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시각 Eye 의 진화

눈 eye
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눈이 있는 플랑크톤?

고든 POWER blog  | 2015.07.05.

만화 영화 스폰지밥에는 커다란 눈이 있는 단세포 생물인 플랑크톤이 등장합니다. 물론 작은 단세포 플랑크톤이 팔다리와 눈, 입 등을 다 가지고 있을 이유는 없죠. 만화 캐릭터다보니 의인화 시켜서 표현한 것 뿐입니다. 하지만 놀랍게도 이 중에 적어도 눈은 있을 수도 있겠다는 증거가 발견되었습니다.
브리티쉬 컬럼비아 대학(University of British Columbia (UBC))의 연구팀은 와편모조류(dinoflagellates, 단세포 편모류)를 연구하던 도중 이상하게 생긴 구조물을 발견했습니다. 연구의 리더인 그레그 가벨리스(Greg Gavelis, a zoology PhD student at UBC)와 그의 동료들은 처음에 이것이 무엇인지 감을 잡을 수 없었으나 이 세포 소기관의 구조를 연구하던 중 놀라운 사실을 알게되었습니다.
그것은 단세포 생물의 눈이었던 것입니다. 더 놀라운 것은 이 눈이 그냥 명암 정도만 파악하는 암점 같은게 아니라는 것입니다. 이 작은 눈에는 각막, 수정체, 망막의 역할을 하는 세포 소기관이 별도로 존재해서 마치 인간 같은 고등한 다세포 동물에서 볼 수 있는 것 같은 눈을 가지고 있었습니다.

 
(Light micrograph (left), illustration (center) and transmission electron micrograph (right) show the eye-like structure in warnowiid dinoflagellates. Credit: Hoppenrath and Leander)

  warnowiid dinoflagellates라고 불리는 이 단세포 해양 플랑크톤은 몸에 비해서 상당히 거대한 세포 소기관을 가지고 있는데, 앞서 이야기했듯이 그 용도는 사실 렌즈를 가진 눈입니다. 그런데 이 작은 세포가 눈을 가지고 있으면 뭐가 좋을까요? 답은 먹이를 찾을 때 좋다는 것입니다.
사실 눈의 진화는 포식이라는 활동과 밀접한 관련이 있다는 가설이 있습니다. 이 플랑크톤 역시 바다에서 투명하게 생긴 세포를 찾아 먹는데, 이를 위해서 독특하게 생긴 작살 같은 구조물도 가지고 있습니다. 하지만 일단 보지 못하면 잡아먹지 못하는 것이죠.
이 작은 눈처럼 생긴 세포 소기관은 주변에 있는 먹이가 되는 세포를 찾아내면 먹이가 어느 방향에 있는지 화학적인 신호를 통해 알려준다고 합니다.
연구의 교신 저자인 브라이언 린더(UBC zoologist Brian Leander)에 의하면 더 놀랍게도 이 작은 눈에는 편광필터(polarizing filters)가 존재한다고 합니다. 여러 층으로 구성된 이 필터는 역시 투명한 몸을 가진 먹이를 찾아내는데 도움을 주는 것 같습니다.
우리는 종종 진화가 이뤄내는 놀라운 능력에 대해서 경탄하곤 하지만, 이번 발견은 정말 신선한 놀라움으로 다가오는 것 같습니다. 솔직히 이런 건 저 역시 한번도 상상조차 해 본적이 없는 것 같습니다. 생명의 경이는 인간의 상상 이상입니다.

Eye-like ocelloids are built from different endosymbiotically acquired components, Nature, dx.doi.org/10.1038/nature14593



시각(視覺)에 대한 관점(觀點)을 바꾸다: 심해어에서 진화한 초(超)시력
생명과학  양병찬 (2019-05-14 09:29)
시각(視覺)에 대한 관점(觀點)을 바꾸다: 심해어에서 진화한 초(超)시력

수심 2000미터의 해저에 사는 은빛가시지느러미(Diretmus argenteus)는 칠흑 같은 어둠 속에서 칼라로 볼 수 있다.

동굴어(cave fish)와 특정 귀뚜라미의 조상들이 칠흑처럼 어두운 동굴로 이주했을 때, 그들의 눈은 대(代)를 거듭하며 사실상 사라져갔다. 그러나 햇빛이 들어갈 수 없는 심해에서 생활하는 물고기들은 달랐다. 다른 생물들이 내뿜는 희미한 빛과 깜빡임에 고도로 집중하기 위해, 동굴어나 귀뚜라미와 달리 초시력(super-vision)을 발달시킨 것이다. 진화생물학자들에 따르면, 그들이 이런 초능력을 진화시킨 이유는 "로돕신(rod opsin: 희미한 빛을 탐지하는 망막 단백질)을 코딩하는 유전자가 특별히 증가했기 때문"이라고 한다. 더 나아가, 이 여벌 유전자들(extra genes)은 다양한 파장에서 광자(photon)들을 가능한 한 남김없이 포착할 수 있도록 다양화되어, 심해를 유영(游泳)하는 물고기들로 하여금 어둠 속에서도 칼라로 볼 수 있게 해줬다고 한다.

"이번 연구는 심해시각(deep-sea vision)에 관한 도그마를 뒤흔들었다"라고 하와이 대학교에서 시각을 연구하는 메간 포터(진화생물학)는 논평했다. 연구자들은 지금껏 '깊은 물속에 사는 물고기일수록 시각계가 단순하다'는 사실을 관찰하고, 그런 추세가 밑바닥까지 계속될 거라고 가정해 왔다. "가장 깊은 곳에 사는 물고기들이 옵신을 모두 보유하고 있다는 것은, 심해에서 일어나는 '빛과 진화의 상호작용'이 우리의 통념보다 훨씬 더 복잡하다는 것을 의미한다"라고 그는 덧붙였다.

수심 1,000미터가 되면, 희미한 한 줄기 햇빛마저 사라진다. 그러나 지난 15년 동안, 연구자들은 그런 심해에도 반짝이는 새우, 문어, 세균, 심지어 물고기의 희미한 생물발광(bioluminescence)이 만연한다(참고 1)는 사실을 깨달았다. 대부분의 척추동물의 눈은 그런 희미한 빛을 거의 탐지할 수 없다. 그렇다면 물고기는 그걸 볼 수 있을까? 만약 볼 수 있다면 그 비결은 뭘까? 이 의문을 해결하기 위해, 스위스 바젤 대학교의 발터 잘츠부르거(진화생물학)가 이끄는 연구팀은 심해어의 옵신(opsin)이라는 단백질을 연구했다. 옵신의 아미노산 시퀀스는 탐지되는 빛의 파장에 따라 달라지므로, 여러 가지 옵신이 색각(color vision)을 가능케 한다. 예컨대 RH1이라는 옵신은 저조도(low light)에서 잘 작동한다. 그것은 눈의 막대세포(rod cell)에서 발견되며, 인간으로 하여금 어둠 속에서도 볼 수 있게 해 준다. 단, 칼라가 아니라 흑백으로만.

잘츠부르거가 이끄는 연구팀은 101개 물고기 종(種)의 옵신 유전자를 분석했는데, 그중에는 대서양에 서식하는 심해어 7종이 포함되어 있으며, 그들은 분석을 위해 이 물고기들의 유전체 염기서열을 완전히 해독했다. 그 결과, 대부분의 물고기들은 (많은 척추동물들과 마찬가지로) 한두 개의 RH1 유전자를 보유하고 있지만, 네 가지 심해어 종(種)은 독보적인 것으로 나타났다. 즉, 벤토세마 글라시알레(Benthosema glaciale), 스틸레포루스 코르다투스(Stylephorus chordatus), 디레트모이데스 파우키라디아투스(Diretmoides pauciradiatus), 디레트무스 아르겐테우스(Diretmus argenteus)는 최소한 5개의 RH1 유전자를 보유하고 있었고, 특히 디레트무스의 경우에는 무려 38개의 RH1 유전자를 보유하고 있었다. 연구팀은 이상의 연구결과를 지난주 《Science》에 발표했다(참고 2). "그렇게 많은 RH1 유전자를 보유한 동물이 있다는 것은, 척추동물의 시각 분야에서 금시초문이다"라고 핀란드 헬싱키 대학교의 크리스티안 도너(감각생물학)는 말했다.

여벌 유전자들이 비기능적 중복(nonfunctional duplicate)이 아님을 증명하기 위해, 연구팀은 36개 어종(심해어종 11개 포함)의 유전자 활성을 측정했다. 그 결과, 심해어종이 보유한  여러 개의 RH1 유전자들은 활성이 있으며, 수심 2000미터에서 번성하는 디레트무스 성체의 경우 14개 유전자가 활성화되는 것으로 나타났다. "처음에는 역설적인 것처럼 들렸지만, '최소량의 빛이 존재하는 곳에서 가장 많은 RH1 유전자가 활성화된다'는 말은 설득력이 있다"라고 잘츠부르거는 말했다.

연구자들은 아미노산의 시퀀스를 이용하여 ‘옵신 단백질이 가장 민감한 빛의 파장’을 예측할 수 있다. 심해어들은 총 24개의 변이를 갖고 있었는데, 그것들은 RH1 단백질의 기능을 바꾸고, (생물발광의 색깔인) 청색광~녹색광이라는 좁은 범위의 빛을 탐지하기 위해 미조정된 것으로 보인다. "심해어들이 보유한 옵신 중 일부는 먹이, 위험, 사회적 상호작용과 관련된 특별한 생물발광신호(bioluminescent signal)를 탐지하도록 조율되었을 것이다"라고 텍사스 A&M 대학교의 길 로젠탈(행동생태학)은 말했다.

위에서 언급한 네 가지 심해어는 물고기의 계통수에서 세 개의 상이한 가지(lantern-fish, tube-eye fish, spinyfin)에 속하는데, 이는 이 같은 초(超)시력이 반복적으로 진화했음을 시사한다. "극단적인 빛 환경(light environment)에서 사는 동물들은 '시각 성과(visual performance)를 향상시키라'는 극단적인 자연선택압(壓)에 직면한다"라고 스웨덴 룬드 대학교의 에릭 워런트(시각생태학)는 말했다.

'풍부한 옵신'은 디레트무스의 망막이 특이한 구조를 갖고 있는 이유를 설명하는 데도 도움이 된다. 디레트무스의 막대세포 중 일부는 통상적인 막대세포보다 훨씬 더 길며, 많은 막대세포들은 - 한 개의 층으로 배열되지 않고 - 켜켜이 포개져 있다. 이처럼 길고 포개진 막대세포들은 유입되는 광자(photon)들을 더 많이 탐지하도록 해주지만, 연구자들은 오랫동안 그 막대세포들이 동일한 옵신을 갖고 있을 거라고 가정해 왔다. 그러나 이번 연구에서, 상이한 크기의 막대세포들은 - 구형 사진필름의 층(層)과 마찬가지로 - 상이한 파장의 빛을 포획하는 것으로 밝혀졌다. "우리는 지금껏 심해시각을 편협한 시선으로 바라봐 왔음을 인정해야 한다"라고 도너는 말했다.

【참고】 심해생활을 위한 특별한 눈(目)

은빛가시지느러미(Diretmus argenteus)는 저조도(low light)를 감지하는 막대세포가 특이하게 배열되어 있으며, 각각의 막대세포들은 다양한 광수용체 단백질을 보유하고 있다. 이러한 막대세포의 층(層) 중 일부는 켜켜이 포개져 있어서, 수심 1000미터 아래에 존재하는 극소수의 광자들을 가장 잘 포획할 수 있다.

생물발광에 조율되다: D. argenteus의 막대세포에서 발견되는 옵신들 중 상당수는 독특한 파장에 민감한데, 이는 그들로 하여금 다른 생물들이 내뿜는 희미한 생물발광을 총천연색으로 볼 수 있게 해준다.
시각(視覺)에 대한 관점(觀點)을 바꾸다: 심해어에서 진화한 초(超)시력
※ V. ALTOUNIAN/SCIENCE; (DATA) ZUZANA MUSILOVA/UNIVERSITY OF BASEL/CHARLES UNIVERSITY

심해어들이 사는 곳의 수심이 너무 깊어, 그들의 시각을 테스트하기 위해 살아있는 표본을 수집하는 것은 불가능하다. 그러나 여러 개의 옵신은 그들에게 색깔을 분별하는 능력을 부여하는 것으로 보인다. 그런 물고기들에게, 까만 잉크 같은 심해 속에서 반짝이는 희미한 생물발광은 환한 세상만큼이나 생생하고 다채롭게 보일 것이다.


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눈의 발생은 최소 세 번 이상 일어났다.절지동물,연체동물 중 두족류,척추동물의 세 경우가 각기 독립적으로 발생한 것이다. 다른 동물은 눈이 없을까 ?맞기도 하고 아니기도 하다. 우리에게 익숙한 형태의 눈은 이 세 종류의 동물만 가지고 있다. 그러나 눈의 범위를 조금 넓히면 그 외의 동물이 있긴 하다. 멸종한 삼엽충이 그렇다. 이 놈들은 특이하게도 렌즈 즉 수정체로 방해석을 쓴다.
상어 각막은 인간의 각막과 비슷하기 때문에 인간 이식에 사용되기도 한다.
지렁이,기생충류의 연충류들은 눈이  없다.
올빼미는 150 피트 이상 떨어진 곳에서 움직이는 쥐를 볼 수 있다.
기니피그는 눈을 뜨고 태어난다
전갈은 12 개, 상자 해파리에는 24 개의 눈이 있다
낙타에는 세 개의 눈꺼풀이 있다.  사막에 부는 모래로부터 눈을 보호하기위한 것.
대부분의 햄스터는 한 번에 한 눈만 깜박인다.
올빼미는 파란색을 볼 수있는 유일한 새이다.
염소는 넓은 시야를 제공하기 위해 직사각형 눈동자를 가지고 있다.
가리비는 포식자를 감지하기 위해 껍질 가장자리에 약 100 개의 눈이 있다.
뱀에는 두 세트의 눈이 있다. 하나는 보는 데 사용하고 다른 하나는 열과 움직임을 감지하는 데 사용된다. 그들은 또한 눈꺼풀이 없으며 눈을 덮는 얇은 막이 있다.
네 눈을 가진 물고기는 물 위와 아래를 동시에 볼 수 있다.
올빼미는 눈알을 움직일 수 없다. 이로 인해 거의 모든 방향으로 고개를 돌리는 독특한 방식이 생겼다.
잠자리는 눈에 30,000 개의 렌즈를 가지고있어 움직임 감지에 탁월하다.
돌고래는 한쪽 눈을 뜨고 잠을 잔다.
지구상에서 가장 큰 눈을 가진 동물은 자이언트 오징어이며 지름은 약 27cm입니다.
도마뱀붙이는 어두운 조명에서도 인간보다 약 350 배 더 나은 색상을 볼 수 있다.
카멜레온의 눈은 서로 독립적이므로 한 번에 두 방향을 볼 수 있다.
낙타 속눈썹의 길이는 최대 10cm로 사막에서 모래와 파편이 날리지 않도록 속눈썹을 보호한다.
타조의 눈은 뇌보다 크다.
개는 빨간색과 초록색을 구별 할 수 없다.
북극곰은 제 3의 눈꺼풀이있어 자외선을 차단한다.
인간의 눈이 가장 많이 진화 된 것이 아니다. 사마귀 새우는 인간의 눈보다 4 배 많은 색 수용체를 가지고 있으며 일부는 자외선을 볼 수 있다.
비둘기는 수백만 가지 색상을 볼 수 있으며 지구상의 대부분의 동물보다 색각이 더 좋다.
고양이의 눈은 3 차원에서 거의 285 도의 시야를 가지고있어 사냥에 이상적인 주변 시야를 관장한다.
색맹이지만 오징어는 빛의 편광을 감지하여 포식자로부터 대비한다.
나방의 눈은 발수, 반사 방지 코팅으로 덮여 있다.
개미는 눈이 두 개 뿐이지만 각 눈에는 작은 눈이 많이 포함되어있어 "복합 눈"이됩니다.
독수리는 망막에  제곱 밀리미터 당 1 백만 개의 빛 감지 세포를 가지고 있다. 인간은 200,000 개에 불과합니다.
꿀벌의 눈은 수천 개의 작은 렌즈로 만들어져 있다. 일벌은 최대 8,600 개, 여왕벌은 3,000-4,000 개,.
호랑이의 야간 시력은 인간보다 6 배나 좋다.
말과 얼룩말의 눈은 옆으로 향하여 주변을 거의 볼 수있을 정도로 엄청난 시야각을 가지지만 코 바로 앞에는 사각 지대가 있어 잘 보지 못한다.