초파리의 초기 발생

초파리를 25 °C에서 키우면 알을 낳은 지 열흘쯤 뒤에 새 어른벌레가 나온다. 그런데 서늘한 18 °C 방에 둔 병에서는 거의 3주가 걸렸다. 알 속을 들여다보면 처음 두 시간 동안 세포벽 없이 핵만 거듭 나뉘어, 알 하나 속에 핵이 수천 개 생긴다고 한다. 핵이 이렇게 빨리 늘어나려면 얼마나 자주 나뉘어야 할까? 그리고 발생의 빠르기는 왜 온도에 따라 이렇게 달라질까?

3.3.1세포벽 없이 핵만 나뉘는 시기

대부분의 동물 배아는 수정란이 갈라져 세포 수가 늘어나는 난할로 발생을 시작한다. 초파리 알은 특이하게도 처음에는 세포가 갈라지지 않고 핵만 거듭 나뉜다. 큰 세포질 하나 속에 핵이 수천 개 들어 있는 이 상태를 합포체라 한다. 핵 분열은 약 10분마다 한 번씩 아주 빠르게 일어나는데, 세포막을 새로 만들 필요가 없고 어미가 미리 넣어 둔 재료를 쓰기 때문이다. 13번째 분열쯤에 핵들이 알의 표면으로 모이고, 그제야 세포막이 핵들 사이로 내려와 각각을 세포로 나눈다.

두 배씩 늘어나는 증가는 처음에는 느려 보이지만 곧 엄청나게 커진다. 10번 나뉘면 1024개, 13번이면 8192개이다. 그래서 핵이 수천 개가 되는 데 두 시간 남짓이면 충분하다. 이렇게 빨리 많은 핵을 만든 뒤에야 각 세포가 자리에 따라 서로 다른 유전자를 켜기 시작하여, 머리와 꼬리, 등과 배 같은 몸의 설계도가 그려진다.¹

3.3.2온도와 발생의 빠르기

발생은 수많은 효소 반응이 정해진 순서로 이어지는 과정이므로, 온도가 낮으면 반응이 느려져 발생 전체가 느려진다. 그림 1에서 25 °C에서 18 °C로 7 °C 낮아지자 한살이가 약 1.9배 길어졌다. 그러나 너무 뜨거우면 효소와 단백질이 망가져 발생이 멈추거나 기형이 생기므로, 초파리는 보통 18 °C에서 25 °C 사이에서 키운다. 실험할 때는 원하는 단계를 원하는 때에 얻기 위해 온도를 조절해 발생의 빠르기를 맞춘다.

3.3.3예제 풀이

\(2^{12} = 4096\), \(2^{13} = 8192\)이므로 5000개를 넘으려면 13번 나뉘어야 하고, \(13 \times 10 = 130\)분이 걸린다. 처음 질문의 두 시간 남짓은 이 계산과 맞는다.

한살이 전체가 \(19/10 = 1.9\)배 길어졌으므로, 모든 단계가 같은 비율로 느려진다고 보면 배아 발생은 약 \(1 \times 1.9 \approx 1.9\)일이 걸린다. 실제로 그림 1의 18 °C 값 약 2일과 비슷하다. 즉 초파리의 초기 발생은 핵이 두 배씩 늘어나는 지수적 증가로 빠르게 세포 재료를 마련하고, 그 전체 빠르기는 효소 반응처럼 온도에 따라 달라진다.

아래 탐구 카드에서 초파리의 알, 애벌레, 번데기를 관찰하고, 온도에 따른 발생 기간을 기록해 보자.

1. 초파리 배아에서 몸의 앞뒤를 정하는 유전자들은 1980년 독일의 뉘슬라인폴하르트와 미국의 위샤우스가 돌연변이를 대규모로 찾아 밝혔다. 두 사람은 이 연구로 1995년 노벨 생리의학상을 받았고, 비슷한 유전자들이 사람의 발생에도 쓰인다는 것이 뒤에 밝혀졌다.