생물학의 대칭성

Symmetry in biology
"자연의 대칭성"은 여기서 수정된다.물리학의 대칭성에 대해서는 대칭(물리학)을 참조하십시오.화학의 대칭성에 대해서는 분자 대칭을 참조하십시오.
다른 용도는 대칭(동음이의)을 참조하십시오.
비대칭, 방사형 및 양쪽 신체 계획을 포함하여 가능한 신체 대칭의 범위를 보여주는 동물 선택
양대칭(Drosophila), 방사상(actinomative flower), 구형(occus 박테리아)의 차이를 나타내는 그림

생물학에서 대칭은 식물, 동물, 곰팡이, 박테리아를 포함한 유기체에서 관찰되는 대칭을 말한다.외적 대칭은 유기체를 보는 것만으로 쉽게 알 수 있다.예를 들어, 대칭면을 중심으로 한 인간의 얼굴이나 뚜렷한 대칭 나선형 패턴을 가진 솔방울을 예로 들 수 있습니다.내부 특징도 대칭을 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 인체 내의 튜브(가스, 영양소 및 폐기물 운반 담당)는 원통형이며 여러 개의 대칭면을 가지고 있습니다.

생물학적 대칭은 유기체의 몸 안에서 중복된 신체 부위나 형상의 균형 잡힌 분포로 생각될 수 있다.중요한 것은 수학과는 달리 생물학의 대칭은 항상 근사하다는 것입니다.예를 들어, 식물의 잎은 대칭으로 간주되지만 반으로 접었을 때 정확히 일치하는 경우는 거의 없습니다.대칭은 반사 또는 회전에 의해 패턴 요소가 거의 반복되는 패턴의 한 종류입니다.

스펀지와 플라코조아는 대칭을 보이지 않는 두 그룹의 동물을 나타내지만(즉, 비대칭) 대부분의 다세포 유기체의 신체 계획은 어떤 형태의 대칭을 나타내며 이에 의해 정의된다.차체 계획에서 가능한 대칭의 종류는 몇 가지뿐입니다.이것들은 방사형(원통형), 양대칭,[1] 쌍대칭 및 구대칭입니다.바이러스를 "기관"으로 분류하는 것은 논란의 여지가 있지만, 바이러스는 또한 정십면체 대칭을 포함한다.

대칭의 중요성은 동물 집단이 전통적으로 분류학적 집단에서 이 특징에 의해 정의되었다는 사실에 의해 설명된다.반지름 대칭을 가진 동물인 Radiata는 조르주 쿠비에르가 동물 [2][3][4]왕국을 분류하는 네 가지 분기 중 하나를 형성했다.한편, 빌라테리아는 여전히 태아의 좌우대칭을 가진 유기체를 나타내기 위해 사용되는 분류학적 그룹이다.

반지름 대칭

"방사 대칭"은 여기서 리다이렉트됩니다.수학의 반지름 대칭은 회전 대칭을 참조하십시오.

반지름 대칭을 가진 유기체는 중심축을 중심으로 반복되는 패턴을 보여주며, 중심점을 통과할 때 파이 조각처럼 여러 개의 동일한 조각으로 분리될 수 있습니다.일반적으로 축을 중심으로 신체 부위 4, 5, 6, 또는 8회 반복을 수반합니다. 즉, 각각 4중전증, 5중전증, 6중전증 및 8중전증이라고 합니다.이러한 유기체는 왼쪽이나 오른쪽은 없지만 윗면과 아랫면, 앞면과 뒷면은 있다.

George Cuvier는 방사상 대칭을 가진 동물들을 분류했는데, 이것은 현재 일반적으로 하나의 공통 조상(다계통군)[5][4][6]을 공유하지 않는 다른 동물 식물의 집합체로 받아들여지고 있다.대부분의 반지름 대칭 동물은 입을 포함하는 구강 표면의 중심에서 반대쪽 끝의 중심까지 연장되는 축을 중심으로 대칭을 이룬다.Cnidaria와 Ekinodermata의 동물들은 일반적으로 반경 [7]대칭을 나타내지만, Cnidaria 내의 많은 말미잘과 일부 산호는 단일 구조인 siphonoglyph에 [8]의해 정의되는 양쪽 대칭을 가지고 있다.방사대칭은 특히 말미잘, 해파리 같은 떠다니는 동물, 불가사리와 같은 느리게 움직이는 유기체에게 적합하다. 반면, 양쪽 대칭은 유선형의 몸을 만들어냄으로써의 이동을 선호한다.

많은 꽃들은 또한 반지름 대칭이거나 "동형"이다.꽃잎, 꽃받침, 수술과 같은 대략 동일한 꽃 구조물은 꽃의 축을 중심으로 일정한 간격으로 발생하는데, 꽃받침은 종종 여성의 생식 기관으로, 꽃의 꽃잎, 스타일, [9]오명을 포함하고 있다.

백합꽃은 꽃의 축 주위에 반복되는 부분이 배열된 육각화를 나타낸다.

반지름 대칭의 하위 유형

Aurelia merginalis와 같은 몇몇 해파리는 4배 방사대칭의 사구체증을 보인다.이는 해파리의 반투명 몸통으로 보이는 네 개의 생식선이 존재하기 때문에 해파리를 보면 바로 알 수 있다.이 반지름 대칭은 해파리가 모든 방향에서 오는 자극(주로 음식과 위험)을 감지하고 이에 반응할 수 있도록 하는 데 생태학적으로 중요하다.

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가로로 자른 사과로 펜타미즘이 과일에도 발생함을 알 수 있다

꽃을 피우는 식물들은 꽃과 열매에서 5배 대칭, 즉 5배 대칭을 보인다.이는 사과에 5개의 카르펠(씨주머니)을 가로로 자르면 쉽게 알 수 있다.동물 중에서는 성충, 성게, 백합 같은 극피동물만이 5개의 팔이 입 주위에 배치되어 있다.그러나 양면동물인 그들은 처음에 거울 대칭을 유충으로 하여 발달하다가 나중에 [10]오각 대칭을 얻는다.

헥사머리즘은 대칭에 따라 두 그룹으로 나뉘는 산호류와 말미잘류(안토조아강)에서 발견된다.헥사코랄리아 아강에서 가장 흔한 산호는 육각형 몸매를 가지고 있으며, 용종은 6배의 내부 대칭과 6의 배수인 다수의 촉수를 가지고 있습니다.

옥타미즘은 옥토코랄리아 아강의 산호에서 발견된다.이것들은 8개의 촉수와 8개의 미국 반지름 대칭을 가진 용종을 가지고 있다.그러나 문어는 팔 8개에도 불구하고 좌우 대칭을 가지고 있다.

삼륜대칭은 에디아카라 후기 삼륜대에 존재했다.

이십면체 대칭

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위장염 바이러스는 정십면체 대칭을 가지고 있다

정십면체 대칭은 20개의 면, 각각 정삼각형, 12개의 모서리에 의해 생성된 60개의 서브유닛을 포함하는 유기체에서 발생합니다.20면체 안에는 2배, 3배, 5배 대칭이 있다.개 파르보바이러스를 포함한 많은 바이러스들은 20면체 바이러스 껍질의 존재로 인해 이러한 대칭의 형태를 보인다.이러한 대칭은 바이러스 입자가 제한된 수의 구조 단백질로 구성된 반복적인 소단위들로 구성되도록 허용하기 때문에 진화해 왔고, 따라서 바이러스 게놈의 공간을 절약한다.20면체 대칭은 60개 이상의 서브유닛으로 여전히 유지될 수 있지만, 60개의 인수에서만 유지됩니다.예를 들어 T=3 토마토 부쉬 스턴트 바이러스는 60x3 단백질 서브유닛(동일한 구조 [11][12]단백질의 180개 복사본)을 가지고 있습니다.이 바이러스들은 종종 '구형'이라고 불리지만, 진정한 수학적인 구면 대칭을 보여주지는 않는다.

20세기 초, 에른스트 해켈은 여러 종류의 Radiolaria를 묘사했다(Haeckel, 1904).그 중 일부는 다양한 일반 다면체와 같은 모양을 하고 있다.예를 들어 Circoporus ocaheedrus, Circogonia icosaheedra, Rithocubus geometricus, Circorrhegma dodecedra 등이 있습니다.이 생물들의 모양은 그들의 이름에서 분명할 것이다.사면체 대칭은 칼리미트라 아그네스에 존재하지 않는다.

구대칭

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Volvox는 구형의 대칭을 가진 미세한 녹색 민물 조류이다.어린 군락은 더 큰 군락 안에서 볼 수 있다.

구면대칭은 몸을 통해 무한하거나 크지만 유한한 수의 대칭축을 그릴 수 있는 능력으로 특징지어진다.이것은 만약 유기체의 중심을 관통하는 어떤 절단도 통해 두 개의 동일한 반으로 잘릴 수 있다면 구면 대칭이 유기체에서 일어난다는 것을 의미한다.진정한 구면대칭은 동물의 [1]신체도면에서는 발견되지 않는다.대략적인 구면 대칭을 보이는 유기체에는 민물녹조 [7]Volvox가 포함된다.

박테리아는 종종 '구형'을 가진 것으로 언급된다.세균은 모양에 따라 구균, 막대형, 스피로헤테스 등 3가지로 분류된다.실제로, 박테리아 세포는 구부러지고, 구부러지고, 평평해지고, 타원형의 구상체 및 더 많은 [13]모양을 가질 수 있기 때문에 이것은 심각한 과잉 단순화이다.구균(단일 세포일 경우 구균)으로 간주되는 엄청난 수의 박테리아 때문에, 이 모든 박테리아가 진정한 구면 대칭을 보일 가능성은 거의 없습니다.유기체를 쉽게 묘사하기 위해 '구형'이라는 단어의 일반화된 사용과 구면 대칭의 진정한 의미 사이에서 구별하는 것이 중요하다.바이러스의 설명에서도 같은 상황이 나타난다.「구면」바이러스는, 반드시 구형의 대칭을 나타내는 것은 아니고, 통상은 20면체이다.

좌우 대칭

"양쪽 대칭"은 여기서 리다이렉트됩니다.수학의 좌우 대칭에 대해서는 반사 대칭을 참조하십시오.
주요 기사: 빌라테리아

양쪽 대칭을 가진 유기체는 좌우 대칭의 단일 평면인 시상면을 포함하고 있으며, 이것은 유기체를 대략적인 반사 대칭인 두 개의 거울 이미지로 나눕니다.

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작은 황제 나방인 새터니아 파보니아는 양쪽 대칭이 있는 데미메틱 패턴을 보여준다.
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벌난초의 꽃은 좌우대칭이다(Zygomorphic.꽃의 입술은 암컷 벌의 (양쪽 대칭인) 복부와 유사하다; 수벌이 짝짓기를 시도할 때 수분작용이 일어난다.

좌우 대칭을 가진 동물들은 모든 동물의 99%를 포함하는 빌라테리아라고 불리는 큰 그룹으로 분류된다.모든 양면체계는 일부 비대칭적인 특징을 가지고 있다. 예를 들어, 인간의 심장과 간은 외부 양쪽 [14]대칭을 가지고 있음에도 불구하고 비대칭적으로 배치되어 있다.

양자의 좌우대칭은 많은 유전자의 발현으로 인해 발달하는 복잡한 특성이다.양면체에는 두 개의 극성 축이 있습니다.첫 번째 축은 머리나 입에서 꼬리 또는 유기체의 다른 끝으로 이어지는 상상의 축으로 시각화할 수 있는 전후(AP) 축이다.두 번째는 AP [15][1]축에 수직으로 이어지는 등쪽 배(DV) 축입니다.개발 중에 AP 축은 항상 두 번째 초기 축으로 알려진 DV[16] 축 앞에 지정됩니다.AP축은 양면체 극성을 정의하고 유기체의 방향을 제시하기 위해 앞뒷면을 발달시키는 데 필수적입니다.앞부분은 몸의 다른 부분보다 먼저 환경과 마주치기 때문에 눈 등의 감각기관이 모여 있는 경향이 있습니다.이곳은 또한 입이 음식을 처음 접하는 부위이기 때문에 입이 생기는 곳이기도 하다.그래서 중추신경계와 연결된 감각기관을 가진 뚜렷한 머리가 [17]발달하는 경향이 있다.이러한 발달 패턴(머리와 꼬리가 구별됨)을 두부화라고 합니다.또한 AP 축의 개발이 이동에 중요하다고 주장되고 있다. 즉, 좌우 대칭은 차체에 고유의 방향을 부여하고 능률화를 통해 항력을 줄일 수 있다.

동물 외에도, 몇몇 식물의 꽃들은 양쪽 대칭을 보인다.이러한 식물은 zygomorphic이라고 불리며 난초과(Orchidaceae)와 완두과(Fabaceae) 그리고 대부분의 무화과(Scropulariaceae)[18][19]를 포함한다.식물의 잎은 또한 일반적으로 대략적인 좌우 대칭을 보여준다.

이원 대칭

비라디얼 대칭은 양쪽 대칭과 방사 대칭의 형태학적 특징(내부 또는 외부)을 보여주는 유기체에서 발견된다.많은 평면을 따라 균등하게 나눌 수 있는 반지름 대칭의 유기체와 달리, 2개의 평면을 따라 균등하게 절단될 수 있다.이것은 반지름 대칭 [20]조상으로부터의 좌우 대칭 진화의 중간 단계를 나타낼 수 있다.

가장 뚜렷한 이원대칭을 가진 동물군은 ctenophore이다.ctenophore에서 대칭의 두 평면은 (1) 촉수의 평면과 (2) [1]인두의 평면이다.이 그룹 외에도, '완벽히 방사형' 담수 폴립 히드라(cnidarian)에서 비라디얼 대칭에 대한 증거가 발견되었다.비라디얼 대칭은 특히 내부 및 외부 특징을 모두 고려할 때 원래 설명했던 것보다 더 [21]일반적입니다.

대칭의 진화

유기체의 모든 특성처럼, 대칭은 유기체의 이점, 즉 자연선택의 과정으로 인해 진화한다.이것은 시간이 지남에 따라 대칭과 관련된 유전자의 빈도의 변화를 수반한다.

식물의 대칭성 진화

초기 개화식물은 방사상 대칭인 꽃을 가지고 있었지만 그 이후로 많은 식물들이 좌우 대칭인 꽃을 진화시켰다.양쪽 대칭의 진화는 CYClOIDEA 유전자의 발현에 기인한다.CYClOIDEA 유전자 패밀리의 역할에 대한 증거는 요골대칭으로의 복귀를 야기하는 이들 유전자의 돌연변이로부터 온다.CYLOIDEA 유전자는 다른 유전자의 발현을 조절하는 단백질인 전사인자를 암호화한다.이것은 그들의 표현이 [22][23]대칭과 관련된 발달 경로에 영향을 미칠 수 있게 한다.예를 들어, 꽃줄기의 등쪽 영역에서 초기 발달 중에 CYClOIDEA가 발현되고 나중에 등쪽 꽃잎에서 계속 발현되어 크기와 모양을 조절한다.방사대칭 꽃이 좌우대칭 [24]꽃으로 이행하는 데는 전문 꽃가루 매개자의 진화가 한 몫을 할 것으로 생각된다.

동물에서의 대칭의 진화

대칭은 종종 동물의 진화에서 선택된다.비대칭은 종종 개발 중 결함 또는 평생에 걸친 부상을 나타내는 부적격의 징후이기 때문에 이는 놀라운 일이 아니다.이것은 일부 종의 암컷이 매우 대칭적인 특징을 가진 수컷을 선택하는 짝짓기 기간 동안 가장 뚜렷하게 나타납니다.예를 들어, 얼굴 대칭은 인간의 [25]매력에 대한 인간의 판단에 영향을 미친다.또한 암컷 제비는 성충이 긴 꼬리줄기를 가지고 있으며 가장 대칭적인 [26]꼬리를 가진 수컷과 짝짓기를 선호한다.

대칭이 선택되고 있는 것으로 알려져 있는 반면, 동물에서 다른 형태의 대칭의 진화 역사는 광범위한 논쟁의 영역이다.전통적으로 양쪽 동물은 방사형 조상으로부터 진화했다고 주장되어 왔다.반지름 대칭을 가진 동물을 포함하는 문인 Cnidarians는 양악류와 가장 밀접한 관련이 있는 그룹이다.Cnidarians는 구조를 정의한 것으로 여겨지는 두 개의 초기 동물 그룹 중 하나이며, 두 번째는 ctenophore이다.Ctenophore는 반지름 [27]대칭에서 양쪽 대칭의 진화에 있어 중간 단계를 나타낸다는 암시로 이어지는 이원 대칭을 보여준다.

형태학에만 기초한 해석은 대칭의 진화를 설명하기에 충분하지 않다.cnidarians와 bilateria의 다른 대칭에 대해 두 가지 다른 설명이 제안된다.첫 번째 제안은 조상 동물이 다른 진화적 혈통으로 분리되기 전에는 대칭이 없었다는 것이다.반지름대칭은 척추대칭에서, 좌우대칭은 좌우대칭에서 진화했을 수 있다.또는 두 번째 제안은 cnidarians와 bilaterians의 조상은 cnidarians가 진화하기 전에 양쪽 대칭을 가지고 있었고 반지름 대칭을 가짐으로써 달라졌다는 것이다.두 가지 가능한 설명이 모두 검토되고 있고 증거는 계속해서 논쟁을 부채질하고 있다.

비대칭성

비대칭은 일반적으로 부적합과 관련이 있지만, 일부 종은 중요한 적응으로 비대칭으로 진화했습니다.포리페라 문(sponges)의 많은 구성원들은 대칭이 없지만, 일부는 반지름 [28]대칭이다.

그룹/종 비대칭 기능 적응형 이점
올빼미 몇 마리[29] 귀의 크기와 위치 부엉이가 먹잇감의 위치를 더 정확하게 파악할 수 있도록 해줍니다.
광어[30] 양쪽 눈이 같은 쪽에 있고 한쪽에서 쉬면서 헤엄쳐라(바다의 모래 바닥과 어우러져라)
비늘을 먹는 시클리드 페리소더스 마이크로레피스[31] 입과 턱의 비대칭 먹이에서 비늘 제거에 더 효과적
인간[32][33][34] 왼쪽 폐와 같은 장기의 손놀림 및 내부 비대칭성이 오른쪽 폐보다 작습니다. 손재주는 인간 뇌의 비대칭을 반영하는 적응이다.내부 비대칭은 기능 시스템의 위치 결정과 생성에 기여합니다.
상세 정보:외부 비대칭을 특징으로 하는 동물 목록
  • Head of a male crossbill showing asymmetrical upper and lower beak

    수컷 가로새의 머리가 비대칭 상·하부리를 나타남

  • A winter flounder, a type of flatfish, with both eyes on the same side of its head

    넙치의 일종으로 양쪽 눈이 같은 머리 쪽에 있는 광어

  • Hermit crabs have different sized claws

    소라게는 다른 크기의 발톱을 가지고 있다.

  • A Roman snail and its helical shell

    로마 달팽이와 그 나선형 껍질

  • Chicoreus palmarosae, a sea snail, illustrating asymmetry, which is seen in all gastropods in the form of a helical shell

    모든 복족동물에서 볼 수 있는 비대칭성을 나타내는 골뱅이인 팔마로새과

  • A red slug, clearly showing the pneumostome

    붉은 민달팽이로 기흉이 뚜렷하게 보입니다

  • Illustration of adult caribou in profile.

    수컷 순록은 보통 한쪽[35] 눈썹이 삽 모양으로 납작하다

대칭 파괴

이러한 비대칭 특성이 존재하려면 식물과 동물 모두에서 개발 중에 대칭이 깨지는 과정이 필요하다.대칭 깨짐은 우리가 관찰한 해부학적 비대칭을 생성하기 위해 몇 가지 다른 수준에서 발생합니다.이 수준들은 비대칭 유전자 발현, 단백질 발현, 세포의 활동을 포함한다.

예를 들어, 포유류의 좌우 비대칭은 생쥐의 배아에서 광범위하게 연구되어 왔다.이러한 연구는 결절 흐름 가설을 뒷받침하는 것으로 이어졌다.결절이라고 불리는 배아 영역에는 모두 특정 방향으로 함께 회전하는 작은 털 모양의 구조(모노실리아)가 있다.이것은 신호 분자의 단방향 흐름을 만들어 이러한 신호들이 배아의 한쪽에 축적되고 다른 한쪽에 축적되지 않도록 합니다.이로 인해 각 측면에서 서로 다른 발달 경로가 활성화되고 [36][37]그에 따른 비대칭이 발생한다.

병아리 배아의 왼쪽과 오른쪽에 있는 신호 전달 경로의 개략도, 궁극적으로는 비대칭의 발달로 이어진다.

대칭 파괴의 유전적 근거에 대한 많은 연구가 병아리 배아를 대상으로 이루어졌다.병아리 배아에서 왼쪽은 왼쪽 구조의 발달을 알리기 위해 PITX2를 활성화시키는 NODAL과 LEFTY2라고 불리는 유전자를 발현합니다.반면 오른쪽은 PITX2를 나타내지 않고 결과적으로 오른쪽 구조를 [38][39]전개한다.보다 완전한 경로가 페이지 측면에 있는 영상에 표시됩니다.

동물의 대칭 파괴에 대한 자세한 내용은 좌우 비대칭 페이지를 참조하십시오.

식물도 비대칭을 보인다.예를 들어, 가장 일반적으로 연구되는 모델 식물인 Arabidopsis의 나선형 성장 방향은 왼손잡이를 보여준다.흥미롭게도, 이 비대칭에 관여하는 유전자는 동물 비대칭의 유전자와 유사합니다.- LEFTY1과 LEFTY2가 모두 역할을 합니다.동물과 같은 방법으로, 식물의 대칭 파괴는 분자(유전자/단백질), 세포하, 세포, 조직 [40]및 장기 수준에서 발생할 수 있습니다.

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생물학적 구조

오리엔테이션 조건

레퍼런스

인용문

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