얼어붙은 연못 속의 붕어는 어떻게 숨을 쉴까
겨울이 되면 호수가 완전히 얼어붙는 경우가 있다. 이러한 얼음 아래서 물고기가 살아 남아 다시 봄이 오면 알을 낳고 생명을 이어간다. 물은 영상 4도에서 가장 밀도가 높고 얼음은 호수의 표면에서 시작한다. 호수의 바닥은 좀처럼 얼지 않기 때문에 물고기가 얼어붙은 호수 속에서 살아 남을 수 있다. 하지만 이 물고기들은 어떻게 숨을 쉴까? 물 속의 물고기들은 물 속에 녹아 있는 산소을 아가미를 통하여 받아 들여 호흡을 한다. 물의 포화 용존 산소량은 20도의 온도에서 9 ppm 정도이고 4도에서는 13 ppm정도이다. [1] 수온에서 낮은 경우 더 많은 산소가 녹아 있고 물고기의 먹이 반응이나 활동력은 감소해 산소 요구량은 높지 않을 것이므로 흐르는 물이나 얼지 않은 부분이 있는 호수라면 수표면으로 녹아 들어가는 산소가 물 속의 물고기의 생존에 충분할 수도 있다. 하지만 작은 호수 전체가 표면이 완전히 얼어 공기에서의 산속 공급이 중단되면 어떻게 될까? 이런 상황에서도 붕어나 잉어는 겨울을 넘기고 잘 살아 남는다. 최근에 붕어와 잉어의 저 산소 상황에서 생존에 대한 새로운 사실이 밝혀졌다. 그것은 붕어나 잉어는 일반적인 동물이 가지고 있는 호흡 기전 외에 ethanol producing pyruvate decarboxylase pathway 라는 호흡 기전이 하나 더 있다는 것이다. [2] 우리는 흔히 유산소 운동/ 무산소 운동이라는 용어를 사용한다. 운동의 위한 에너지를 생성할 때 충분한 산소가 공급되면 유산소 운동이고 산소가 충분하지 않아 산소를 사용하지 않는 경로가 같이 사용되면 무산소 운동이라고 한다. Pyruvate 가 미토콘드리아 내로 들어가 Acetyl CoA 로 분해되고 이 것이 TCA cycle 을 도는 것이 일반적인 에너지 생산과정이다. 산소가 부족한 상황에서는 pyruvate 가 lactate dehydrogenase 에 의하여 lactate 가 되면서 에너지를 만든다. 여기까지는 우리의 근육에서도 일어나는 유산소, 무산소 에너지 생산과정이다. 산소가 부족해서 젖산이 축적되면 세포는 더 이상 일을 할 수 없고 에너지를 생성할 수 없다. 잉어나 붕어에서 발견된 새로운 호흡 기전은 극단적인 저 산소 상황에서 pyruvate를 산소 없이 알코올로 변환하여 에너지를 얻을 수 있다.[2][3] 이러한 알코올 대사는 효모가 포도당을 발효하여 포도주를 만드는 과정과 유사하다. 붕어와 잉어는 이러한 무산소 대응 기전을 통하여 4-5개월을 산소 없이도 생존할 수 있다고 한다. [4]
오슬로와 리버풀의 연구자들은 산소가 없는 물탱크에 잉어를 넣고 실험을 하여 이러한 대사 과정을 밝히고 유전자 진화를 설명하였다. 이 실험 중 잉어의 혈중알코올 농도는 50ml/100ml 였다고 한다. 이 정도의 알코올 농도는 사람이라면 의식을 잃고 자동차 운전면허가 취소될 수도 있다고 하니 겨울철 잉어나 붕어의 몸에는 정말 많은 양의 알코올이 존재하는 것이다. [6]
물이 다 말라버린 연못이나 저수지에 다시 물이 들어가면 성체 크기의 붕어가 바로 잡히는 경우가 있는데 이 경우도 극한의 저산소증을 몇 달에 걸쳐 견디는 붕어의 능력을 생각하면 저수지 바닥의 뻘 속에서 생존하는 것도 가능한 일로 보인다.
붕어와 잉어는 이러한 특수한 대사 과정을 whole-genome duplication 이라는 독특한 유전자 변이 과정을 통하여 획득한 것으로 보인다. pyruvate dehydrogenase 효소 복합체 전체가 복제되어 pyruvate decarboxylase 로 진화하였고 원본 유전자는 본연의 기능을 유지하고 있었다고 연구진은 밝혔다. [5]
흔히 접하는 잉어와 붕어에 이러한 신비로운 현상이 존재하는 것이 참 흥미롭다. 사실 이러한 특별한 기능이 있기에 척박한 자연환경에서 성공적으로 살아남아 우리 곁에 흔히 보이는 것이겠지만.
1. 수중의 용존산소 포화량 - 환경부고시제2017-4호 「수질오염공정시험기준」2017년 1월 11일
2. Shoubridge, E. A. & Hochachka, P. W. Ethanol: novel end product of vertebrate anaerobic metabolism. Science 209, 308–309 (1980).
3. Johnston, I. A. & Bernard, L. M. Utilization of the ethanol pathway in carp following exposure to anoxia. J Exp Biol 104, 73–78 (1983).
4. Nilsson, G. E. & Renshaw, G. M. C. Hypoxic survival strategies in two fishes: extreme anoxia tolerance in the North European crucian carp and natural hypoxic preconditioning in a coral-reef shark. J Exp Biol 207, 3131–3139 (2004).
5. Cathrine E. Fagernes , Kåre-Olav Stensløkken, Åsmund K. Røhr, Michael Berenbrink, Stian Ellefsen & Göran E. Nilsson. Extreme anoxia tolerance in crucian carp and goldfish through neofunctionalization of duplicated genes creating a new ethanol-producing pyruvate decarboxylase pathway. Scientific Reports. 2017 | 7: 7884 | DOI:10.1038/s41598-017-07385-4
6. https://www.smithsonianmag.com/smart-news/now-we-know-how-goldfish-produce-alcohol-180964502/ How Do Goldfish Survive Winter? They Make Alcohol. Jason Daley
그림1. Cathrine E. Fagernes , Kåre-Olav Stensløkken, Åsmund K. Røhr, Michael Berenbrink, Stian Ellefsen & Göran E. Nilsson. Extreme anoxia tolerance in crucian carp and goldfish through neofunctionalization of duplicated genes creating a new ethanol-producing pyruvate decarboxylase pathway. Scientific Reports. 2017 | 7: 7884 | DOI:10.1038/s41598-017-07385-4