뼈의 성장에는 예지력이 필요하다.
(ENST : Growing a Bone Requires Foresight)
David F. Coppedge
뼈가 성장함에 따라 부착 지점에 맞춰 뼈가 정렬되는 것은 결코 간단한 공학적 과업이 아니다.
긴 뼈가 자라는 모습을 상상해 보라. 다리뼈라고 가정해 보자. 다리뼈의 길이를 따라 근육과 인대가 부착되는 지점이 있다. 뼈의 3분의 1지점에 돌출부가 생겨나는 것을 상상해 보라. 뼈가 한쪽 끝에서만 자라면 3분의 1지점에서 돌출된 부분에 근육이나 인대가 부착되는 것에 문제가 일어날 수 있다. 뼈가 양쪽 끝으로만 자라면, 같은 문제가 발생할 수 있다.
뼈는 성장하면서 길이 방향의 구조를 적절한 비율로 유지하는 방법을 어떻게 "알고" 있을까? 이스라엘 과학자 팀이 PLOS Biology 지에 발표한 한 논문에서 이 문제를 연구했다.
양방향 신장(elongation)은 뼈 성장의 보편적인 메커니즘이지만, 그럼에도 불구하고 뼈 형태 형성에 큰 난제를 야기시킨다. 각 장골의 독특한 형태에 대한 근본적인 특징은 다양한 모양과 크기의 돌출부들이 뼈의 바깥쪽을 따라 흩어져 있어서 형태학적 대칭성을 깨뜨리고 있다는 것이다. 뼈의 융기부, 결절, 오목 등으로 알려진 이러한 구조들은 힘줄과 인대의 부착뿐만 아니라, 관절 형성에도 필수적이다. 이러한 기능을 수행하기 위해 힘줄과 인대는 뼈의 특정 지점에 위치한다. 뼈 상부구조(superstructure)는 초기 골형성 과정에서 나타난다. 성장 과정에서 두 성장판이 상부구조에서 멀어지면서, 뼈는 광범위하게 신장된다. 따라서 신장 과정에서 상부구조는 뼈 중앙 근처의 원래 위치에 유지될 것으로 예상된다. 그럼에도 불구하고 최종 결과는 성숙한 뼈를 따라 상부구조가 적절하게 확산되는 것이며, 이는 상부구조의 위치를 교정하는 형태 형성 메커니즘이 존재함을 분명히 시사한다.
다시 말해, 뼈는 결국 적절한 비율을 갖게 되는데, 어떻게 그렇게 되는 것일까? 연구팀은 뼈 성장이 등척성(isometric, same-measure)인지, 아니면 상대성장(allometric, other-measure)인지 알고 싶어했다. 등척성인 경우, 뼈의 비율은 성장기간 동안 유지되어야 한다. 상대성장인 경우, 비율은 성장 말기에 적절한 위치로 수렴해야 한다. 연구팀은 그 결과와 의미에 놀랐다.
분석 결과 놀랍게도, 뼈를 따라 모든 상부구조의 상대적 위치는 길이가 5배 이상 증가하는 동안 매우 잘 보존되어 등척성 스케일링을 나타냄을 보여주었다. 발달하는 동안 뼈 상부구조가 지속적으로 재구성되고 축(shaft)을 따라 재배치되는데, 이 과정을 드리프트(drift, 이동)라고 한다. 놀랍게도 우리의 결과는 대부분의 상부구조가 전혀 드리프트되지 않았다는 것을 보여주었다. 대신, 우리는 뼈 크기조정(scaling)을 위한 새로운 메커니즘을 발견했는데, 이는 각 뼈가 근위 및 원위 성장 속도 간에 특정하고 고유한 균형을 나타내어 상부구조의 상대적 위치를 정확하게 유지하고 있었다. 게다가, 우리는 이 메커니즘이 모든 상부구조의 누적 드리프트를 최소화하여, 크기조정 과정을 최적화함을 수학적으로 보여주었다. 우리의 연구는 발달 중인 뼈의 크기조정을 위한 일반적인 메커니즘을 밝혀내었다. 더 넓게 보면, 이러한 발견은 개별 성장판(epiphyseal plates)의 활동을 제어하여, 뼈 형태의 다양성을 촉진하는 진화적 메커니즘을 시사한다.
"진화적"이라는 단어와 "메커니즘"이라는 단어가 같이 쓰이는 것은 이상하다. 전자는 목적이 없고, 지시되지 않은, 무작위적 과정을 의미하지만, 후자는 어떤 목적을 위해 조직되어 있는 것을 의미하기 때문이다. 실제로 뼈의 성장에는 어떤 목적을 위한 기능이 들어있다. 바로 뼈와 상부구조의 비율을 일정하게 유지하는 것이다. 이를 달성하기 위한 메커니즘은 두 성장판이 서로 "대화"하고, 성장 속도를 지속적으로 조절하여, 구조가 흔들리지 않도록 해야 한다는 것을 의미한다.
하지만 그것만으로는 충분하지 않다. 구조는 약간씩 이동해야 한다. 그렇지 않으면 끝이 길어지면서 중심부에 더 가까워지기 때문이다. 이동은 구조가 안쪽 뼈를 용해하고 바깥쪽 뼈를 다시 성장시킴으로써 이루어진다. 이렇게 하여 두 구조 사이의 비율은 초기 배아기부터 성인기까지 유지된다.
.이 기사에 대한 짧은 동영상을 클릭하여 시청해보라.
등척성 성장을 달성하는 데 필요한 제어 수준은 ‘한 요소도 제거 불가능한 복잡성(irreducible complexity, 환원 불가능한 복잡성)’과 계층적 제어를 의미한다. 분명히 이러한 제어는 신체 부위마다 다르다. 예를 들어, 그들은 "앞다리 뼈는 팔꿈치 관절에서 멀어지는 경향이 있는 반면, 뒷다리 뼈는 무릎 관절 쪽으로 자라는 경향이 있다"면서, 이전 연구 결과를 지적하고 있었다. 그들은 진화론자임에도 불구하고, 이러한 메커니즘이 진화했다는 증거는 없다고 인정하고 있었다.
이러한 연구 결과와 우리의 연구 결과는 각 성장판의 특정 활동을 조절하는 추가적인 메커니즘이 존재함을 분명히 시사한다. 흥미롭게도, 이러한 연구 중 일부는 쥐, 돼지, 토끼, 병아리, 인간과 같은 다른 모델 동물들을 대상으로 수행되었는데, 이는 장골(long bones)의 비대칭적 성장이 종 전체에서 진화적으로 보존되었음을 시사한다.
그들의 결론을 목적이 없는 우연한 무작위적 돌연변이와 자연선택 과정을 포함하는 신다윈주의 메커니즘에 통합할 수 있을까? 그들의 입장에서 그 결과를 진화론적으로 설명해볼 수 있는 방법을 상상해 보라.
본 연구에서는 성장 중 장골의 종방향 성장(longitudinal scaling)이 등척성(isometric)을 보인다는 사실을 밝혀냈다. 새롭게 개발된 알고리즘을 사용하여, 초기 배아 단계에서 성숙 단계까지 장골의 형태발생 순서를 최초로 복원했다. 이러한 데이터를 통해 각 성장판의 특정 활동과 골간을 따라 대칭성 파괴 요소의 이동 패턴을 정확하게 평가할 수 있었다. 이러한 분석을 바탕으로, 각 뼈의 종방향 성장 패턴이 등척성을 유지하도록 조절된다는 결론을 내렸다. 성장 균형이 요소의 위치를 보호하려는 지속적인 경향은 대칭성 파괴 요소가 성장판의 차등적 활동을 조절하는 메커니즘에 관여함을 강력하게 시사한다.
그들의 말에는 설계라는 의미가 숨겨져 있다. "패턴은… 조정된다", "대칭을 깨는 요소들이 활동을 조절하는 메커니즘에 관여한다"라고 말하고 있었다. 하지만 뼈 한쪽 끝의 성장판에서 발생한 우연한 돌연변이가 다른 쪽 끝의 성장판 조절에 어떻게 영향을 미칠 수 있을까? 한 구조의 드리프트에 대칭을 깨는 돌연변이가 다른 구조의 조화로운 결과에 어떻게 영향을 미칠 수 있을까? 그리고 어떻게 뼈와 그 상부구조의 성장에 작용하는 모든 역동적인 요소들을 단순한 우연으로 조율하여, 모든 근육, 힘줄, 인대가 제자리에 부착되어, 다리나 팔이 실제로 기능하는 성인 뼈를 만들어낼 수 있을까? 헤켈이 그 배아들을 그렸을 때, 그는 자신이 무엇을 지나치게 단순화하고 있는지, 전혀 알지 못했다!
PLOS Biology 지에 게재된 동반 기사('Make No Bones about It: Long Bones Scale Isometrically')에서 과학부 기자인 케이틀린 세드윅(Caitlin Sedwick)은 또 다른 흥미로운 발견을 언급했다.
예상치 못하게, 저자의 분석은 몇몇 요소가 드리프트 하는 반면에, 나머지는 그렇지 않다는 것을 보여주었다. 사실, 연구자들은 각 뼈에 대한 횡단면을 그 평면의 양쪽 끝까지의 거리 비율이 각 끝에서의 성장률 비율과 같아지는 위치에 그릴 수 있다는 것을 발견했다(그림 1, 상단 패널). 이 "고정면(fixed plane)"은 항상 드리프트 하지 않는 요소 근처에 있으며, 이 평면에서 상당히 멀리 떨어진 요소만 드리프트의 증거를 보인다. 그러나 고정면의 위치와 그에 따른 요소와의 관계(뼈에서 요소의 상대적 위치를 유지하는 데 필요한 드리프트 량을 예측함)는 뼈 끝에서의 성장률 비율이 변경되면, 발달 중에 이동한다.
따라서 "고정면"은 반드시 조절되어야 하는 또 다른 요소인 것이다. 두 성장판과 고정면은 함께 조절되어, 드리프트를 최소화하고, 등척성 크기 조정을 유지하는 데 필요한 에너지를 최적화하고 있다.
여기서 분명해 보이는 것은 최상위 제어를 통해 작동하는 포괄적인 설계 계획이다. 이 과정은 원하는 최종 지점을 예측하고, 신체 계획부터 세포 기계에 이르기까지, 여러 단계의 모든 활동들을 조율하여 이를 달성해야 한다. 이러한 메커니즘은 자율적으로 작동되도록 프로그래밍되어 일어날 수는 있지만, 예지력이 없는 자연적인 무작위적 과정으로는 실현될 수 없다.
*참조 : ▶ 경이로운 인체 구조 - 몸
https://creation.kr/Topic104/?idx=6558262&bmode=view
▶ 경이로운 인체 구조 – 눈
https://creation.kr/Topic104/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6558155&t=board
▶ 경이로운 인체 구조 - 코
https://creation.kr/Topic104/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6558145&t=board
▶ 한 요소도 제거 불가능한 복잡성
https://creation.kr/Topic101/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6405309&t=board
▶ 지적설계론
https://creation.kr/Topic501/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6790521&t=board
출처 : CEH, 2025. 8. 16.
주소 : https://crev.info/2025/08/enst-growing-a-bone-requires-foresight/
번역 : 미디어위원회
뼈의 성장에는 예지력이 필요하다.
(ENST : Growing a Bone Requires Foresight)
David F. Coppedge
뼈가 성장함에 따라 부착 지점에 맞춰 뼈가 정렬되는 것은 결코 간단한 공학적 과업이 아니다.
긴 뼈가 자라는 모습을 상상해 보라. 다리뼈라고 가정해 보자. 다리뼈의 길이를 따라 근육과 인대가 부착되는 지점이 있다. 뼈의 3분의 1지점에 돌출부가 생겨나는 것을 상상해 보라. 뼈가 한쪽 끝에서만 자라면 3분의 1지점에서 돌출된 부분에 근육이나 인대가 부착되는 것에 문제가 일어날 수 있다. 뼈가 양쪽 끝으로만 자라면, 같은 문제가 발생할 수 있다.
뼈는 성장하면서 길이 방향의 구조를 적절한 비율로 유지하는 방법을 어떻게 "알고" 있을까? 이스라엘 과학자 팀이 PLOS Biology 지에 발표한 한 논문에서 이 문제를 연구했다.
양방향 신장(elongation)은 뼈 성장의 보편적인 메커니즘이지만, 그럼에도 불구하고 뼈 형태 형성에 큰 난제를 야기시킨다. 각 장골의 독특한 형태에 대한 근본적인 특징은 다양한 모양과 크기의 돌출부들이 뼈의 바깥쪽을 따라 흩어져 있어서 형태학적 대칭성을 깨뜨리고 있다는 것이다. 뼈의 융기부, 결절, 오목 등으로 알려진 이러한 구조들은 힘줄과 인대의 부착뿐만 아니라, 관절 형성에도 필수적이다. 이러한 기능을 수행하기 위해 힘줄과 인대는 뼈의 특정 지점에 위치한다. 뼈 상부구조(superstructure)는 초기 골형성 과정에서 나타난다. 성장 과정에서 두 성장판이 상부구조에서 멀어지면서, 뼈는 광범위하게 신장된다. 따라서 신장 과정에서 상부구조는 뼈 중앙 근처의 원래 위치에 유지될 것으로 예상된다. 그럼에도 불구하고 최종 결과는 성숙한 뼈를 따라 상부구조가 적절하게 확산되는 것이며, 이는 상부구조의 위치를 교정하는 형태 형성 메커니즘이 존재함을 분명히 시사한다.
다시 말해, 뼈는 결국 적절한 비율을 갖게 되는데, 어떻게 그렇게 되는 것일까? 연구팀은 뼈 성장이 등척성(isometric, same-measure)인지, 아니면 상대성장(allometric, other-measure)인지 알고 싶어했다. 등척성인 경우, 뼈의 비율은 성장기간 동안 유지되어야 한다. 상대성장인 경우, 비율은 성장 말기에 적절한 위치로 수렴해야 한다. 연구팀은 그 결과와 의미에 놀랐다.
분석 결과 놀랍게도, 뼈를 따라 모든 상부구조의 상대적 위치는 길이가 5배 이상 증가하는 동안 매우 잘 보존되어 등척성 스케일링을 나타냄을 보여주었다. 발달하는 동안 뼈 상부구조가 지속적으로 재구성되고 축(shaft)을 따라 재배치되는데, 이 과정을 드리프트(drift, 이동)라고 한다. 놀랍게도 우리의 결과는 대부분의 상부구조가 전혀 드리프트되지 않았다는 것을 보여주었다. 대신, 우리는 뼈 크기조정(scaling)을 위한 새로운 메커니즘을 발견했는데, 이는 각 뼈가 근위 및 원위 성장 속도 간에 특정하고 고유한 균형을 나타내어 상부구조의 상대적 위치를 정확하게 유지하고 있었다. 게다가, 우리는 이 메커니즘이 모든 상부구조의 누적 드리프트를 최소화하여, 크기조정 과정을 최적화함을 수학적으로 보여주었다. 우리의 연구는 발달 중인 뼈의 크기조정을 위한 일반적인 메커니즘을 밝혀내었다. 더 넓게 보면, 이러한 발견은 개별 성장판(epiphyseal plates)의 활동을 제어하여, 뼈 형태의 다양성을 촉진하는 진화적 메커니즘을 시사한다.
"진화적"이라는 단어와 "메커니즘"이라는 단어가 같이 쓰이는 것은 이상하다. 전자는 목적이 없고, 지시되지 않은, 무작위적 과정을 의미하지만, 후자는 어떤 목적을 위해 조직되어 있는 것을 의미하기 때문이다. 실제로 뼈의 성장에는 어떤 목적을 위한 기능이 들어있다. 바로 뼈와 상부구조의 비율을 일정하게 유지하는 것이다. 이를 달성하기 위한 메커니즘은 두 성장판이 서로 "대화"하고, 성장 속도를 지속적으로 조절하여, 구조가 흔들리지 않도록 해야 한다는 것을 의미한다.
하지만 그것만으로는 충분하지 않다. 구조는 약간씩 이동해야 한다. 그렇지 않으면 끝이 길어지면서 중심부에 더 가까워지기 때문이다. 이동은 구조가 안쪽 뼈를 용해하고 바깥쪽 뼈를 다시 성장시킴으로써 이루어진다. 이렇게 하여 두 구조 사이의 비율은 초기 배아기부터 성인기까지 유지된다.
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등척성 성장을 달성하는 데 필요한 제어 수준은 ‘한 요소도 제거 불가능한 복잡성(irreducible complexity, 환원 불가능한 복잡성)’과 계층적 제어를 의미한다. 분명히 이러한 제어는 신체 부위마다 다르다. 예를 들어, 그들은 "앞다리 뼈는 팔꿈치 관절에서 멀어지는 경향이 있는 반면, 뒷다리 뼈는 무릎 관절 쪽으로 자라는 경향이 있다"면서, 이전 연구 결과를 지적하고 있었다. 그들은 진화론자임에도 불구하고, 이러한 메커니즘이 진화했다는 증거는 없다고 인정하고 있었다.
이러한 연구 결과와 우리의 연구 결과는 각 성장판의 특정 활동을 조절하는 추가적인 메커니즘이 존재함을 분명히 시사한다. 흥미롭게도, 이러한 연구 중 일부는 쥐, 돼지, 토끼, 병아리, 인간과 같은 다른 모델 동물들을 대상으로 수행되었는데, 이는 장골(long bones)의 비대칭적 성장이 종 전체에서 진화적으로 보존되었음을 시사한다.
그들의 결론을 목적이 없는 우연한 무작위적 돌연변이와 자연선택 과정을 포함하는 신다윈주의 메커니즘에 통합할 수 있을까? 그들의 입장에서 그 결과를 진화론적으로 설명해볼 수 있는 방법을 상상해 보라.
본 연구에서는 성장 중 장골의 종방향 성장(longitudinal scaling)이 등척성(isometric)을 보인다는 사실을 밝혀냈다. 새롭게 개발된 알고리즘을 사용하여, 초기 배아 단계에서 성숙 단계까지 장골의 형태발생 순서를 최초로 복원했다. 이러한 데이터를 통해 각 성장판의 특정 활동과 골간을 따라 대칭성 파괴 요소의 이동 패턴을 정확하게 평가할 수 있었다. 이러한 분석을 바탕으로, 각 뼈의 종방향 성장 패턴이 등척성을 유지하도록 조절된다는 결론을 내렸다. 성장 균형이 요소의 위치를 보호하려는 지속적인 경향은 대칭성 파괴 요소가 성장판의 차등적 활동을 조절하는 메커니즘에 관여함을 강력하게 시사한다.
그들의 말에는 설계라는 의미가 숨겨져 있다. "패턴은… 조정된다", "대칭을 깨는 요소들이 활동을 조절하는 메커니즘에 관여한다"라고 말하고 있었다. 하지만 뼈 한쪽 끝의 성장판에서 발생한 우연한 돌연변이가 다른 쪽 끝의 성장판 조절에 어떻게 영향을 미칠 수 있을까? 한 구조의 드리프트에 대칭을 깨는 돌연변이가 다른 구조의 조화로운 결과에 어떻게 영향을 미칠 수 있을까? 그리고 어떻게 뼈와 그 상부구조의 성장에 작용하는 모든 역동적인 요소들을 단순한 우연으로 조율하여, 모든 근육, 힘줄, 인대가 제자리에 부착되어, 다리나 팔이 실제로 기능하는 성인 뼈를 만들어낼 수 있을까? 헤켈이 그 배아들을 그렸을 때, 그는 자신이 무엇을 지나치게 단순화하고 있는지, 전혀 알지 못했다!
PLOS Biology 지에 게재된 동반 기사('Make No Bones about It: Long Bones Scale Isometrically')에서 과학부 기자인 케이틀린 세드윅(Caitlin Sedwick)은 또 다른 흥미로운 발견을 언급했다.
예상치 못하게, 저자의 분석은 몇몇 요소가 드리프트 하는 반면에, 나머지는 그렇지 않다는 것을 보여주었다. 사실, 연구자들은 각 뼈에 대한 횡단면을 그 평면의 양쪽 끝까지의 거리 비율이 각 끝에서의 성장률 비율과 같아지는 위치에 그릴 수 있다는 것을 발견했다(그림 1, 상단 패널). 이 "고정면(fixed plane)"은 항상 드리프트 하지 않는 요소 근처에 있으며, 이 평면에서 상당히 멀리 떨어진 요소만 드리프트의 증거를 보인다. 그러나 고정면의 위치와 그에 따른 요소와의 관계(뼈에서 요소의 상대적 위치를 유지하는 데 필요한 드리프트 량을 예측함)는 뼈 끝에서의 성장률 비율이 변경되면, 발달 중에 이동한다.
따라서 "고정면"은 반드시 조절되어야 하는 또 다른 요소인 것이다. 두 성장판과 고정면은 함께 조절되어, 드리프트를 최소화하고, 등척성 크기 조정을 유지하는 데 필요한 에너지를 최적화하고 있다.
여기서 분명해 보이는 것은 최상위 제어를 통해 작동하는 포괄적인 설계 계획이다. 이 과정은 원하는 최종 지점을 예측하고, 신체 계획부터 세포 기계에 이르기까지, 여러 단계의 모든 활동들을 조율하여 이를 달성해야 한다. 이러한 메커니즘은 자율적으로 작동되도록 프로그래밍되어 일어날 수는 있지만, 예지력이 없는 자연적인 무작위적 과정으로는 실현될 수 없다.
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출처 : CEH, 2025. 8. 16.
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번역 : 미디어위원회