가위개미 외골격에서 발견된 생체무기물

단세포 미생물에서부터 인간에 이르기까지 생명체들은 체내에서 무기화합물을 합성하는 능력이 있다. 규조류(硅藻類)라 불리는 미생물은 규소(Si)를 이용하여 세포벽을 만들고, 산호와 조개류는 탄산칼슘(CaCO3)으로 견고(堅固)한 껍데기를 만들고, 척추동물은 골격과 치아를 합성하고 있다. 생명체가 체내에서 무기화합물을 생성하는 화학변화를 ‘생체무기물화’(biominelalization)라 하며, 이런 무기물은 대부분 외골격이나 내부 골격을 단단하게 하는 역할을 한다.

고등동물의 골격은 몸 안에 있으므로 내골격(內骨格)이라 하고, 곤충과 조개 및 게처럼 단단한 외피(外皮)가 뼈대 역할을 하는 것은 외골격(外骨格)이라 한다. 거북, 악어(안킬로사우루스 같은 공룡 포함)의 경우에는 내골격만 아니라 외골격에 해당하는 등딱지도 있다.

곤충류의 외골격은 키틴(chitin 카이틴)에 탄산칼슘이 포함되어 있어 더 단단하다. 키틴의 분자식은 (C8H13O5)n으로 나타내며, 사슴의 뿔, 새의 부리와 깃털, 머리카락과 손발톱의 성분이기도 하다. 사진은 단단한 외골격(키틴)으로 무장한 잠자리의 애벌레이다. 곤충의 몸을 감싸는 외골격은 단단하기 때문에 몸이 더 이상 자랄 수 없다. 그러므로 그들은 외골격을 버리고 탈피(脫皮)하는 방법으로 생장한다.

곰팡이 농사를 하는 가위개미

개미학자들은 지구상에 약 22,000종의 개미가 살고 있을 것이라고 생각하는데, 지금까지 알려진 종류는 약 12,500종이다. 매우 작은 것을 나타내는 형용사의 하나가 ‘개미’인 것은 그들의 크기가 0.75-50mm 정도로 작기 때문이다. 곤충 가운데 개미 종류만큼 흥미로운 생태가 많이 알려진 곤충은 없을 것이다.

인류가 일정한 장소에 정착(定着)하여 농사를 시작한 시기는 약 12,000년 전으로 추정되고 있다. 그런데 가위개미들은 15,000,000년 전부터 곰팡이를 재배해왔다. 가위개미 무리는 지금까지 47종이 알려져 있다. 그들은 멕시코와 중남미 열대지방에 주로 산다.

가위개미는 날카로운 톱니가 있는 가위처럼 생긴 주둥이(턱 mandible)로 자기 체중보다 20배 나 무거운 잎(꽃도 포함)을 잘라내어, 그것을 땅속에 마련한 집으로 운반하여 가득 쌓아둔다. 그러면 그 잎에 곰팡이가 버섯의 팡이실처럼 가득 자라게 된다. 가위개미는 솜털처럼 부드러운 이 곰팡이를 식량으로 하여 새끼개미를 키운다. 어른개미는 나뭇잎도 곰팡이도 모두 먹는다.

가위개미 종류는 Atta와 Acromyrmex 두 무리로 나뉘는데, 사진의 ‘아타’류는 외골격이 부드러운 편이고, ‘아크로미르멕스’류는 마치 갑옷처럼 단단하다.

위스콘신 대학의 진화생물학자 리(Hongjie Li)와 동료 큐리(Cameron Currie)는 20년 이상 가위개미의 생태를 연구해왔다. 최근 그들은 Acromyrmex echinatior라는 학명을 가진 가위개미의 외골격을 화학적으로 분석하고 X선으로 조사한 결과 새로운 사실을 발견하고, 그 내용을 2020년 11월 24일에 발행된 학술지 <Nature Communications>에 소개했다. (논문제목 : H. Li et al. Biomineral armor in leaf-cutter ants. Nature Communications. Published online November 24, 2020. doi: 10.1038/s41467-020-19566-3.)

아타 가위개미의 턱(입) 모습이다.

아크로미르멕스의 머리 크기는 1.2mm 정도이다.

그들은 아크로미르멕스의 외골격에서 탄산칼슘과 마그네슘이 결합한 CaMg(CO3)2로 나타내는 새로운 ‘생체무기물’을 발견한 것이다. 이 물질은 탄산칼슘만으로 된 외골격보다 강도가 적어도 2배 강했다. 아크로미르멕스의 외골격에서 처음으로 새로운 생체무기물을 발견한 연구자들은 다른 종류의 가위개미도 이 물질을 함유하고 있는지 조사하기 시작했다.

‘아크로미르멕스’라는 학명을 가진 이 가위개미는 몸 전체가 탄산칼슘과 마그네슘이 결합한 물질로 구성되어 있다. 외골격이 유난히 튼튼한 이 개미는 다른 적(‘아타류 개미 중에 체격이 훨씬 큰 병정개미)과 싸우더라도 무사할 정도이다.

진화학자들은 곤충의 몸을 보호하는 외골격으로부터 게, 새우 등의 외골격이 진화되었을 것이라고 생각한다. – YS