10억 년에 한 번 있을 진화 사건, 두 생명체의 융합

 (newatlas.com)
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  • 조류 Braarudosphaera bigelowii가 남세균 UCYN-A를 세포 안에 품고 하나의 기관처럼 쓰는 사례가 확인되며, 드문 1차 세포내공생의 진행 사례로 주목받음
  • 1차 세포내공생은 한 미생물이 다른 미생물을 삼킨 뒤 내부 기관처럼 활용하다가, 공생체가 독립 생존 능력을 잃고 세포소기관이 되는 과정임
  • 지구 생명 약 40억 년 역사에서 알려진 대형 사례는 약 22억 년 전 미토콘드리아, 약 16억 년 전 엽록체 형성뿐이며, 각각 복잡한 생명과 식물 진화의 전환점이 됨
  • UCYN-A는 숙주 조류와 크기 비율, 대사, 세포분열이 맞물리고 필요한 단백질의 절반가량을 숙주에 의존해 nitroplast라는 세포소기관으로 판단됨
  • nitroplast 연구는 식물에 질소 고정 능력을 도입하는 길로 이어질 수 있어, 장기적으로 작물 개선 가능성을 염두에 둔 연구 대상이 됨

다시 관찰된 1차 세포내공생

  • 과학자들은 두 생명체가 하나의 유기체로 합쳐지는 진화 사건이 진행 중인 사례를 확인함
  • 대상은 조류 Braarudosphaera bigelowii와 남세균 UCYN-A임
  • UCYN-A는 조류가 일반적으로 하지 못하는 일을 가능하게 함
    • 공기 중 질소를 직접 고정함
    • 질소를 다른 원소와 결합해 더 유용한 화합물로 만듦

세포내공생이 세포소기관이 되는 과정

  • 1차 세포내공생(primary endosymbiosis) 은 한 미생물이 다른 미생물을 삼킨 뒤 내부 기관처럼 쓰는 현상임
  • 숙주 세포는 공생체에 영양분, 에너지, 보호 같은 이점을 제공함
  • 시간이 지나 공생체는 독립적으로 살 수 없게 되고, 미생물 세포 안의 세포소기관(organelle) 처럼 자리 잡음

미토콘드리아와 엽록체가 만든 이전 전환점

  • 지구 생명 약 40억 년 역사에서 알려진 1차 세포내공생은 두 번뿐으로 여겨짐
  • 첫 번째 사례는 약 22억 년 전 발생함
    • 고세균이 박테리아를 삼킴
    • 이 박테리아가 미토콘드리아가 됨
    • 에너지 생산에 특화된 미토콘드리아는 복잡한 생명체 진화를 가능하게 함
  • 두 번째 사례는 약 16억 년 전 발생함
    • 더 발달한 세포가 햇빛 에너지를 수확할 수 있는 남세균을 흡수함
    • 이 남세균이 엽록체가 됨
    • 엽록체는 식물에 햇빛 활용 능력과 녹색을 제공함

B. bigelowii와 UCYN-A의 결합이 특별한 이유

  • 식물과 조류는 보통 별개의 박테리아와 공생 관계를 맺어 질소를 얻음
  • 처음에는 B. bigelowii도 UCYN-A와 이런 별도 공생 관계를 맺은 것으로 여겨짐
  • 더 자세한 조사에서 두 생명체의 관계가 훨씬 더 밀접하다는 증거가 나옴

UCYN-A가 nitroplast로 판단된 근거

  • 한 연구팀은 조류와 UCYN-A의 크기 비율이 관련 조류 종들 사이에서도 비슷하게 유지되는 것을 확인함
    • 성장 과정은 영양분 교환에 의해 조절되는 것으로 보임
    • 이는 미토콘드리아와 엽록체가 세포 크기에 맞춰지는 방식과 같음
  • 후속 연구에서는 강력한 X선 이미징 기법으로 살아 있는 조류 세포 내부를 관찰함
    • 숙주와 공생체의 복제 및 세포분열이 동기화돼 있음
    • 이는 1차 세포내공생이 작동 중이라는 추가 증거임
  • 연구팀은 분리된 UCYN-A와 조류 세포 안의 UCYN-A 단백질을 비교함
    • 분리된 UCYN-A는 필요한 단백질의 약 절반만 자체 생산할 수 있음
    • 나머지는 조류 숙주가 제공해야 함
    • 이는 내공생체가 세포소기관으로 이동할 때 나타나는 특징임
  • UCYN-A는 nitroplast라는 이름의 완전한 세포소기관으로 판단됨
  • nitroplast의 진화는 약 1억 년 전 시작된 것으로 보이며, 미토콘드리아와 엽록체에 비하면 매우 짧은 시간임

식물의 질소 고정으로 이어질 가능성

  • 연구자들은 nitroplast가 다른 세포에도 존재하는지, 어떤 영향을 갖는지 계속 연구할 계획임
  • 가능한 이점 중 하나는 식물에 질소 고정 능력을 도입하는 새로운 경로를 제공하는 것임
  • 이 능력은 더 나은 작물을 재배하는 데 활용될 수 있음
  • 연구는 Cell00182-X.pdf)과 Science에 게재됨

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 고등학교 생물학을 3년이나 배웠는데, 한 생명체가 다른 생명체를 흡수한 일이 이런 놀라운 능력의 기원이 됐다는 걸 왜 못 들었는지 모르겠음
    미토콘드리아와 엽록체는 배웠지만 아주 건조하게만 다뤘음
    이런 맥락을 같이 알려주면 초중등 교육이 아이들에게 훨씬 더 흥미로워질 수 있음

    • 같은 맥락에서 이 글도 읽어볼 만함: https://jsomers.net/i-should-have-loved-biology/
    • 언제 배웠느냐에 따라 다름
      세포내 공생 기원설은 2000년대까지도 관련 연결고리가 계속 규명되던 중이었음
      https://www.nature.com/scitable/topicpage/the-origin-of-mito...
    • 예전 10학년 생물 시간에 미토콘드리아와 엽록체에 대해 이 내용을 배웠던 기억이 있음
      다만 지금 고등학교 동창들에게 물어보면 그 수업 내용으로 기억할 확률은 반반일 듯함
      세포소기관을 배울 때 나온 어떤 정보든 마찬가지고, 심지어 세포소기관이라는 단어를 기억할지도 반반일 것 같음
      기사 없이 물어봤다면 이런 사건들이 대략 언제 일어났는지도 못 말했을 것임
      그래도 예전 동창 전원은 아마 “세포의 발전소” 밈은 기억할 듯함
    • 과자극된 학생 25명, 45분 수업, 저임금 교사라는 조건에서는 흥미롭게 만들기가 그냥 불가능함
    • 학교에서 미토콘드리아에 자기 DNA가 있다는 것도 배웠는지 궁금함
      그리고 우리 미토콘드리아는 난자에서 오기 때문에 미토콘드리아 DNA는 항상 어머니의 미토콘드리아에서 온다는 점도 있음
      아니면 Parasite Eve를 해봤을 수도 있음 [0]
      [0] https://en.wikipedia.org/wiki/Parasite_Eve_(video_game)#Plot

  • 첫 번째 공생 사건은 두 번째나 세 번째보다 백만 배는 더 어려웠음
    처음에는 숙주가 공생체의 생애와 죽음 과정에서 만들어지는 DNA와 RNA를 처리해야 하는 매우 어려운 과제가 있었음
    숙주는 살아남기 위해 세포핵과 유성생식 같은 것을 진화시켜야 했고, 공생체에서 온 이기적 유전 요소들 때문에 모든 유전자가 손상된 상황을 다루기 위해 선택적 이어맞추기도 필요했음
    이후 공생체를 통합하는 일도 여전히 어렵지만, 그 첫 단계만큼은 아님
    진핵생물의 기원으로 이어진 첫 공생은 10억 년에 한 번이 아니라 1조 년에 한 번, 혹은 10^20년에 한 번 이하의 희귀한 사건일 수도 있음
    단순 생명체가 있는 행성 10억 개 중 하나만 동물 같은 복잡한 생명을 “만들어낸다”는 뜻일 수 있고, 이것이 페르미 역설로 이어지는 큰 여과기일 수도 있음

    • 점점 비슷하게 봄
      큰 여과기는 이미 우리가 통과한 것일 수 있고, 오늘날 우리에 이르게 한 제약 조건들의 조합이 믿기 어려울 정도로 희귀했기 때문일 수 있음
      또 하나의 극소 확률 사건은 추상적 지능의 발달일 수 있음
      우리 식의 지능이 진화적 이점이 되도록 만든 조건은 특히 독특해 보임: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK210002/

  • 제목만 보면 지난주에 일어난 일처럼 들리지만, 실제로는 1억 년 전에 일어난 일이고 이제야 발견한 것임

    • 다행임
      지금 막 생겨난 새로운 종처럼 들렸다면 엄청 무서웠을 것 같음
      그런 종이 우리 생태계를 압도해서 혼란을 일으키고, 결국 새로운 균형과 승자, 새로운 지배 종이 나타나는 상황을 상상했음
    • 고마움
      이렇게 드문 일이 일어나는 순간에 하필 현미경으로 보고 있었을 확률이 얼마나 되나 싶어 수상했음
      그럼 기사에서 말하지 않은 걸 보면, 결과적으로 아직은 흥미로운 일이 별로 안 일어난 건가 싶음
    • 지난주에도 일어났을 수는 있음
    • 진화적 시간척도에서는 1억 년 전이 거의 지난주와 같음
    • 즉각적인 사건이었던 것도 아님
      공생 관계가 1억 년 전에 처음 발달하기 시작했다면, 박테리아가 지금처럼 숙주 조류 세포에 완전히 의존하는 세포소기관이 되기까지 그 시간이 전부 걸렸을 수 있음

  • 문제의 조류를 보면 좋음: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Braarudosphaera_bigelowii
    열두 개의 오각판으로 자신을 둘러싸서 완벽한 정십이면체를 만듦
    정말 믿기 어려울 정도로 멋진 생물임

  • 1차 출처들임
    [1] https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(24)00182-X.pdf
    [2] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38603509/
    LBL의 보도자료도 있음
    [3] https://newscenter.lbl.gov/2024/04/17/scientists-discover-fi...
    [1]은 공개 접근 가능함

  • 10억 년에 한 번 일어나는 일인데 마침 우리가 정확히 그 표본을 포착했을 가능성이 더 클까, 아니면 훨씬 자주 일어나지만 보통은 언급된 사례들만큼 영향력 있거나 기억에 남지 않는 사례 하나를 본 것일 가능성이 더 클까
    선정적인 보도가 너무 심함

    • 이 특정 사례는 1억 년 전에 시작됐으니, 적절한 장소와 순간에 우연히 있었던 상황은 아님
      공생발생은 알려진 사례가 미토콘드리아와 색소체, 그중 엽록체를 포함해 두 번뿐이라 “10억 년에 한 번”이라는 표현이 어느 정도 정당화됨
      다른 사례들도 의심되고 있음: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiogenesis
      세포내 공생체는 많이 알려져 있음
      다른 생물의 몸이나 세포 안에 사는 별개의 생물이며, 공생발생의 전제 조건임
      https://en.wikipedia.org/wiki/Endosymbiont
    • “전체적으로 연구팀은 이것이 nitroplast라는 이름이 붙은 완전한 세포소기관임을 보여준다고 말한다. 약 1억 년 전부터 진화하기 시작한 것으로 보이며, 믿기 어려울 정도로 긴 시간처럼 들리지만 미토콘드리아와 엽록체에 비하면 눈 깜짝할 사이에 가깝다.”
      실험실 페트리 접시에서가 아니라 1억 년 전에 일어난 일임
    • 생명의 역사에서 실제로 몇 번밖에 일어나지 않았고, 적어도 살아남은 것은 몇 번뿐임
      다만 제목은 조금 손볼 필요가 있음

  • 1차 세포내 공생이 그렇게 드물다는 주장에는 잘 납득이 안 감
    거의 모든 곤충은 유전되는 세포내 공생체를 가지고 있음: https://doi.org/10.3389/fphys.2013.00046

    • 그건 더 거시적인 규모에서 쓰는 다른 의미의 세포내 공생임
      여기서는 세포 수준의 세포내 공생을 말함
      장내 박테리아를 갖는 것과, 그것이 분자 수준에서 세포 안에 통합되어 세포소기관이 되는 것은 같지 않음
      다만 언론의 과장에 대한 회의는 맞는 편임
      이런 식의 세포내 공생은 1차와 2차 모두 다른 잘 알려진 예가 있음
      아마 시아노박테리아와의 1차 공생은 아닐 수 있지만, 우리가 이미 아는 다른 사례들에 비하면 이해나 놀라움에서 거대한 “과학적 도약”이라고 하긴 어려움
      아이러니하게도 곤충 장내 공생체들 사이에서도 이런 세포 수준의 공생이 보이며, 가장 극단적인 예는 아마 Mixotricha paradoxa일 것임: https://en.wikipedia.org/wiki/Mixotricha_paradoxa
      Hatena arenicola https://en.wikipedia.org/wiki/Hatena_arenicola는 이번 발견과 매우 비슷하지만, 시아노박테리아가 아니라 조류를 대상으로 하므로 2차 세포내 공생이고, 오히려 더 흥미롭고 기묘할 수도 있음
      Smybiodinium의 유전체에서도 여러 번의 세포내 공생 포획 사건이 있었음을 알고 있으며, 일부는 조류와의 2차 공생이고 일부는 박테리아와의 1차 공생이었을 가능성도 큼: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiodinium

  • 더 나은 출처가 여기 올라왔지만 토론은 없음: https://news.ycombinator.com/item?id=40101317

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