위와 같은 풍경을 본 적이 있는가? 언뜻 보면 바다 위에 흩뿌려진 푸른색 전구들, 조금의 과장을 보태자면 모래사장을 덮어가는 별들의 은하수처럼 보이기도 한다. 놀랍게도, 이 이미지는 합성이 아닐뿐더러, 실제로 바닷가에서 관찰되는 장면이다. 이런 장관의 주역들은 미세조류(microalgaes)로, 바다 속 그들이 방출하는 푸른색의 빛들은 하나하나의 별들이 된다.
지구상의 많은 생물들은 이들과 유사하게 체내로부터 빛을 만들어낼 수 있다. 꼬리 부분에 앙증맞은 빛을 달고 날아다니는 반딧불이가 그 대표적인 예이다. 그리고 그 중에서도, 특히나 해양생물들 중 약 75%가 이런 능력을 가지고 있다고 알려져 있다. 이들이 빛을 낼 수 있는 기작은 과연 어떻게 될까? 여기에는 생체발광(bioluminescence)과 생체형광(biofluorescence)이라는 비슷하고도 상이한 두 방식이 존재한다.
빛을 직접 만들어내다, 생체발광
생체발광은 체내에서 루시페레이스(luciferase)라는 효소에 의한 루시페린(luciferin)이라는 물질의 산화로써 이루어진다. 루시페린은 위의 미세조류와 같은 발광세균들로부터 추출되는 내열성 저분자로, 생체 내 발광반응에서의 발광성 물질을 통틀어 이르는 말이다. 따라서 종에 따라 그 구조는 서로 다르게 나타나며, 생체발광을 하는 생물이 수많은 만큼 루시페레이스와 루시페린 역시 수많은 종류가 존재한다. 그리고 그 매커니즘 또한 생물마다 다르게 나타나며, 일부는 규명되지 않았다. 마그네슘이나 코발트와 같이 일부 2가 양이온이 필요한 반응이 있다고도 알려져 있으나, 생체에서 그 화학적 반응식은 일반적으로 아래와 같다.
LH2 + ATP -> LH2-AMP + 2H3PO4
LH2-AMP + 1/2 O2 -> L-AMP* + H2O
L-AMP* -> L + AMP + photon
이때의 발광색은 보통 전부 사람의 가시광선 범위 내에 포함되며, 자외선과 적외선의 발생은 찾아보기 힘들다. 또한 이때 발생하는 빛들은 보통 열의 발생을 수반하지 않으며, 이에 따라 그 발광효율은 거의 100%에 가깝다. 따라서 과학자들은 이때의 반응을 분석하여 그 효율이 높은 광원을 찾고자 하고 있다.
빛을 흡수하여 다른 색으로 바꾸어내다, 생체형광
앞서 설명하였던 생체발광은 체내 화학반응을 통해 빛을 직접 만들어내지만, 생체형광 생물들은 빛을 받아 새로운 색의, 정확히 말하자면 새로운 파장을 가지는 빛을 만들어낸다.
위의 사진은 2015년 발견된 최초의 생체형광 파충류인 생체형광 거북이의 모습을 보여준다. 형광분자들은 바다 속 빛을 흡수하여 그 에너지의 일부를 이용해 주로 초록과 노랑 계열의 색들로 변화시킨다. 연구자에 따르면, 바다는 푸른색을 제외한 거의 모든 색들을 흡수시킨다. 따라서 이 생물들은 푸른색 빛을 흡수하여 다른 빛으로 변화시키는 방식을 통해 그들의 색을 변화시킨다. 그리고 생체발광 생물들은 자기 스스로 빛을 낼 수 있는 반면, 생체 형광 생물들은 빛을 흡수해야하기 때문에 이 현상을 관찰하기 위해서는 빛을 비춰주어야 한다. 이 외에도, 해파리들이나 산호초, 가오리, 버섯 등이 이런 방식을 택하여 빛을 낸다.
위의 이미지에서 볼 수 있듯이, 생체발광과 생체 형광의 목적은 크게 공격, 방어, 그리고 인식으로 나뉜다. 오른쪽의 예시들로부터 볼 수 있듯이, 작은 박테리아들로부터 고래나 상어에 이르는 최종 포식자들까지 바다에서는 생체발광과 생체형광을 효과적으로 이용한다.
생체발광과 생체형광은 위로부터 볼 수 있듯이 수많은 생물들이 수많은 목적을 가지고 이용한다. 그리고 이들의 뛰어난 발광 효율 덕분에 차후의 전력 공급원으로 관심을 받고 있으며, 적조나 녹조 현상 등 해조류 번성(algae bloom)으로부터 쉽게 채취가 가능하다. 그렇기에 굉장히 많은 연구가 이루어지고 있으며, 많은 정보가 알려져 있다. 추가적으로 관심이 있는 사람들은 아래 링크로 들어가기를 추천한다. https://biolum.eemb.ucsb.edu/
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ⓒ 2018학년도 2학기 바라던Bio
<작성자> 18-007 권이태
<분야> 생화학, 동물행동학
<이미지>
2. http://www.abovetopsecret.com/forum/thread826572/pg1
3. https://biolum.eemb.ucsb.edu/
4. http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20150930601030
5. https://biolum.eemb.ucsb.edu/
6. https://biolum.eemb.ucsb.edu/
<참고 문헌>
1.Science on NBC NEWS, Bioluminescence lights up creatures of the oceans http://www.nbcnews.com/id/37093310/ns/technology_and_science-science/t/bioluminescence-lights-creatures-oceans/#.W9MEPWbCr_s
2. BBC earth, Ella Davies, The organisms that glow brighter than any other http://www.bbc.com/earth/story/20160526-the-organisms-that-glow-brighter-than-any-other
3. https://biolum.eemb.ucsb.edu/
4. https://cafe.naver.com/bada79/5521
5. https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=425402&cid=60261&categoryId=60261
6. https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=606544&cid=42420&categoryId=42420