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문광주 기자 / 기사승인 : 2021-07-20 07:49:21
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* 단세포 녹조류, 단 500세대 만에 다세포성으로의 첫걸음 내딛다.
* 포식자의 선택 압력으로 진화가 반복적으로 관찰돼
* 예상대로 포식자의 소비에 대한 방어 수준이 증가하고 성장률이 감소
* 유전 가능한 특성까지 확장되도 다른 돌연변이를 찾는다.

실시간 진화
단세포 녹조류, 단 500세대 만에 다세포성으로의 첫걸음 내딛다.


단세포에서 다세포로:
연구자들이 처음으로 다세포 생명체가 어떻게 발전하고 있는지 실시간으로 추적했다.
단세포 녹조류인 클라미도모나스 라인하르드티(Chlamydomonas reinhardtii)에서 포식자의 선택 압력은 돌연변이를 일으켜 단 500세대 내에 다세포성으로 가는 길을 열었다. 이를 위한 전제 조건은 다세포 결합이 단일 세포 변이체보다 생존 및 번식 가능성이 더 높다는 것이다. 

▲ 녹조류 Chlamydomonas reinhardtii의 군체는 포식자의 선택 압력에 노출되었을 때 다세포성의 첫 징후를 나타냈다.

© Universität Konstanz


다세포 생물은 어떻게 발달했을까?
일반적인 이론은 단일 세포 유기체가 생물막의 박테리아와 유사하게 생존 가능성을 높이기 위해 처음에 함께 그룹화되어 식민지를 형성한다는 것이다. 유전적 발달로 번식률이 증가했을 수 있다. 이후에야 신체 및 생식 세포를 전문화하는 단계가 따랐다.

다세포화로 가는 길

플론에 있는 막스 플랑크 진화 생물학 연구소(Max Planck Institute for Evolutionary Biology)의 조아나 베르나르데스(Joana Bernardes)가 이끄는 연구팀은 "그러나 이 이론은 테스트된 적이 없으며 생태학적 및 유전적 수준에서 전이가 여전히 제대로 이해되지 않고 있다"고 적었다. 과학자들은 최근에 단세포 녹조류인 Chlamydomonas reinhardtii에 대한 이론을 실험적으로 테스트하고 확인했다.

Chlamydomonas reinhardtii는 일반적으로 집단 군락을 형성하지 않지만 개별 편모 세포의 형태로 발생한다. 그러나 조류는 느슨한 군체에서 "정상" 세포와 생식 세포 사이의 분화가 있는 보다 복잡한 구조에 이르기가지 그리고 여러 단계의 분업에 이르기까지 다양한 단계의 녹조류 그룹에 속한다. Chlamydomonas는 이러한 다세포 조류 군체의 단세포 조상과 유사하기 때문에 과학자들은 실험을 위해 이러한 유형의 조류를 선택했다.

포식자의 선택 압력

실험을 위해 Bernardes와 그녀의 동료들은 10개의 서로 다른 단세포 세포주를 사용했으며, 각각은 배지에서 6개월 동안 성장할 수 있었다. "세포 그룹의 진화가 반복적으로 관찰되는 한 가지 조건은 포식에 대한 반응이다"고 연구자들은 설명했다. 그러한 선택 압력을 만들기 위해 그들은 일부 조류 배양물을 포식자인 다세포 로티퍼에게 노출시켰다.

포식자가 없는 단세포 조류는 장점이 있다.
분열과 광합성 동안 바로 이웃하는 세포의 제한을 받지 않는다. 그러나 그들은 보호받지 못한 포식자에게 노출된다. 따라서 이론에 따르면 포식자의 존재는 세포가 식민지를 형성하도록 허용하는 돌연변이로 이어져야 한다.

이론 확인

실제로 :
"우리는 포식자의 영향으로 선택된 조류가 세포 그룹을 형성할 가능성이 더 높다는 것을 발견했다"고 연구자들은 보고했다. "동시에 예상대로 포식자의 소비에 대한 방어 수준이 증가하고 성장률이 감소하는 것으로 나타났다." 세포는 일반적인 젤라틴 껍질로 둘러싸여 있었다.

Bernardes 동료 루츠 벡스(Lutz Becks)는 “살아남은 식민지 군락 유형과 빠르게 번식하는 군락 유형의 분포는 우리가 테스트한 이론과 정확히 일치한다. 조류는 단세포 변이체보다 세포 클러스터에서 덜 강력하게 번식했지만 더 높은 전체 생존율로 이를 보상했다.

<먹히지 않도록 보호: 이 로티퍼가 삼키기에는 조류 군체 전체가 너무 큽니다.© Universität Konstanz>


진화는 유전자에서도 읽을 수 있다.


게놈 비교는 이러한 진화가 개별 조류 세대의 생활 방식뿐만 아니라 유전 가능한 특성까지 확장되었음을 보여주었다. 따라서 다른 돌연변이를 찾는다”고 Beck은 말했다.

사실, 연구자들은 개별적으로 살아있는 것과 군체를 형성하는 Chlamydomonas 배양물 사이에 유전적 차이가 있음을 발견했다. 64개 유전자의 활성은 조류 그룹에서 하향 조절된 반면 110개 다른 유전자는 더 활성이었다.

연구원들에 따르면, 각 배양지에서 반복적으로 관찰되는 이러한 유전자 활동의 변화는 외부에서 볼 수 있는 변화가 유전 가능함을 증명한다.

결과는 기본 이론을 확인할 뿐만 아니라 단세포성에서 다세포성으로의 진화 단계가 매우 빠르게 일어날 수 있음을 증명한다. Chladomonas reinhardtii의 경우 약 500세대에 불과하다.
(Nature Communications, 2021, doi: 10.1038/s41467-021-24503-z)

출처: Universität Konstanz

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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