Crystallization of magnesium calcite otoconia in the inner ear of the developing quail

내이의 작은 중력 센서들

당신의 몸이 첨단 기술이 집약된 우주선이고 당신이 그 선장이라고 상상해 보세요. 머리를 돌리거나 연석에서 뛰어내릴 때 통제력을 잃고 회전하지 않으려면, 당신의 우주선에는 자이로스코프—어느 방향이 "위"인지, 그리고 얼마나 빨리 움직이는지를 정확히 아는 장치—가 필요합니다. 인간과 대부분의 동물에서 이 역할은 내이(속귀), 구체적으로는 전정(utricle)과 난형낭(saccule)이라 불리는 두 개의 작은 방이 수행합니다. 이 방 안에는 오토코니아(otoconia)라고 불리는 수천 개의 미세한 암석 같은 입자들이 들어 있습니다. 이것들을 배의 용골에 들어 있는 평형수라고 생각하세요. 머리를 기울이면 중력이 이 작은 돌들을 잡아당기고, 그러면 이 돌들이 민감한 유모세포를 압박하여 뇌에 "헤이, 우리 지금 기울어졌어!"라는 신호를 보냅니다.

오랫동안 과학자들은 포유류에서 이 돌들이 어떻게 작동하는지에 대해 많은 것을 알고 있었습니다. 하지만 한 가지 미스터리가 있었습니다. 조류와 다른 비포유류는 라게나(lagena)라고 불리는 세 번째 추가적인 방을 가지고 있다는 점입니다. 이것은 포유류가 진화 과정에서 잃어버린 세 번째 자이로스코프와 같습니다. 우리는 이 조류 특유의 방 안에 있는 돌들이 어떻게 만들어지는지 정말로 알지 못했습니다. 다르게 형성되었을까요? 다른 재료로 만들어졌을까요? 그리고 이 작은 점이 어떻게 기능적인 센서로 성장했을까요? 이를 이해하는 것은 단지 조류의 해부학에 관한 것만이 아닙니다. 자연이 이 완벽한 중력 감지 결정을 만드는 데 사용하는 보편적인 "레시 Recipe"를 알아내는 일입니다. 만약 우리가 이 작은 돌들이 어떻게 조립되는지의 암호를 풀 수 있다면, 더 나은 인공 센서를 만드는 법을 배우거나 왜 우리의 균형 감각 시스템이 나이가 들면서 때때로 실패하는지를 이해할 수 있을 것입니다.

quail(메추라기)의 수정 정원 이야기

이 연구에서 연구팀은 실시간으로 발생하는 과정을 관찰함으로써 라게나의 미스터리를 해결하기로 했습니다. 그들은 작은 새인 일본 메추라기를 선택하여, 아주 작은 배아(7일 차)부터 부화할 준비가 거의 된 병아리(13일 차)에 이르기까지의 발달 과정을 추적했습니다. 단순히 완성된 결과물만을 보는 대신, 그들은 3D X선 스캐너, 원자를 볼 수 있는 전자 현미경, 그리고 특수한 빛의 줄기를 포함한 초강력 도구 세트를 사용하여 내이가 성장함에 따라 펼쳐지는 "건설 현장"을 관찰했습니다.

건설 현장의 조기 개장
첫 번째 큰 놀라움은 타이밍이었습니다. 연구진은 라게나에서의 광물화(돌이 딱딱해지는 과정)가 새의 두개골 뼈가 딱딱해지기 시작하기도 전에 시작된다는 것을 발견했습니다. 이는 마치 새가 자신의 투구를 완성하기도 전에 내부의 자이로스코프를 먼저 만드는 것과 같습니다. 발달 7일 차에 이미 주변의 연골은 여전히 부드러운 상태였음에도 불구하고, 라게나에는 이미 미세한 광물 침착물들이 존재했습니다.

더 많이 만드는 것이 아니라, 더 크게 성장하기
배아가 성장함에 따라 팀은 돌의 개수를 세었습니다. 그들은 7일 차에 약 1,700개였던 오토코니아의 총 개수가 13일 차에는 75,000개 이상으로 폭발적으로 증가했다는 것을 발견했습니다. 그러나 돌의 부피는 훨씬 더 빠르게, 약 130배나 커졌습니다! 이는 그들이 어떻게 성장하는지에 대한 매혹적인 이야기를 들려줍니다. 새는 단순히 새로운 작은 돌들을 계속 만들어내는 것이 아닙니다. 대신, 기존의 돌들이 거대해집니다. 이것은 마치 사람들이 모인 군중과 같아서, 모두가 처음에는 작게 시작하지만, 중간에 있는 사람들은 먹고 커져서 거대해지는 반면, 새로 합류하는 사람들은 작게 유지되는 것과 같습니다. 연구는 기존의 돌이 커지는 것이 새로운 돌을 만드는 것보다 전체 무게에 훨씬 더 많이 기여한다는 것을 보여주었습니다.

"유기적 텐트"와 마법의 접착제
이 이야기에서 가장 상세한 부분 중 하나는 이 돌들이 어떻게 형성되는가 하는 점입니다. 연구진은 돌들이 그냥 갑자기 나타나는 것이 아니라는 것을 발견했습니다. 그것들은 단백질로 만들어진 부드러운 젤 형태의 구획인 기존의 "유기적 텐트" 안에서 자랍니다.

• 7일 차: 이 텐트 안에는 모래알처럼 흩어져 있는 작은 광물 입자들이 보입니다. 이들은 너비가 약 50나노미터(500억 분의 1미터)입니다.
• 9일 ~ 11일 차: 이 모래알들은 자라기 시작하고, 줄을 맞추고, 서로 달라붙기 시작합니다. 그것들은 마치 개별 레고 브릭이 단단한 벽을 형성하기 위해 서로 딱딱 맞물리듯, 끝과 옆으로 서로 융합됩니다.
• 13일 차: 브릭 사이의 틈이 사라집니다. 흩어져 있던 입자들이 하나의 거대한, 단단한 결정으로 융합되었습니다.

결정적으로, 연구진은 이 모든 과정이 사라지지 않는 지속적인 "핵(core)" 또는 중심부 안에서 일어난다는 것을 발견했습니다. 돌이 거대해지더라도 이 중앙의 유기적 핵은 그대로 남아 있으며, 돌 전체 부피의 약 15%를 차지합니다. 이것은 마치 속이 빈 중심을 두고 자라는 나무와 같습니다. 나무는 더 두껍고 강해지지만, 그 속의 빈 핵심은 바로 그 자리에 그대로 있습니다.

비밀 재료: 마그네슘
이 돌들은 무엇으로 만들어졌을까요? 팀은 화학 성분을 확인하기 위해 특수 레이저와 X선을 사용했습니다. 그들은 돌이 **마그네슘 칼사이트(magnesium calcite)**로 이루어져 있다는 것을 발견했습니다. 이것은 칼슘 원자 중 일부가 마그네슘 원자로 교체된 특정 유형의 석회암(칼사이트)입니다. 이것은 단순히 무작위로 섞인 것이 아닙니다. 마그네슘은 결정 구조 안에 직접 구축되어 있습니다. 연구진은 또한 주변에 아연이 있다는 것을 발견했지만, 아연이 돌 자체의 일부인지 아니면 주변 젤에 그냥 떠 있는 것인지는 아직 확실하지 않습니다. 그들은 아연이 건설 작업반(효소)이 임무를 수행하도록 돕기 위해 그곳에 있을 것이라고 추측하지만, 확신하기 위해서는 더 많은 증거가 필요합니다.

결정이 하나가 되다
맨 처음에는 돌 내부의 작은 입자들이 약간 무질서하여 각 부분의 방향이 조금씩 달랐습니다. 하지만 이들이 융합되면서 완벽하게 정렬되었습니다. 13일 차에 이르러, 전체 돌은 하나의 완벽한 결정처럼 작동합니다. 그것은 마치 혼란스러운 군중이 갑자기 완벽한 발맞춤을 하기로 결정하여, 하나의 통일된 군대로 변한 것과 같습니다. 이러한 정렬이 바로 돌을 중력을 감지하는 데 매우 뛰어나게 만드는 요소입니다.

돌이 사는 곳
연구는 또한 라게나 내부에서 돌들이 어디에 사는지도 지도화했습니다. 가장 크고 성숙한 돌들은 방의 바깥쪽 가장자리 근처에 머무는 반면, 작고 새로 형성된 돌들은 스트리올라(striola, 유모세포의 방향이 바뀌는 지점)라고 불리는 특별한 구역 바로 위의 중심부에 모여 있습니다. 이는 새의 몸이 매우 조직적이어서, "신입 사원"들은 가운데에 두고 "베테랑"들은 바깥쪽에 배치하고 있음을 시사합니다.

조류에게 이것이 의미하는 바
그렇다면 왜 새는 이 세 번째 방을 가지고 있을까요? 연구진은 라게나의 모양과 그 안의 돌들을 살펴보았습니다. 그들은 돌 자체가 다른 두 개의 방(전정과 난형낭)에 있는 돌들과 똑같이 생겼고 똑같이 작동한다는 것을 발견했습니다. 그것들은 같은 물질로 만들어졌으며 같은 방식으로 자랍니다. 이는 라게나가 자기장을 감지하는 것과 같은 이상한 것을 위한 마법 같은 특수 기관이라는 이론(일부 과학자들이 가졌던 이론)이 아니라, 형태만 다르게 생긴 표준적인 중력 센서임을 시사합니다. 라게나는 곡선 형태이며 3D 구조이기 때문에, 새가 비행하고 머리를 빠르게 돌릴 때 더 많은 각도에서 중력과 움직임을 감지하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

요컨대, 이 논문은 조류의 내이가 생물학적 공학의 걸작임을 보여줍니다. 그것은 두개골이 딱딱해지기도 전에 중력 센서를 구축하기 시작하며, 부드러운 유기적 틀 안에서 작은 입자들을 융합시켜 결정을 만듦으로써 성장하고, 새가 하늘에서 균형을 잡을 수 있도록 정밀한 3D 패턴으로 배열됩니다. 이것은 자연이 어떻게 한 번에 하나의 작은 입자를 통해 완벽한 자이로스코프를 만들어내는지에 대한 이야기입니다.