바이오인

 

생체리듬

만일 현대사회에서 시계가 갑자기 없어진다면 어떤 일이 일어날까? 상상하기 어려운 많은 문제가 야기될 것이다. 아마도 모든 현대 문명의 근본 질서가 일시에 붕괴되고 그리 오래되지 않아 각개인의 육감만으로 시간을 가늠하는 원시생활로 되돌아가게 될지도 모른다. 그러나 이것은 어디까지나 인간에게만 해당되는 일일뿐, 지구상에 존재하는 인간 이외의 수많은 동식물들은 시계와 같은 특정 도구문화의 계승이 없어도 순수한 자연의 리듬에 적응하며 진화해 왔다. 그들은 시계나 달력을 이용하지도 않았음에도 불구하고 계절의 일정주기에 맞추어 꽃을 피우기도 하고 겨울잠에서 깨어나기도 한다.

지구상의 거의 모든 생명체가 생체시계를 가지고 있다는 것은 이미 잘 알려져 있다. 이러한 생체시계는 외부 환경변화에 따라서 내부적으로 일치된 것으로, 일반적으로 태양의 영향을 받는 일주기(24시간)와 달 주기(24.8시간)로 나눈다. 시계는 크게 환경변화에 대해서 완전히 독립적(escapement)인 것과 환경의 영향을 받는(nonescapement)것으로 나눌 수 있다. 예를 들면 인간이 만든 전자시계는 환경변화에 독립으로 작동하고 매우 정확하다. 그러나 생체시계는 매일 새로 맞추어야 한다. 우리 인간이 만든 시계는 이처럼 정확한데, 생체시계는 그렇지 않은 이유는 무엇일까? 30억년이나 진화해온 생물의 시계가 정확하지 못한 이유는 무엇일까? 이는 생물이 변화하는 환경에서 적응하여만 살아갈 수 있기 때문이다. 날마다 변화하는 낮과 밤의 길이, 움직이면 변화하는 공간의 위치 때문에 생물체가 가지고 있는 생체시계는 날마다 새로 맞출 수 있는 것이어야 한다. 대부분의 생물들은 그들이 적응하기에 유리한 특정 환경요인을 생체시계의 척도로 삼고 있다. 바다에서는 위도와 지역에 따라 차이가 있지만 달의 영향이 큰 조석주기(12.4시간)가 일어난다. 따라서 거의 모든 해양생물들의 생체시계는 조석주기에 크게 영향을 끼치는 달 주기(lunar cycle)에 잘 일치되어 있다. 우리는 이러한 생물체내의 생체시계 정보를 잘 활용하면 해양생물들을 대상으로 연구된 과거의 결과들 보다 훨씬 정확한 정보를 얻을 수 있다.

국내외 생체리듬 연구 및 기술동향

미국의 과학주간지 <사이언스>는 1998년 12월 특집에서 올해 과학계의 10대 성과를 선정해 발표하였는데, 그 중에 하나로서, 생체리듬 연구 분야가 학문의 획기적인 전기를 마련하였다고 하였다. 시간주기 리듬은 약7억년 전 종 분화된 초파리와 쥐가 24시간 생체리듬에 관여하는 단백질을 똑같이 갖고 있다는 사실이 확인됐다. 생체리듬은 생태학, 분자 생물학, 유전학, 발생학 등과 폭넓은 연관성을 가지고 있으며 생명현상의 원리 규명에 크게 기여하고 있다. 짧게는 세포분열주기에서 길게는 노화현상에 이르기 까지 생명현상의 대부분이 생체리듬에 의해서 결정지어 진다고 해도 과언이 아니다. 생체리듬에 대한 연구는 학문의 발전에 그치지 않고 의학적으로도 이용되어 인간의 삶에 직접적인 도움을 줄수 있으며, 농작물이나 수산 양식생물의 생식주기 및 산란주기 조절 등에도 응용될 수 있는 광범위한 파급효과를 가진 과학의 기초분야이다.

국외의 생체리듬 연구동향

미국은 육상생물의 경우에 과학재단(NSF) 지원으로 Northwestern University에 생체리듬 연구소를 운영하고 있으며, 신경생물학, 분자생물학, 의학, 생화학 등 각 분야 전문가들의 공동연구를 권장하고 있다. 프랑스, 스위스, 이태리, 일본 등도 국제공동 연구를 활발하게 수행하고 있다. 육상생물의 경우 지난 6년 동안(1997.1.1 - 현재) “박테리아”, “초파리”, “쥐”, “인간” 등의 생체시계에 대한 “clock gene”의 위치와 메카니즘에 관한 연구결과가 “Nature”에 18편, “Science”에 22편 발표되었다. 어류의 경우에는 Zebra fish의 유전체에 대한 연구 발표가 2편 있었다. 같은 기간 동안 해양생물을 대상으로 한 생체리듬에 대한 연구발표 사례는 거의 없었다.

국내의 생체리듬 연구동향

육상동물의 생체리듬 연구는 국내의 대학과 연구기관(KIST)에서 소수의 연구자들에 의해서 연구가 진행되고 있다. 해양생물에 대한 생체리듬 연구의 경우 선진국들 보다 늦은 1996년부터 시작되었으나, 현재 해양생물의 체내 생리 활성에 대한 생체리듬 연구는 세계적 수준에 도달하였다. 그러나 해양생물에 대한 생체리듬 연구가 국내에서는 기술 진입기의 학문이기 때문에 선진국에 비하여 연구지원이 미미한 실정이다. 현재 한국해양연구원에서는 해양생물을 대상으로 어류의 내인성 생체리듬을 응용하여 인공동면을 유도하려는 연구가 진행 중에 있다.

해양생물과 생체리듬 활용

생체리듬 연구는 앞으로 생명현상 원리규명 연구를 하는 분자생물학, 발생학, 유전학 등에 커다란 영향을 끼칠 것으로 보인다. 지금까지 해양생물의 생체리듬은 조석주기(12.4시간)에 잘 일치되는 것으로 알려져 있었다. 그렇지만 최근에 개조개(Saxidomus pupuratus)의 생체리듬을 장기간 관찰한 결과 달 주기(24.8시간)에 더 정확히 일치하고, 생체리듬을 조절하는 생체시계도 환경이 좋으면 24.8시간의 주기를 갖는 2개의 시계에 의해서 작동되는 것으로 밝혀졌다. 그러나 생물의 주변 환경이 안 좋은 상황으로 변화하면 2개의 시계중에 한 개를 정지시키는 것으로 관찰되었다.

생체리듬 연구는 생리적인 스트레스, 환경과 독성물질의 관계를 이해(생태학, 환경학, 독성학)하는 데 필수적 분석 도구(tool)로 이용될 수 있을 것으로 보인다. 정상상태의 생물 체내의 생체리듬과 주변 환경이 변함에 따라 반응하는 생체 리듬을 관찰함으로써 적응 범위와 회복상태를 쉽고 명확하게 파악 할 수 있다. 이러한 실험방법은 생물이 어떻게 환경에 적응하여 서식하는지를 알고자 하는 것으로 시·공간 분포에 영향을 끼치는 환경요인들(서식지, 분포, 적응, 공간과 먹이 경쟁)이 규명될 것으로 기대된다.

환경문제와 관련지어 볼 때 내인성 생체리듬의 분석은 환경 호르몬 등 환경변화에 따른 생물의 생리적 영향을 이해하는데 지표가 되어 수질과 환경기준치의 새로운 조정이 필요할 것으로 보이며, 환경영향평가의 분석 tool로서 절대적으로 필요할 것으로 기대된다. 특히, 어민과 분쟁이 되어온 발전소 온배수 배출에 따른 생물의 생리적 영향 검증 방법에 매우 유익하게 활용할 수 있다.

수온변화에 따른 내인성 생체리듬 변화를 응용하면 무수 운반 수송이 가능해져 산지로부터 직접 가정으로 신선도를 최대로 유지한 활어를 배달할 수 있다. 이러한 기술을 활용하면 현재의 활어차를 이용한 방법에서 박스포장 운송이 가능하여 2.5 - 50배 운송할 수 있으므로 년 1000억 이상의 막대한 물류비용 절감 효과가 예상된다.

생리학·생역학 분야에서는 생물체내의 에너지 흐름관계 이해하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 육상생물과 마찬가지로 수서생물의 생리학 발전에도 획기적인 전기가 될 것으로 기대된다. 증·양식학 분야에서도 생체리듬의 주기를 조절하여 생산량을 증대시킬 것으로 기대되며, 막대한 경제적 소득이 창출될 것으로 보인다. 이와 함께 해양생물의 생체리듬을 조절하는 시간유전자를 규명함으로써 다양한 해양생물의 생체리듬 현상을 분자생물학 방법으로 연구할 수 있는 새로운 방법론을 제시하게 될 것이다.

생체리듬 전망

생체리듬 연구는 생명체를 이용하는 모든 연구 분야에 광범위하게 활용될 것으로 보여 활용가치가 매우 크다고 할 수 있다. 특히, 해양생물들을 대상으로 하는 생체리듬 연구는 현재 미국과 영국 등 일부 국가에서 진행되고 있지만, 다른 학문들과 비교하면 아직 연구에 많은 제약요인이 있다. 무엇보다도 해양생물들에게 전혀 영향을 끼치지 않게 체내의 생리활성을 장시간 측정하기가 매우 어렵다는 점을 들 수 있는데, 과학 선진국들은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 많은 노력을 기울이고 있다. 국내의 생체리듬 연구는 국가지정연구실(National Research Laboratory: NRL)로 지정되어 수행중인 어류의 생리활성 내인성 생체리듬 연구가 과학 선진국들과 비교하여 현재 어는 정도 기술 우위를 가지고 있다. 그러나 조만간 선진국들도 생리활성에 따른 생체리듬 연구를 위하여 많은 연구 인력과 막대한 연구비를 투자할 것으로 예상된다. 따라서 연구의 적절한 시기를 놓칠 경우 기껏 비교우위를 확보한 신기술을 넘겨주게 된다는 사실을 잊지 말아야 한다.