"가장 빠른놈이 이긴다?"…5억년만에 찾은 정자의 '팀플레이'

수정은 흔히 수백만 개의 정자가 난자를 향해 달리고 가장 빠른 하나가 살아남는 치열한 경쟁으로 묘사된다. 하지만 일부 동물에서는 정자들이 홀로 경쟁하는 대신 서로 결합해 '팀'을 이루는 전략이 수억 년에 걸쳐 반복적으로 등장하고 사라졌다는 연구 결과가 나왔다. 미국 시러큐스대와 이탈리아 시에나대, 헝가리 세게드대 공동 연구진은 절지동물과 근연 동물 621종의 정자 특성을 분석한 결과, 여러 정자가 조직적인 집단을 형성하는 '정자 결합'이 진화 과정에서 수십 차례 독립적으로 나타나고 사라진 것으로 분석됐다고 최근 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다. 정자 결합은 여러 정자가 물리적으로 연결돼 하나의 집단을 형성하는 현상이다. 100여 년 전부터 알려져 있었지만 그동안 비교적 드문 생식 전략으로 여겨졌다. 연구진은 수십 년간 발표된 선행 연구를 토대로 곤충과 거미, 갑각류, 지네 등을 포함한 절지동물과 근연 동물의 정자 구조를 조사하고 이를 진화 계통도와 결합해 정자 결합의 진화사를 재구성했다. 그 결과 정자 결합은 특정 계통에서 한 차례 나타난 뒤 그대로 이어진 것이 아니라 여러 계통에서 반복적으로 획득되고 소실된 것으로 나타났다. 스티브 도러스 시러큐스대 생물학과 교수는 "수정은 흔히 개별 정자 사이의 경쟁으로 여겨지지만 많은 종에서는 세포들이 함께 작동하며 생식 성공에 영향을 미치는 모습을 볼 수 있다"고 설명했다. 약 5억년 전 등장한 '정자 팀플레이'…사라졌다 다시 나타났다 연구진의 계통학적 분석에 따르면 정자 결합은 곤충과 레미피드로 이어지는 계통에서 약 4억 5260만~5억 850만 년 전 처음 등장했을 가능성이 있는 것으로 추정됐다. 이후 진화 과정에서 정자 결합은 약 45차례 소실되고, 다시 약 45차례 획득된 것으로 분석됐다. 연구진은 절지동물과 관련 탈피동물 계통이 전체 진화사의 약 3분의 2에 해당하는 기간 동안 정자 결합을 보유했던 것으로 추정했다. 즉 진화가 서로 다른 동물 집단에서 '정자 협력'이라는 비슷한 전략을 여러 차례 반복적으로 선택한 셈이다. 연구를 이끈 R. 안토니오 고메즈 시러큐스대 박사후연구원은 "진화가 서로 다른 절지동물 집단에서 사실상 같은 실험을 반복해서 수행했다"며 "이를 통해 정자 협력이 언제 등장하고 사라지는지, 또 서로 다른 진화적 조건에서 언제 다시 나타나는지를 살펴볼 수 있다"고 말했다. 정자들이 협력하는 방식도 다양하다. 연구진은 특히 '정자 연관 물질(SAM·sperm-associated material'에 주목했다. 막으로 둘러싸인 이 물질은 정자를 서로 연결하거나 주변에 구조를 형성해 여러 정자가 하나의 집단으로 조직되도록 할 수 있다. 분석 결과 정자 결합이 진화한 여러 사례에서 SAM이 정자 결합보다 먼저 등장하는 경향도 발견됐다. 연구진은 SAM이 정자를 포장하거나 보호하는 등의 역할에서 출발해 이후 다양한 정자 결합 형태가 진화할 수 있는 기반이 됐을 가능성을 제시했다. 스콧 피트닉 시러큐스대 생물학과 교수는 "정자는 가장 빠르게 진화하는 세포 유형"이라며 "몸 밖에서 여성 생식기관이라는 복잡한 환경 속에서 기능해야 한다는 독특한 과제에 의해 형성돼 왔다"고 설명했다. 이번 결과는 수정 과정을 단순히 '가장 빠른 정자가 이기는 경주'로 보는 관점에도 새로운 시각을 더한다. 다만 정자들의 협력이 정자 간 경쟁을 대체한다는 의미는 아니다. 연구진은 생식 과정에서 경쟁과 협력이 서로 배타적인 전략이 아니라 함께 작동할 수 있으며, 정자 집단의 행동 역시 생식 성공에 영향을 미칠 수 있다는 점에 주목했다. 왜 뭉쳤을까…생식 연구·해충 방제에도 새 단서 정자들이 왜 서로 협력하도록 진화했는지는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 연구진은 정자들이 집단을 형성하면 복잡한 생식기관 내부를 이동하는 데 유리하거나 특정 물질을 필요한 위치까지 운반하는 데 도움이 될 가능성을 제시했다. 그러나 실험실 유리판 위에서 관찰한 정자의 움직임과 실제 생식기관 내부의 움직임에는 차이가 있어 이를 입증하려면 추가 연구가 필요하다. 연구진은 향후 실제 생식기관 내부에서 정자 집단이 어떻게 움직이고 어떤 이점과 비용을 갖는지 규명할 계획이다. 이번 연구가 인간의 난임이나 수정 과정을 직접 분석한 것은 아니다. 다만 연구진은 개별 정자의 운동 능력뿐 아니라 정자 간 상호작용과 주변 생물학적 구조를 함께 살펴보는 접근이 향후 동물의 생식과 수정 과정을 이해하는 데 새로운 단서를 제공할 수 있을 것으로 보고 있다. 해충 방제 분야에서 활용될 가능성도 제기됐다. 연구진이 주목하는 대상 가운데 하나는 미국 동부 지역에서 농업 피해를 일으키고 있는 침입종 꽃매미(spotted lanternfly)다. 꽃매미의 정자는 일부 절지동물처럼 여러 정자가 서로 결합하지 않는다. 대신 각각의 정자가 두꺼운 SAM에 둘러싸여 있는 독특한 구조를 갖는다. 피트닉 교수는 "꽃매미 정자는 매우 특이하다"며 "서로 결합하지 않지만 개별 정자가 이 물질에 완전히 둘러싸여 있으며 이런 상태에서 어떻게 운동성을 갖는지조차 아직 알지 못한다"고 말했다. 연구진은 향후 SAM이 꽃매미의 생식 과정에서 어떤 역할을 하는지 규명하고, 이 물질이 번식에 필수적이라면 이를 선택적으로 방해하는 방법이 해충 방제 연구의 새로운 표적이 될 가능성이 있다고 보고 있다. 다만 이번 연구에서 SAM을 차단해 꽃매미의 번식을 억제하는 효과를 직접 검증한 것은 아니다. 도러스 교수는 "진화가 서로 매우 다른 집단에서 오랜 시간에 걸쳐 비슷한 협력적 해결책에 반복해서 도달했다는 점이 흥미롭다"며 "이러한 사례는 생물학적 성공을 결정하는 과정에서 협력이 경쟁만큼 중요할 수 있다는 점을 보여준다"고 말했다.