미생물의 세계 : 2강 “마이크로바이옴”
미생물의 세계는 화학의 기초와 같이 3강으로 이루어져 있습니다.
1강은 “미생물의 종류와 진화”, 2강은 인간의 몸이 미생물의 생태계인 “마이크로 바이옴”, 3강은 미생물로 부터 식품을 지키자는 “식품 보관법 및 보존료”가 그 주제들 입니다.
미생물은 화학의 기초에서 할 수 없었던 실험을 병행합니다.
2강의 실험은 “미생물의 배양” 입니다. 우리 몸속의 미생물, 효모, 누룩, 유산균을 학생들이 직접 배양해 볼 수 있을까요?
(경기도 중학교 학생들과 같이 했던 이 실험은 따로 포스트에 올릴 예정입니다.)
인간의 몸 속 미생물 – 마이크로바이옴
우리 몸을 생태계로 사용하는 미생물들을 알아보는 마이크로바이옴 강의입니다. 다만 우리 몸은 그들에게 이타적으로 내어주는 공간일까요? 아닙니다. 모든 동식물을 포함한 모든 생물들은 아주 일부만 제외하고는 단독으로 살 수 없을 겁니다. 왜냐하면 생명을 유지하기 위해 필요한 자원이나 방어체계 등을 다른 생물에게 의존하도록 진화의 과정에서 그 길을 선택해 왔기 때문입니다. 그래서 우리의 몸의 영역은 단일한 유전자서열을 가진 인간만을 말해서는 안됩니다. 그들이 없으면 인간도 없으니까.
1. 마이크로바이옴(Microbiome)이란?
마이크로바이옴(Microbiome)은 ‘작은 생물체(Microbe)’와 ‘생태계(Biome)’의 합성어로, 인간의 몸에 존재하는 모든 미생물과 그들의 유전 정보를 포함하는 개념이에요. 이는 박테리아, 바이러스, 고세균, 진균류, 원생동물 등을 포함하며, 각각의 미생물들이 특정한 환경에서 서로 상호작용하면서 이루는 생태계를 의미해요. 즉 우리는 각각은 인간이 아니라, 인간과 미생물의 합인 “마이크로바이옴”입니다.
2. 미생물의 공생 관계
공생 관계란 두 생물이 서로 이익을 주고받는 관계를 의미해요. 인간과 미생물 사이에도 이러한 공생 관계가 존재해요. 예를 들어, 장 속의 미생물은 우리가 먹는 음식을 소화하고, 우리 몸이 필요로 하는 비타민을 생산해요. 그 대가로 미생물은 우리가 섭취한 음식물에서 영양분을 얻어 생존할 수 있죠.
3. 공생의 진화적 단계
인간과 미생물의 공생 관계는 인류가 출현하기 훨씬 전부터 시작되었어요. 초기 다세포 생물들이 자연 환경 속에서 다양한 미생물과 접촉하며 공생 관계를 맺었고, 이는 우리의 면역 시스템이 미생물과 상호작용하면서 발전해왔다는 것을 의미해요. 유전적 변이는 이러한 상호작용 과정에서 생긴 변화 중 일부를 고정시키며, 공생 관계를 더욱 강화했어요. 결과적으로 인간은 미생물과 함께 생존하는 능력을 발달시켰어요.
https://news.amc.seoul.kr/news/con/detail.do?cntId=7748 몸속 미생물은 우리에게 유익한가?
4. 태아 이후 미생물 획득 과정
출생 전
- 태반과 양수: 과거에는 자궁이 완전히 무균 상태라고 여겨졌으나, 최근 연구에서는 태반과 양수에도 미생물이 존재할 수 있다는 것을 밝혀냈어요. 이 미생물들은 초기 면역 시스템의 발달에 영향을 미칠 수 있어요.
출생 시
- 산도 분만: 자연 분만을 통해 태어나는 아기는 산도를 통과하면서 어머니의 질 내 미생물을 전달받아요. 이는 아기의 초기 마이크로바이옴 형성에 중요한 역할을 해요.
- 제왕절개: 제왕절개로 태어난 아기는 주로 어머니의 피부와 환경에 있는 미생물을 전달받아요. 이로 인해 초기 마이크로바이옴 구성에 차이가 생길 수 있어요.
출생 후
- 모유 수유: 모유는 유익한 박테리아와 프리바이오틱스(미생물의 먹이)를 포함하고 있어, 아기의 장내 미생물 발달을 촉진해요.
- 환경: 아기는 주변 환경과의 접촉을 통해 다양한 미생물을 전달받아요. 이는 부모, 형제, 애완동물 등과의 접촉을 포함해요.
5. 인간 소화 시스템의 역할
물리적 소화
- 입: 치아로 음식물을 잘게 부숴 소화 효소가 더 쉽게 작용할 수 있도록 합니다.
- 위: 위의 근육이 수축과 이완을 반복하며 음식을 잘게 부수고 혼합합니다.
- 소장과 대장: 근육 운동(연동운동)을 통해 음식물을 이동시키고 혼합합니다.
화학적 소화
- 입: 침 속의 아밀라아제가 탄수화물을 분해합니다.
- 위: 펩신과 위산이 단백질을 분해하고, 대부분의 박테리아를 죽입니다.
- 소장: 다양한 소화 효소(아밀라아제, 프로테아제, 라이페이스 등)가 탄수화물, 단백질, 지방을 각각 포도당, 아미노산, 지방산과 글리세롤로 분해합니다.
- 담즙: 간에서 생산된 담즙이 지방을 유화시켜 소화 효소가 더 쉽게 작용할 수 있도록 합니다.
영양소 흡수
- 소장: 미세 융모가 영양소를 흡수하여 혈액으로 운반합니다.
- 대장: 수분과 전해질을 흡수합니다.
6. 미생물의 역할
보호 기능
- 입: 입 속 박테리아는 유해한 병원균의 침입을 막습니다.
- 장: 유익한 박테리아(락토바실러스, Lactobacillus와 비피도박테리움, Bifidobacterium)가 유해균을 억제하고 장내 환경을 보호합니다.
비타민 및 영양소 생성
- 대장: 다양한 미생물이 음식물 찌꺼기를 발효시켜 비타민 K와 일부 비타민 B를 생산합니다. 또한 대장의 미생물은 짧은 사슬 지방산을 만들어내어 장내 세포들의 에너지원으로 사용합니다.
- 소장: 복합 탄수화물을 단당류로 분해하며, 짧은 사슬 지방산을 생성합니다.
면역 시스템 보조
- 면역력 유지: 유익한 미생물이 면역 시스템의 중요한 구성 요소로 작용하여 면역력을 유지하고 감염을 예방합니다.
독성 물질 및 병원균 방어
- 장내 보호: 미생물이 음식물과 함께 들어오는 독성 물질을 분해하거나, 유해 미생물의 성장을 억제하여 몸을 보호합니다.
유해한 박테리아 : 위 속의 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori)는 나쁜 박테리아로, 위염과 위궤양을 유발할 수 있습니다.
7. 내장 구조의 기하학적 설명
기하학적 관점에서의 내장
우리의 내장은 몸 속에 있지만, 실제로는 외부와 연결된 구조예요. 음식물이 입을 통해 들어가고, 소화된 후 대변으로 배출되기 때문에, 내장은 하나의 연속된 외부 공간이라고 할 수 있어요. 이를 위상수학(토폴로지 Topology)적으로 외부라고 부르는 이유예요.
내장 구조의 진화적 설명
인간의 몸은 외부와 내부가 여러 층으로 나누어져 있어요. 외부는 피부로 덮여있고, 내부는 다양한 장기로 이루어져 있죠. 그러나 내장(위, 장, 식도 등)은 하나의 긴 관처럼 생겨서, 입에서부터 항문까지 연결되어 있어요. 이 관은 외부 환경과 끊임없이 접촉하고 있어서, 실제로는 몸 내부라기보다는 외부와 연결된 일종의 통로라고 할 수 있어요.
이러한 구조는 진화의 과정에서 형성되었어요. 초기 다세포 생물들은 단순한 소화관을 가지고 있었고, 점차 복잡한 구조로 발전하면서 다양한 소화와 흡수 기능을 수행하게 되었어요. 이 과정에서 내장은 외부 환경과의 접촉을 유지하며, 동시에 내부의 중요한 기능을 보호하는 역할을 하게 되었죠.
발생과정에서 본 인간의 소화 시스템의 토폴로지적 관점
인간의 소화 시스템은 외부와 연결된 구조로, 발생 과정을 통해 이러한 구조가 어떻게 형성되는지 이해하는 것이 중요합니다. 아래는 발생 과정에서 소화 시스템이 어떻게 형성되는지 단계별로 설명하고, 이를 통해 소화관이 어떻게 토폴로지적으로 외부와 연결된 구조를 가지게 되는지를 설명합니다.
- 소화관은 입에서 시작하여 항문으로 끝나는 연속된 튜브입니다. 이 튜브는 내부적으로는 외부와 연결된 구조를 가지며, 이를 토폴로지적으로 외부(Topologically external)라고 할 수 있습니다.
- 이 구조는 토로스, 즉 도넛 모양과 유사합니다. 도넛의 표면은 연속적이면서도 외부와 연결되어 있는 것처럼, 소화관도 입과 항문을 통해 외부와 연결됩니다.
인간의 소화관에서 입과 항문은 배아 발달 과정 동안 특정 단계들을 거쳐 형성됩니다. 이 과정은 주로 다음과 같은 주요 단계들을 포함합니다:
배엽 형성 (Gastrulation):
수정 후 첫 주 동안, 배아는 세 배엽(외배엽, 중배엽, 내배엽)으로 나뉩니다. 이 중 내배엽은 소화관의 대부분을 형성합니다 (Embryology Online) (Wikipedia).
원시 소화관의 형성:
내배엽이 길쭉한 형태로 변형되면서 원시 소화관을 형성합니다. 이 단계에서 원시 소화관은 앞창자(foregut), 중간창자(midgut), 뒤창자(hindgut)로 나뉩니다 (Wikipedia).
입과 항문의 형성:
입의 형성: 앞창자에서 발달하며, 배아의 머리 쪽 끝에 위치한 구강막(oropharyngeal membrane)이 4주차에 파열되면서 원시 구강이 외부와 연결됩니다.
항문의 형성: 뒤창자에서 발달하며, 배아의 꼬리 쪽 끝에 위치한 항문막(cloacal membrane)이 8주차에 파열되면서 항문이 외부와 연결됩니다 (Biology LibreTexts).
이 이미지는 원구동물(Protostomes)과 후구동물(Deuterostomes)의 배아 발달 과정을 비교합니다. 원구동물에서는 8세포 단계에서 나선형 할구(spiral cleavage)가 발생하고, 낭배형성(gastrulation) 동안 원구(blastopore)가 입으로 발달합니다. 최종적으로 원구가 입이 되고 반대쪽에 항문이 형성됩니다.
후구동물에서는 8세포 단계에서 방사형 할구(radial cleavage)가 발생하고, 낭배형성 동안 원구가 항문으로 발달합니다. 최종적으로 원구가 항문이 되고 반대쪽에 입이 형성됩니다.이 차이는 두 동물군의 주요 발달 경로를 구분하는 중요한 특징입니다.
소화관의 분화:
원시 소화관의 각 부분은 특정 장기들로 분화합니다. 예를 들어, 앞창자는 식도, 위, 십이지장의 일부로 발달하고, 중간창자는 소장의 나머지 부분과 대장의 일부로 발달하며, 뒤창자는 대장의 나머지 부분과 직장으로 발달합니다
조직과 기관의 성숙:
각 소화기관은 지속적인 세포 분열과 조직 분화 과정을 통해 성숙해갑니다. 이 과정은 출생 후까지도 이어집니다.
이러한 단계들은 인간의 소화관이 어떻게 형성되는지를 설명하며, 배아 발달의 각 단계에서 어떤 구조들이 나타나는지 보여줍니다. 이는 전체적인 소화관 형성 과정에서 매우 중요한 역할을 합니다.
8. 미생물이 방부제, 항생제 등으로 죽으면 발생하는 문제
- 소화 문제: 유익한 미생물이 줄어들면 음식물의 소화와 흡수가 원활하지 않아 영양소 흡수 불량으로 이어질 수 있습니다.
- 비타민 생성 저하: 대장에서 비타민 K와 비타민 B를 생성하는 미생물이 줄어들면 비타민 결핍이 발생할 수 있습니다.
- 면역력 저하: 유익한 미생물이 줄어들면 면역력이 약화되어 감염에 더 취약해질 수 있습니다.
- 장내 염증: 미생물의 균형이 깨지면 장내 염증이 발생할 수 있고, 이는 다양한 소화기 질환으로 이어질 수 있습니다.
- 정신 건강 영향: 장내 미생물과 정신 건강이 밀접하게 연관되어 있어, 유익한 미생물의 감소는 우울증, 불안증 등의 발병 위험을 높일 수 있습니다.
“장내 미생물이 분자 신호를 통하여 식욕, 기분 등을 조절하여 의사결정까지 영향을 주며, 우울증, 불안증, 자폐증과 관련있는 도파민 및 세로토닌의 90%가 장에서 생성된다고 합니다.”
9 . 중학생을 위한 실험과 활동
- 마이크로바이옴 관찰하기: 간단한 실험으로 손을 씻기 전후의 세균을 배양하여 관찰합니다. 이를 통해 세균의 존재를 눈으로 확인할 수 있습니다.
- 유산균 먹기: 유산균이 들어있는 음식을 섭취한 후, 소화 상태나 변의 상태를 관찰하고 기록합니다. 이는 장내 미생물이 우리 몸에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 도움이 됩니다.
- 다양한 환경 탐색: 자연에서 다양한 표본(흙, 나무, 물 등)을 채취하고, 그 속의 미생물을 관찰합니다. 이를 통해 자연 속 미생물의 다양성을 직접 경험할 수 있습니다.
요약
마이크로바이옴은 우리의 건강을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 미생물과의 공생 관계는 우리의 진화 과정에서 형성되었으며, 미생물은 우리 몸의 다양한 부위에서 중요한 기능을 담당하고 있습니다. 지나친 청결과 방부제 사용은 오히려 해로울 수 있으며, 자연스러운 미생물과의 접촉은 건강 유지에 필수적입니다.
참고 자료
마이크로바이옴의 중요성:
- Cleveland Clinic: How Your Gut Microbiome Impacts Your Health
- National Institute of Environmental Health Sciences: Microbiome
- Harvard T.H. Chan School of Public Health: The Microbiome – The Nutrition Source
미생물과 공생 관계의 역사:
- University of Chicago News: How the microbiome affects human health, explained
- Verywell Health: Gut Microbiome: Definition, Benefits, and Food Sources
건강한 생활 습관:
- Cleveland Clinic: How Your Gut Microbiome Impacts Your Health
- Harvard T.H. Chan School of Public Health: The Microbiome – The Nutrition Source