'그녀는 나를 사랑하고, 그녀는 나를 사랑하지 않는다': 과학자들은 물리적 힘이 다세포 생명체의 진화를 촉진했다고 주장

인간은 다세포(그리고 더 큰) 존재가 확실한 이점이라고 생각하는 경향이 있지만, 지구상 생명체의 80%는 단세포 생물로 이루어져 있고, 그 중 일부는 어떤 짐승에게도 치명적인 환경에서도 번성하고 있습니다.

사실, 다세포 생명체가 진화한 이유와 방법은 오랫동안 생물학자들을 당혹스럽게 했습니다. 다세포성의 첫 번째 알려진 사례는 약 25억 년 전으로, 바다 세포(남조류)가 연결되어 필라멘트 군체를 형성했을 때였습니다. 하지만 이러한 전환이 어떻게 일어났고 세포에 어떤 이점을 제공했는지는 명확하지 않습니다.

이번 주, 해양 생물학 연구실(MBL)에서 시작된 한 연구는 다세포 생명체의 진화에서 잠재적인 힘으로서 세포 간 협력 조직의 놀라운 예를 보여줍니다. 비교적 거대한 단세포 유기체인 스텐토르 의 협력적 먹이의 유체 역학을 기반으로 한 이 보고서는 Nature Physics에 게재되었습니다.

"우리는 진화에서 유기체가 독립적이었던 시절로 한 걸음 물러섰습니다. 서로에 대한 위치가 고정되기 전에 왜 그들이 집단으로 모였을까요?" 연구의 수석 저자이자 MBL 휘트먼 센터 과학자이자 공동 저자인 로저 윌리엄스 대학교의 숀 콜린과 함께 프로비던스 대학의 존 코스텔로는 말합니다.

"다세포 생명의 기원에 대한 많은 연구가 화학에 집중되어 있습니다. 우리는 그 과정에서 물리적 힘의 역할을 조사하고 싶었습니다." 에모리 대학교 물리학 조교수이자 MBL에서 Whitman Center Early Career Award를 수상한 저자 Shashank Shekhar가 말했습니다.

많은 입은 하나보다 낫다

스텐토르 는 나팔 모양의 단세포 생물로, 최대 2mm까지 자랄 수 있습니다. 원래 서식지인 연못이나 호수에서 스텐 토르는 가느다란 끝(고정자라고 함)을 잎이나 나뭇가지에 붙이고 나팔 모양의 끝은 자유롭게 흔들려 물의 소용돌이를 만들어 섬모가 늘어선 입으로 박테리아와 같은 음식을 빨아들입니다.

연구실에서, 과학자들은 스텐터가 연못물 접시에 떨어지면 세포가 실제로 서로 부착되지 않고, 그들의 부착물이 유리 위에서 서로 닿는 역동적인 군집을 빠르게 형성한다는 것을 알아냈습니다. 연구팀은 유체 흐름을 정량화함으로써 군집에서 두 개의 이웃하는 스텐 터가 개별 용량에 비해 입으로 들어오는 물의 흐름 속도를 두 배로 늘릴 수 있음을 보여주었습니다. 이를 통해 더 먼 거리에서 물을 쓸어내는 더 강한 소용돌이를 만들어 더 많은 먹이와 더 빨리 헤엄치는 먹이를 빨아들일 수 있습니다.

"그녀는 나를 사랑한다, 그녀는 나를 사랑하지 않는다"

하지만, 연구팀은 이웃하는 두 스텐토르가 얻는 먹이의 이점은 같지 않다는 것을 발견했습니다. 약한 스텐토르는 강한 스텐토르보다 팀을 이루어 더 많은 것을 얻습니다. 그리고 이상하게도, 그들은 셰카르가 "그녀는 나를 사랑한다, 그녀는 나를 사랑하지 않는다"라고 부르는 행동을 보입니다. 짝을 이룬 스텐토르가 나팔 끝을 함께 흔들면 유체 흐름이 증가하지만, 그러면 변함없이 진동하며 입을 다시 벌립니다. 왜 그럴까요?

이에 대한 답을 찾기 위해, 그들은 오하이오 웨슬리언 대학의 한리앙 궈와 남가주 대학의 에바 칸소가 공동으로 주도한, 식민지 전체의 유체 역학에 대한 수학적 모델링을 활용했습니다.

Guo와 Kanso는 개체가 이웃 파트너 사이를 계속 바꾸는 "난잡함"을 확인했습니다. 그 결과 Stentor 군집의 모든 세포는 평균적으로 더 강한 먹이 흐름을 얻습니다.

"군집에서 개체가 한 이웃에게서 멀어지는 것처럼 보일지라도 실제로는 다른 이웃에게 더 가까이 다가가고 있습니다." 팀은 이렇게 적었습니다. 이는 진화적 관점에서 볼 때 말이 됩니다. "개체들은 자신에게 가장 이로운 이웃 개체와 교류함으로써 가장 유리한 에너지적 보상을 추구할 것으로 예상되기 때문입니다."

"그들이 항상 소득을 최적화하려고 시도하는 것으로 볼 수도 있습니다." 코스텔로는 말합니다. 그리고 군집 전체가 더 많은 식량을 수확합니다.

단지 한 단계일 뿐

하지만 잠깐만요. 우리가 오늘날 알고 사랑하는 스텐터는 다세포가 아닙니다. 그것이 형성하는 군집은 덧없습니다. 실험실 테이블에 부딪히는 것만으로도 분산됩니다. 만약 개체들이 함께 일함으로써 집단적으로 이익을 얻는다면, 왜 다시 분리될까요?

과학자들은 확실히 알지 못합니다. 하지만 그들은 스텐터에게 충분한 음식을 주면 유리창에 붙어서 군집으로 먹이를 먹는 것을 좋아한다는 것을 알아냈습니다. 하지만 음식이 없어지고 부족해지면 스텐터는 떨어져서 개별적인 먹이 찾기 모드로 들어갑니다.

"인간도 그렇게 합니다." 셰카르가 말한다. "자원과 먹이가 많으면 우리는 협력하고 협조합니다. 하지만 자원이 줄어들면 각자가 스스로 해결해야 합니다."

우리는 복제인간이 아니다

초기 다세포 생명체의 다른 모델, 예를 들어 녹조류 Volvox cateri에서 제대로 분열하지 못한 세포는 결국 세포 사이에 매트릭스를 진화시켜 유전적으로 동일한 세포 군집을 형성하고 나중에 분화되었습니다. 그러나 일시적인 Stentor 군집은 클론이 아니라 유전적으로 다른 개체로 형성됩니다.

그래서 과학자들은 스텐터 모델이 다른 초기 다세포성 모델(다른 계통에서 최소 25번 이상 진화한 것으로 여겨짐)보다 앞선다고 생각합니다.

"이것은 진화에서 훨씬 더 일찍, 행복한 단일 세포가 "좋아, 함께 어울리고 이익을 얻자"고 말했지만, 그런 다음 다시 단일 상태로 돌아가자고 한 것입니다. 다세포성은 아직 영구적으로 이루어지지 않았습니다."라고 셰카르는 말합니다.

셰카르는 2014년 MBL 생리학 과정의 학생으로서 이 연구를 시작했으며, 당시 캘리포니아 대학교 샌프란시스코 캠퍼스의 과정 공동 책임자이자 Stentor 전문가인 월리스 마셜과 함께 연구를 시작했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250331122230.htm