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카멜레온의 비밀이 밝혀지다 피부세포 내 나노결정 구조 변화 때문

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작성자 허순호 쪽지보내기 메일보내기 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 요원 댓글 0건 조회 235회 작성일 15-03-23 06:35

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http://www.sciencetimes.co.kr/?p=134190&cat=128&post_type=news
고대 그리스어로 ‘땅위의 사자’( χαμαιλέων)는 바로 카멜레온(chameleon)이다. 카멜레온의 가장 큰 특징은 시시때때로 변화하는 몸의 색깔이다. 주변에 맞추어 자신의 색을 변화시키기도 하지만, 감정을 표현하거나 의사소통을 위해서도 색을 바꾼다.

이처럼 몸의 색깔을 변화할 수 있는 ‘변온동물’은 체온조절 능력에 한계가 있기 때문에 동면이나 하면을 하기도 하지만, 외부의 환경에 맞서 자신을 보호하기 위한 방법으로 색을 바꾼다는 점에서 상당한 능력을 가지고 있다. 이와 같은 온도에 따라 색이 변하는 것이 사람에게 도움이 되기도 한다.

지금까지 카멜레온이 짧은 시간 내에 자신의 몸 색깔을 바꾸는 비밀이 바로 색소라고 보는 경우가 많았다. 하지만 미셸 C. 밀린코비치(Michel C. Milinkovitch) 제네바대학교(Universite de Geneve, Switzerland) 교수는 지난 3월 10일 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(nature communications)를 통해 피부세포 내 나노결정 구조가 변화함에 따라 이러한 현상이 나타난다고 밝혔다. (원문링크)

카멜레온과 같은 변온동물은 외부 환경에 따라 피부 색이 변화한다. 지금까지는 이들의 피부 색이 언제 변화하는가에 대한 연구가 이뤄져왔다. 그 메커니즘은 정확하게 알려지지 않았는데, 지난 3월 해외 연구진에 의해 그 비밀이 밝혀졌다. ⓒ 위키피디아
카멜레온과 같은 변온동물은 외부 환경에 따라 피부 색이 변화한다. 지금까지는 이들의 피부 색이 언제 변화하는가에 대한 연구가 이뤄져왔다. 그 메커니즘은 정확하게 알려지지 않았는데, 지난 3월 해외 연구진에 의해 그 비밀이 밝혀졌다. ⓒ 위키피디아
다른 동물은 색소의 축적이나 분산으로 인해 피부색이 변화하게 된다. 하지만 카멜레온은 이들과는 다르게, 피부세포의 구조가 변화함에 따라 빛의 파장이 달라지게 되고 그로 인해 피부색이 변화한다는 것이다. 지금까지 카멜레온의 피부색이 변화하는 환경은 많이 연구되었으나, 그 메커니즘은 정확하게 알려지지 않았었다.

카멜레온의 피부가 화려하게 변화하는 이유는 색소 없이 ‘광간섭’이라고 하는 물리 현상으로 인해 나타나는 것이다. 특정 파장의 빛과 10억분의 1미터(m) 수준인 나노미터(nm) 수준의 결정구조 사이에서 일어나는 상호작용의 결과라고 할 수 있다. 광간섭은 같은 광원에서 나오는 빛을 적당한 방법으로 둘 또는 그 이상의 광행로(光行路)로 나누고, 그것을 겹쳐 간섭시켜서 그 간섭무늬를 관측하는 것을 말한다.

연구를 통해 카멜레온의 피부에는 빛을 반사하는 층이 2개 있다는 사실이 밝혀졌다. 즉, 카멜레온은 피부를 당기거나 느슨하게 하는 방법으로 바깥층에 있는 홍색소포(iridophore)에 있는 나노결정의 격자구조를 바꾼다. 그리고 이 과정을 통해 피부색을 변화시키게 된다.

홍색소포는 피부세포 중 세포질에 있는데, 여기에는 나노결정이 배열되어 있다. 그래서 피부에 힘이 가해지면 이 나노결정의 격자구조가 변화하게 되고, 이를 통해 특정 파장의 빛만 선택적으로 반사하여 화려한 피부 색깔이 보이게 되는 것이다.

이번 연구는 카멜레온이 어떠한 메커니즘을 가지고 피부의 색을 변화시키는가를 밝혀냈다. 카멜레온이 나노결정의 격자 구조를 어떻게 제어하는지 분자적, 세포적으로는 메커니즘이 밝혀지지 않았다. 앞으로 이와 관련된 연구 뿐만 아니라, 홍색소포 안에 나노결정 격자가 생성되는 메커니즘에 대한 연구도 필요해 보인다.

도마뱀, 온난화에 빠르게 적응하고 있어

변온동물은 말 그대로 외부의 온도에 의해 체온이 변화하는 동물이기 때문에, 일반적으로 온도가 급변하는 환경에서는 살아남기 힘들다고 생각하는 경우가 많다. 지구온난화로 인해 온도가 높아지는 이런 환경에서 도마뱀과 같은 변온동물이 살아남기 어렵다고 예상하기도 한다.

하지만 이런 예상과는 다르게, 이들은 온난화에 빠르게 적응하고 있다. 2014년 8월 18일 미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)를 통해 마이클 로건(Michael L. Logan) 다트머스 대학(Darmouth College, USA)를 비롯한 공동 연구팀은 바하마 제도에 사는 도마뱀(anolis sagrei lizards)들은 온난화에 아주 잘 적응하고 있다는 내용을 발표하였다. (원문링크)

사실 열대지역에 사는 도마뱀들은 생존할 수 있는 온도의 범위가 매우 좁기 때문에, 온난화로 기온이 지속적으로 상승하게 되면 멸종할 수도 있다. 연구팀은 이러한 도마뱀의 특성을 알고, 이들을 대상으로 실험을 진행하였다. 두 그룹으로 나누고, 한 그룹은 그대로 두고 한 그룹은 원래 살던 숲보다 평균 기온이 조금 높은 심한 주변으로 옮겼다.

그 결과, 기온이 높고 기온 변화가 심한 거친 환경에 노출된 도마뱀들은 원래 서식지에 살던 도마뱀보다 체온이 평균 섭씨 1.5도(℃)높게 나타났다. 즉, 변온동물인 도마뱀이 전에 살던 환경보다 높은 온도에서 적응하기 위해 체온을 높인 것이다.

물론 도마뱀의 적응 능력이 자손으로 이어지면서 높아진다는 증거는 없으며, 적응 능력이 후대로 이어지면서 높아질지에 대해서는 조금 더 지켜봐야 한다. 현재 온난화로 인한 기온 변화의 폭이 도마뱀이 살아남을 수 있는 한계치보다 낮기 때문에 빠르게 적응했을 가능성도 존재한다.

온난화는 기온이 한번 상승하고 멈추는 것이 아니라, 지속적으로 상승한다. 따라서 이런 환경에서 살아남기 위해서는 기온변화에 적응하는 능력이 여러 세대에 걸쳐 지속적으로 나타나야 한다. 이번 실험은 기온이 조금만 변해도 멸종될 가능성이 있다는 사람들의 예상과는 다르게 생물들이 비교적 온난화에 잘 적응하여 살아남을 수 있음을 보여주었다.

카멜레온처럼 변화하는 군복도 개발

주변 환경과 온도에 따라 자유 자재로 색을 바꾸는 변온동물에서 아이디어를 얻어, 실제로 이와 같은 기능을 가진 첨단 위장 물질이 개발되었다. 2014년 7월 30일 학술지 ‘미국국립과학원회보’(PNAS)를 통해 발표된 유항 리(Yuhang Li) 북경항공항천대학(北京航空航天大学) 교수를 비롯한 공동 연구팀의 연구이다. (원문링크)

선행된 여러 연구를 통해 문어나 오징어와 같은 두족류에서는 다른 동물들보다 한 차원 높은 위장기술을 가지고 있다는 사실이 밝혀졌다. 연구팀은 바로 이 두족류가 가지고 있는 위장기술의 원리에서 아이디어를 얻었다. 두족류는 주위의 사물이나 온도를 인식하자마자 주변 사물과 거의 유사한 색으로 몸을 변화시킨다. 변온동물처럼 말이다.

연구팀은 두족류의 색소포를 그대로 재현한 모델링 자료를 만들고, 이에 맞추어 위장 물질구조를 구성해냈다. 온도와 환경의 변화를 실시간으로 인지하는 반사표면이 존재하며, 두족류에서 신경과 근육의 연결고리 부분 역할을 하는 인공 수용체도 만들었다. 그리고 변화에 따라 자체적으로 색을 변화시키는 광센서도 연결했다.

그 결과, 이 위장물질은 변온동물처럼 특정 온도나 환경변화가 감지되면 색깔이 변화하게 된다. 본 형태는 불투명한 무색인데, 이것이 변화하여 주변 지형과 감쪽같이 동일화되는 것이다. 해당 위장 물질은 변화감지 1~2초 이내에 흑백형태로 주변 지형과 거의 흡사하게 변화한다.

흥미로운 것은 해당 위장 물질에 흑백을 포함한 다양한 패턴을 생성해내는 프로그래밍이 내장되어있다는 것이다. 그래서 알파벳 모양을 인식하면 이와 유사한 형태로 변화하기도 한다. 이번에 개발된 기술은 철저한 보안과 위장이 필요한 군대에서 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 보인다.
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