세상에서 가장 작은 나침반

보잘 것 없는 박테리아도 방향을 감지할 수 있었다

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https://creation.com/the-worlds-smallest-compasses

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세상에서 가장 작은 나침반

: 보잘 것 없는 박테리아도 방향을 감지할 수 있었다.

(The world’s smallest compasses)

에 의해 Margaret Helder

자연의 향기를 좋아하는 사람들이 매우 좋아하는 냄새 중의 하나가 연못이나 습지 바닥에서 나는 진흙(mud) 냄새이다. 이러한 독특한 냄새를 맡는다는 것은 카누를 타며 늪지를 지나가고 있는 듯한 행복한 모험을 연상케 한다. 아교 냄새와 비슷한 약간 불쾌한 냄새를 풍기는 진흙이 행복한 경험을 주는 것은 단지 부차적인 것이다. 우리들의 대부분은 이들 침전물들을 방해하지 않으며, 포함되어진 가스도 분출시키지 않는다.

그러나 냄새나는 늪지의 진흙에 살고 있는 미생들을 연구해오고 있는 일부 사람들이 있다. 그 중에 한 명이 블랙모어(Richard P. Blakemore)이다. 매사추세츠 대학의 대학원생으로서, 그는 1975년 여름에 대서양 해안을 따라가며 염수 늪지(brackish marshes)들의 진흙으로부터 박테리아를 수집하는 일을 했다. 각 원정 후에 냄새나는 진흙 시료들이 수집되었고, 그는 실험실로 돌아와 채취한 시료들로부터 미생물들을 배양하였다.

그런데 한 박테리아 균주(strain)는 예상외의 방법으로 반응했다. 환경적 상황이 어떻든지 간에, 이들 미생물들은 물에서 북쪽으로만 수영하는 것을 고집했다. 그래서 그들은 항상 현미경 슬라이드 위 물방울의 북쪽 가장자리에서만 모여 있었다. 블랙모어는 이들(1mm의 1/2,000 길이, 폭은 길이의 1/4) 미생물들이 자기북극(magnetic north)을 감지할 수 있는지 궁금해졌다.

막대자석이 현미경에 배치되었다. 그래서 지구의 자기장이 방해되었다. 그러자 박테리아들은 정말로 방향을 바꾸어서, 자석의 북극 끝으로 수영했다. 이 단순한 연구로, 블랙모어는 생물학에서 새로운 분야의 문을 열었다. 그것은 자기 지시(magnetic cues)에 의한 생물체들의 항해(navigation) 이다.[1] 다양한 박테리아들 뿐만이 아니라, 일부 조류(algae), 곤충(insects), 달팽이(slugs), 비둘기 등도 정교한 자기 나침반(magnetic compasses)들을 사용할지도 모른다는 증거가 있다.

진화론자들은 일반적으로 이와 같은 생각을 좋아하지 않는다. 왜냐하면 살아있는 생물체들이 고도의 디자인(설계)을 가지고 있다는 것은 바로 하나님, 전능하신 창조주를 가리키고 있기 때문이다. 진화론자들은 생물체들은 무작위적인 우연한 과정들을 통해 저절로 발생되었다는 믿음을 더 선호하기 때문이다. 그들은 일반적으로 생물체들이 디자인되었다기 보다는 적응되었다고 말한다. 그럼에도 불구하고, 유명한 진화론자인 스테판 제이 굴드(Stephen Jay Gould)는 새로운 자기 박테리아(magnetic bacterium)를 좋은 디자인의 뛰어난 예로서 선언하면서, 자기 몸 안에 절묘한 기계를 가지고 있는 생물체라고 하였다. 그 기계는 하나의 자석이다. 그런데 그 기계를 가지고 있는 생물체가 ‘하등한(lowly)’ 박테리아라는 것이다. [2]

1975년 이후 10여종 이상의 배양된 박테리아들이 자기 반응(magnetic responses)을 하는 것이 발견되었다. 담수와 바다 환경의 진흙들, 그리고 하수처리 연못의 진흙들은 그러한 재능 있는 미생물들을 포함하고 있었다. 자기 박테리아들이 가지고 있었던 기계들은 놀라운 것이었다. 이 작은 세포 안에 있는 자석은 세포의 긴 축을 따라 한 선으로 정렬된 20개 정도의 거칠은 입방체 입자(cubic particles)들로 구성되어 있었다. 각 입자는 각 측면이 50 nm (나노미터, 1 nm은 10^-9 m) 정도이었다. 이들 입자들은 그들의 숙주 세포에 대해 적절한 크기일 뿐만이 아니라, 신체적 조건에서 이러한 극도로 작은 크기의 자석으로 작동되기 위한 유일한 디자인을 대표하고 있었다.

그 입자들은 자철광(magnetite) 또는 천연자석(lodestone)이라고 불리는 일종의 산화철(iron oxide)로 만들어져 있었다. 실험실에서 이러한 극도로 작은 크기의 자철광 입자들을 만드는 것은 어려울 것이다. 생물학자들도 어떻게 박테리아가 그러한 정밀성을 달성할 수 있었는지 놀라워하고 있다.

물 속에서 부유하고 있는 작은 물체들을 현미경을 통하여 보았던 사람이면 누구나, 그것들은 지속적인 진동 운동(vibrating motion)을 하고 있다는 것을(심지어 살아있는 세포에서도) 알게 된다. 이 브라운 운동(Brownian motion)은 분자들의 무작위적인 밀어냄(random jostling)의 결과이다. 그리고 그것들은 따뜻해질수록 더 빨리 움직인다. 그러나 자철광 입자는 브라운 운동에 의해 밀려나서는 안 된다. 밀려난다면 어떤 자기 정렬을 할 수 없을 것이기 때문이다. 따라서 각 입자는 지구의 자기장 방향으로 확고하게 정렬할 수 있어야만 한다.

무엇보다 호기심을 자극하는 것은, 그러면 왜 박테리아는 북쪽 방향으로 수영하는 능력을 가지고 있는 것일까? 그것은 어떤 유익을 그들에게 주고 있을까? 생물학자들은 이 능력이 박테리아들에게 공간에서 정렬하는 것을 가능하게 하는 메커니즘을 제공할지도 모른다고 생각한다. 큰 생물체들은 비교적 그들이 지구 표면의 어느 장소에 위치하는지를 알 수 있다. 왜냐하면 중력(gravity)이 그 단서를 제공하기 때문이다. 그러나 그것은 박테리아에게는 너무 어려운 일이다. 왜냐하면 그들의 크기는 너무나도 작기 때문이다. 이들에게 중력은 예를 들어 표면장력(surface tension)과 같은 다른 힘들에 비교할 때 너무도 약하다.

북반구에서 자석은 북자극(수평 축 위에서)의 방향을 가리킬 뿐만이 아니라, 또한 자침은 아래쪽으로의 경사를 가리킨다. 북쪽으로 갈수록 자석 바늘의 경사는 더욱 커진다. 북극점에서 자침은 수직으로 아래를 가리킨다. 남반구에서 자침은 남쪽으로 갈수록 더 날카롭게 위쪽을 가리킨다.

북반구에서 자석은 이 작은 박테리아에게 아래쪽 방향을 가리키고 있을지도 모른다고 과학자들은 생각하고 있다. 남반구에서 그러한 자석은 정반대 방향인 위쪽을 가리키고 있을 것이다. 그러나 적도 지방에서 어떤 도움도 되지 않을 것이다.

이들 박테리아들은 침전물 속에서 아래쪽으로 수영하기 위한 나침반을 명백하게 사용하고 있었던 것이다. 이들 미생물들의 대부분은 그들의 환경에서 산소가 없거나 적어야만 살아갈 수 있다. 일반적으로 이들은 진흙의 아래쪽으로 이동해 더 산소농도가 낮은 저산소 환경으로 이동하려는 경향이 있는 것이다. 자기 막대는 이 미생물이 높은 산소 농도를 피해 아래쪽으로 이동하는 것을 가능하게 해주는 것이다. 이 현상은 미생물들에 대해 일어났던 흔한 문제에 대한 독특하고 정교한 해답을 주고 있었다.

이것은 단지 몇 년 전에야 알게 된 자연의 경이들 중에 하나이다. 이전에 우리는 이러한 것을 거의 상상할 수조차 없었다.

심지어 가장 작은 것이라도, 각 생물체들은 자연에서 그리고 그들의 생태학적 필요조건 안에서 그들의 역할을 잘 수행할 수 있도록 재능과 선물들을 부여 받았다. 그들을 창조하신 창조주 하나님의 솜씨는 얼마나 경이로운가!

출처 : Creation 20(2):52–53, March 1998

번역자 : IT 사역위원회

References