색각(色覺)은 어째서, 어떻게 진화해 왔는가.

색각(色覺)은 어째서, 어떻게 진화해 왔는가.

 

 

 

 

보통의 생활에서 우리들은 날마다 눈을 통하여 모든 시각정보를 얻고 있다.

물론 귀나 코나 피부 등에 있는 여러 가지 센서를 통하여서도 환경을 인식하고 있는 셈이지만 그 중에서도 눈으로 얻는 정보는 방대해서 압도적이라고 생각된다. 활자를 읽는 것도 인터넷을 보는 것도 주로 시각정보를 통해서이다.

그리고 우리들의 시각에는 <색깔>이 있다. 붉다든지 초록이라든지 푸르다는 것을 구분할 수 있는 것은 단지 밝음 어두움(명암/明暗) 만을 식별하는 것보다 편리한 것이 많고 종종 <아름다움(美)>을 느끼는 계기도 된다. 정서적인 말이 될는지 모르지만 색각이 있기 때문에 세계는 채색에 넘치고 아름답다.

 

실은 색각에 대하여 강한 관심을 가지고 있었다. 소설 중에도 특이한 색각을 가진 일족을 등장시킨 일이 있다.(<천공의 약속>과 <구름의 왕>). 더 지식을 깊이고 싶다고 생각하던 참에 도쿄대학의 가시와노하 캠퍼스에 색각을 둘러싼 폭 넓고 깊게 추구하고 있는 연구실이 있다는 것을 알았다. 대학원신영역창성과학연구과 첨단생명과학 전공(大学院新領域創成科学研究科・先端生命科学専攻)(더 자세히 말하면 인류 진화 시스템 분야)의 가와무라쇼지(河村正二) 교수가 추진역할을 해서 <어류에서 영장류까지> 진화사를 일관하는 연구 성과를 차례차례 발표하고 있다고 해서 꼭 찾아가 보고 싶었다.

도쿄 대학의 가시와노하 캠퍼스는 도쿄에서 볼 때 쓰쿠바시(筑波市) 가기 전, 지바현 가시와시(柏市)에 위치하고 있다. 이 시리즈에서 저는 바이오로깅(Bio-logging) 연구소에서 펭귄을 연구하는 시오미(塩見) 고즈에(당시 대기해양연구소)를 방문했다. 같은 부지에는 우주학연구의 고마츠 에이이치로(小松英一郎) 씨가 선임 연구원으로 활동하고 있는 카블리 수물연휴우주연구기구(数物連携宇宙研究機構)와 최근 <뉴도리노의 진동의 발견>으로 노벨 물리학상을 수상한 카지타 다카아키(梶田隆章) 씨의 우주선연구소도 있어서 곧 우주에서 생물에 이르기까지 학제 간 분위기로 가득 찬 캠퍼스이다.

<생명동(生命棟)>에 있는 연구소에 도착하자 가와무라 교수는 설명을 위해 슬라이드를 준비하고 저를 기다리고 있었다. 슬라이드 수, 100 개 이상. 나는 색각에 대한 최신 연구의 "여행"이 현시점에서도 오랜 시간 동안 발견으로 가득 할 것이라는 느낌을 가졌다.

어떤 종류의 "여행"이 될 것인가? 가와무라 씨는 이렇게 먼저 말했다.

 

오징어나 문어의 색각은?

 

<확실히 색각을 가지는 것은 여러 가지 동물 중에서도 곤충 등의 절족동물과 우리들 척추동물뿐이다. 그러면 오징어나 문어는 어떤가 하면 렌즈는 척추동물과 비슷한 것을 가지고 있지만 색각의 증거는 지금은 없다. 척추동물은 어류에서 영장류까지 공통선조의 단계에서 색각을 가지고 있어서 그것이 진화에 큰 역할을 다했다고 생각되고 있다.>

어찌하여 우리들 세계는 색채가 넘치는 것일까. 색각이 척추동물의 진화에 있어서 하나의 열쇠가 되는 감각이었다는 이야기이다. 어류도 포유류도(그 중의 영장류도) 각각 색각에 대하여 여러 가지 연구를 반복해왔다. 역동적인 진화의 이야기로서 흥미가 있을 것 같다.

<색각의 경우 실험실의 유전자 수준의 연구에서 야생의 생식지에서 동물들이 색각에 응하여 어떻게 행동하고 있는지 하는 것까지 하나의 연결로 해서 확인할 수가 있다.

곧 유전자와 진화라는 테마에 유전자를 배열의 수준에서 의론하는 분자생물학에서도 필드의 행동학에서도 깊이 들어갈 수 있는 셈이다.>

유전자의 진화와 유전자가 발현한 형질의 진화나 그에 응한 행동이라는 것은 물론 세트로 되어 있다. 이치상으로는 그렇다. 그러나 이제까지 그것들을 착실히 보고 확인하기는 어려웠다. 가와무라 씨는 색각이라는 일단락에서 일점 돌파하여 그 모습을 울타리너머로 보는 데 성공한 적은 수의 연구자의 한 사람이다. 이것은 또 어떤 내용인가. 흥미롭다.

색각은 척추동물의 진화에서 커다란 역할을 다했다고 한다.

 

최초는 우리들 사람의 눈의 단면도에서

 

<눈 안에 있는 망막에 빛을 느끼는 센서가 되는 세포가 있다는 것은 알고 있을 것이다. 시세포라고 한다. 대별해서 2종류가 있는데 간체세포와 추체세포이다.>

망막은 안구 안에 있는 층상(層狀)인 것이다. 그것을 자세히 보면 앞에서 망막신경절세포(網膜神經節細胞/retinal ganglion cell, RGC)등인지 쌍극세포 등인지 수평세포 등이 나란히 열 지어 있다. 그것들이 어떤 역할을 다하고 있는지는 여기서는 말하지 않는다. 아마도 그것들 깊이에 있는 간체세포와 추체세포에 주목한다. 이제부터 빛을 느끼는 세포 소위 시세포이다.

앗 하고 생각하는 것은 안구의 렌즈인 수정체로 보아서 시세포의 앞에 여러 가지 다른 세포가 있는 것이다. 장해가 되지 않을는지 걱정이지만 이것이 척추동물의 스타일이라고 한다.

문어나 오징어에는 이런 것은 없다. 척추동물은 초기의 우연한 디자인을 그대로 답습하여 계승하고 있는 것일 것이다. 일견 불합리하게 보이지만 그다지 문제가 되지 않은 것 같아 지금도 그대로이다. 그리고 시세포에 집중하자.

<간체, 추체는 어느 쪽이나 매우 복잡하게 특수화한 모양을 하고 있다. 외절부분(外節)이라 불리는 곳에 깊이 들어있는 막구조(膜構造)가 있다. 간체의 경우는 원반상의 망막구조가 꽉차있다. 추체의 경우는 세포막 그 자체가 들어 있다. 이 부분의 막에 빛 센서의 분자가 묻혀있다. 들어간 곳에서 표면적을 얻어서 보다 많이 묻힐 수가 있는 셈이다.>

더구나 간체(桿體)의 간(桿)은 막대 같은 모양을 가리킨다. 비행기 등의 조종간(操縱桿)의 간(桿)이다. 한편 추체의 추(錐)는 송곳 같이 끝이 있다. 각각 모양 그대로의 명명이다.

그러면 각각의 기능에는 다름이 있는 것일까.

 

 궁극의 초고감도광(超高感度光) 센서

 

<먼저 감도가 다르다. 간체는 극히 고감도여서 박명(薄明)한 곳에서도 보인다. 박명시(薄明視)라고 한다. 광자 1개라도 반응하는 감도이다. 궁극의 고감도광센서이다.>

광자 1개! 이것은 놀라운 일이다. 뉴토리노진동을 발견한 <수퍼카미오칸데>도 우주에서 온 뉴토리노가 때때로 발생시키는 광자를 잡아서 관측하였다. 그 때의 센서는 직경이 50Cm나 되는 진공관 같은 것이었다.

 

===*수퍼카미오칸데(Super-Kamiokande)=기후현에 설치된 도쿄대학우주선연구소가 운용하는 세계 최대의 수체렌코프( Čerenkov ）우주소립자관측장치이다. 약해서 Super-K 라고하기도 한다.

===*체렌코프 효과 (Čerenkov효과)

체렌코프 효과, 바빌로프-체렌코프 효과 라고도 알려져 있다. 하전 입자가 매질에서의 빛의 위상속도보다 더 빠른 속도로 유전체 매질을 통과할 때 전자기파를 방출하는 효과다. 수중 원자로가 푸른빛을 내는 특성을 가진 이유는 이 효과를 통해 방출되는 전자기파 때문이다. 위키백과

===*중성미자 (neutrino)

중성미자 또는 '뉴트리노'는 약력과 중력에만 반응하는, 아주 작은 질량을 가진 기본입자,

전자뉴토리노, 뮤뉴토리노, 다우뉴토리노의 3종류 또는 각각 반입자를 합쳐서 6종류가 있다고 생각되고 있다. 위키페디아.==

 

지금은 손끝에서 작은 반도체 센서가 개발되었다고 듣고 있지만 우리들의 신체에는 더 소형으로 같은 정도의 감도의 센서가 이미 탑재되어 있는 셈이다.

아무튼 간체는 어두워도 기능하는 초감도이다. 그것이 중요한 점이다.

<한편 추체 쪽은 거기까지 감도가 좋지 않아서 어느 정도 밝은 곳에서 작용한다. 그러므로 간체와 추체가 있어서 밤의 별 빛의 밝음에서 대낮의 밝음까지 놀라운 넓이의 렌즈를 커버할 수 있는 셈이다.>

광자 1개 수준의 어둠에서 빛이 내려 쏟아지는 대낮까지! 그렇게 적다는 것이 역시 놀랍다.

그러나 우리들이 관심이 있는 것은 명암이 아니라 색깔이다. 그에 대해서는 어떨 것인가.

<색각에 관계하는 것은 밝은 곳에서 작용하는 추체 쪽이다. 예를 들면 인간에 대해서 말한다면 적, 록, 청에 반응하는 3종류의 추체가 있어서 그것들을 써서 색깔을 식별하고 있는 것이다.>

간체는 고감도로 박명한 곳에서 잘 작용한다.(박명시/薄明視)

추체는 감도는 그다지 좋지 않으나 밝은 곳에서 작용하고 (간체와 함께 넓은 다이나믹 렌지를 실현). 색깔을 식별하는 색각이다.

===*다이나믹 렌지(dynamic range）=식별 가능한 신호의 최소치와 최대치의 비율을 말함.=

이런 이해로 좋을 것인가.

특필할 것은 이러한 다름이 있지만 간체이거나 추체이거나 같은 구조의 단백질을 시물질(視物質)로 가지고 있다는 것이다.

혼란스러울지 몰라서 주석하면 시세포라 하면 간체와 추체를 말한다. 크게 보면 이것이 광센서라고 할 수 있다. 그러나 더 미세하게 보면 시세포 중에 특히 광(빛)에 반응하는 시물질이라는 것이 있어서 그 부분에서 광(빛)의 자극이 전기신호로 변환된다. 앞에서 가와무라 씨가 말한 끼어들어온 막 위에 꽉차있는 <광센서분자>라고 하는 것이 시물질이라는 것이다.

 

많은 생물에 공통하는 <사물이 보이는> 구조란

 

<시물질은 옵신이라고 부르는 단백질과 레티날이라고 부르는 색소의 조합으로 되어 있다. 이것은 생명의 역사 중에 빛(광)을 느끼는 구조로서 꽤 보편적인 것이다.>

망막→시세포(간체와 추체)→시물질로 점점 세세하게 보아와서 지금 시물질이 옵신(단백질)과 색소)레티날의 조합으로 되어 있다는 것을 알았다. 우리들의 시각의 기초가 되는 <빛(광)을 잡는>구조만은 이 단백질과 색소의 작용에 의한다.

그런데 단백질과 색소의 콤비는 어떻게 빛을 받아들이는가.

단백질 옵신 중에 색소 레티날이 끼어들어 있다.

레티날은 빛(광)을 받으면 재빨리 구조가 변하여 옵신이 그것을 자극하여 구조변화를 일으킨다. 이것이 방아쇠가 되어서 일련의 정보전달계가 활성화해서 최종적으로 시세포 전체가 <과분극(過分極)>한다. 곧 시세포가 흥분한 상태가 된다. 그것이 전기자극이 되어서 최종적으로 뇌로 가서 <빛이 왔다.>고 하는 것을 알게 되는 셈이다.>

빛(광)을 받는다→색소(레티날)가 구조변화→단백질 옵신이 구조변화→시세포(간체와 추체)가 흥분→신경전달→뇌가 <빛이 왔다.>고 안다.

이런 흐름이다.

실은 색소 레티날은 비타민A에서 합성되는 것으로 척추동물에서는 대체로 같은 것이 사용된다(비타민A의 약간의 종류의 다름은 있다.)

한편 단백질 옵신은 여러 가지 변형이 있다. 인간의 추체세포에 적, 록, 청에 대응하는 3종류가 있는 것은 시물질의 색소 레티날이 아니라 단백질 옵신의 다름에 따른다. 그러므로 이 앞은 추체에 쓰이는 옵신의 다름을 보는 것이 색각에 대하여 생각하는 요점이 되는 것이었다.

===*레티날 (Retinal)

레티날은 레티날데하이드 혹은 비타민 A 알데하이드라고도 한다. 종마다 다양한 형태의 비타민 A가 존재하는데, 레티날 역시 비타민 A의 한 형태이다. 레티날은 폴리엔 발색단으로, 옵신이라는 단백질에 결합하고 동물의 시각과 관련이 있다. 위키백과

 

* 출처 =natgeo.nikkeibp.co.jp>atcl>web

* 일본어 원문=色覚はなぜ、どのように進化してきたのか(第1回)

* 연구자==가와무라 쇼지(河村正二

1962년 나가사키현 출생. 도쿄대학 신흥과학대학원 첨단생명과학과 인문진화시스템학과 교수. 과학박사. 1986년 도쿄대학과학학부 졸업. 1991년 도쿄대학 인류학대학원에서 박사학위 취득. 전문연구 분야 척추동물 특히 물고기와 영장류. 특히 남미의 새로운 세계 원숭이에서 색상ID의 진화를 연구하고 있음.

* 기록자 가와바다 히로도(川端裕人)

1964년 효고현 아카시 출생. 지바현에서 성장. 작가. 최근저작은 첨단과학에 기초한 새로운 색각관을 전개한 『‘색깔의 신비’와 불가사의한 사회--2020년대의 색각원론』(치쿠마서방)