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물 속에서 오래 숨을 참는 악어의 비밀



 (A Nile crocodile swallows an impala, its reward for lying in wait beneath the water's surface. By resurrecting the hemoglobin of ancient crocodilian ancestors, a Husker-led team has helped explain why other vertebrates failed to evolve the adaptations that allow crocs to go hours without air. Credit: Shutterstock / Current Biology / Scott Schrage | University Communication and Marketing)

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(An evolutionary tree featuring the last common ancestor of all crocodilians and birds (AncArchosaur), from which branched the last shared ancestor of modern birds (AncNeornithes) and crocodilians (AncCroc), respectively. Credit: Current Biology (2022). DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.049)

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악어는 수억 년 동안 가장 성공적인 반수생 최상위 포식자로 자리를 지켰습니다. 악어의 성공 비결은 물속에서 숨을 오래 참을 수 있는 능력입니다. 파충류의 느린 대사 속도와 낮은 산소 소모량을 감안해도 악어의 1시간 이상 숨을 참을 수 있는 악어의 능력은 매우 뛰어난 편입니다. 과학자들은 그 비결 중 하나가 악어의 고효율 헤모글로빈 덕분이라는 사실을 발견했습니다.

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네브라스카-링컨 대학의 제이 스토즈(University of Nebraska–Lincoln's Jay Storz)와 그 동료들은 악어의 헤모글로빈이 어떤 과정을 거쳐 현재처럼 효율이 높아졌는지를 연구했습니다. 연구팀에 따르면 이 과정은 크게 두 번의 독립적인 진화를 통해 이뤄졌습니다.

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악어류와 새, 공룡의 공통 조상인 지배 파충류 (archosaur)에서 악어류와 공룡/새가 분리된 것은 2억 4천만 년 전입니다. 그리고 현생 악어류의 직접 조상이 나타난 것은 적어도 8천만 년 전입니다. 연구팀에 따르면 이 시기 사이 인 화합물인 ATP에 대한 헤모글로빈의 민감도는 떨어진 반면 탄산 (HCO3-) 민감도는 올라갔습니다.

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악어를 제외한 대부분의 척추동물에서 헤모글로빈은 인 화합물에 의한 도움을 받지만, 악어류는 탄산의 도움을 받아 헤모글로빈에서 산소를 분리합니다. 장시간 물속에서 숨을 참는 경우 조직에 많은 양의 이산화탄소가 축적되면서 탄산의 비율이 올라가기 때문에 헤모글로빈과 결합한 산소는 대부분 분리되어 매우 높은 산소 전달 효율을 지닐 수 있습니다.

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사실 악어 같은 파충류의 심폐 기능은 포유류나 조류 보다 낮은 편입니다. 하지만 낮은 대사율과 헤모글로빈의 높은 효율성 덕분에 이런 불리함을 극복하고 더 오래 숨을 참을 수 있습니다. 덕분에 수억 년 동안 물속에서 습격하는 최상위 포식자의 자리를 지킨 셈입니다. 진화 계통도에서 더 원시적인 동물이라고 해도 생존에 최적화된 능력은 결코 원시적이 아니라는 점을 보여주는 사례입니다.

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참고

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https://phys.org/news/2023-01-mystery-crocodilian-hemoglobin.html

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Chandrasekhar Natarajan et al, Evolution and molecular basis of a novel allosteric property of crocodilian hemoglobin, Current Biology (2022). DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.049

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