자연현상에서 발견되는 프랙털 (fractal) 구조는 자기 유사성 (self-similarity)의 반복된 형태로, 생명체의 발생과 기관 형성에서도 자주 관찰된다. 특히, 수많은 종류의 암모나이트에서 관찰되는 봉합선 (suture)의 복잡, 다양한 형태는 프랙털 생성에 대한 생물학적인 이해를 위한 좋은 연구소재이다. 본 연구에서는 희귀하게 초기 발생단계의 봉합선 구조가 매우 잘 보전된 Eogaudryceras sp.를 대상으로 봉합선 형성의 과정을 분석하고자 하였으며, 일반적으로 구하기 힘든 부위인 나선 (spiral) 중심부 1mm 이내의 현미경적인 관찰을 실시하였다. 아직 봉합선의 프랙털 구조 생성에 대한 생물학적인 기전은 아직 불분명한 상태이나, 본 연구를 통하여 암모나이트 발생초기에 프랙털 구조의 복잡성이 단계별로 분명한 차이가 있음을 발견하였다. 이러한 결과는 하나의 생명체 내에서 "Evo-Devo"의 여러 발생단계의 변화를 동시에 보여줄 수 있는 좋은 예시로서, 향후 프랙털 구조의 생물학적인 기전 연구 및 관련되는 다양한 융합학문에서의 접목과 활용이 기대된다.
자연현상에서 발견되는 프랙털 (fractal) 구조는 자기 유사성 (self-similarity)의 반복된 형태로, 생명체의 발생과 기관 형성에서도 자주 관찰된다. 특히, 수많은 종류의 암모나이트에서 관찰되는 봉합선 (suture)의 복잡, 다양한 형태는 프랙털 생성에 대한 생물학적인 이해를 위한 좋은 연구소재이다. 본 연구에서는 희귀하게 초기 발생단계의 봉합선 구조가 매우 잘 보전된 Eogaudryceras sp.를 대상으로 봉합선 형성의 과정을 분석하고자 하였으며, 일반적으로 구하기 힘든 부위인 나선 (spiral) 중심부 1mm 이내의 현미경적인 관찰을 실시하였다. 아직 봉합선의 프랙털 구조 생성에 대한 생물학적인 기전은 아직 불분명한 상태이나, 본 연구를 통하여 암모나이트 발생초기에 프랙털 구조의 복잡성이 단계별로 분명한 차이가 있음을 발견하였다. 이러한 결과는 하나의 생명체 내에서 "Evo-Devo"의 여러 발생단계의 변화를 동시에 보여줄 수 있는 좋은 예시로서, 향후 프랙털 구조의 생물학적인 기전 연구 및 관련되는 다양한 융합학문에서의 접목과 활용이 기대된다.
Fractal patterns are visible regularities of form found in the natural world. The mathematics of fractals can explain spiral growth patterns of self-similarity in organisms. For example, ammonites have complex but regular patterns of suture lines, resulting in a fractal-like display. In this study, ...
Fractal patterns are visible regularities of form found in the natural world. The mathematics of fractals can explain spiral growth patterns of self-similarity in organisms. For example, ammonites have complex but regular patterns of suture lines, resulting in a fractal-like display. In this study, a small region (less than 1mm diameter) of the spiral center of a rarely well preserved ammonite (Eogaudryceras sp.) was examined under microscope. Interestingly, we found a differential change of suture shapes at early stages of animal development providing a model for the study of Evo-devo (evoutionary developmental biology). Evo-devo is a convergence science born out of the recognition of complexity from interactions between generative and adaptive forces.
Fractal patterns are visible regularities of form found in the natural world. The mathematics of fractals can explain spiral growth patterns of self-similarity in organisms. For example, ammonites have complex but regular patterns of suture lines, resulting in a fractal-like display. In this study, a small region (less than 1mm diameter) of the spiral center of a rarely well preserved ammonite (Eogaudryceras sp.) was examined under microscope. Interestingly, we found a differential change of suture shapes at early stages of animal development providing a model for the study of Evo-devo (evoutionary developmental biology). Evo-devo is a convergence science born out of the recognition of complexity from interactions between generative and adaptive forces.
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문제 정의
대표적인 프랙털 구조를 가지는 암모나이트 봉합선의 생성에 관련한 생물학적인 기전연구를 위하여, 진화의 각 단계별로 다양한 종류의 암모나이트 (Nautiloids, Goniatites, Ceratites, Ammonites)를 비교분석 하고자하였다. 희귀하게 잘 보존된 암모나이트 (Eogaudrycerassp.
본 연구자는 지난 10여년 이상 수 백종의 다양한 암모나이트를 확보하였으며, 본 연구에서는 진화적 단계에서 가장 대표적인 분류군인 Nautiloids, Goniatites, Ceratites, Ammonites 중에서도 가장 일반적인 샘플의 봉합선 형태를 비교하였다. 특히, 현미경적인 미세분석에 사용한 암모나이트는 아주 보존이 잘된 희귀한 경우로, 형태적 기준 및 발굴지역 (Madagascar)을 기초로 Eogaudryceras sp.
대표적인 프랙털 구조를 가지는 암모나이트 봉합선의 생성에 관련한 생물학적인 기전연구를 위하여, 진화의 각 단계별로 다양한 종류의 암모나이트 (Nautiloids, Goniatites, Ceratites, Ammonites)를 비교분석 하고자하였다. 희귀하게 잘 보존된 암모나이트 (Eogaudrycerassp.)를 대상으로 현미경적인 미세관찰을 통하여, 발생 초기단계부터의 봉합선의 생성 및 복잡한 형태의 프랙털 구조의 생성과정을 관찰하고자 하였다. 특히, 복잡한 봉합선의 형태는 암모나이트의 분류에서 중요한 지표로 이용되고 있다 [6].
제안 방법
발생초기의 미세구조의 경우에는, 암모나이트 나선의 제일 중심부를 기준으로 첫 번째, 두 번째 회전에 위치하는 발생초기의 봉합선의 형태는 직선상으로 아직 복잡한 수지상 구조가 없었다. 따라서, 처음으로 봉합선의 형태 변화가 일어나는 영역(region 1)을 시작으로, 순차적으로 형태 변화의 구분이 분명해지는 대표적인 영역 (region 2, region 3)들로 나누어 비교분석하였다. 프랙털 구조의 봉합선이 분명한 성체에 해당하는 부분을 “region 4” 로 설정하였다.
보존상태가 매우 양호한 희귀한 암모나이트(Eogaudryceras sp.)를 대상으로 현미경적인 미세관찰을 시도하였다. 일반적인 암모나이트의 경우는 대부분 중심 부분이 파손된 경우가 많으며, 파손되지 않았더라도 암석화 상태에서 미세부분을 손상 없이 노출시키는 일이 쉽지 않다.
복잡한 구조의 봉합선의 세밀한 관찰을 위하여, 확대된 사진을 바탕으로 구분이 선명한 하나의 봉합선을 따라가면서 선을 이어서, 각 암모나이트의 가장 대표적인 봉합선 이미지를 분리하였다. 발생초기의 미세구조의 경우에는, 암모나이트 나선의 제일 중심부를 기준으로 첫 번째, 두 번째 회전에 위치하는 발생초기의 봉합선의 형태는 직선상으로 아직 복잡한 수지상 구조가 없었다.
현미경은 Leica, DFC450C 기종을 사용하였으며, 형태가 매우 잘 보존된 Eogaudryceras sp.의 나선 (spiral) 중심부 직경 1mm 내의 미세부분을 중점적으로 관찰하였다. 본 연구의 현미경 미세분석에 사용한 암모나이트는 예외적으로 매우 잘 보존되어 있었으며, 특히, 중심 부분이 작은 유리창 모양으로 투명하여 광학현미경 하에서 내부의 미세한 구조의 관찰이 가능하였다.
진화적 단계 및 형태학적 변화에서 가장 초기단계인 Nautiloids를 시작으로, Goniatites, Ceratites, Ammonites 중에서 가장 대표적인 하나씩의 샘플을 대상으로 봉합선의 형태를 비교하였다 [Fig. 1]. Nautiloid의 봉합선은 거의 직선형으로 가장 단순한 형태였으며, Goniatite, Ceratite 등의 진화과정을 거치면서 점진적으로 복잡하게 변화하면서, Ammonite에서 가장 복잡한 형태의 전형적인 프랙털 구조의 봉합선이 관찰되었다.
진화적으로 가장 최근에 해당하는 Ammonite류에서 가장 복잡한 형태의 봉합선이 관찰되었으며, 하나의 봉합선을 대상으로 이미지를 추출해 보았다. Fig.
처음으로 봉합선의 형태 변화가 일어나는 영역을 “region 1”으로 표시하였으며, 순차적으로 봉합선의 형태 변화의 구분이 분명해지는 영역을 “region 2”, “region 3”로 표시하여 성체에 해당하는 부분 “region 4”와 비교분석 하였다.
손상이 없는 암모나이트의 경우는 나선의 중심부가 발생초기 형태의 흔적으로 그대로 남아 있게 된다. 현미경의 광도를 조절함으로써, 중심부 나선들에서의 봉합선의 형태를 세밀하게 관찰하였다. 나선의 제일 중심부를 기준으로 첫 번째, 두 번째 회전에 위치하는 봉합선의 형태는 직선상으로 아직 복잡한 수지상 구조를 관찰할 수가 없었다 [Fig.
성능/효과
1]. Nautiloid의 봉합선은 거의 직선형으로 가장 단순한 형태였으며, Goniatite, Ceratite 등의 진화과정을 거치면서 점진적으로 복잡하게 변화하면서, Ammonite에서 가장 복잡한 형태의 전형적인 프랙털 구조의 봉합선이 관찰되었다.
그동안 복잡한 봉합선의 프랙털 구조가 언제부터 시작하는지 분명하지 않았으나, 본 연구를 통하여 봉합선의 형태변화는 발생초기의 일정시기부터 시작되며, 점진적으로 구조의 복잡성이 진행됨을 관찰하였다. 이는 매우 중요한 발견으로서, 하나의 동물 개체 내에서 일어나는 발생과정상의 봉합선의 형태변화가, 진화과정의 각 단계에 위치해있는 각기 다른 여러 종류의 암모나이트에서 관찰되는 봉합선의 형태변화와 매우 유사하다는 점이다 [Fig.
본 연구를 통해서 얻은 결과에 따르면, 암모나이트의 발생초기의 일정한 단계들에서 봉합선의 형태변화가 급격하게 일어나며, 이러한 봉합선의 모양 및 프랙털 구조의 복잡성의 변화는 발생 시기별로 순차적으로 서로 연관성이 있어 보인다. 따라서, 이러한 결과들로부터 “Evo-Devo”의 관점에서 간단하면서도 흥미로운 예시로 제시할 수 있다.
의 나선 (spiral) 중심부 직경 1mm 내의 미세부분을 중점적으로 관찰하였다. 본 연구의 현미경 미세분석에 사용한 암모나이트는 예외적으로 매우 잘 보존되어 있었으며, 특히, 중심 부분이 작은 유리창 모양으로 투명하여 광학현미경 하에서 내부의 미세한 구조의 관찰이 가능하였다.
후속연구
특히, 복잡한 봉합선의 형태는 암모나이트의 분류에서 중요한 지표로 이용되고 있다 [6]. 따라서, 본 연구를 통해 얻어지는 발생 초기에서의 봉합선 형태형성에 대한 새로운 정보는 프랙털 구조생성에 대한 생물학적인 분자기전 연구의 좋은 실마리가 될 것이다.
최근 대규모 유전체 분석기술의 발달로 인하여, 다양한 생물종을 대상으로 비교유전체학적 연구가 진행되고 있으며, 두족류의 진화를 포함한 생명현상에 대한 새로운 정보들이 속속 밝혀지고 있다 [13]. 앞으로 이러한 노력들과 함께 프랙털 생성과정에 대한 생물학적인, 그리고 유전자 수준에서의 이해가 가능할 것이며, 향후 프랙털 현상과 관련되는 다양한 융합학문의 접목과 활용이 기대된다 [14,15,16,17,18,19,20].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프랙털 구조는 무엇인가?
프랙털 (fractal)은 일부 작은 조각이 전체와 비슷한 기하학적 형태를 말한다. 이런 특징을 자기 유사성(self-similarity)이라고 하며, 자기 유사성을 갖는 기하학적 구조를 프랙털 구조라고 한다. 조각났다는 뜻의 라틴어 형용사 ‘fractus’이다.
복잡한 프랙털 구조의 생성에 대한 생물학적인 기전에 대해 Scientific Reports는 어떤 분석 결과를 내었는가?
그 중 하나는, 기존의 봉합선 구조가 주형 (template)이 되어 다음의 봉합선의 형태형성에 영향을 미친다는 것이고 [8], 그 외에 “tie-point model [9]”, “viscous fingering model [10]” 등이 있다. 가장 최근에는 Scientific Reports (2016)에 보고된 것으로, Shinya Inoue 연구팀은 새로운 X-ray microcomputed tomography (CT) 촬영기법으로 암모나이트 화석 내부의 3차원적 미세구조를 분석함으로써, 먼저 형성된 봉합선의 구조와 관계없이 새로운 봉합선이 자발적으로 (autonomous) 생성될 수도 있다는 것이다 [11]. 이러한 결과들은 물리적인 성질의 작용보다는, 동물의 형태형성에서 기본적으로 작용하고 있는 유전자의 작용과 같은 생물학적인 요소들 (morphogens)가 관여하고 있을 가능성을 제시하는 것이다 [12].
암모나이트의 생김새가 가지는 특징은 무엇인가?
암모나이트는 두족류의 연체동물로, 고생대 데본기에 나타나 중생대에서 가장 풍부하게 발견되는 화석으로, 나선의 껍질 (coiled shell), 복잡한 봉합선 (suture), 그리고 격벽 (septum)에 의해 구분된 기방 (air chamber)의 구조를 가지고 있다 [2,3,4]. 현존하는 앵무조개와 같은 조상에서 진화한 것으로 추정되며, 나선 (spiral) 형태의 각각의 기방은 상수인자 (constant factor)에 의해서 크기가 결정되고, 로그나선 (logarithmic spiral)에 의해 정렬되어 있다.
참고문헌 (20)
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