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- 런던 프랜시스 크릭 연구소, 초파리(Drosophila melanogaster) 메커니즘 최초 규명
- 번데기 보호하는 비밀은 내부의 분자층 '긴 탄화수소' 지질막… 수실 손실 막아
- 심한 고온·건조 앞에서는 보호막도 한계… 기후위기 속 생존 경계선 드러나

기후변화 속 곤충의 생존 비밀… 초파리는 어떻게 건조한 세상에서 살아남을까?

지구 온난화로 인해 전 세계적으로 기온이 치솟고 가뭄이 빈번해지는 가운데, 자연계의 작은 곤충들은 이러한 극한의 환경 변화에 어떻게 대처하고 있을까? 최근 과학자들이 초파리의 변태 과정 속에서 곤충들이 건조한 세상에서 살아남을 수 있는 핵심 생존 전략을 밝혀내 주목을 받고 있다. 

▲ 성체 초파리는 번데기와는 다른 화학적 보호층을 가지고 있다. 부화 후, 특히 긴 탄화수소 분자는 대부분 더 짧은 분자로 대체되는데, 이 짧은 분자는 냄새 신호 역할도 한다. © Whitepointer / depositphotos.com

움직이지 못하는 번데기, 수분 손실을 막아라

초파리 유충은 보통 습하고 축축한 썩은 과일 속에서 자라나기 때문에 물 부족을 크게 겪지 않는다. 그러나 번데기가 될 시점이 되면 이들은 습한 환경을 떠나 상대적으로 건조한 장소를 찾아 이동한다. 일단 번데기가 된 이후에는 몸을 움직일 수 없기 때문에, 주변의 불리한 환경 변화를 피하지 못하고 고스란히 견뎌내야 한다.

곤충은 변태 과정을 거치며 신체 구조가 근본적으로 재조립되는데, 이 과정에서 새로 형성되는 몸의 껍질이 수분 증발을 얼마나 잘 막아주느냐가 생존을 좌우한다. 성체 초파리의 경우 몸 바깥쪽의 보호 껍질(외골격)에 탄화수소 성분의 보호막이 존재한다는 사실이 잘 알려져 있었으나, 이동할 수 없는 번데기 시기에 어떻게 수분 증발을 막아내는지에 대해서는 그동안 베일에 싸여 있었다.

반전의 발견: 보호막은 '껍질 안쪽'에 숨어 있었다

영국 프랜시스 크릭 연구소(Francis Crick Institute)의 알렉스 P. 굴드(Alex P. Gould) 박사가 이끄는 연구팀은 초파리(Drosophila melanogaster)를 대상으로 유전적 조작과 표면 화학 분석, 그리고 초정밀 질량분석기를 결합해 이 보호막의 정체를 추적했다.

그 결과, 놀랍게도 유충 및 번데기 껍질의 바깥쪽이 아니라 안쪽 면에 방수 역할을 하는 특수 분자층이 존재한다는 사실이 밝혀졌다. 번데기 시기 외장 역할을 하는 단단해진 유충 껍질의 내부에 탄소 원자가 29개에서 41개에 달하는 유독 긴 사슬 형태의 '초장쇄 탄화수소'들이 빽빽하게 포진해 있었던 것이다. 이 분자들은 그 아래에 있는 실제 번데기 껍질의 바깥쪽에도 존재하며 외부의 건조한 공기로부터 생명을 지키는 방패 역할을 수행한다.

유충 시절부터 비축하는 생존 물자, 'EloHL 효소'의 역할

이 독특한 방수 분자들은 무작위로 만들어지는 것이 아니다. 유충 시기에 이미 특화된 세포인 오에노사이트(Oenozytes)에서 합성된 뒤, 곤충의 중요 영양 저장고인 지방체(Fat body)에 안전하게 보관된다. 이후 번데기로 전환되는 시점에 이 긴 탄화수소들이 보호 껍질 안쪽으로 이동하여 방수 장벽을 구축하게 된다.

이 과정에서 핵심적인 역할을 하는 것은 지방산신장효소인 'EloHL'이다. 연구팀이 이 효소를 생성하는 유전자를 인위적으로 차단하자, 번데기 안의 긴 탄화수소 비율이 급격히 떨어지고 대신 짧은 분자들이 늘어났다. 이 유전적 변형 초파리들은 번데기 단계로 진입하는 데는 성공했으나, 건조한 환경에서의 수분 차단 능력이 크게 떨어지는 치명적인 약점을 드러냈다.

기후변화가 초래할 한계: 보호막도 고온·건조에는 무너진다

실험 결과, 상대습도가 15~20%에 불과한 건조한 환경에서 EloHL 효소가 망가진 변형 번데기들은 정상 개체보다 훨씬 더 많은 수분을 공기 중으로 빼앗겼다. 특히 섭씨 26도의 온도에서는 변화가 24시간 이내에 뚜렷하게 관찰되었다.

그러나 유전적으로 완벽한 정상 초파리라 할지라도 환경 조건이 더욱 혹독해지면 이 방어막 역시 한계에 부딪혔다. 온도 29도에 저습도 환경이 겹치자, 정상 개체와 변형 개체 모두 불과 48시간 만에 체내 수분의 약 3분의 2 이상을 잃고 말았다. 이는 진화가 만들어낸 생체 지질막이 수분 손실을 효과적으로 늦춰주기는 하지만, 지구 온난화에 따른 극단적인 폭염과 가뭄 속에서는 무제한적인 저항력을 제공하지 못한다는 점을 시사한다.

연구에 참여한 레나 람페(Lena Lampe) 연구원은 "초파리 역시 생존할 수 있는 명확한 생물학적 한계가 존재하며, 이번 효소 연구는 그 한계선을 명확히 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다"고 설명했다.

짝짓기와 생존의 딜레마, 그리고 미래 과제

성체로 우화한 이후 초파리의 화학적 코팅은 다시 한번 대변화를 겪는다. 며칠 안에 몸을 보호하던 초장쇄 탄화수소들은 대개 더 짧은 분자들로 교체되는데, 이 물질들은 수분 유지 기능뿐만 아니라 이성을 유혹하는 '페로몬(화학적 Duftsignal)' 역할까지 겸하게 된다. 즉, 생존을 위한 방수 기능과 번식을 위한 구애 신호 사이의 정교한 타협의 산물인 셈이다.

사막 환경에 적응해 예외적으로 긴 탄화수소 코팅을 평생 유지하는 사막 초파리(Drosophila mojavensis) 같은 예외도 존재하지만, 대다수의 곤충 종들은 기후변화가 가속화되는 미래 세계에서 생존과 번식 사이의 거대한 압박에 직면하게 될 전망이다.

이번 연구는 단순한 실내 실험을 넘어, 다가오는 기후 위기 속에서 지구 생태계를 지탱하는 수많은 곤충들이 생존의 갈림길에서 어떤 신체적·유전적 방어선을 구축하고 있는지 이해하는 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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