7. 동물의 환경 적응

미세한 식물플랑크톤이든 미국 서부의 세쿼이아이든 모든 독립영양생물은 광합성이라는 동일한 과정을 통해 에너지를 얻는다. 동물의 경우는 아주 다르다. 종속영양생물은 식물과 동물에 들어 있는 유기물을 먹어서 에너지와 대부분의 영양소를 얻기 때문에, 동물은 말 그대로 지구상에 서식하는 동물과 식물종의 다양성으로 포장된 수많은 다른 잠재적 먹이를 만나게 된다. 동물의 환경에 대 적응은 이 이유만으로도 6장에서 기술한 식물의 적응보다 훨씬 복잡하고 다양한 주제이다. 그러나 먹이의 획득과 소화, 산호 흡수, 체온의 유지, 수분균형의 유지, 빛과 기온의 규칙적 변이에 대한 적응 등 모든 동물에 공통적인 많은 핵심 과정이 있다. 또한, 수생환경과 육상 환경은 동물 적응에 근본적으로 다른 여러 제약을 부여한다. 본 장에서는 지구상 존재하는 다양한 환경에서 동물이 생존, 생장, 생식을 위한 기본적인 대사 과정을 유지할 수 있게 해주는 진화한 다양한 적응을 다룰 것이다. 이때 특정한 적응으로 부과된 이득 및 제약과 함께, 관련된 맞교환이 각각 다른 환경조건에 있는 동물의 성공에 어떻게 영향을 주는지에 주목할 것이다. 7.1 크기는 생물의 진화에 대한 근본적인 제약을 부여한다 살아 있는 생물의 크기는 매우 다양하다. 가장 작은 동물은 약 2~10ug이지만 생존하는 가장 큰 동물은 포유류이다. 100,000kg 이상의 무게가 나가는 해양환경의 대왕고래와 5,000kg인 육상의 아프리카코끼리가 있다. 동물의 각 분류군은 주로 형태적, 생리적 제약으로 인해 고유한 특정 크기의 범위를 가지고 있다. 태형동물 같은 일부 무리는 10배 또는 100배의 크기 내에 모든 종이 포함되나 포유류의 크기는 극히 다양하다. 가장 작은 포유류는 완전히 생장했을 때 겨우 2g인 땃쥐 종이 명 이는 대왕고래의 약 1억분의 1에 해당한다. 크기는 동물의 구조와 기능의 관계에 있어 중요하고, 따라서 적응에 대한 근본적인 제약을 나타낸다. 척도 화라고 알려진 과정에 의해, 대부분 형태적, 생리적 특성들은 몸 크기의 함수로서 예측할 수 있는 방식으로 변화한다. 기하학적으로 닮은 정육면체 또는 구와 같은 물체를 '등거리형'이라고 한다. 등거리 물체의 표면적과 부피는 그들의 선형 치수의 각기 2제곱과 3제곱으로 관련된다. 등거리 척도 관계의 중요한 결과는 표면적과 부피 간의 관계이다. 단위 부피당 표면적을 길이에 대해 그린다면, 단위 부피당 표면적과 길이 사이에 반비례 관계가 나타난다. 그러므로 작은 몸은 동일한 형태의 보다 큰 물체보다 부피에 비해 표면적이 더 크다. 표면적과 부피 간의 이 관계는 동물의 진화에 결정적인 제약을 부여한다. 기초대에 관련된 생화학적, 생리적 과정들의 범위는 생물 내부와 외부 환경 간 물질과 에너지의 이동이 필요하다. 예를 들어, 대부분 생물은 세포호흡 과정을 유지하기 위해 산소에 의존한다. 따라서 몸 안의 살아있는 모든 세포가 기능하고, 생존하기 위해서는 세포 내로 산소가 확산해야 한다. 산소는 세포 표면을 통해 쉽게 확산하는 비교적 작은 분자이다; 단 몇 초 만에 산소는 잘아진 조직 1mm 안으로 침투할 수 있다. 따라서 만약 반경 1mm인 구형의 생물이 있다면, 이 작은 구형 생물의 중심은 표면에 아주 가까우므로, 호흡 과정에서 산소가 소진되자마자 지속적인 확산으로 외부 환경과 접한 표면으로부터 산소가 보충된다. 이제 골프공 크기의 구형 생물을 가정해 보자. 중심까지 산소가 확산하려면 한 시간 이상 걸릴 것이다. 표면 바로 밑에 있는 세포층이 충분한 산소를 받아들이지만, 산소가 중심을 향해 확산함에 따른 연속적인 산소 고갈과 산소가 확산해야 하는 보다 긴 거리는 산소 고갈에 의한 내부 세포의 사망을 가져올 것이다. 문제는, 생물의 크기가 증가함에 따라, 산소를 요구하는 몸의 내부 부피에 비해 산소가 확산해 들어가는 몸의 표면적이 감소한다는 것이다. 그렇다면 보다 큰 생물은 이 제약을 어떻게 극복하여 몸의 내부 전체로의 적절한 산소 흐름을 유지할 수 있을까? 복잡하거나 우툴두툴한 표면은, 골프공 형태의 생물과 부피가 같은 물체의 표면적을 증가시킬 수 있다. 그 차이는 이제 다음과 같다: 생물 내부의 어느 지점도 표면에서의 수 밀리미터 이상 멀지 않고, 산소가 확산할 수 있는 총 표면적이 훨씬 더 크다. 이 제약에 대한 다른 대응 방법은 몸의 내부로 산소를 능동적으로 수송하는 것이다. 가장 작은 많은 동물들은 중앙 공동을 가진 관 모양의 몸을 갖는다. 이들 동물은 내부 공동으로 물을 끌어들여, 내부 세포로 산소와 필수영양소가 확산하도록 한다. 다시 한번, 결과적으로 부피에 비해 흡수 표면적이 증가하고, 산소 확산이 일어날 수 있도록 각 지점이 표면에 충분히 가깝다는 것이 확실해진다. 그러나 크기가 증가함에 따라, 산소가 몸 안의 모든 지점에 도달하기 위해서는 보다 복잡한 운송관의 망이 필요하다. 큰 생물의 형태의 대부분은 몸의 내부 세포로의 산소와 기타 필수 물질 수송으로 지배된다. 이 목적을 이루기 위해, 동물들은 복잡한 일련의 해부적인 구조들을 진화시켰다. 허파는 산소를 혈관 근처로 움직이는 내부 공동으로 작용하고, 여기서 산소는 몸 전체로 수송될 수 있도록 헤모글로빈 분자로 이송된다. 펌프로 작용하는 심장이 있는 순환계는 몸의 모든 부분으로 퍼진 작은 혈관 또는 모세혈관으로 산호 함유 혈액이 활발히 수송되는 것을 확실히 한다. 이런 복잡한 체제는 교환을 위한 표면적을 증가시키는 것으로써, 세포호흡을 유지하기에 필요한 속도로 산소가 확산할 수 있는 최대 거리보다 훨씬 안쪽에 모든 세포가 있음을 보증한다. 외부환경과 생물의 내부 간 물질과 에너지의 교환을 필요로 하는 많은 대사 과정에 동일한 몸 크기 제약이 적용된다. 탄소와 기타 필수영양소는 표면을 통해 취해져야 한다. 대부분 동물에서 먹이 통로는 소화 과정이 일어나는 관이고 용해된 물질이 몸 전체로 운송되기 위해서는 순환계로 흡수되어야 한다. 태형동물 또는 서관충 같은 가장 작은 동물에서, 물이 채워진 중앙 공동은 먹이 통로로도 작용하여 여기서 소화가 일어나고 물질이 흡수된다. 이어 개구부를 통해 물이 방출됨에 따라 노폐물이 배출된다. 보다 큰 동물에서는 입에서 항문까지 뻗은 관이 먹이의 통로이다. 먹이가 관을 통해 이동하면서 분쇄되면, 필수영양소와 아미노산이 흡수되고 순환계로 운송된다. 먹이 통로의 표면적이 클수록, 음식을 흡수하는 이력도 커진다. 표면적이 길이의 제곱으로 증가하기 때문에, 동물이 더 클수록 표면적 대 부피의 일정 비를 유지하기 위해 먹이 통로의 표면적이 더 커져야 한다. 이런 간단한 사례들만으로도, 몸 크기의 증가는 생물 구조에 복잡한 변화가 필요하다는 것이 명백하다. 이런 변화들은 외부 환경으로부터 필수 영양소가 계속 공급되어야 하는 살아있는 세포의 부피와 이들 교환이 일어나는 표면적 간의 관계를 유지하는 적응을 나타낸다. 다음 절에서, 외부 환경과의 필수영양소 산소, 물 열에너지의 교환을 유지하는 동물의 능력에 관련된 다양한 적응을 공부한다. 또한 동물이 살아가는 물리적 환경과 몸 크기, 두 가지 모두에 의해 이들 적응이 어떻게 제한되는지를 고려한다. 7.2 동물은 다양한 방법으로 에너지와 영양소를 획득한다. 동식물 조직의 형태로 있는 잠재적 에너지 원천의 다양성은 동물이 이들 자원을 획득하고 동화하는 것을 가능케 하는, 똑같이 다양한 일련의 생리적, 형태적, 행동적 특징들이 필요하다. 동물들이 이용하는 자원과 자원을 어떻게 소비하는지에 근거하여 동물을 분류하는 많은 방식이 있다. 가장 일반적인 분류는 동물들이 어떻게 동식물 조직을 먹이원으로 이용하는지에 따른 구분이다. 전적으로 식물조직만을 먹는 동물을 초식동물이라 분류한다. 오로지 다른 동물의 조직만을 먹는다면 육식동물이지만, 식물조직과 동물조직을 모두 먹으면 잡식동물이다. 또한, 부니 질이라 불리는 죽은 식물과 동물체를 먹는 동물을 부니 섭식자라 한다. 이 네 석 식물이라는 각기 다른 먹이 이용을 가능하게 하는 특이한 적응을 하고 있다. 초식 식물과 동물은 화학적 조성이 다리기 때문에, 초식동물은 식물조직을 동물조직으로 전환하는 문제에 처한다. 동물은 구조적 구성요소로 이용되는 지질과 단백질이 풍부하다. 식물은 단백질이 적고 탄수화물이 많은데, 후자는 대부분 세포벽에 셀룰러로 호스와 리그닌으로 존재하며 구조가 복잡하고 분해가 어렵다.