태그: 자기장

 

 

 

 

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▷ 주자성 박테리아, 니들은 누구세요? ◁

 

주자성 박테리아의 슈퍼 히어로스런 능력에 많은 이들이 화들짝 놀랐지만 알고보니 박테리아네 동네에서 주자성 박테리아는 딱히 유별난 존재가 아니었다. 과학자 형님들이 처음 주자성 박테리아와 대면했을 때는 퇴적물에만 사는 고유 종이라 생각했는데 알고보니 지구 어디에서든 발견되는 흔한 생물이었다.

 

바다나 강의 퇴적물, 화학 물질이나 산소의 농도가 변하는 경계면이나 산소가 아예 없는 곳 등에서 주자성 박테리아는 어김없이 모습을 드러냈다. 게다가 주자성 박테리아라는 특정한 종이 있는 것도 아니었다. 형태학적이나 생리학적으로 연관이 없는 다양한 박테리아 그룹에서 이러한 능력을 지닌 박테리아들은 널려 있었다.

 

 

 

막대형균, 구균, 나선균 등 다양한 자태를 뽐내는 주자성 박테리아들.

이들은 연구실에서 배양할 수 있는 몇 안되는 종이며,

일반적으로 주자성 박테리아는 배양하기가 어렵다.

검은색 알갱이들은 자철광 결정들이다.

 

 

 

▷ 자석 결정을 만드는 쌈짓주머니의 정체는? ◁

  

 

 

 

 

 

주자성 박테리아가 나침반의 용도로 써먹는 자석 결정들은 모두 몸 속에서 직접 만들어 낸 것들이다. 이 결정들이 만들어지는 곳은 마그네토솜magnetosomes이라는 일종의 단백질 주머니인데 여기서 자철광(magnetite, Fe3O4) 또는 황화철(greigete, Fe3S4) 등의 자성 광물의 결정체를 가내수공업으로 만들고 있다. 만들어지는 자성 광물이 자철광인지 황화철인지는 당연히 집 근처에서 재료를 구해야 하니깐 주자성 박테리아의 주거환경에 따라 결정된다.

 

주자성 박테리아들이 몸 속 호주머니에서 만들어 내는 결정들은 한 변이 35nm~150nm 사이이며 마치 기계로 찍어낸 듯 크기가 균일하다. 하지만 이 자석 결정은 너무나 작기 때문에 한 개 만으로는 지구 자기장에 반응하여 움직이는데 충분한 힘을 만들어내지 못한다. 그래서 요놈들은 영리하게도 자석 결정을 여러개 만들어 체인처럼 길게 이어 붙임으로서 보다 강한 자력을 형성할 수 있게 하였다.

 

또한 주자성 박테리아가 브라운 운동의 방해 작용에 저항해 지구 자기장에 따라 스스로 방향을 잡기에 충분할 만큼의 자력을 형성할 수 있게 자철광을 함유하고 있다는 사실도 발견하였다.

 

 

 

주자성 박테리아 세포 내 구조

 

 

A-B 마그네토솜은 각각 자라서 자력에 의해 뭉쳐지며 체인을 이룬다.

C-D MamJ 단백질이 없는 변종의 경우 마그네토솜은 마그네토솜 필라멘트에

고정되지 못하고 자력에 의해 덩어리로 뭉쳐져 버린다.

 

 

 

그렇다면 아예 처음부터 자석 결정을 크게 만들면 될 것을 왜 굳이 작게 만들어서 번거롭게 이어붙이네 마네 난리 부루스를 추고 있는 것일까. 그렇다고 주자성 박테리아 앞에서 그런 질문은 하지도 마시라. 무식하다고 쪼인트 까이는 수가 있다.

 

주자성 박테리아는 무슨 전자기학 박사 학위라도 가지고 있는지 깜놀 할만한 이유로 번거롭지만 애써 쥐똥만한 자석 결정을 만들어 진주 목걸이 엮듯이 쭉 이어 붙여서 활용했던 것이다. 그러니 전자기학에 조예가 깊은 주자성 박테리아 선생님의 깊은 뜻을 헤아리려면 당연히 전자기학에 등장하는 간단한(?) 용어와 개념 몇 개를 먼저 챙겨가야 한다.

 

 

▷ 쇠못은 왜 자석에 들러붙나 ◁

 

 

로렌츠 현미경으로 촬영한 자기 구역의 구조.

검은색과 하얀색 선이 자기 구역과 자기 구역의 경계인 자기벽을 나타낸다.

실제의 자기 구역은 재료에 따라 입체적으로 다양한 형태를 띤다.

 

 

쇠못을 비싸도 너~~~무 비싼 현미경으로 들여다 보면 못의 내부에는 철 원자들이 방향을 가지런히 해서 자기 구역(줄여서 자구磁區라고도 한다)이라는 나와바리를 형성하고 있음을 볼 수 있다.

 

평소 자기 구역은 서로 N극과 S극이 이웃해서 있고, 그렇기 때문에 자기력을 띠지 않는다. 하지만 쇠못에 자석을 갖다 대면 자석의 극에 맞춰 반대 극들이 정렬하여 늘어서게 되면서 자기력을 띠게 된다. 그 결과가 자석에 쇠못이 들러붙는 현상인 것이다.

 

그리고 이것은 영구자석이 자력을 띄는 이유이기도 하다. 영구자석의 경우 다른 종류의 원자를 섞어 N극과 S극의 방향이 변하지 않고 가지런한 상태로 유지하도록 만드는 것이다.

 

 

 

 

 

 

같은 이유로 주자성 박테리아들이 만드는 조각들 역시 영구자력을 띠려면 이렇게 단자구single domain를 형성하지 않으면 안된다. 보통 주자성 박테리아들이 만들어내는 결정의 크기는 한 변이 35nm~150nm 사이이다. 이 크기가 정말 신의 한 수 인데 바로 단자구를 형성할 수 있는 크기인 것이다.

 

만약 결정이 이보다 크다면 두 개 이상의 자구가 생기게 될 것이며 그렇게 된다면 제각기 다른 방향을 가리키는 자구들이 형성되어 그로인해 서로의 자성에 의해 자력이 줄어들거나 상쇄될 것이다. 반대로 결정이 이보다 작다면 이름도 무시무시한 초상자성超常磁性, superparamagnetic을 띠게 된다.

 

초상자성이란 간단히 말해 열에너지에 의해 자력의 방향이 역전되는 현상이다. 즉 개별 자석 결정들이 열 에너지에 의해 임의로 자력의 방향이 역전될 것이며 이또한 자력이 감소하거나 상쇄되는 결과를 초래할 것이다. (이런 초상자성 효과 때문에 현재 저장 매체의 밀도를 높이는데 한계점이 되고 있다. 하드디스크와 같은 저장 매체들은 자성체를 이용해 데이터를 저장하는데 만약 초상자성 효과로 인해 자력의 방향이 역전되면 데이터가 싹 지워져버리기 때문이다.)

 

이처럼 주자성 박테리아는 주먹구구 식으로 자석결정을 만든게 아니라 왠만한 공대생 뺨을 후려칠 실력으로 공학적으로 가장 효율적인 크기로 결정을 만들었다. 1~2마이크로미터를 넘지 않는 자신의 몸집에 알맞게 자석 결정의 종류와 크기를 정해 만들고 적절한 위치에 마그네토솜 체인을 위치시켜 놓음으로서 지구 자기장에 맞춰 효율적으로 움직이는 주자성 박테리아. 도대체 단세포 생물에 불과한 박테리아의 몸 속에서 이러한 정교한 작업들이 이루어진다니 기가 막히고 코가 막히지 않는가.

 

과학자 형님들도 놀라 까무러치긴 마찬가지였으니 이 모든 것들이 어떻게 이처럼 세밀하게 통제되어 이루어지는지 몽땅 까발리기 위해 연구를 계속하고 있지만 그 자세한 세부 과정은 아직 완전히 밝혀내지 못하고 있다.

 

 

 

▷ 그럼 니들 번식을 어떻게 할래? ◁

 

이게 무슨 말인고 하니 박테리아와 같은 단세포 애들은 우리처럼 남녀가 만나 거시기한 밤을 보낸 후 10달 뒤 아이가 슝풍하고 태어나는 것이 아니라 이분법이라는 삭막한 방법을 사용한다. 그냥 몸을 둘로 짜잔 하며 나누는 것이다.

 

 

 

 

 

 

그런데 주자성 박테리아는 몸 속에 나침반으로의 효율을 높이기 위해 길다란 자석 결정체인을 가지고 있다. 이래서는 자석 체인으로 인해 중간으로 뚝 하니 분열하는데 걸리적 거릴 것은 자명하다. 더욱이 체인은 자력으로 연결되어 있는데 세포 분열의 힘으로는 이 자력을 끊을수 없어 보였기 때문이다.

 

 

 

* 4부로 이어집니다 *

 

 

 

영진공 self_fish