신진대사 비교: 인간 “강한 뇌, 약한 근육” 다시 확인

독일·중국 연구팀, 인간과 침팬지 등 4종의 대사체군 비교

뇌와 근육에서 큰 차이…“전두엽 발달 위해 근육 약화했나?”

‘신진대사의 진화’ 연구란 동물 종들의 서로 다른 대사를 비교 분석해 동물 진화를 연구입니다.

대사체(metabolite)는 세포나 조직, 생체 안의 대사 과정에 생기거나 거기에 관여하는 작디작은 분자를 통틀어 말하는데요, 포도당・아미노산・핵산・화합물 운반체・신경전달물질을 비롯해 다양한 소분자들입니다.

당연히 동물 종마다, 신체 기관마다 에너지를 만들고 소모하는 방식이 달라요.

생물이 생명 활동을 하는 데에는 필요한 에너지는 환경에서 얻는데, 

식물은 광합성을 통해 태양의 빛 에너지를 화학 에너지로 바꾸고 당과 그밖에 식물체를 구성하는 화합물을 직접 만들어냅니다.

반면 동물은 근본적으로 생명 유지에 필요한 물질을 합성할 수 없으므로 

식물이나 다른 동물이 지닌 고분자 유기화합물을 섭식하고 분해해 여기에서 생성되는 에너지로 생명 활동을 유지하죠.

생물의 체내에서 일어나는 이런 유기화합물의 모든 화학반응과 이에 수반되는 에너지 변환을 물질대사라 합니다.

☞ 대사(metabolism, 물질대사, 신진대사)

몇몇 포유류 동물의 특정 생체조직에 있는 대사체군(metabolome, 대사체 총칭)을 비교·분석해보니, 

인간은 다른 동물들에 비해 뇌의 전두엽피질과 골격근육에서 매우 큰 신진대사의 차이를 지닌 것으로 나타났어요.

 

인간은 진화 과정에서 600만 년 동안신진대사 방식에서 다른 동물 종들과 매우 다른 전략을 발전시켜 왔고 그 변화의 속도는 "이례적일" 정도로 빨랐다는 것입니다. 또한 인간의 거대한 뇌 진화는 영양이 풍부한 식생활에 대한 적응일 뿐 아니라 생체조직 간 에너지 분배의 변모와도 관련된다는 것입니다.

 

대사체 농도의 변화는 조직과 세포의 생리적 상태 변화와 밀접하게 관련됩니다. 인간에 특정된 몇 가지 생리학적 특징은 신진대사의 적응 과정이 존재할 가능성을 보여줍니다. 예컨대 [체질량은 2퍼센트를 차지할 뿐이지만] 몸 전체 에너지의 20퍼센트를 소모하는 인간의 거대한 뇌 진화는 영양이 풍부한 식생활에 대한 적응뿐 아니라 생체조직 간 에너지 분배의 변화와 관련됨을 보여주는 거죠.

 

'신진대사 진화의 이례적 가속현상'

포유류 동물 종 간의 대사물질의 분기(갈라짐)가 

종 간의 유전체(게놈) 차이를 보여주는 유전학적 거리와 비슷하게 나타나는 '규칙적'인 경향이 있는데,

인간은 전두엽피질과 골격근육의 대사체군(metabolome)이 각각 4배, 7배나 더 큰 분기를 겪어왔습니다.

 

» 인간 진화와 머리뼈의 변화. 1.고릴라, 2.오스트랄로피테쿠스, 3.호모 에렉투스, 4.네안데르탈인, 5.슈타인하임 두개골, 6.호모 사피엔스. 출처/ Wikimedia Commons

 

이런 결과는 “대사 진화의 이례적 가속 현상”이라고 요약할 수 있어요. 

유전체 차원의 진화와 대사체군 차원의 진화는 인간 전두엽피질과 골격근육에 관한 한 매우 큰 속도 차이를 보여준다는 것이죠.

우선 인간의 뇌 발달을 비교하기 위해 인간, 침팬지, 일본원숭이의 뇌에서 21가지와 118가지 대사체를 측정하였는데, 동물종 간에 폭넓은 대사체 농도 차이를 보여주었어요.

그리고 인간의 근력을 비교하기 위해서 침팬지, 원숭이와 사람 간의 힘겨루기 실험을 여러 차례 벌였는데, 모든 실험에서 침팬지와 원숭이는 청년이나 운동선수들보다 강한 근력을 보여주는 것으로 나타났어요. 인간 골격근육 대사체군 변화가 매우 약한 근력을 초래했음을 보여주는 것이죠.

 

‘뇌의 강화, 근육의 약화’ 왜?

인간 진화 과정에서 이런 대사 진화의 특징은 왜 나타났을까요?

첫 번째 가설은 인간 몸이 두뇌, 특히 전두엽피질을 크게 발달시키다보니 

거기에 소모되는 큰 에너지를 제공하다보니 근육의 대사에도 변화가 일어나고 근력의 약화가 초래됐을 것이라는 설명입니다.

그에 대한 반론은 인간이 일찍이 달리기와 오래 걷기에서 뛰어난 능력을 갖췄는데 

이런 능력 덕분에 더 많은 음식을 구할 수 있었고 그래서 더 큰 뇌를 갖출 수 있었을 것이라는 설명입니다.

 

요약하자면, 대사체-생명활동에 사용되는 물질-들이 몸 속 기관에 따라 많이 분포하는 것이 동물 종 특성을 결정지을 수 있으며, 

동물들은 유전적으로 모든 신체 부위가 균등하게 진화함에 비해 

인간은 대뇌피질이 빠르게 발달하고 골격근육은 빠르게 약화되었다는 것입니다.

그 원인은 환경의 요인이 아니고 진화의 결과라는 것이죠. 

그 것은 인간이 뇌가 발달하면서 뇌에 쓰일 대사체들을 골격근육에서 보충했거나, 

인간이 걷기 능력을 가지게 되어 뇌가 자연히 발달하게 되었다는 두 가지 학설이 있습니다.

 

한겨레 과학웹진 사이언스온을 요약 간추렸습니다.