서 론

경골어류의 청각기관은 포식자 및 먹이 감지, 의사소통 등의 기능을 하며, 생존에 필수적이다(Fay and Popper, 2000). 청각기관 가운데 내이는 소리 감지, 회전 및 평형감각 기능을 하며, 종에 따라 구조와 기능이 다양하다(Ramcharitar et al., 2004). 내이의 구조에 관한 연구는 대서양연어 Salmo salar (Catania et al., 2007), 금붕어 Carassius auratus (Lanford et al., 2000), gray gurnard Eutrigla gurnardus (Ladich and Schulz-Mirbach, 2016) 등에서 보고되었다.

수서생물은 다양한 수중소음에 노출되어 있으며, 높은 수준의 소음에 노출되면 청각 능력의 저하 및 생리적 변화(Park and Yoon, 2017), 내이의 감각모세포 손상(Badlowski and Boyle, 2024) 등이 나타난다. 이러한 영향은 어류의 행동, 먹이 활동 등의 변화를 초래하기 때문에 청각기관의 구조와 기능을 이해하는 것은 중요하다.

가물치 Channa argus는 한국, 중국 등 아시아와 아프리카 일부 지역에 분포하는 육식성 담수어류이다(Herborg et al., 2007). 수중소음으로 인한 행동변화는 양식 가물치(Shin, 1995)에서 보고되었으나 감각기관의 기능조절에 실질적 역할을 하는 청각기관의 미세구조에 대한 연구는 매우 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 가물치 내이의 형태 및 미세해부학적 구조를 광학 및 전자현미경적으로 기재하여 경골어류 청각기 관에 관한 기초정보를 제공하고자 하였다.

재료 및 방법

본 연구에서는 전장 438.3±11.4 mm의 가물치 10개체를 사용하였다. 시료는 계측형질을 측정 후 해부하여 두부 내 내이의 위치를 이미지 촬영하였으며(Fig. 1), 내이를 적출하여 각 구성요소의 길이, 두께 등을 측정하였다(Fig. 2). 광학현미경 조직표본제작은 내이를 적출하여 10% 중성 포르말린에 24시간 고정한 후 반고리관과 이석말단기관을 횡단면으로 절취하여 파라핀 절편법을 통해 두께 2-5 ㎛의 연속절편을 제작하였다. 조직표본은 hematoxylin-0.5% eosin (H-E) 이중염색, Masson 삼중염색과 alcian blue-periodic acid and Schiff’s solution (AB-PAS, pH 2.5) 반응을 실시하였다. 주사전자현미경 관찰을 위해 2.5% glutaraldehyde (0.1M phosphate buffer, pH 7.4)로 고정한 후, 단계별 탈수를 진행하고 임계건조하여 FE-SEM으로 관찰하였다.

결과 및 고찰

가물치의 내이는 두개골 내부에 좌, 우 한 쌍으로 중뇌와 아가미 윗강(suprabranchial chamber) 사이에 위치하였으며 (Fig. 1B), 세 개의 반고리관(semicircular canal)과 세 개의 이석말단기관(otolith end organ)으로 구성되었다(Fig. 2). 금붕어(Lanford et al., 2000), croaking gourami Trichopsis vittata (Ladich and Popper, 2001), bluefin tuna Thunnus thynnus (Song et al., 2006), blue antimora Antimora rostrata (Deng et al., 2011) 등 여러 경골어류에서 내이는 세 개의 반고리관과 세 개의 이석말단기관으로 구성되며, 반고리관과 난형낭으로 구성된 상부 내이(pars superior), 구형낭과 호낭으로 구성된 하부 내이(pars inferior)로 구분되었다. 본 연구에서 가물치 내이의 구성은 보고된 경골어류들과 유사하였다.

반고리관은 투명한 관으로 위치에 따라 전반고리관(anterior semicircular canal), 후반고리관(posterior semicircular canal), 수평반고리관(horizontal semicircular canal)으로 구분되었으며, 각 관의 시작부에는 팽대부(ampulla)가 존재하였다(Fig. 2). 반고리관의 길이는 전반고리관이 81.72±4.42 mm (전장 438.3±11.4 mm)로 가장 길었으며, 수평반고리관이 25.34±2.26 mm (전장 438.3±11.4 mm), 후반고리관이 71.81±2.52 mm (전장 471.85 mm)였다. 반고리관의 두께는 전반고리관이 0.41±0.08 mm (전장 438.3±11.4 mm), 수평반고리관이 0.78±0.06 mm (전장 438.3±11.4 mm), 후반고리관이 0.56±0.13 mm (전장 438.3±11.4 mm)로 수평반고리관이 가장 두꺼웠다. 각 반고리관의 팽대부 두께는 전반고리관이 2.22±0.04 mm (전장 438.3±11.4 mm), 수평반고리관 이 1.86±0.02 mm (전장 438.3±11.4 mm), 후반고리관이 1.61±0.04 mm (전장 438.3±11.4 mm)로 전반고리관에서 가장 두꺼웠다(Table 1). 경골어류 반고리관의 형태와 크기는 어류의 평형감각 기능과 연관이 있는 것으로 알려져 있으나 (Ladich and Schulz-Mirbach, 2016) 관련 연구는 미비하여 추후 연구가 필요할 것으로 생각된다.

반고리관의 조직학적 구조는 내강으로부터 내부상피층, 결합 조직, 외부상피층으로 구성되었다(Fig. 3A). 내부와 외부상피층은 단층의 편평형 상피세포로 이루어져 있었으며, 결합조직은 콜라겐섬유와 섬유세포로 구성되어 있었다(Fig. 3B-D). 반고리관 팽대부에서도 유사한 구조를 보였으나(Fig. 4A), 내부상피층의 일부는 섬모원주형 상피세포들로 구성되었다. 또한, 상피세포의 섬모와 내강의 팽대부마루(cupula)가 연결되어 있었다 (Fig. 4B-D).

경골어류의 반고리관 내부에는 림프액이 존재하며, 팽대부에는 젤라틴성 팽대부마루가 감각상피층의 섬모와 맞닿아 있다(Catania et al., 2007;Popper and Fay, 2011). 경골어류에서 반고리관은 어류의 움직임에 따라 내부 림프액의 유동과 감각상피층의 섬모 자극에 의해 평형감각에 관여하는 것으로 알려져 있다(Popper et al., 2003). 본 연구에서 반고리관의 상피층이 대부분 단층 편평형 상피세포로 구성된 것은 내부 림프액의 흐름을 유지하기 위한 구조적 특징이며, 팽대부에서 관찰된 섬 모원주형 상피세포와 팽대부마루의 연결은 평형감각에 관여하는데 적합한 구조이다.

이석말단기관은 반고리관 하단에 위치하며, 구형낭(saccule), 난형낭(utricle), 호낭(lagena)으로 구성되었다(Fig. 5). 각 낭의 내부에는 이석이 존재하였으며, 크기에 차이가 있었다. 구형낭은 폭 11.21±0.18 mm, 높이 6.90±0.28 mm (전장 438.3±11.4 mm)로 이석말단기관 가운데 가장 컸으며, 난형낭과 호낭의 폭은 각각 3.80±0.12 mm, 3.10±0.08 mm, 높이는 2.48±0.05 mm, 2.08±0.03 mm (전장 438.3±11.4 mm)로 크기가 유사하였다. 이석은 구형낭이석(saccular otolith)의 장경이 9.87± 0.09 mm (전장 438.3±11.4 mm)로 이석 가운데 가장 크고, 난형낭이석(utricular otolith)의 장경은 1.78±0.01 mm (전장 438.3±11.4 mm), 호낭이석(lagenar otolith)의 장경은 2.19± 0.02 mm (전장 438.3±11.4 mm)였다(Table 2).

이석말단기관의 형태와 크기는 어종에 따라 다양하며, 어류의 청각기능에 영향을 미칠 수 있다(Inoue et al., 2013;Kéver et al., 2014;Lin et al., 2019;Schulz-Mirbach et al., 2019;Echreshavi et al., 2021). 이석의 크기는 청각범위와 반비례하는 것으로 알려져 있으며, 해양 메기류인 hardhead catfish Arius felis는 메기과(Ariidae)의 다른 종보다 이석의 크기가 크지만, 청각범위는 50-1,000 Hz로 다른 종들(3,000 Hz 이상)보다 낮게 나타났다(Popper and Tavolga, 1981).

부세 Larimichthys crocea (전장 20-22 cm)의 구형낭이석 장경은 10.0-15.0 mm이며, 500-800 Hz의 청각범위를 갖는다(Zhang et al., 2021). 본 연구의 가물치 구형낭이석은 부세에 비해 크기가 작았으며, 이러한 차이를 통해 가물치가 부세보다 높은 주파수 대역을 가질 것으로 추측된다.

이석낭의 조직학적 구조는 내강으로부터 내부상피층, 결합조직, 외부상피층으로 구성되어 반고리관과 유사하였다. 내부상 피층은 단층으로 원주형 상피세포와 일부 유모세포(hair cell)로 이루어져 있었다(Fig. 6A, B). 유모세포의 섬모다발은 약 23 개의 섬모로 이루어져 있었으며, 섬모는 약 3개의 운동섬모 (3.15±0.43 μm)와 약 20개의 부동섬모(1.21±0.35 μm)로 구분되었다(Fig. 6C, D).

이석말단기관은 청각기능에 관여하는 것으로 알려져 있으며, 각 이석낭 내부의 이석은 젤라틴성 이석막을 통해 감각상피층의 유모세포들과 연결되어 있다(Popper and Fay, 2011). 이러한 구조는 금붕어(Lanford et al., 2000), bluefin tuna T. thynnus (Song et al., 2006) 등의 경골어류와 유사하였다. 경골어류에서 이석의 움직임이 유모세포의 섬모를 자극하여 뇌와 연결된 신경다발을 통해 전달되어 소리를 감지한다(Platt and Popper, 1981). 본 연구에서 가물치 내이의 형태와 미세해부학적 구조는 보고된 경골어류들과 유사하였지만, 청각 감지 메커니즘에 대한 추후 연구가 필요할 것으로 판단된다.