, 2024. 2. 1.

크기 : https://crev.info/2024/02/how-flies-control-eyes-size/

번역 : 미디어위원회



서울특별시 종로구 창경궁로26길 28-3

대표전화 02-419-6465  /  팩스 02-451-0130  /  desk@creation.kr

고유번호 : 219-82-00916             Copyright ⓒ 한국창조과학회

상호명 : (주)창조과학미디어  /  대표자 : 박영민

사업자번호 : 120-87-70892

통신판매업신고 : 제 2021-서울종로-1605 호

주소 : 서울특별시 종로구 창경궁로26길 28-5

대표전화 : 02-419-6484

개인정보책임자 : 김광