생물학적 다양성은 단지 유전자의 결과가 아니다

우리는 어떻게 생물체의 형태적 다양성을 설명할 수 있을까요? 유전학이 일반적으로 떠오르는 답이지만 유일한 설명은 아닙니다. 제네바 대학(UNIGE)의 다학제 팀은 배아 발달 관찰, 고급 현미경, 최첨단 컴퓨터 모델링을 결합하여 악어 머리 비늘이 분자 유전학이 아닌 성장하는 조직의 역학에서 나온다는 것을 입증했습니다. 따라서 다른 악어 종에서 관찰되는 이러한 머리 비늘의 다양성은 피부의 성장 속도 및 강성과 같은 기계적 매개변수의 진화에서 비롯되었습니다. 저널 Nature 에 발표된 이러한 결과는 생물체의 발달과 진화에 관련된 물리적 힘에 대한 새로운 빛을 던졌습니다.

생물체의 형태적 다양성과 복잡성의 기원은 여전히 ​​과학의 가장 큰 미스터리 중 하나입니다. 이 퍼즐을 풀기 위해 과학자들은 다양한 종을 연구합니다. UNIGE 과학부 유전학 및 진화학과 교수인 미셸 밀린코비치의 연구실은 깃털, 털, 비늘과 같은 척추동물 피부 부속기의 발달과 진화를 조사하여 이러한 다양성에 대한 근본적인 메커니즘을 이해합니다. 이러한 부속기의 배아 발달은 일반적으로 유전자 발현으로 인해 발생하는 수많은 분자 간의 상호 작용을 포함하는 화학적 과정에 의해 결정된다고 생각됩니다.

퍼져나가는 균열과 같다

이전에 연구팀은 신체 비늘과 달리 악어 머리 비늘의 배아 발달이 기계적 응력 하에서 재료 내부의 균열이 전파되는 과정을 연상시키는 과정에서 비롯된다는 것을 보여주었습니다. 그러나 이 물리적 과정의 진정한 본질은 알려지지 않았습니다.

이 과학자들은 이제 그들의 새롭고 매우 다학문적인 연구 덕분에 이 미스터리를 해결했습니다. 첫째, 그들은 총 90일 정도 지속되는 나일악어 배아의 발달 중에 머리 비늘의 출현을 추적했습니다. 턱을 덮고 있는 피부는 48일까지 매끈한 상태를 유지하지만, 피부 주름은 51일경에 나타납니다. 그런 다음 이 주름이 퍼져서 서로 연결되어 불규칙한 다각형 비늘을 형성하는데, 여기에는 주둥이 위쪽에 크고 길쭉한 비늘이 있고, 턱 옆쪽에는 더 작은 단위가 있습니다.

동물의 피부가 부착된 기저 조직보다 더 빨리 자라면, 피부의 성장이 제한되어 피부가 휘어지고 접힐 것으로 예상할 수 있습니다. 연구팀은 이러한 과정이 배아 악어의 피부 주름과 비늘의 출현을 설명할 수 있는지 알아보고자 했습니다. 따라서 그들은 악어 알에 표피 성장과 경화를 활성화하는 호르몬인 EGF(표피 성장 인자)를 주입하는 기술을 개발했습니다. 과학자들은 피부 표면의 성장 활성화와 경직 증가가 피부 주름의 조직에 엄청난 변화를 가져온다는 것을 발견했습니다.

''우리는 배아의 피부가 비정상적으로 접히고 인간 뇌의 주름과 비슷한 미로 같은 네트워크를 형성하는 것을 보았습니다. 놀랍게도, EGF로 처리한 이 악어가 부화하면, 이 뇌와 같은 접힘은 다른 악어 종인 카이만과 비교할 수 있을 만큼 훨씬 작은 비늘 패턴으로 이완됩니다.'' Michel Milinkovitch 연구실의 박사후 연구원이자 이 연구의 공동 저자인 Gabriel Santos-Durán과 Rory Cooper가 설명합니다. 따라서 피부의 성장 속도와 경직의 변화는 다양한 악어 종 사이에서 광범위한 비늘 형태를 생성할 수 있는 간단한 진화적 메커니즘을 제공합니다.

턱 발달의 3D 모델

그런 다음 과학자들은 "광 시트 현미경"이라고 알려진 고급 이미징 기술을 사용하여 배아의 머리를 구성하는 다양한 조직(표피, 진피, 뼈)의 성장 속도와 기하 구조, 진피의 콜라겐 섬유 조직을 정량화했습니다. 연구팀은 이 데이터를 사용하여 피부의 제약된 성장을 시뮬레이션하는 3차원(3D) 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 이 모델을 통해 연구자들은 조직 층의 특정 성장 속도와 강성을 변경하는 효과를 탐색할 수도 있었습니다.

"이러한 다양한 매개변수를 탐구함으로써, 우리는 EGF 처리 여부에 관계없이 나일악어와 안경카이만 또는 미국악어에 해당하는 다양한 머리 비늘 모양을 생성할 수 있습니다. 이러한 컴퓨터 시뮬레이션은 조직 역학이 복잡한 분자 유전적 요인을 포함하지 않고도 다양한 종의 특정 해부학적 구조의 모양의 다양성을 쉽게 설명할 수 있음을 보여줍니다."

Michel Milinkovitch 연구실의 컴퓨터 엔지니어이자 연구의 공동 저자인 Ebrahim Jahanbakhsh가 결론지었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241211124342.htm