1. 서 론

어류의 후각기관은 일반적으로 주둥이 위에 위치하며 비공 (nostril), 비강 (olfactory cavity), 그리고 후각 상피 (olfactory epithelium)로 구성된다 (Kasumyan 2004). 물이 비공을 통해 후실 (nasal chamber)로 유입되면 물에 포함된 후각 자극은 후각 상피에 있는 후감각뉴런 (olfactory receptor neuron)을 통해 뇌로 전달된다 (Kasumyan 2004). 비공의 위치와 개수, 비경계판 (nasal flap)의 유무, 후판 (olfactory lamellae)의 유무와 개수 등은 서식환경에 따라 차이를 보여 종에 따라 다양성을 띤다 (Zeiske et al. 1992). 이러한 경골어류의 후각은 동종인식, 생식, 자어기의 정착, 방어행동, 그리고 회유와 같은 어류의 생태적인 행동에 중요한 역할을 한다 (Hara 1986;Brown and Brown 1996;Stacey 2003;Kasumyan 2004;Bilodeau and Hay 2022). 이 중 회유는 어류가 일정한 주기를 가지고 계절의 변화에 따라 일정한 바다와 하천을 이동하는 것을 의미하며 왕복 회유성 (diadromous)에는 소하성 (anadromous), 강하성 (catadromous), 양측 회유성 (amphidromous)이 알려져 있다 (McDowall 2001). 소하성 어류는 바다에서 하천으로 산란을 위해 소상하는 어류로 칠성장어과 (Petromyzontidae), 철갑상어과 (Acipenseridae), 일부 청어과 (Clupeidae), 바다빙어과 (Osmeridae), 그리고 연어과 (Salmonidae) 등이 속한다 (Shrimpton 2012). 강하성 어류는 하천에서 바다로 산란을 위해 강하하며 뱀장어과 (Anguillidae), 숭어과 (Mugillidae), 일부 청어과가 해당한다 (Shrimpton 2012). 양측회유성 어류는 하천에서 산란하며 자어 (larvae)가 부화하자마자 바다로 강하하며 유어 (juvenile)가 되면 다시 하천으로 올라와 산란기 전까지 담수에서 서식하는 종들을 일컬으며 일부 망둑어과 (Gobiidae)와 은어 (Plecoglossus altivelis)가 이에 포함된다 (Kim et al. 2005;McDowall 2007). 이와 같은 회유 기작에는 유전적 요인과 유어기 시기에 일어나는 후각 각인이 작용하는 것으로 알려져 있고, 후각은 중요한 각인 요소로써 자어기 때 모천의 냄새를 기억한 후 성체가 되어 소상할 때 이용된다 (Stabell 1984;Keefer and Caudill 2014).

국내 서식하는 소하성 어류는 8목 11과 21속 29종으로 뱅어과 (Salangidae), 일부 망둑어과, 연어과, 황복 (Takifugu obscurus), 황어속 (Tribolodon) 등이 있으나 (Kim 1997), 하천의 인위적인 변형과 댐 축조와 같은 서식환경 단절로 회유가 제한되어 개체군이 감소하는 실정이다 (Kim et al. 2001;Lee et al. 2012;Yun et al. 2021). 이 중 잉어목 (Cypriniformes) 잉어과 (Cyprinidae) 황어아과 (Leuciscinae) 에 속하는 황어 (Tribolodon hakonensis)는 우리나라의 동해와 남해로 흐르는 하천에 서식하며 국외에는 일본과 사할린에 분포하고, 연중 대부분을 바다나 하구의 기수역에 살다가 4월 중순에 산란을 위해 하천으로 올라온다 (Kim and Park 2002). 잉어과에서 동북아 전체에 걸쳐 광범위한 분포역을 가지면서 소하성 행동을 보이는 종은 황어가 유일하며 (Sakai et al. 2002), 일본의 경우 레저 산업에서 주요한 영향을 미치는 종이다 (Koizumi et al. 2011). 우리나라에 출현하는 황어속 어류에 관한 연구는 주로 황어속 어류의 형태와 분포에 대한 연구 (Jeon and Sakai 1984), 난발생 및 초기생활사 연구 (Choi et al. 2021), 하천 상·하류 황어 개체군의 유전학적 연구 (Lee et al. 2012)가 이루진 바 있으나 후각기관에 관한 연구는 미비한 실정이다. 국외의 경우, 두부측선계에 따른 황어속 분류 (Kurawaka 1977), 황어속 3종의 부레의 형태적 차이 (Kahata 1981), 황어인 두치에 관한 연구 (Nakajima 1990)가 있으며 후각기관에 관련한 연구는 황어속 2종의 후각 자극에 대한 생리적 반응에 따른 종 판별 연구 (Sakai and Yoshii 1990)가 보고된 바 있으나 형태·조직학적 연구는 미비하다. 후각기관의 형태적 특징은 같은 속 내에서도 종간 차이를 보일 수 있으며 분류학적 특징으로도 사용될 수 있다 (Kim 2018). 한반도에 서식하는 황어속은 황어와 대황어 (T. brandti) 두 종이 존재하지만, 외부 형태가 유사하여 산란기에 혼인색이 나타나지 않으면 육안으로 동정하는 데에 어려움이 있다 (Kim and Park 2002). 따라서 본 연구에서는 소하성 어류인 황어의 후각기관을 해부학적 및 조직학적 방법으로 분석하여 그 특징을 확인하고 추후 황어속 내의 다른 종과의 분류학적 비교를 위한 기초 자료로써 활용하고자 한다.

2. 재료 및 방법

2.1. 실험 생물

해부·조직학적 연구를 수행하기 위해 2021년 3~4월에 경상남도 하동군 화개면 탑리 화개천 (35°11ʹ47ʺN, 127°37ʹ 48ʺE)에서 어획된 황어 (체장 292.00~354.00 mm, n=5)를 채집하였다. 0.1% m-aminobenzoic acid ethylester methane sulfonate 수용액 (MS222; Sigma, St. Louis, USA)으로 개체들을 마취시킨 후 10% neutral formalin (pH 7.4) 용액에 고정하였다. 본 연구종의 실험은 전북대학교의 “실험동물의 관리와 사용에 관한 지침” (Institutional Animal Care and Use Committee)의 절차에 따라 수행되었다.

2.2. 실험 방법

황어 후각기관의 해부학적 특징을 관찰하기 위해 실체현미경 (DE STEMI DV4; Carl Zeiss, Göttingen, Germany) 아래에서 두부를 절개하여 후각기관을 적출하였다. 적출한 후각기관은 10% neutral formalin (pH 7.4) 용액에 24시간 2차 고정하였다. 2차 고정 후, 충분한 수세를 거친 조직을 일반적인 파라핀 블록 제조법에 따라 단계별 alcohol (70~100%) 탈수와 xylene에서 투명화를 시켰다. 조직의 파라핀 침투를 위해 24시간 동안 용해된 파라핀에 담가뒀다. 파라핀이 침투된 조직을 블록으로 포매하고 포매된 파라핀 블록을 5 μm로 박절한 후 hematoxylin-eosin (H-E) 대조 염색을 진행하여 광학현미경 (Axio imager A2; Carl Zeiss, Göttingen, Germany)으로 관찰하였다. 응용프로그램인 Axio Vision (Carl Zeiss, Germany)을 이용하여 후각 상피의 두께를 측정하고 촬영하였다. 결합조직과 상피조직의 특성을 추가적으로 확인하기 위하여 Masson’s 삼중 염색과 Alcian Blue-Periodic Acid Schiff (pH 2.5) 대조 염색을 진행하였다.

3. 결 과

3.1. 해부학적 구조

황어의 후각기관은 입과 눈 사이의 주둥이 위쪽에 위치하며 (Fig. 1A, B) 한 쌍의 반원형의 전비공 (anterior nostril)과 후비공 (posterior nostril), 그리고 두 비공 사이에 위치한 반원형의 비경계판 (nasal flap)으로 구성되었다 (Fig. 1C). 후실에는 후선 (raphe)으로부터 뻗어 나온 30~34개의 후 판이 타원형의 로제트 구조 (rosette-structure)를 띠었다. 후판의 기저는 비강에 연결되어 있으며 기부는 혀 모양을 띠고 내벽과 떨어져 있었다 (Fig. 1D).

3.2. 조직학적 구조

후각 상피 (olfactory epithelium)는 중앙에 위치한 결합 조직 (connective tissue)에 두 후각 상피의 기저막 (basement membrane)이 마주하고 있었다. 감각 상피 (sensory epithelium)는 연속 분포하고 비감각 상피 (non-sensory epithelium)는 후판 말단에만 존재하였다 (Fig. 2A). 감각 상피는 위중층원주상피 (pseudostratified columnar epithelium)로 두께는 49.70±7.49 μm (range: 39.35~64.58 μm)였다. 감각 상피는 후감각뉴런 (olfactory receptor neurons), 지지세포 (supporting cells), 기저세포 (basal cells), 섬모 (cilia), 점액세포 (mucous cells), 림프구 (lymphatic cells), 점액 (mucus)으로 구성되어 있었다. 결합조직에는 모세혈관 (capillaries)과 섬유아세포 (fibroblasts)가 확인되었다 (Fig. 2B). 비감각 상피는 중층상피 (stratified squamous epithelium)를 나타내며 두께는 48.74±5.40 μm (range: 38.06~59.24 μm)였다. 비감각 상피에서 층상상피 세포 (stratified epithelial cells), 기저세포, 림프구, 점액세포, 점액이 발견되었고 마찬가지로 결합조직에서 적혈구 (blood cells)와 모세혈관이 확인되었다 (Fig. 2C, D, F, G).

3.2.1. 감각 상피

후감각뉴런은 지지세포 사이에 위치하며 양극으로 뻗은 수상돌기가 상피와 기저로 향하며 핵은 H-E에서 자색, Masson’s 삼중 염색에서는 흑자색, AB-PAS에서는 자색으로, 세포질은 각각 분홍색, 적자색, 자색으로 염색되었다 (Fig. 2B, E, G). 지지세포는 원주형의 세포로 세포 중간에 핵이 위치하였고 (Fig. 2B, E) 기저세포는 핵이 아래쪽에 위치하고 세포질이 팽배하여 구형을 띠며 기저막 위쪽에 위치하였다 (Fig. 2B, E, F). 지지세포와 기저세포의 핵과 세포질의 염색 결과는 후감각뉴런과 비슷한 양상을 보였다 (Fig. 2B, E, G). 섬모는 감각 영역 전반에 분포하고 있었으며 H-E 염색에서 분홍색, Masson’s 삼중 염색에서 자색으로 염색되었다 (Fig. 2B, C, E, F).

3.2.2. 비감각 상피

후판 말단의 비감각 상피의 일부는 비강 내벽 (nasal wall)과 연결된 부분이 있었다 (Fig. 2D). 층상상피세포는 중층과 상층에 위치하고 타원형의 세포로 핵은 중앙에 있었으 며 H-E에서 자색, Masson’s 삼중 염색에서 흑자색, AB-PAS 염색에서 자색으로 염색되었고 세포질은 분홍색, 적자색, 자색으로 염색되었다 (Fig. 2D, F).

3.2.3. 공통 요소

점액세포는 타원형의 세포로 기저 부분에 핵이 편평하게 있으면서 점액세포 내부는 H-E에서 염색되지 않았다 (Fig. 2B~D). Masson’s 삼중 염색에서는 일부 자줏빛을 띠며 (Fig. 2E, F) AB-PAS 염색에서는 세포 주변이 푸른빛을 보였다 (Fig. 2G). 림프구는 구형의 세포로 H-E 염색에서 자색으로 염색됐다 (Fig. 2B, C). 모세혈관은 3~8개의 적혈구로 이루어져 있으며 적혈구는 타원형의 세포로 결합 조직에 위치하고 핵이 세포 중앙에 위치한다. 적혈구의 핵은 H-E에서 자색, Masson’s 삼중 염색에서 적자색으로 염색되었으며 세포질은 각각 분홍색, 자색으로 염색되었다 (Fig. 2B, C, E, F).

4. 고 찰

비경계판은 전비공과 후비공 사이에 위치하고 후비공을 통한 비강 내로의 물의 유입을 막는 것으로 알려져 있다 (Døving et al. 1998). 국내 담수어 중 반원형의 비공과 비경계판을 가지고 있는 종은 저서성 어류인 돌마자 (Microphysogobio yaluensis)가 있으며 비경계판은 없고 반원형의 비공만이 있는 종은 여울부에 서식하는 쉬리 (Coreoleuciscus splendidus)와 유속이 완만하고 수초가 비교적 많은 곳에서 발견되는 각시붕어 (Rhodeus uyekii)가 있다 (Kim et al. 2018, 2019). 이와 같이 비공과 비경계판으로 구성된 후각기관은 표층 또는 저서성인 잉어목 어류의 일반적인 특징으로 (Zeiske et al. 1992) 반원형의 전비공, 후비공, 그리고 비경계판은 중층을 활발히 헤엄치는 황어의 생태적인 특성에 적합한 구조로 예상된다.

후판의 개수와 배열은 후각 민감도와 관련이 있으며 좁은 비강 내의 많은 수의 후판은 후각 상피의 표면적을 넓히는 역할을 한다 (Kasumyan 2004). Zeiske et al. (1992)에 의하면 로제트의 형태는 후판의 배열에 따라 차이를 보인다고 언급했다. Teichmann (1954)은 시각과 후각의 발달 정도에 따라 어류를 크게 세 가지 유형으로 분류했는데, type i) 눈이 발달한 어류 (eye fish), type ii) 코가 발달한 어류 (nose fish), type iii) 눈과 코가 모두 발달한 어류 (eye-nose fish)의 유형이 있다고 언급하였으며 그중 담수어는 type iii라고 서술하였다. 잉어목은 담수어에 속하며 잉어목의 일부는 흐름이 빠른 하천이나 강에서 먹이활동을 할 때 후각을 이용하는 것으로 여겨진다 (Teichmann 1954). 잉어 목에 속하는 다른 어류 후판의 개수는 잉어 25~26개, 각시 붕어 14~15개, 쉬리 22~24개, 돌마자 22~24개이며 로제트의 형태는 모두 타원형이다 (Chakrabarti and Choudhury 2007;Kim 2018). 다른 소하성 어류의 경우, 브라운 송어 (Salmo trutta) 14~16개 (Moran et al. 1992), delta smelt (Hypomesus transpacificus) 11~18개 (Triana-Garcia et al. 2021), 홍연어 (Oncorhynchus nerka) 13~14개 (Rheinsmith et al. 2023), 태평양 연어 (Oncorhynchus keta)에서 18개가 확인되었었고 (Kudo et al. 2009) 모두 타원형의 로제트가 보고된 바 있다. 황어아과 버들치속 (Phoxinus)은 10~16 개의 후판과 타원형의 로제트가 보고되었다 (Chen 1994). 본 연구 결과 황어의 로제트의 형태는 타원형으로 앞서 언급한 다른 어류의 로제트 형태와 유사하였으나 30~34개의 후판을 보여 앞서 언급한 후판의 개수에 비해 많은 개수를 보였다. 이보다 많은 후판을 가진 잉어목의 어류는 bata (Labeo bata) 46~48개 (Samajdar and Mandal 2016)와 45~ 48개의 후판을 가진 red-tailed black shark (Epalzeorhynchos bicolor)가 있다 (Mokhtar and Abd-Elhafeez 2014). 일반적으로 많은 수의 후판은 후각 상피의 표면적이 더 넓을 것으로 기대되어 후각 자극에 더 민감할 것으로 추측하나 상피에 분포하는 후감각뉴런의 수를 확인할 필요가 있다 (Kasumyan 2004).

감각영역의 분포는 연속 분포형 (continuous), 넓은 분포형 (large-zonal), 불규칙형 (irregular), 그리고 섬형 (smallzonal) 이 있다 (Yamamoto 1982). 이 중 연속분포형은 네 가지의 감각 상피 유형 중 후각 감지 능력이 가장 뛰어난 것으로 고려되며 (Samajdar and Mandal 2016), 감각 상피의 두께는 후감각뉴런의 길이와 수에 의해 결정될 수 있다 (Hara 1986). 황어의 후감각 상피는 후선부터 후판 말단 이전까지 연속 분포하였으며 비감각 상피는 후판 말단에만 존재하였다. 이러한 특징은 분류학적 형질로서 활용될 수 있다 (Yamamoto 1982). 선행 연구에서 농어목의 일반적인 감각 상피의 두께는 80~150 μm, 등목어목 (Anabantiformes) spotted snakehead (Channa punctatus) 30~40 μm, 잉어목은 80 μm 이하로 알려져 있으며, 붕어 (Carassius auratus) 60 μm 이하, L. bata 30.16~37.60 μm로 확인되었다 (Hansen et al. 2004;Mandal et al. 2005;Samajdar and Mandal 2016). Kim (2018)에 의하면 후판의 개수와 SE의 두께는 음의 상관관계를 가져 적은 수의 후판을 ORN (olfactory receptor neuron)의 길이와 밀집도로 보완하는 경향이 있다. 앞서 언급한 연어목의 소하성 어류인 H. transpacificus SE (sensory epithelium)의 두께와 후판의 개수는 43.86±10.67 μm와 11~18개 (Triana-Garcia et al. 2021), 브라운 송어는 60~80 μm와 14~16개였으며 (Bertmar 1972), 잉어목에 속하는 붕어, L. bata, 그리고 E. bicolor의 SE 두께와 후판의 개수는 각각 60 μm와 17±1.7개 (Kim and Lee 2023), 30.16~37.60 μm와 46~48개 (Samajdar and Mandal 2016), 20~30 μm와 45~48개 (Mokhtar and Abd-Elhafeez 2014)를 나타낸다. 황어의 SE 두께와 후판의 개수도 49.70± 7.49 μm (range: 39.35~64.58 μm)와 30~34개로 잉어목의 다른 어류의 SE 두께와 후판 개수와의 관계처럼 음의 상관 관계를 보였으나 소하성인 연어목의 두 종의 SE 두께와 후판의 개수를 비교하였을 때는 연관성을 찾을 수 없었다. 이는 황어가 분류학적으로 잉어목에 속하기 때문에 나타난 차이점으로 여겨질 수 있으나 황어의 크기별 후판의 개수, SE 두께 차이, 그리고 ORN의 길이를 함께 비교할 필요가 있다.

경골어류의 후각 상피는 주로 감각 상피와 비감각 상피로 나뉘며 감각 상피에는 후감각뉴런, 지지세포, 기저세포가, 비감각 상피에는 층상상피세포와 점액세포가 분포한다 (Hara 1994). 황어의 감각 상피는 후감각뉴런, 지지 세포, 기저세포, 섬모, 점액세포, 림프구로 구성되었다. 후 감각뉴런은 외부의 화학적 자극을 인지하여 기저막 아래로 이어진 신경 축삭으로 자극을 뇌로 전달하며 지지세포는 상피층의 기계적 지지를, 기저세포는 세포학적 재생을 하는 것으로 알려져 있다 (Hara 1986;Carter et al. 2004;Kim 2018). 감각 상피를 덮고 있는 섬모는 둘 중 하나일 것으로 추측되는데, i) 후감각뉴런 정단의 돌기에 부착된 것 이거나, ii) 지지세포 정단에 돌출된 섬모가 비강으로 노출된 것으로 보인다. 후감각뉴런에서 돋아난 섬모일 경우 후각 자극을 받아들이기 위함으로 생각할 수 있으나 지지세포의 정단에 위치한 섬모일 경우 후각 상피에 물을 확산시켜 후각 자극의 유입과 유출을 원활히 할 것으로 예상된다 (Døving 1986). 감각 상피를 덮고 있는 섬모의 자세한 특징을 확인하기 위해서는 주사전자현미경을 이용한 실험이 필요할 것으로 사료된다. 비감각 상피에는 층상상피세포, 기저세포, 림프구, 점액세포, 점액이 확인되었다. 층상 상피세포는 후각기관 외에도 어류의 입술, 혀, 인두, 식도, 전장과 같은 소화관 상피를 주로 구성하는 일반적인 세포로 (Santos et al. 2015;Dyková et al. 2022;Gonçalves et al. 2024) 황어의 비감각 상피의 구조에 특이점은 확인되지 않았다.

감각 상피와 비감각 상피에서 동시에 확인된 세포는 점액세포와 림프구가 있었으며 점액도 확인되었다. 어류의 점액세포는 삼투·이온·산-염기 조절, 기체교환을 도와 후 각민감성과 효율성을 높인다 (Zeiske et al. 1976;Shephard 1982). 림프구는 구형의 면역 세포이며 상피층 하부, 모세 혈관, 그리고 기저막에서 주로 확인된다 (Kim 2018). 림프 구는 담수에 서식하는 어류의 상피층보다 해수와 기수역에 서식하는 어류의 상피층의 기저에 더 많은 수를 보이며 이는 해수나 기수역의 수환경은 담수보다 항균 작용을 위한 세포 저항성이 요구되기 때문이다 (Kim 2018). 황어 후각 상피의 점액세포는 타원형의 세포의 기저에 편평하게 위치한 핵이 술잔세포 (goblet cell)의 형태와 유사하였다. 그러나 해당 점액세포의 자세한 특징을 알아보기 위해선 조직화학적 방법과 투과전자현미경을 이용한 방법을 이용할 필요가 있다. 본 연구에서 확인된 점액세포는 AB-PAS 염색에서 양성반응을 보여 산성 점액임을 알 수 있었다 (Yamabayashi 1987). 산성 점액은 겔 형태의 뮤신 (mucin)으로 분비되며 항균 작용을 한다 (Hasnain et al. 2013). 따라서, 점액세포로부터 분비되는 점액은 기체교환을 도우며 병원체로부터 후각 상피를 보호하는 것으로 사료된다. 또한, 산란기를 제외하고 연안에서 대부분의 일생을 보내는 황어의 생태적 특징을 고려해 보았을 때 기저에 풍부한 림프구는 상피층으로 침입하는 병원체에 대한 방어 기작으로서 작용할 것으로 추정된다.

5. 결 론

잉어목의 황어는 일반적으로 연어목에서 나타나는 소하성이라는 생태적인 특징을 공유하지만 후각기관의 조직학적 특징은 일반적인 잉어목과 유사하다. 황어의 후각 기관은 반원형의 전비공, 후비공, 그리고 비경계판을 가지고 있어 빠른 흐름의 물에 적합한 구조로 사료된다. 후판의 경우, 기존에 알려진 다른 소하성 어류의 후판의 개수보다 많은 30~34개의 후판이 확인됐다. 감각 상피의 두께는 49.70±7.49 μm (range: 39.35~64.58 μm)로 다른 소하성 어류의 감각 상피 두께와 유사하거나 얇았다. 감각 상피와 비감각 상피를 덮는 점액은 기체교환을 도와 후각 정보를 받아들이는 데 도움을 줄 것으로 추측되며 두 상피 모두에 존재하는 점액세포, 점액, 그리고 림프구는 병원체에 대한 방어 기작을 수행할 것으로 사료된다.

적 요

황어 (Tribolodon hakonensis)는 산란기인 봄에 하천으로 소상하는 소하성 어류로 회유에 있어 후각은 수환경에 녹아있는 후각 요소를 감지하는 데에 있어 중요한 역할을 한다. 본 연구는 2021년 3~4월에 소상한 한국산 황어의 후각 기관의 형태와 조직학적 연구를 수행하였다. 황어의 후각 기관의 외부 형태는 주둥이 위에 한 쌍의 반원형의 전비공과 후비공, 비경계판으로 구성되고 비강에는 후선으로부터 뻗어 나온 30~34개의 후판이 타원형의 로제트 형태를 띠고 있었다. 감각 상피의 두께는 49.70±7.49 μm (range: 39.35~64.58 μm)로 후판 말단 전까지 연속분포하며 후감 각뉴런, 지지세포, 기저세포, 섬모로 구성되어 있었다. 비감각 상피의 두께는 48.74±5.40 μm (range: 38.06~59.24 μm)로 후판의 말단에만 존재하며 층상상피세포와 기저세포가 확인되었다. 한편 점액세포, 점액, 림프구는 두 상피에서 모두 나타났다. 본 연구 결과, 황어의 후각기관의 특징은 중층을 헤엄치는 어류의 생태적인 특성과 적합해 보이며 추후 황어속의 분류학적 기초 자료로써 활용될 수 있을 것으로 사료된다.