새의 망막은 동물계에서 에너지 비용이 가장 많이 드는 조직 중 하나이지만 산소의 에너지 이점을 활용하지 않습니다. 새로운 연구는 마침내 이것이 어떻게 가능한지 설명합니다.
혈관이 전혀 보이지 않는 빨간색과 녹색 잉꼬의 눈입니다. 어떻게 새의 눈이 산소 없이도 그렇게 잘 작동할 수 있나요?
레오나르도 라모스
소개
검안사가 당신의 눈에 밝은 빛을 비추면 당신의 시야에 거대한 가지가 뻗은 나무가 싹트게 됩니다. 이것이 혈관의 그림자이다. 우리는 일반적으로 이를 인식할 수 없지만 이러한 혈관은 중요한 이유로 항상 우리가 보는 것의 일부를 가리고 있습니다. 이는 빛 신호를 뇌에 전달하는 눈 뒤쪽의 얇은 신경 조직층인 망막에 전원을 공급합니다.
망막은 신체에서 에너지 비용이 가장 많이 드는 조직 중 하나입니다. 때로는 100개 이상의 서로 다른 유형의 뉴런으로 구성된 복잡한 네트워크로 구성된 망막 조직은 동일한 질량의 일반적인 뇌 조직보다 2~3배 더 많은 에너지를 소비합니다. 그렇기 때문에 우리 망막을 포함해 대부분의 척추동물 망막에는 산소와 에너지 생산을 위한 기타 성분을 전달하기 위해 촘촘하고 가지가 갈라진 혈관 네트워크가 빽빽하게 들어차 있습니다.
하지만 이 규칙에는 중요한 예외가 있습니다. 새의 망막에는 대부분 혈관이 부족합니다. 새들의 뛰어난 시력을 고려하면 이는 특히 이상하게 보일 수 있습니다. 조류의 망막은 “동물계에서 대사적으로 가장 활동적인 조직 중 하나이지만 뚜렷한 혈액 관류 없이도 작동했습니다”라고 오르후스 대학의 진화 생리학자인 Christian Damsgaard가 말했습니다. “완전한 역설이었어요.” 수세기 동안 과학자들은 새의 망막이 독특하고 아직 발견되지 않은 과정을 통해 산소를 얻어야 한다는 사실을 이해하지 못해 당황해 했습니다.
Damsgaard는 Nature 저널에 게재된 연구의 주요 저자입니다. 2026년 1월, 이는 새의 망막이 산소를 얻기 위한 특이한 적응력을 갖고 있지 않다는 사실을 처음으로 보여주었습니다. 그들은 산소 없이도 살아남습니다. 대신 조직에 에너지를 공급하기 위해 산소를 이용한 대사보다 훨씬 덜 효율적이지만 작업을 완료하는 혐기성 해당과정이라는 과정을 사용합니다.
진화 생리학자인 Christian Damsgaard는 마이크로센서를 사용하여 새의 눈에서 가스 교환을 측정했습니다. 놀랍게도 매우 활동적인 조직인 내부 망막에서는 산소를 전혀 사용하지 않았습니다.
제스퍼 에크만
조직이 산소 없이 생존할 수 있는 방법을 연구함으로써 연구자들은 뇌졸중과 같은 산소 결핍 상태를 치료하기 위한 치료법을 개발할 수 있습니다. 보다 근본적으로 그들은 진화의 한계를 이해하고 싶어합니다.
“인생의 극한은 무엇입니까?” 담스가드가 말했다. “대사적으로 활동성이 높은 조직이 실제로 생존할 수 있는 조건을 어디까지 구부릴 수 있습니까?”
그는 새가 그것들을 꽤 멀리 구부릴 수 있다는 것을 배웠습니다.
산소화된 생명
약 34억년 전에 남세균이 광합성을 발명했습니다. 처음에는 천천히, 다음에는 빠르게 진화한 햇빛으로부터 에너지를 만드는 그들의 방식이 성공하고 확산되었습니다. 세포는 광합성의 부산물인 엄청난 양의 산소를 대기 중으로 펌핑하여 지구상의 삶의 과정을 변화시켰습니다.
산소 분자는 세포의 에너지 생산을 매우 효율적으로 만듭니다. 에너지를 추출하기 위해 세포는 포도당 분자를 두 개의 피루브산 분자로 분해합니다. 이 과정에서 생명의 보편적인 에너지 통화인 ATP(아데노신 삼인산) 두 분자가 방출됩니다. 산소가 부족한 세포는 이 정도까지만 갈 수 있습니다. 그러나 산소는 피루브산을 분해하고 또 다른 30분자의 ATP를 생성하는 추가 생화학적 반응을 가능하게 합니다. 즉, 산소가 있으면 단일 포도당 분자에서 에너지 추출 효율이 15배, 때로는 그 이상으로 높아집니다.
까마귀과에 속하는 고산지대 새들과 같은 새들은 뛰어난 시력을 이용해 사냥하고, 먹이를 찾고, 이동합니다. 이러한 에너지 능력은 비효율적인 신진대사에 의해 강화됩니다.
장 폴 베슈타인
유산소 호흡 과정을 통한 산소의 에너지적 이점은 혁신적이었습니다. 산소가 대기에 스며들면 이를 사용할 수 있는 유기체가 진화되었습니다. 베를린 막스 델브뤼크 센터의 분자 생리학자인 게리 르윈(Gary Lewin)은 “우리는 수백만 년 동안 대기 중 20%의 산소에 푹 빠져 있었습니다.”라고 말했습니다. 이 대산화 사건은 산소를 사용하는 유기체가 다른 모든 유기체를 능가하면서 대량 멸종으로 이어졌습니다. 특정 박테리아와 같은 일부 생명체는 산소가 없는 생활에 적응하는 반면, 모든 복잡한 다세포 유기체는 생존하기 위해 그러한 에너지 이점이 필요합니다.
인간과 대부분의 다른 동물은 최대 몇 분 동안 산소가 거의 또는 전혀 없는 상태에서도 생존할 수 있습니다. 저산소 조건에 대해 가장 잘 견디는 것으로 알려진 포유류는 벌거숭이두더지쥐로 지하 굴에서 무산소 공기를 호흡하며 최대 18분 동안 생존할 수 있습니다. 민물거북과 금붕어를 포함한 일부 냉혈 수생 생물은 얼어붙은 호수 바닥의 저산소 조건에서 1~2년 동안 생존할 수 있습니다. 하지만 대부분의 동물에게는 꾸준한 산소 공급이 필수입니다.
산소가 없으면 다양한 과정이 중단됩니다. 특히 뇌와 같이 대사가 필요한 조직에서는 더욱 그렇습니다. 그 에너지가 없으면 우리의 세포는 오작동을 일으키고 죽게 됩니다.
벌거숭이두더지쥐는 산소 없이도 18분 동안 생존할 수 있습니다. 산소 없이 에너지를 생성하기 위해 그들은 과당을 연료로 하는 혐기성 해당작용을 사용합니다.
하비에르 아발로스
신비한 구조
이 모든 것이 2019년에 Damsgaard가 새의 망막에 혈관이 부족하다는 사실을 알았을 때 혼란스러웠던 이유입니다. 이 고에너지 조직이 산소 없이도 날카로운 시력을 가진 조류에서 관찰되는 수준의 기능을 수행하는 것은 물론이고 어떻게 생존할 수 있습니까?
그는 이 주제에 대한 방대한 연구를 면밀히 조사했는데, 그 연구는 모두 펙텐 오큘리(pecten oculi)로 알려진 새 눈의 신비한 구조를 지적했습니다. 17세기에 해부학자들은 이 특이한 기관을 처음으로 묘사했습니다. 그것은 라디에이터처럼 보였고, 빗살처럼 생겼으며, 혈관으로 고정되어 있었고, 표면적이 넓었습니다. 그 후 수세기 동안 연구자들은 그것이 새의 눈에 있는 망막 조직에 산소를 전달하는 데 도움이 되는지에 대해 논쟁을 벌였습니다. Damsgaard는 해부학적 구조에만 기초하여 안구의 기능에 관한 약 30가지 이론을 읽었습니다.
“이 구조에 대해 직접적인 생리학적 측정을 수행한 사람은 아무도 없었습니다.”라고 그는 말했습니다. “저희가 들어온 곳이 바로 그곳입니다.”
Mark Belan/Quanta 매거진
척추동물과 환경 사이의 산소 및 이산화탄소와 같은 가스 교환을 연구하는 그의 연구실에서 Damsgaard 팀은 마이크로센서를 사용하여 얼룩말 핀치, 비둘기, 닭의 망막에 있는 산소 수준을 측정했습니다. 실제로 혈관이 전혀 없는 망막 내부에서는 산소가 전혀 발견되지 않았습니다. (그들은 혈관이 있는 눈 뒤쪽의 바깥 망막에서 산소를 측정했습니다.)
Damsgaard는 “그것이 “놀라웠다”고 말했습니다. “망막의 절반은 산소가 전혀 없는 만성 무산소증 상태로 살고 있습니다.”
연구진은 세포 이미징과 RNA 염기서열 분석을 결합한 방법인 공간 전사체학(spatial transcriptionomics)을 사용하여 망막 조직의 여러 부분에서 어떤 유전자가 활성화되었는지 매핑했습니다. 전형적인 유산소 호흡과 관련된 유전자는 혈관이 있는 바깥 망막에서 발현되었습니다. 산소가 고갈된 망막 내부에서는 무산소 호흡과 관련된 유전자만 활성화됐다.
영양소의 경로를 추적하기 위해 Damsgaard와 그의 팀은 무산소 대사(종양 세포는 종종 혐기성 해당작용을 사용하여 에너지를 생성함) 전문가인 암 과학자들과 협력했습니다. 그들은 내부 망막이 새 뇌의 다른 부분보다 2.5배 더 많은 포도당을 요구한다는 사실을 발견했습니다.
그런 다음 그들은 안구(pecten oculi)를 검사했습니다. 그들의 공간 전사체 데이터는 포도당 유전자가 그곳에서 매우 활동적이라는 것을 보여주었습니다. 이것은 이상한 구조가 새의 망막에 산소를 가져오는 것이 아니라는 것을 암시했습니다. 오히려 포도당을 펌핑하는 데 도움이 되어 덜 효율적인 무산소 과정이 가능해졌습니다.
부산물로, 혐기성 해당과정은 젖산을 생성하는데, 이는 축적되어 독성이 될 수 있습니다. 연구자들은 또한 젖산을 조직 밖으로 이동시키는 분자인 젖산 수송체의 유전자가 눈펙텐에서 활동한다는 것을 확인했습니다.
혈관이 부족한 새눈의 다양성(왼쪽에서 오른쪽으로). 위:북부 가넷, 유라시아 수리부엉이, 마구아리 황새. 중앙:수탉, 바위뛰기펭귄, 앵무새(종 불명). 하단:대머리 독수리, 파란색과 노란색 잉꼬, 종 불명의.
(왼쪽에서 오른쪽으로) 위:Chris Hellier, Jiří Dočkal, Annette Lozinski. 센터:Mohammed Brzan, Nico Marín, Shyamli Kashyap. 하단:잉고 도에리(Ingo Doerrie), 데이비드 클로드(David Clode), 하산 알마시(Hasan Almasi)
이번 발견은 혐기성 해당작용을 뒷받침하는 펙텐 오큘리의 역할에 대한 설득력 있는 증거를 제공하며, 이는 "오랫동안 미스터리였습니다"라고 이번 연구에 참여하지 않은 서식스 대학의 신경과학자인 Thomas Baden이 말했습니다. "적어도 일부 층에서는 망막이 기본적으로 무산소 상태가 된다는 통찰은 놀랍습니다.... 실제로는 0으로 적절하게 내려갑니다."
이 경로는 암세포와 근육이 긴장되어 충분한 산소를 얻을 수 없을 때(달릴 때와 같이) 일시적으로 사용됩니다. 그러나 완전한 무산소 조건에서 평생 생존하는 것으로 알려진 척추동물 조직은 없습니다.
매 같은 눈
새의 망막과 산소가 없는 동력 시스템은 매우 특이해서 그들이 어떻게 진화할 수 있었는지에 대한 의문을 자연스럽게 제기합니다.
이번 연구에 참여하지 않은 버클리 캘리포니아 대학의 Karthik Shekhar는 이것은 "일련의 아름다운 실험"이라고 말했습니다. 이는 동물이 척추동물의 눈(약 5억 6천만 년 전 원시 생물의 빛에 민감한 부분까지 거슬러 올라가는 고도로 보존된 구조)을 가져와 자신의 필요에 맞게 조작한 방법을 보여주는 예입니다. 그는 프랑스 생물학자 프랑수아 자코브(François Jacob)의 1977년 에세이 '진화와 땜질'을 인용하면서 "진화는 실제로 발명가와 같지 않고 땜장이처럼 행동합니다"라고 말했습니다. "오래 전에 존재했던 부분을 가져와서 재결합하고 재창조하고 재구성합니다."
연구자들은 새 망막의 산소 수준을 두 종의 파충류, 중국 연못 거북 및 넓은 주둥이 카이만과 같은 그리 멀지 않은 친척의 산소 수준과 비교하여 펙텐 안구가 언제 발생했는지 정확히 찾아내려고 했습니다. 파충류 망막의 산소 수준은 정상이었고 혐기성 해당작용의 징후는 없었습니다. 이로 인해 Damsgaard 팀은 조류 계통이 악어에서 분리되었지만 아직 현대 조류로 진화하지 않은 후, 공룡 시대에 무산소 조직이 진화했을 가능성이 높다는 결론을 내렸습니다. 망막이 두꺼워지는 시기와 거의 같은 시기였습니다.
그럼에도 불구하고 그 대략적인 시간 추정치는 특이한 망막 조직에 어떤 진화 압력이 선택되었는지 설명할 수 없습니다. 연구자들은 추측만 할 수 있다. Damsgaard는 “내 생각에는 수각류 공룡이 먹이를 추적하고 짝을 식별하기 위한 예리한 시각을 선택했기 때문에 이 시스템이 진화했다고 생각합니다.”라고 제안했습니다. 그리고 나중에 새들이 하늘로 날아오르면 산소 수치가 낮은 고고도 비행 중에 “망막 기능을 유지하기 위한 생리학적 기초 역할을 했다”고 그는 추측했습니다.
혈관이 부족하면 새들에게 더 나은 시력을 제공할 수도 있습니다. 새의 망막은 세상을 뛰어난 해상도로 렌더링하는 데 필요한 100개 이상의 세포 유형이 복잡하고 촘촘하게 들어있습니다. 새들은 사냥과 채집을 위해 뛰어난 시각적 감각을 사용합니다. 하늘에서 쥐를 추적하는 부엉이, 바다 표면에서 물고기의 흔적을 찾는 알바트로스, 매일 수백 송이의 꽃을 찾는 벌새를 생각해 보세요. 이동하는 동안 풍경을 가로질러 랜드마크를 따라가기도 합니다. 혈관이 시야를 방해하지 않으면 새의 망막 세포가 더 많은 시각 정보를 받아들일 수 있습니다.
이것이 적응일까요, 아니면 진화 역사의 우연일까요? 새의 놀라운 시력이 어떻게 진화했는지 확실히 알 수 있는 방법은 없습니다. Baden은 "우리 주변에 남아 있는" 미스터리가 있다고 말했습니다. “새들의 눈을 그토록 특별하게 만드는 것은 무엇일까요?” 그들의 망막 동력 시스템은 마치 그들을 그토록 독특하게 만드는 이유를 설명할 수 있는 것처럼 보입니다. 그러나 생리학자인 르윈은 연구자들이 철새 종을 조사한 적이 없다는 점을 고려하여 결과와 해석을 모든 새에 과도하게 확장하는 것에 대해 조심스럽습니다.
그 의미는 생물의학에 대한 조류의 적응을 훨씬 넘어서는 것입니다. 많은 의학적 상태에서 흔히 발생하는 문제는 조직으로의 산소 공급 감소이며, 이는 발생 위치에 따라 흉터나 뇌 손상을 초래할 수 있습니다. 인간의 두뇌는 총 무산소증을 1분 정도 견딜 수 있다고 Lewin은 말했습니다. 이것이 뇌의 일부에 혈액과 산소 공급을 차단하는 뇌졸중을 매우 파괴적으로 만드는 것입니다. 과학자들은 벌거숭이두더지쥐와 새와 같은 생물의 저산소 조건을 연구함으로써 조직이 저산소 조건을 어떻게 견딜 수 있는지에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
Damsgaard는 “아마도 우리는 수백만 년에 걸친 자연 선택을 통해 자연이 이러한 문제를 어떻게 해결했는지에 대한 영감을 얻을 수 있을 것입니다.”라고 말했습니다. “우리가 할 수 없는 일을 할 수 있는 동물들에게서 배울 점이 너무 많습니다.”
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