어떻게 다양한 생물이 공통 조상으로부터 태어났는가

일본 오사카부  다카쓰키시 무라사키초에 있는 생명과학연구센터에서 발행하는 「계간지 생명의 저널」의 기사 " 어떻게 다양한 생물이 공통 조상으로부터 태어났는가"를 국내 네티즌들과 공유하기 위해 아래와 같이 소개코자 합니다. 

 

 

리서치 01전기 연구 과거와 현재

 

어떻게 다양한 생물이 공통 조상으로부터 태어났는가

Su Zhihui (DNA로부터의 진화를 탐구하기 위한 실험실)

 

살아있는 생물 중에서 가장 다양한 곤충 종. 우리는 곤충의 진화 과정과 땅 딱정벌레의 진화 방식을 명확히하기 위해 분자 데이터를 사용했습니다. 곤충 다양화의 원동력은 식물과의 관계에 있다고 생각하며, 현재 무화과와 무화과 말벌을 모델로 하여 계통발생 진화(시간 축)와 상호 작용(공간 축)에서 생물의 다양화 메커니즘을 해명하고 있습니다.

 

1. 땅 딱정벌레는 일본 열도 형성의 역사를 말해줍니다.

2. "신뢰할 수 있는" 계통수 만들기

3. 무화과와 무화과 말벌의 절대적인 공생

4. 무화과 돌봄?

 

1. 땅 딱정벌레는 일본 열도 형성의 역사를 말해줍니다.

 

학생 시절에 저는 분자 수준에서 생물을 보기 위해 생리학을 공부했습니다. 1994년 BRH에 연구원으로 왔을 때, 저는 개체와 종과 같은 전체 유기체를 살펴봄으로써 다양화와 진화로 연구를 전환했습니다. 설날 TV를 보다가 우연히 박물관의 초대 관장인 오카다 세츠토 박사가 생물 의학 연구 센터에 대해 이야기하는 것을 들었습니다. 동시에 지인으로부터 나고야 대학에서 분자 유전학을 연구하고 있던 오사와 쇼조 박사가 BRH에서 딱정벌레에 대한 연구를 시작해 박사 후 연구원을 모집하고 있다는 소식을 들었습니다. 전혀 다른 분야이지만, 쭉 좋아했던 곤충에 대한 연구를 하고 싶어서 지원했고, 채용되었습니다. DNA를 이용한 계통발생학적 분석이기 때문에 지금까지의 생리학의 성과는 평가되었다고 생각합니다. <그림 1>

 

<그림 1>

1999년, 땅 딱정벌레의 권위자인 이무라 유키와 함께 중국 후베이성에서 딱정벌레를 채취하러 갔을 때, 우연히 새로운 종을 발견했다. 몸 길이는 약 4cm이며, 일본 딱정벌레와 같은 긴 목과 방어처럼 뒷날개에 금속 색의 돌기 같은 돌기가 특징입니다. 그녀의 보라색 가슴과 빛나는 푸른 몸은 아름다운 조각품과 같습니다. 형태 특성상 일본명은 쿠비나가모도키, 학명은 오사와 박사의 이름을 딴 오사와이입니다. 도로도 없었고, 거의 아무도 들어가지 않은 바위 절벽 길을 빗속에서 오토바이를 타고 다녀야 했기 때문이었을 것이고, 외딴 숲이었기 때문에 새로운 종을 만날 수 있었습니다. 나는 이 종을 발견했을 때 느꼈던 흥분을 결코 잊지 못할 것입니다.

 

우리는 일본에 있는 35종의 땅딱정벌레의 계통발생학적 관계를 조사하는 것으로 시작했습니다. 처음에는 일본의 땅 딱정벌레가 어떻게 진화해 왔으며 계통 발생 관계를 설명하려고 계획했습니다. 조사를 하면서 전혀 예상치 못한 일련의 결과를 발견했습니다. 특히 마이마이카부리 혈통의 분기일이 일본 열도가 대륙에서 분리된 시기와 일치한다는 점, 그리고 지질학적 지식과도 완벽하게 맞아떨어지는 것에 놀랐습니다. 마치 마이마이카부리가 일본 열도와 함께 진화하는 것 같았습니다. 연구 3년차에 지질학자들의 도움을 받아 땅딱정벌레가 일본 열도 형성의 역사를 말해준다고 확신했습니다. 나는 아직도 50명 이상의 공동 연구자들이 나에게 < 종이의 첫 번째 종이> 땅 딱정벌레 샘플을 제공했을 때 받았던 흥분과 흥분을 생생하게 기억합니다. 이후 DNA 기반 계통발생학적 분석을 통한 자연을 이해하는 연구가 전 세계로 확산되었습니다. 정말 재밌는 공부였어요.

<그림 2>

 

Topics

            < 논문 1 >

Su, Z.-H., Tominaga, O., Okamoto, M. 및 Osawa, S. (1998)

뒷날개 없는 다마스터의 기원과 다양화 미토콘드리아 ND5 유전자 염기서열(딱정벌레목, Carabidae)에서 추론된 일본 열도 내의 땅 딱정벌레. Mol. Biol. Evol, 15: 1026-1039년.

 

 

분자 계통 발생과 연령 추정 결과, 일본 열도에 대한 일본 땅 딱정벌레의 침입 경로는 두 그룹으로 나눌 수 있음이 밝혀졌습니다. 약 1500 백만 년 전, 일본 열도가 대륙에서 분리되었을 때, 열도 내에서 함께 이동하여 분화 한 그룹, 그리고 유라시아 대륙에서 분화하여 빙하기 동안 육교로 열도를 침략 한 그룹이었습니다. 또한 첫 번째 그룹에서 Maimaikaburi의 계통 발생 학적 발산은 일본 열도의 형성 역사와 일치한다는 것이 밝혀졌습니다. 생물이 지역적 특성을 가지고 있다는 것은 알고 있었지만, 지질학적 역사와 땅 딱정벌레 사이의 차이가 그렇게 명확하게 일치할 줄은 몰랐습니다. 또한 일본 열도가 서쪽과 동쪽으로 나뉘었던 1,500만 백만 년 전까지 거슬러 올라갈 수 있다는 사실에 놀랐습니다.

임명 후 8년 동안 그는 전 세계 350종 2,000명 이상의 개체들의 계통발생학적 관계를 조사했으며 동시 분산, 평행 진화, 불연속 형태 진화, 운동 및 정적 진화와 같은 다양한 진화 방식을 발견했습니다.

 

<그림 2>

땅 딱정벌레를 채취하려면 초밥 버섯과 맥주를 채운 플라스틱 컵을 땅에 묻고 나중에 채취하십시오. 하루에 300-400잔의 커피를 채우는 것은 매우 힘든 일입니다. 이무라 씨와 함께 개복치 딱정벌레라는 귀중한 땅 벌레를 사냥하기 위해 중국 간쑤성에 갔을 때, 나는 한 장의 사진을 정하고 하루에 600 컵을 채우고 덫을 놓았습니다. 이튿날, 부푼 기대를 안고 보러 가면, 기다리고 기다렸던 개복치 딱정벌레가 컵에 담겨 있었다. 저녁에는 건배와 업적을 축하하는 즐거운 식사로 가득 찼습니다. 그러나 600개의 덫 중 하나만 잡을 수 있는 날이 있고, 그날 밤은 밥을 입에 넣는 것만으로 됩니다. 두 사람 모두 침묵 속에서 밤을 보낼 것입니다. 수집의 재미와 어려움은 세트입니다.

 

 

2. "신뢰할 수 있는" 계통트리 만들기

곤충 전체로 보면 종의 수가 동물의 70%를 차지하며, 지구는 곤충의 행성이라고 할 정도입니다. 그러나 출처를 추적하면 조상은 하나뿐입니다. 곤충의 다양성을 이해하기 위해서는 곤충이 어떤 공통 조상에서 갈라져 나왔는지, 그리고 하나의 공통 조상에서 오늘날의 다양한 종에 이르기까지 어떤 경로를 거쳤는지 아는 것이 중요합니다.

분자 계통 발생 나무의 가지에 생물의 형태 학적 정보를 넣으면 진화의 상태를 볼 수 있습니다. 이런 식으로 그는 땅 딱정벌레 연구에서 많은 새로운 발견을 발견했습니다. 만약 계통발생 나무가 잘못되었다면, 그것은 잘못된 진화 이야기로 이어질 것이다. 우리는 매우 신뢰할 수 있는 계통 발생 나무의 생성을 소중히 여기며 곤충을 포함한 다양한 절지동물의 계통 발생 관계를 밝히기 위해 노력하고 있습니다. 형태학의 특성, 많은 유전자 등에서 모든 정보를 사용하여 계통 발생 나무를 만들 수 있습니다. 그러나 그것이 실제로 생물의 올바른 계통 발생 관계를 나타내는지 여부는 또 다른 문제입니다. 분자 계통발생학적 분석에 사용되는 분자마커가 생물의 분자계통발생학적 분석에 적합한지 철저히 검증할 것입니다. 그 결과, 우리는 계통수의 신뢰성을 나타내는 높은 부트스트랩 값을 가진 계통수를 만들 수 있었고, 곤충의 계통발생학적 관계에서 많은 논란의 여지가 있는 문제를 해결할 수 있었습니다. 구체적으로 말하자면, 규명하기 어렵다고 여겨졌던 막대기곤충, 사마귀, 메뚜기 등 11종을 포함한 다각종(種目種)이 단일계통(monophytopic)이며 공통조상에서 갈라져 나왔다는 것을 명확하게 보여줄 수 있었다. < 제 2 편>

 

           < 논문 2>

이시와타, K., 사사키, G., 오가와, G., 미야타, T. 및 Su, Z.-H. (2011)

3개의 핵 단백질 코딩 유전자 서열에 기반한 곤충 목 간의 계통 발생 관계. Mol. 계통 발생. 에볼. 58: 169-180.

 

 

우리는 곤충 목(상위 분류군) 사이의 계통 발생 관계를 조사하고 오랫동안 논쟁되어 온 많은 문제를 해결할 수 있었습니다. polyptera의 monophyletic 성격 외에도, Nejilebanidae 순서의 가장 가까운 친척은 딱정벌레목이다는 것이 발견되었다. 그들은 또한 갈라진 첫 번째 곤충이 Lycaenidae 목이었고 전통적인 분류군 인 endomaxillary order가 단일 기원이 아니라는 것을 보여주었습니다. 또한 곤충의 기원과 관련이 있는 아가미 꼬투리와 다각류 사이의 계통발생학적 관계를 규명하고, 다각류 콤케이드(Komcade)의 발산(divergence)과 이전의 이론보다 훨씬 오래된 초기 캄브리아기의 발산(divergence) 등 새로운 이론이 제시되었다.

 

 

3. 무화과와 무화과 말벌의 절대적인 공생

나는 항상 곤충이 왜 그렇게 다양해졌는지에 관심이 있었다. 절지동물 중에서는 지네, 노래기 등의 다각류가 곤충보다 먼저 바다에서 육지로 올라왔지만 곤충에 비해 종의 수가 매우 적습니다. 반면에, 나중에 상륙한 곤충의 수는 엄청난 속도로 증가했다. 따라서 곤충의 다양화에 기여하는 요인으로 식물과의 공생 관계에 주목하였다. 곤충이 상륙 후 날개를 갖게 되어 식물과 더 밀접한 관계를 맺게 된 것이 다양화의 계기로서 매우 중요하다고 생각했습니다.

식물과 곤충의 공생 관계에서 무화과와 무화과 말벌(말벌)은 매우 높은 종 특이성을 가진 절대적인 공생 관계를 가지고 있습니다. <그림 3> 파트너가 없으면 자신의 자식을 남길 수 없고 살 수도 없습니다. 무화과와 말벌의 공생 관계가 생태와 형태에서 분자에 이르기까지 다양한 측면에서 어떻게 형성되고 유지되어 오는지, 그리고 그 둘이 어떻게 다양화되어 왔는지를 조사하고 있습니다.

 

https://youtu.be/Jq5HS81ETKo?si=Dvc8PBK2kdVJwwGM

 

<그림 3>

무화과는 꽃차례에 작은 꽃이 많이 있지만 닫혀 있기 때문에 수분이 어렵습니다. 암컷 말벌은 꽃 냄새를 맡아 꽃을 찾고, 꽃에 침입하고, 알을 낳고, 동시에 수분을 합니다. 무화과는 말벌 없이는 수분을 할 수 없으며 말벌은 무화과 없이는 자랄 수 없습니다. 영상에는 담즙에서 막 나온 암컷 말벌이 꽃가루를 옮기는 모습이 담겨 있다. 꽃밥은 꽃구멍의 출구 근처에 빽빽하게 포장되어 있으므로 꽃가루가 날아다니는 말벌의 몸에 달라붙습니다.

 

말벌은 공생 관계에서 파트너를 확인하기 위해 꽃의 향기를 선택하기 때문에 비슷한 꽃 냄새를 가진 친척 종에 대해 어떻게 행동하는지 관찰했습니다. 그 결과 친족 종의 꽃도 함께 들어가 알을 낳는 것이 확인되었지만, 꽃의 성장 기간과 기간, 말벌의 성장 기간 사이에 차이가 있기 때문에 유충이 성충이 되기 전에 꽃이 일찍 성숙하고 떨어지는 것으로 확인되었습니다. 냄새가 비슷하다는 것만으로는 충분하지 않고, 두 사람 사이에 모든 요소가 완벽하게 겹칠 때 절대적인 공생 관계입니다. 따라서 상대를 바꾸는 것은 쉽지 않습니다. 절대적인 공생 관계는 나름의 장점이 있지만, 진화론적 관점에서 볼 때 매우 위험하고 모순으로 가득 차 있다. 우리가 진화의 막다른 골목에 있는 것처럼 보일지 모르지만 실제로 무화과는 놀랍도록 다양합니다. 우리는 무화과와 말벌에 대한 연구를 통해 생물의 다양화 메커니즘을 파악할 수 있다고 믿습니다. 

 

<그림 4>

말벌을 수집 할 때는 안에 들어있는 말벌이 내일 나올 수 있도록 꽃을 가져 오는 것이 좋습니다. 알아내는 가장 좋은 방법은 많은 꽃을 만지고 꺾어 안팎을 관찰하는 것입니다. 물론 가능하면 살아있는 말벌을 모으고 싶습니다. 채집을 통해 더 많은 경험을 쌓으면서 무화과가 가장 좋은 시간에 대해 무엇을 말해 주는지 이해하기 시작했습니다. 지역의 환경, 숲의 상태, 나무의 특성, 꽃이 붙어있는 방식 등을 살펴봄으로써, 무화과의 종류와 꽃의 성장 기간을 파악하는 관찰력을 키울 수 있었다고 생각합니다.

 

             < 논문 3>

Kusumi, J., Azuma, H., Tzeng, H.-Y., Chou, L.-S., Peng, Y.-Q., Nakamura, K. 및 Su, Z.-H. (2012)

계통 발생 학적 분석은 일본 Ogasawara (Bonin) 제도의 고유종인 무화과 (Moraceae : Ficus)의 하이브리드 기원을 제안합니다. Mol. 계통 발생. 에볼. 63: 168-179.

 

 

일본에서는 16종의 무화과가 주로 남쪽 섬에서 자라고 있으며, 그 중 3종은 오가사와라 제도의 고유종입니다. 이 세 종은 난세이 제도와 혼슈에서 자라는 황금 비파와 황금 말벌이 오가사와라에 도입됨에 따라 분화되었다고 생각됩니다. 그러나 우리의 DNA를 이용한 계통발생학적 분석은 원래 오가사와라의 고유종이었던 무화과가 유입된 이누비와종과 교잡하여 3종으로 분화한 것으로 밝혀졌습니다.

 

 

4. 무화과 돌봄?

말벌이 무화과 꽃에 들어가면 마치 여러 층의 베일을 벗기듯 조금씩 앞으로 나아가 아주 작은 입구를 통해 살금살금 들어옵니다. 그렇게 하면 날개와 더듬이가 제거됩니다. 처음에는 아버지가 버림받은 것이 고통스럽고 미안했습니다. <그림 5>

https://youtu.be/teDQztuTpmo?si=6dUd4daWiACILX6U

 

<그림 5>

암컷 말벌이 꽃 방광을 발견하면 그 위를 걷고 촉각으로 두드려 냄새(아마도 맛)를 확인합니다. 그 후, 나뭇잎을 통과하여 안으로 다이빙하는 데 약 15분에서 30분 정도 걸립니다. 들어간 후에도 쉬지 않고 걷고, 촉각으로 꽃의 유무를 확인하고, 한 꽃에 알을 낳는 데 2분 이상을 보낸다. 한 개체가 100번 이상 알을 낳기 때문에 전체 과정은 몇 시간이 훨씬 넘게 걸립니다.

 

한 번은 꽃에 들어간 말벌의 행동을 배우기 위해 카메라로 관찰했습니다. 세 마리의 암컷 말벌은 무수한 작은 꽃 각각에 산란관을 삽입하여 알을 낳기 위해 열심히 일하고 있었습니다. 그럴 때 우연히 날개가 하나 남은 말벌이 한 마리 있어 좋다고 안심했지만, 잠시 동안 말벌이 날개를 펴고 움직이기 어렵게 된 것 같았습니다. 심지어 알을 낳는 것에도 방해가 되는 것 같았다. 꽃의 안쪽이 좁기 때문에 날개를 제거하는 것이 더 편리합니다. 또한 무화과 꽃의 좁은 입구는 말벌이 날개를 벗는 데 도움이되기 때문이라고 생각할 수 있습니다. 무화과와 코바치의 공생 관계의 깊이를 느꼈고, 점점 흥미가 생겼습니다.

앞으로 우리는 게놈 다양성과 표현형 다양성 사이의 연결을 이해하고 분자의 기능을 비교함으로써 특히 곤충에서 다양화 과정을 계속 탐구할 것입니다.

 

편집자 : JT 생물 의학 연구 센터 표현을 통한 생물에 대한 생각 부문 호시노 케이코

 

출처; RESEARCH RESEARCH 01 전기연구의 과거와 현재 | JT 생물 의학 연구 센터 (brh.co.jp)

RESEARCH RESEARCH 01 生命誌研究のこれまでと今