왜 곤충들이 호흡을 멈출까 이유는 너무 많은 산소로 인한 피해를 줄이기 위함이라는 기존 이론들과는 다른 연구 결과가 도출되었다. 곤충들의 호흡계를 탐구한 한 새로운 연구를 통해 수십년 동안 생리학자들을 혼란스럽게 했던 비밀-왜 곤충들이 일정하게 수분 동안 호흡을 하지 않을까?-에 관한 궁금증을 해결해 줄 수 있을 것 같다.

UC Irvine과 Humboldt 대학 연구자들은 메뚜기, 나방, 나비, 일부 초파리들, 딱정벌레류 및 노린재류들과 같은 곤충들은 과도한 산소 유입을 방지하기 위해, 이렇게 함으로써 자신들의 조직 피해를 예방할려고 주기적으로 호흡계를 폐쇄하는 것이라고 주장한다. 이런 주장은 기존의 이론들과는 다르다. 캘리포니아대학(Irvine) 생태진화생물학과 교수인 Timothy Bradley와 독일 Humboldt 대학 생리학 조교수인 Stefan Hetz는 자신들의 이러한 주장을 네이처지 2월3일자에 게재했다.

곤충 호흡계는 그 곤충이 활동적일 때를 대비해서 설계되었다. 예를 들어 메뚜기는 비행을 할 때 가장 활동적이다. 그러나 메뚜기가 비활동적이고 쉬고 있을 때도 비행할 때 이용하는 것과 똑같이 높은 수준으로 계속해서 산소호흡을 한다. 이로 인한 결과는 과도한 산소로 인한 생체 물질들의 파괴 즉, 조직들에 대한 산화적인 피해를 가져올 수 있는 과도한 산소량이 몸 내에 존재하게 된다. 이러한 결과로부터 자신들의 몸을 보호하기 위해 메뚜기들과 같은 곤충들은 호흡을 중단한다.

“우리는 대다수 곤충들이 생리적으로 안전한 수준으로 자신들의 내부 산소 농도를 낮추기 위해 호흡을 중단하고, 그리고 이때 이들은 이렇게 안전한 수치로 산소를 유지하기 위해 가스 교환을 줄이게 된다고 주장한다. 이러한 가설은 기존 모델들로는 설명할 수 없는 각기 다른 환경에 놓인 곤충들의 호흡 패턴에 대해 설명이 가능하다”고 Bradley 박사는 주장했다.

왜 곤충들이 기문 폐쇄와 더불어 호흡을 중단하는지를 설명하는 기존의 두가지 모델은 1) 이러한 불규칙적인 호흡이 수분 손실을 감소시킨다는 설과 2) 이러한 호흡중지로 곤충들은 지하에 있을 때 호흡 부산물인 이산화탄소를 몸에서 제거할 수 있게 된다는 설이었다. 광부들에 적용되듯이 지중에 있는 곤충들은 높은 이산화탄소 농도와 낮은 산소량에 직면해서 더 좋은 통풍계를 필요로 하게 된다.

“심지어 우리 인간들의 경우처럼, 우리 몸은 조직에 산소를 공급해야 하지만, 또한 조직에 대한 산화적 손상을 예방하기 위해 과도한 산소를 차단해야 한다. 이러한 손상은 노화와 밀접한 관련이 있다. 아마도 이런 이유로 해서 매우 많은 항산화 크림들이 노화를 막기위해 시장에 넘쳐나는 것 같다. 우리가 호흡하는 공기 중 산소 농도는 우리에게 치명적이다. 사실 수십년 동안 철저하게 연구되어 온 초파리는 높은 산소 농도가 있는 환경에서는 노화로 인해 금새 죽게 된다.”

곤충들은 몸 측면에 난 구멍과 연결된 관인 기문을 통해 산소를 받아들인다. 그 연구자들은 얼마나 많은 이산화탄소를 그 나방이 방출하는지 뿐만 아니라 산소의 농도가 기관계에 얼마나 되는지를 조사하기 위해 나방 기문 속으로 정교한 튜브를 삽입했는데, 이들 튜브들이 가스 교환을 하는 세포들까지 직접 공기를 운반해 주게 된다. 호흡상태를 측정하는 기구를 이용해서 이들 연구자들은 그 나방의 호흡 패턴을 모니터링했다. 연구 대상 나방을 챔버에 넣고 먼저 이산화탄소가 전혀 없도록 그 챔버를 산소로 채웠다. 다음에 이산화탄소가 언제 얼마나 많이 그 곤충에서 나오는지를 측정했다.

Bradley는 곤충들은 대기중의 정상적인 산소 농도보다 4-5배 정도 낮은 4-5 kilopascal 정도를 대개 유지한다고 설명했다. 정상적인 산소 농도 환경에서, 그 곤충은 일정 간격으로 호흡을 하며 이산화탄소를 배출한다. 그리고나서 곤충은 자신의 몸에 맞는 산소 농도인 4-5 kilopascal 수준으로 내부 산소 농도를 유지하기 위해 더 많은 산소 유입을 저해할 목적으로 자신의 호흡계를 밀폐한다. 낮은 산소 환경에서 이 곤충은 더 오랜 시간동안 호흡계를 열어둔다. 곤충이 그 시스템을 닫는 경우는 매우 짧은 기간 동안에만 그렇게 한다. “바꿔 말해서 곤충은 능동적으로 산소가 유입되는 것을 막게 되는데, 바로 이런 식으로 이들은 또한 산소를 측정하는 방법도 알고 있다. 이들의 행동은 곤충들이 산소를 조절하고 있다는 것을 말해준다”고 Bradley는 주장했다.

Bradley와 Hetz는 후속 연구를 통해 복잡한 곤충 호흡 모델을 개발할 예정이다. “우리는 현재의 모델을 호흡을 하는 모든 곤충들까지 설명할 수 있도록 확대하고 싶다. 그리고 우리는 이러한 패턴을 보이지 않는 곤충들, 예를 들어 사막에 서식하는 딱정벌레들과 같은 종들까지도 조사하고 싶다. 곤충들이 산소를 정확히 모니터링한다는 것을 본 연구를 통해 우리가 증명했지만, 아직도 이러한 현상이 어떻게 일어나고 어떤 조직과 세포들이 관여되는지에 대해서는 알지 못하는 상황이다. 일단 우리들이 곤충들의 호흡패턴에 관해 보다 잘 이해하게 된다면, 농업에서 중요한 언제 곤충을 방제하기 위해 살충제가 이용되어야 할 지가 명백해질 것이다”고 그는 주장했다.

이 연구는 미국 국립과학재단이 Bradley에게 연구비를 지원해서 수행되었다.

등록날짜 2005/02/25 출 판 일 2005/02/23

정보출처 http://today.uci.edu/news/release_detail.asp?key=1276 kisti.

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