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- 거의 모든 동물의 90%가 그렇듯 좌우대칭
- 지구 생명체의 대칭성을 결정하는 중요한 요소는 바로 중력
- 수생 생물 중에는 방산충, 해파리, 구형의 볼복스 군체와 같은 좌우대칭이 아닌 방사대칭
- 외계 생명체 역시 대칭적인 형태를 하고 있을 가능성
- 내부는 겉모습과 달리 대칭 아니다.

좌우대칭이 핵심이다
대부분 동물과 인간이 좌우대칭을 갖는 이유

말, 잠자리, 상어는 어떤 공통점이 있을까? 언뜻 보면 별로 없어 보인다. 하지만 이들은 한 가지 공통점을 가지고 있다. 바로 거의 모든 동물의 90%가 그렇듯 좌우대칭이라는 점이다. 좌우대칭 동물은 머리와 꼬리가 명확하게 구분되는 두 개의 대칭적인 몸을 가지고 있다. 그렇다면 왜 좌우대칭 동물이 동물계를 지배할까? 그리고 산호, 빗해파리, 대부분 식물은 왜 좌우대칭을 보이지 않을까? 

▲ 헬리오디스쿠스(Heliodiscus)와 같은 방산충을 비롯한 많은 플랑크톤 생물은 매우 대칭적인 구조를 가지고 있다. © Picturepest/ CC-by 2.0

 

중력에 의해 형성

 

지구 생명체의 대칭성을 결정하는 중요한 요소는 바로 중력이다. 중력은 거의 모든 자연 형태의 방향을 결정한다. 산이나 종유석의 높이와 모양뿐만 아니라 생물의 몸 형태에도 영향을 미친다. 이는 특히 식물과 일부 고착성 수생 동물에서 두드러지게 나타난다. 이들은 위쪽으로 자라면서 중력에 저항한다. 결과적으로 이들의 대칭축은 보통 몸의 수직축과 일치한다.

자유생활을 하는 수생 생물 중에는 방산충, 해파리, 구형의 볼복스 군체와 같은 플랑크톤 조류를 포함하여 좌우대칭이 아닌 방사대칭을 하는 생물들이 있다. 이들은 보통 두 개의 대칭적인 반쪽으로 나뉘기보다는 둥근 모양을 하고 있다. 이들의 공통점은 모두 물속에 산다는 것이다. 물속에서는 부력이 중력의 영향을 적어도 부분적으로 상쇄해 준다. 하지만 이러한 수생 생물들이 좌우대칭이 아닌 데에는 또 다른 이유가 있다.

운동 방식

그 이유는 신체 형태와 운동 방식 사이의 밀접한 관계 때문이다. 새, 물고기, 곤충, 포유류는 보통 걷거나 날거나 헤엄칠 때 다리를 이용하여 앞으로 나아간다. 몸의 양쪽에 같은 수의 다리가 있는 것이 유리하다. 이는 균형을 유지하고 조화롭고 효율적인 움직임을 가능하게 한다. 예를 들어 왼쪽 날개가 크고 오른쪽 날개가 작은 새는 안정적인 비행 자세를 유지하기 어려울 것이다.

좌우대칭의 또 다른 이점은 두 개의 대칭적인 측면과 앞쪽과 뒤쪽으로 나뉜 구조가 효율적인 분업을 가능하게 했다는 점이다. 감각 기관은 머리 앞쪽에 집중되어 있어 방향 감각을 익히고 앞을 내다볼 수 있게 해준다. 또한 머리에는 이러한 감각 기관에서 오는 자극을 처리하는 뇌가 있는 중추 신경계가 위치한다. 머리는 또한 음식 섭취가 이루어지는 부위이기도 하다. 입이 있고, 따라서 소화관의 시작 부분이 여기에 있다. 반면에 몸의 뒤쪽 또는 하반부는 주로 노폐물 배출과 운동을 담당한다.

▲ 새를 비롯한 비행 동물에게는 날개와 옆구리의 균형이 필수적이다. © mbolina/ Getty Images

외계 생명체도 대칭적인 이유는 무엇일까?

운동 방식과 중력이라는 두 가지 요소는 생명체의 외형과 대칭성에 상당한 영향을 미친다. 이 원리는 모든 생명체에 적용되며, 아마도 지구 밖의 생명체에도 적용될 것이다. 따라서 우주생물학자들이 다른 행성의 생명체 또한 특정 기하학적 원리를 따를 것이라고 예측하는 것은 결코 단순한 상상이 아니다.

물론, 우주생물학자들은 외계인이 눈, 코, 팔다리를 몇 개나 가지고 있을지 알지 못한다. 하지만 외계 생명체 역시 대칭적인 형태를 하고 있을 가능성을 시사하는 상당한 증거가 있다. 적어도 그들이 중력이 있는 행성이나 위성에서 살고 움직인다면 말이죠. 그렇다면 그들 역시 거대 아메바든, 외계 도마뱀이든, 아니면 초록색 외계인이든 간에, 이 두 가지 형성 요인의 영향을 받았을 것이다.

내부는 겉모습과 다르다

겉으로 보기에 우리 인간은 대칭적인 것처럼 보이지만, 내부 장기는 전혀 다르다. 심장은 왼쪽에, 간은 오른쪽에 있고, 장은 뒤엉켜 있다. 대칭의 흔적은 찾아볼 수 없다. 그렇다면 왜 그럴까? 질서정연한 외형과 비대칭적인 내부 사이에 왜 이런 불일치가 있는 걸까?

이제 우리 몸의 외형과 골격 구조는 우리가 선호하는 이동 방향과 중력의 영향과 관련이 있다는 것이 분명해졌다. 하지만 자연이 내부 장기까지 대칭적으로 설계하는 것이 더 간단하지 않았을까? 궁극적으로 이 원리는 이미 지렁이, 곤충, 단각류와 같은 많은 다른 동물 집단에서 구현되어 있다. 이들에서는 외부 대칭이 내부 대칭과 일치한다. 비대칭성이 점점 더 널리 나타나는 것은 고등 동물의 내부 구조에서부터다.

인간의 경우, 이러한 내부 비대칭성은 초기 배아 단계에서 시작된다. 약 3주 차까지는 우리 몸이 완전히 대칭적이다. 하지만 그 후 배아는 갑자기 이러한 대칭성을 깨뜨린다. 특정 유전자의 좌우대칭 활동에 따라 일부 장기가 신체의 한쪽으로 이동하기 시작한다. 발달 중인 심장은 왼쪽으로 불룩해지고, 간은 오른쪽으로 이동하며, 장은 고리 모양을 형성하기 시작한다. 이렇게 해서 전형적인 비대칭적인 내부 구조가 발달하게 된다.

▲ 간, 심장, 위처럼 우리 몸의 일부 장기는 비대칭적으로 한쪽에만 위치해 있다. 왜 그럴까요? © Homunkulus28/ Getty Images

심장과 간이 잘못된 위치에 있는 경우

우리 몸에서 심장은 왼쪽에, 맹장은 오른쪽에 있는 것이 정상이지만, 예외도 있다. 약 8천~2만5천 개의 배아 중 1개꼴로 장기 위치가 반대로 발달한다. 이러한 배아의 내부 구조는 정상적인 구조와 정확히 대칭을 이룬다. 예를 들어 심장은 오른쪽에, 간은 왼쪽에 있다. 이러한 반전이 모든 장기에 영향을 미치는 경우, 내장 역위증은 일반적으로 증상이 나타나지 않아 첫 X선 촬영 전까지는 알아차리지 못할 수 있다.

어떤 경우에는 장기 위치 변화가 완전하지 않을 수 있다. 예를 들어, 심장만 반대쪽에 있고 소화관은 정상일 수 있다. 또는 복부 장기만 위치가 바뀌고 심장은 왼쪽에 정상적으로 위치할 수도 있다. 또한 배아 발달 과정에서 장기가 중심에서 한쪽으로 이동하지 못하는 경우도 있다. 이러한 경우 심장과 간이 중앙에 위치하게 되어 공간 부족으로 인해 장기와 주요 혈관에 기형이 발생하는 경우가 많다.

이러한 장기 위치 이상(heterotaxy)의 원인은 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 하지만 대부분 경우 신체의 좌우대칭을 조절하는 유전자의 돌연변이로 인해 발생한다. 이러한 유전자 중 하나에 결함이 생기면 심장이 왼쪽으로 이동하는 것이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 이러한 돌연변이 중 일부는 유전되기 때문에 특정 형태의 장기 위치 이상은 가족력이 있는 경우에 더 흔하게 나타난다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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