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아가미 호흡기 아닌 이온 교환기 였다.

- 콩팥의 미네랄 재흡수    
- 소금의 재흡수

- TRPV4 : 삼투압과 온도
- 생선 : 소금, 이온교환, 삼투압
- 아가미 호흡기 아닌 이온 교환기 였다.
- 식물의 염 스트레스

브리티시컬럼비아대 콜린 브라우너 교수, 영국 ‘왕립회보B’ 에 발표

2010년 02월 01일      이정아 동아사이언스 기자 zzunga@donga.com

캐나다 브리티시컬럼비아대팀이 실험에 이용한 송어의 배아들. 연구팀은 물고기 아가미가 호흡이 아닌 이온 교환의 효율을 높이기 위해 진화했다는 사실을 최초로 밝혔다. 물고기의 아가미가 호흡하기 위해서가 아니라, 실제로는 몸 안팎의 이온을 교환하기 위해 진화했다는 연구 결과가 나왔다. 주변 환경 조건, 즉 물에 포함된 이온과 몸속의 이온의 농도 간 균형을 맞추기 위해 진화했다는 것이다. 물고기 아가미는 대체로 호흡기관으로 알려져있지만, 나트륨과 칼륨 같은 이온을 교환하는 역할을 하기도 한다.
캐나다 밴쿠버 브리티시컬럼비아대 동물학과 콜린 브라우너 교수는 최근 새끼 송어 배아(Oncorhynchus mykiss)의 성장을 관찰하는 과정에서 머리와 꼬리부분의 산소와 이온 농도에 미묘한 차이를 발견했다.  칸막이 2개로 구획을 나눈 수조에 송어 배아를 넣고 한쪽에는 머리가, 반대쪽에는 꼬리가 나오게 한 뒤 15일 후 이온 농도를 측정한 결과 머리 쪽에서 이온 교환이 더 많이 일어난다는 사실을 알아냈다. 아가미가 있는 머리 부분에서 이온 교환이 활발하게 이뤄졌다는 것을 뜻한다. 반면 산소를 교환한 비율은 머리나 꼬리 부분 모두 차이가 나지 않은 것으로 나타났다.
이에 대해 브라우너 교수는 “배아 상태의 송어는 호흡을 몸 전체(피부)로 하다가 점차 성장하면서 아가미가 형성된다”며 “아가미가 덜 발달한 어류 조상들도 피부로 호흡했을 것”이라고 설명했다.
그는 또 “이는 어류가 진화하면서 아가미 구조가 복잡해진 이유가 호흡의 효율을 높이기 위해서가 아니라 이온을 교환하는 표면적을 넓히기 위한 것으로 보여진다”고 덧붙였다.
물고기의 아가미가 진화한다는 사실은 덴마크 생리학자 아우구스트 크로그가 1940년대 처음으로 알아냈다. 크로그는 당시 “물고기가 물에서 더 많은 산소를 얻기 위해 표면적을 넓혔다”고 설명했다. 이번 연구는 지난 60년간 정설처럼 받아들여지던 이론을 뒤엎은 셈이다.
하지만 브라우너 교수는 “진화의 이유와 상관없이 호흡은 여전히 아가미의 가장 주요한 기능”이라며 “아가미가 더 진화해도 수질오염이 심하다면 물고기는 견디지 못하고 죽는다”고 경고했다. 이번 연구 결과는 1월 13일 발행된 영국의 ‘왕립회보B’ 인터넷판에 소개됐다.

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상어의 삼투압 조절 Osmoregulation
삼투압조절이란 것은 생명체가 몸의 체액 중 수분을 일정하게 유지하기 위하여 체액의 삼투압(삼투농도)을 능동적으로 조절하는 것을 말한다. 즉 체액의 농도가 너무 묽어지거나 너무 농축되지 않도록 하는 것이다. 삼투 현상은 물이 이웃해 있는 다른 용액으로 침투하는 경향을 말한다. 용액의 삼투압이 높을수록(농도가 짙을수록) 더 많은 물이 그 용액으로 스며들어 온다.
수중 생물이든 육상 생물이든 체액은 용해물질과 수분의 함량이 일정하게 유지되어야 한다. 이 작용은 피부와 신장 같은 기관의 배설(excretion) 활동으로 이루어진다. 신진대사의 부산물인 노폐 물질이 혈액에 많아지면 독성을 일으킴으로 이것도 배설 작용에 의해 밖으로 나가게 된다.
생명체들이 삼투압을 조절하는 방법에는 2가지가 있으며 하나는 삼투고정형(滲透固定子/osmoconformers)이고 다른 하나는 삼투조절형(渗透調節型動物/osmoregulation)이다. 삼투고정형 동물은 몸의 삼투압을 능동적으로 환경과 일치시키거나 저절로 일치된다. 대부분의 해양 무척추동물이 삼투고정형이며 체액의 이온 성분이 해수와 다를 수 있지만 삼투농도는 해수와 일치한다.

osmoregulatoin_Bachforelle450word.jpg 담수어의 삼투압 조절 원리. 민물의 염분을 아가미에서 흡수한다. Author/Raver, Duane. Wiki.

Osmoseragulation450word.jpg해수어의 삼투압 조절 원리. 아가미와 배설강으로 다량의 염분을 버린다. Author/Kare Kare. Wiki.

osmoregulation_Shark450word.jpg상어의 삼투압 조절 원리. 몸에 요소와 산화트리메틸아민이 고농축되어 있어서 해수의 삼투농도를 이겨낸다.

이 성분 때문에 상어나 홍어가 죽으면 악취가 심하다. 삼투조절형 동물은 몸의 삼투압이 항상 일정하게 유지되도록 통제를 한다. 동물 세계에서는 삼투조절형이 일반적이다. 삼투조절형은 환경의 염분 함량과 관계없이 적극적으로 몸의 염분을 조절한다. 담수 물고기가 그 좋은 예이다. 담수 물고기는 미토콘드리아가 풍부한 세포를 이용하여 아가미에서 환경에 있는 염분을 능동적으로 흡수한다. 그러면 삼투압이 높아진 물고기의 몸으로 물이 침투하여 들어올 것이지만 물고기는 초과된 물을 오줌으로 배설한다. 물을 많이 배설하고자 하는 목적의 오줌임으로 말하자면 짜지 않은 오줌을 내보낸다.
해수어는 이와 반대이다. 해수어의 삼투농도(osmotic concentration)는 바닷물보다 낮아서 몸의 수분이 해수 쪽으로 빠져나가 몸이 소금 맛이 되어 죽을 수 있다. 따라서 해수어는 수분을 보충하기 위해 바닷물을 열심히 먹은 다음 장에서 역삼투 방식으로 수분만 몸에 보내고 염분은 아가미를 통해 밖으로 배설한다. 대부분의 어류는 협염성(狹鹽性/stenohaline)이다. 이 말은 염분 변화에 적응할 능력 폭이 협소(狹小)해서 해수어는 바다에서만, 담수어는 민물에서만 살 수 있다는 의미이다.
상어와 가오리 홍어를 아우르는 판새어류(연골어류)들은 경골어류와는 다른 또 다른 방법으로 삼투농도를 조절한다. 상어도 해수를 마시게 되지만 염분은 신장에서 걸러져 거의 소금과 다름 없는 짠 오줌으로 배설된다. 그리고 염분이 몸 안으로는 침범해 들어가지 못하는 방어 장치를 갖고 있다. 그것은 혈액과 체액에 높은 농도로 녹아 있는 요소(尿素)와 산화트리메틸아민(trimethylamine oxide/비린내를 발생시키는 물질)이다. 이것이 해수와 동등한 삼투농도(등장성/等張性)를 유지한다. 이 높은 삼투압 때문에 상어는 담수에서 살 수 없다. 상어 가오리 홍어가 죽으면 악취가 심하게 나는데 이는 박테리아가 요소를 분해하여 암모니아로 만들어버리기 때문이다.
그러나 물고기들 중에는 매우 폭넓게 염도에 적응하는 놀라운 능력을 가진 종들이 여럿 있다. 이런 종류를 광염성(廣鹽性/euryhaline) 물고기라고 한다. 경골어류 중에서는 유럽 넙치(European flounder/Platichthys flesus)가 바다와 강을 넘나들며 사는 것으로 유명하다. 판새어류(상어 가오리 홍어 등의 연골어류) 중에서는 해수 종 가운데 43종이 담수에서 발견된 예가 있는 것으로 알려져 있다. 이 중에서 유명한 것이 불샤크(Bull shark/Carcharhinus leucas)이다. 불샤크는 요소를 몸 밖으로 버릴 수 있는 신장 기능을 개발해서 기수나 담수로 접근할 수 있다.
판새어류(상어, 가오리, 홍어)들은 혈액에 요소와 산화트리메틸아민(trimethylamine oxide)의 농도가 해수의 염분 농도와 거의 일치하기 때문에 담수로 들어가기가 어렵다. 그러나 담수에 들어간 불샤크의 요소 농도는 현저하게 낮아져있다. 그렇다 해도 주변 환경인 담수보다는 월등히 농도가 높다. 이래서 아가미를 통해 다량의 담수가 삼투해 들어옴으로 몸의 나트륨(sodium)과 염화물(chloride)이 소실될 우려가 있다. 그러나 불샤크의 몇 개 내장 기관이 담수에서도 염도와 수분의 균형을 이루게 해준다. 직장샘(直腸腺/rectal gland), 신장, 간 그리고 아가미가 그 기관들이다. 해수에 사는 판새어류는 모두 해수 환경에서 몸에 누적되는 염분을 배설시키는 기관인 직장샘을 갖고 있다. 그러나 담수에 들어가 적응할 수 있는 상어는 직장샘의 기능을 축소시켜 나트륨과 염화물을 보존한다. 신장은 다량의 희석된 오줌을 만들어 물을 배설함과 동시에 용액이 혈액으로 재흡수 되도록 하는데 중요한 역할을 한다. 아가미도 담수에 함유된 염분을 흡수하는데 동참하며 간은 주변 환경의 염도가 변하는데 맞추어 요소 생산량을 조절한다. 불샤크는 담수에서 평생을 살 수도 있지만 실제로 그런 일은 없다. 거기에는 이유가 있다. 불샤크는 나이가 많아질수록 염도가 매우 낮은 물과 매우 높은 물 사이에서 적응하는 능력이 커진다. 불샤크의 새끼들과 젊은 개체들은 담수나 기수에서 발견되고 바다 쪽으로 나가야 나이 먹은 개체가 발견된다. 새끼들은 해수에 삼투작용을 이겨낼 수 있는 능력이 없는 것이다. 어른 불샤크가 강으로 올라가는 것은 새끼를 낳기 위함인 것이다. 담수로 올라가 낳은 새끼는 잡아 먹히지 않고 생존할 확률이 높기 때문이며 서서히 하구로 내려오면서 해수에의 적응력를 키우는 전략인 것이다.