상어, 나선형 창자의 비밀

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-07-21 21:05:22
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* 상어와 다른 초기 연골 어류는 앞창자와 직장 사이에 나선형 창자를 가지고 있어
* 나선형 창자는 음식의 이동 속도를 늦춰, 직선형 보다 3.5배 느리다.
* 창자의 모양과 기능 원리, Tesla 밸브와 놀라울 정도로 유사, 액체 한 방향으로만 흐르도록.
* 이 모델을 기반으로 하는 산업용 밸브 시스템을 개발하는 데 도움

상어 내장은 테슬라 밸브처럼 작동한다.
상어의 나선형 내장은 음식의 통과를 늦추고 역류 방지


자연의 독창적인 특허:
연구원들은 처음으로 상어의 나선형 내장에 대한 3차원적 관찰을 통해 놀라운 것을 발견했다. 내부 구조에 나선형으로 분할된 장은 음식을 느리게 할 뿐만 아니라 소화를 개선하기 때문이다. Tesla(테슬라) 밸브처럼 작동한다. 음식은 한 방향으로 지나갈 수 있지만 반대 방향에서는 멈춘다. 

▲ 상어의 나선형 창자 X선 사진은 이 소화기관의 나선형 내부 구조를 보여준다.

© Samantha Leigh/ California State University


상어는 바다의 최상위 포식자일 뿐만 아니라 바다에서 가장 오래되고 다양한 동물이기도 하다. 그들 중 일부는 오래 사는 척추동물 중 하나이고, 다른 일부는 형광을 발하거나 바다에서 가장 큰 물고기다. 비교적 큰 먹이를 먹을 수 있지만 음식 없이 몇 주 동안 버틸 수도 있다. 이에 적응하기 위해 상어와 다른 초기 연골 어류는 앞창자와 직장 사이에 장의 특별한 부분인 나선형 창자를 가지고 있다.

수수께끼 나선형 창자

상어 나선형 내장의 내부 표면은 최대 50개의 나선형으로 감겨 있거나 여러 개의 세분화된 주름으로 크게 확대된다. 동물학자들은 이것이 섭취물식품 펄프의 통과를 늦추고 영양소의 흡수를 개선해야 한다고 오랫동안 가정해 왔다.

그러나 나선형 케이스가 정확히 어떻게 작동하고 어떻게 세부적으로 설계되었는지는 지금까지 불분명했다. 주 저자인 캘리포니아 주립 대학의 사만타 레이(Samantha Leigh)는 “상어의 진정으로 놀라운 나선형 내장을 현대 기술로 관찰할 때가 되었다”고 말했다.

연구를 위해 그녀의 팀은 처음으로 고해상도 컴퓨터 단층 촬영을 사용해 22과의 거의 30여 종의 상어의 나선 내장을 조사했다. 나선형 장의 네 가지 주요 형태에 대해, 그들은 또한 다른 액체가 통과하는 속도, 이 흐름이 방향에 따라 달라지는지, 음식 수송에서 근육 수축이 어떤 역할을 하는지도 결정했다. 

▲ 이 CT 이미지는 정면에서 비스듬히 상어의 나선 창자를 보여준다. © Samantha Leigh/ California State University

역류 차단

이미 의심되는 바와 같이 나선형 창자는 실제로 음식의 이동 속도를 늦춘다.
테스트에서 흐름은 직선형 장에 비해 모든 나선형 장 유형에서 평균 3.5배 느려졌다.
흥미롭게도, 이 제동 효과는 연구원들이 테스트 목적을 위해 잘못된 방향으로 나선형 내장을 통해 시뮬레이션된 먹이를 보냈을 때 크게 증가했다.

이 효과는 깔때기 모양의 내부 구조를 가진 두 가지 유형의 나선형 케이싱에서 특히 두드러졌다. Leigh와 그녀의 팀은 "그들은 역류보다 후방으로의 수송에 대해 훨씬 적은 저항을 제공한다"고 말했다. “이것은 이러한 구조가 앞에서 뒤로 음식의 흐름을 수동적으로 촉진하지만 되돌아가는 흐름을 더 어렵게 만든다는 것을 보여준다.” 나선형 내장을 가진 가시 상어에서 Leigh와 그녀의 팀은 이전에 감지되지 않은 중앙 내강(Lumen 內腔)도 발견했다. 루멘은나선형 축에 있는 관통하는 구멍이다.

Tesla 밸브와 같은 형태와 기능

흥미로운 점은 나선형 창자의 모양과 기능 원리가 Tesla 밸브와 놀라울 정도로 유사하다는 것이다. "이러한 밸브는 움직이는 부분 없이 액체가 한 방향으로만 흐르도록 한다"고 과학자들은 설명한다. “이것은 방향에 따라 다른 경로를 따라가는 유체에 의해 달성된다. 상어의 나선형 내장은 정확히 이 원리에 따라 작동할 수 있다.”

이 기능적 원리를 통해 나선형 창자는 섭취한 먹이가 느려지고 잘 혼합되지만 역류할 수 없도록 한다. "상어 내장의 3차원 분석은 우리가 이 물고기의 소화를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 이 모델을 기반으로 하는 산업용 밸브 시스템을 개발하는 데 도움이 될 수 있다"고 Leigh와 그의 동료가 말했다.

다음으로 연구팀은 3D 프린터로 다양한 나선형 창자의 3차원 이미지와 모델을 출력할 계획이다. 이것은 상어의 장의 기능에 대한 추가 테스트를 수행할 수 있게 한다.
그들은 또한 나선형 창자 원리에 기반한 밸브의 가능한 응용을 연구하기 위해 엔지니어와 협력하기를 원한다.

▲ 나선형 창자의 모양은 위의 Nikola Tesla의 특허 도면인 생물학적 Teslav 밸브를 형성한다.

© historisch, Samantha Leigh/ California State University


나선형 창자에는 왜 네 가지 유형이 있을까?

상어가 네 가지 유형의 나선형 창자 구조를 개발한 이유도 불분명하다.
과학자들은 먹이의 종류나 부족 내 상어과의 위치에 대한 어떠한 연관성도 찾을 수 없었다. "일반적으로 나선 형태는 계통 발생학적으로 가장 오래된 것으로 보이지만 다른 유형은 추적 가능한 순서를 따르지 않는다"고 Leigh와 팀은 설명했다.

이 시점에서도 상어와 그들의 나선 창자에 대해 아직 연구가 많이 남아 있다.
공동 저자인 워싱턴 대학의 아담 섬머스(Adam Summers)는 "대부분의 상어와 그들의 생리학은 지금까지 거의 조사되지 않았거나 심지어 완전히 알려지지 않았다"며 "거의 모든 관찰, 시각화 및 해부학적 검사는 우리가 전에는 생각하지 못했던 것을 보여준다"고 말했다. (Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 2021; doi: 10.1098 / rspb.2021.1359)
출처: University of Washington

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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