벨기에의 스트뤼트(Strud, Belgium)에 위치한 한 채석장에서는 2004년에서 2015년 사이에 몸에 갑옷 같은 껍질을 지닌 멸종한 판피어류 화석이 여러 종 발굴되었습니다. 판피어류는 지구 최초로 턱을 지니게 된 척추동물들 중 하나입니다. 이곳에서 발견된 화석들은 공룡이 나타나기 수억 년 전인 데본기의 것이며, 상대적으로 작은 크기의 어린 판피어류들이 많습니다. 다 자라서 몸집이 큰 판피어류의 화석은 발견되지 않았습니다.

“화석 기록에서 이런 식으로 어린 개체들만 모여있는 경우는 매우 드뭅니다.” PLOS ONE 에 출판된 이번 연구의 공저자, 드렉셀 대학 자연과학원의 부원장인 테드 대슐러 박사의 말입니다. “판피어류 새끼들로만 이루어진 이 화석 군집이 물의 흐름 때문에 작은 것들만 한 곳으로 모이게된 결과는 아닌 것이 분명합니다. 다른 종류의 물고기 골격 일부는 더 큰 것들도 여럿 발견되었기 때문이지요. 이런 증거들을 보면 이곳은 산란장이었다고 생각합니다.”

이번 연구는 벨기에 왕립 자연과학 연구소의 척추고생물학자로 현재 드렉셀 대학 자연과학원에서 박사후과정 중인 세바스틴 올리브가 주도했습니다. 올리브에 따르면 스트뤼트와 같은 화석 유적지 연구를 통해 고대의 생명에 대한 더 온전한 그림을 그리는 데 도움을 받을 수 있을 것이라고 합니다.

“멸종한 동물의 생활사를 재구성하는 것은 단순히 고대 생물의 해부학적 구조를 서술하는 것에서 한 걸음 더 나아갈 수 있는 드문 기회입니다.” 올리브의 말입니다. “이런 종류의 기록을 통하여 비로소 수억 년 전에 멸종한 유기체의 행동 및 생활사의 여러 측면들을 이해하게 되는 것이지요.”

스트뤼트 화석 발굴지의 연대는 데본기 후기 (3억6천만 년도 더 이전이다) 로, 이곳에서는 작고 부서지기 쉬운 미성숙한 어류의 골격들 다수가 거의 온전한 형태로 발견되었습니다. 그로 미루어 보건대 이곳은 물의 흐름이 약한 얕은 곳이었다는 것을 알 수 있습니다. 이런 환경은 어린 개체들이 자라기에 이상적인 — 오늘날의 어류들에게도 마찬가지입니다 — 곳이었을 것입니다.

“다 자란 판피어류들은 스트뤼트의 산란장을 알이나 새끼를 낳기만 하는 곳으로 이용하고, 평소에는 산란장에서 떨어진 더 깊은 물에서 살았을 것으로 보인다.” 연구팀의 논문에 쓰여있는 구절입니다. 파리 국립 자연사박물관의 고생물학자 가엘 클레망과 스웨덴 웁살라 대학의 빈센트 두프레트가 이번 연구의 공저자로 참여했습니다.

산란장이 주는 추가적인 이점 하나는 “크고 단단하고 때로는 가시가 있는” 식물들이 그 자리에서 화석으로 발견된 것으로 보아 이 식물들 덕에 포식자로부터 보호받을 수 있었다는 점입니다.

스트뤼트에서 발견된 이 화석은 세계에서 가장 오래된 산란장 중 하나가 되었는데, 미국 펜실베니아에서도 레드힐을 비롯하여 이와 비슷한 화석 기록들이 발견됩니다. 데본기는 유럽과 미국을 갈라놓는 대서양이 생겨나기 전이었기 때문에 펜실베니아와 스트뤼트는 상대적으로 가까운 위치에 있었을 것입니다. 대슐러와 올리브의 연구는 주로 레드힐과 스트뤼트를 비교하는 것에 초점을 맞추어 이 두 장소 사이에 유사한 점이 많다는 것을 지적하고 레드힐에서 발견되어 드렉셀 대학 자연과학원에 소장되어 있는 판피어류 화석들의 크기와 모양을 이용하여 스트뤼트에서 발견된 표본들이 상대적으로 얼마나 자란 것인지 성숙도를 판단하였습니다.

스트뤼트에서는 그로실레피스 리키키 (Grossilepis rikiki), 투리사스피스 스트루덴시스 (Turrisaspis strudensis), 그리고 필롤레피스 운둘라타 (Phyllolepis undulata), 이렇게 세 종류의 판피어류 화석이 발견되었으며, 대슐러와 같은 과학자는 이를 통해 새로운 질문을 던지게 되었습니다.

“여러 종들이 공동의 산란장을 이용했다는 것을 보여줄 수 있는 최초의 증거입니다.” 대슐러의 말입니다. “이것을 보면 궁금해지지요. 여러 종들이 공통으로 가지는 생식 전략이 항상 있어왔던 것일까?”

판피어류는 오래 전에 멸종했지만 이들의 삶을 들여다보는 것으로 진화의 수수께끼에서 더 많은 조각들을 맞출 수 있게 됩니다.

“판피어류는 최초로 턱을 가진 척추동물들 중 하나였습니다.” 올리브의 말입니다. “이들의 생활사를 이해함으로써 다른 모든 턱을 가진 척추동물들이 진화한 원시적인 조건들에 대해 알 수 있게 됩니다.”

궁극적으로 올리브와 대슐러는 스트뤼트의 유적지라는 렌즈를 통해 과학자들이 현재의 조건을 연구할 수 있게 되기를 바라고 있습니다.

“과거를 연구함으로써 시간 속의 한 순간, 그리고 시간을 통해 변화하는 모습을 볼 수 있으며 오늘날의 생태계와 그 안에 사는 유기체들을 더 잘 이해하게 됩니다.” 올리브의 말입니다. “지질학자들은 현재가 과거를 이해하는 열쇠라고 말합니다. 하지만 과거가 미래를 이해하는 열쇠라고도 말할 수 있지요.” (사이언스 데일리)

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다른 파충류들처럼 이빨이 빠지면 새로운 이빨이 나오는 것이 아니라 하드로사우루스류의 입 안에는 여섯 개 이상의 이빨로 이루어진 줄이 여럿 늘어서 있어서 이빨들이 “고도로 동적인 그물망” 을 형성하여 식물을 갈고 자르는 데 쓰였습니다. 하드로사우루스류의 이빨 여러 개가 하나로 합쳐져 있는 것처럼 보이긴 하지만 르블랑과 동료들은 가장 새로 나온 이빨이 복잡한 한 세트의 인대로 인해 항상 먹이를 씹는 표면 쪽으로 밀어올려진다는 것을 보였습니다. 현미경에서 이것을 보면 여러 개의 이빨로 이루어진 기둥은 서로 맞닿아 있지 않으며 사이에 모래와 진흙이 끼어 있어 모양을 유지하고 있습니다. 이 모래와 진흙은 공룡이 죽은 후 연질부인 인대가 썩고 나서 이빨 사이를 채우게 된 것입니다.

“하드로사우루스류의 이빨은 실제로는 우리 치아와 유사합니다. 우리 치아도 턱에 단단하게 붙어있는 것은 아니지요. 우리와 비슷하게 하드로사우루스류의 이빨 역시 먹이를 씹을 때 이빨이 제자리에 떠 있게 잡아주는 인대들 덕분에 아주 미세한 움직임이 가능했을 것입니다.” 라이스 교수의 말입니다.

이빨이 먹이를 맷돌처럼 가는 표면에 도달하게 되면 하드로사우루스류의 이빨은 단단한 경질 조직으로 채워져 기본적으로 죽은 조직이 됩니다. 사람의 치아에서 내부의 중심부분이 핏줄과 신경으로 채워져 있는 것과는 차이가 있습니다.

“이빨이 이미 죽은 상태이기 때문에 갈려 작아지면서 마지막에는 작은 덩이가 됩니다.” 라이스의 말입니다.

르블랑은 이 이빨 구조 — 먹이를 갈 수 있는 거친 모양을 지닌 — 가 자르고 가는 과정을 통해 “질긴 식물을 소화시키기 위해 잘게 부수는 것에 잘 적응되어 있었다” 고 말합니다. 이런 적응이 하드로사우루스류의 장수와 번영에 기여했을 수도 있습니다.

라이스의 말에 따르면 하드로사우루스류는 “아마도 세상 모든 동물들 중 가장 복잡한 치열구조를 가졌을 것” 이라고 합니다.

“아주 우아합니다. 이빨 하나가 벽돌처럼 하나의 단위로 작동하는 것이 아닙니다.” 라이스 교수의 말입니다. “사슬갑옷처럼 유연성과 강력함을 모두 제공하죠.”

르블랑은 오리주둥이 공룡이 150년 이상 알려져 있었고 이들의 치열구조가 독특하다는 것을 사람들이 인지하고 있었지만 이전에는 현미경을 통해 그 내부를 들여다볼 생각을 아무도 못했다는 것에 주목했습니다. 르블랑은 윗턱에서 아래턱까지 전체 이빨구조의 박편을 만든 다음 이것을 갈고 광택 낸 후 강력한 현미경 아래서 들여다 보았습니다. 박물관의 동료들과 함께 일하면서 르블랑과 라이스는 하드로사우루스가 배아일 때와 어린 새끼일 때 이들의 이빨이 어떻게 형성되는지도 조사할 수 있었고, 하드로사우루스류 치열구조의 독특한 진화와 발생에 대해 더 온전한 그림을 보여줄 수 있었습니다.

“이러한 치열구조가 어떻게 작동하는지에 대한 우리 가설과 실제 치열구조가 얼마나 일관성 있게 잘 맞아떨어졌는지 놀라울 정도입니다.” 르블랑의 말입니다. “가장 어린 표본에서조차 성체의 치열구조를 유지해주는 것과 동일한 프로세스를 볼 수 있습니다.” (사이언스 데일리)

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“우리 연구에 따르면 고주파 청력이 반향정위(echolocation)보다 먼저 출현했을 가능성이 있습니다.” 뉴욕 주 올드 웨스트베리에 위치한 뉴욕공과대학 소속의 모건 처칠의 말입니다.

처칠과 동료들은 사우스캐롤라이나주의 배수로에서 발견된 새로운 화석 고래 종 에코베나토르 산데르시 (Echovenator sandersi) 를 연구하여 이런 결론을 내렸습니다. 연구자들은 놀랄만큼 온전한 상태로 화석이 된 고대 고래의 귀를 CT 스캔하여 이것을 두 종류의 하마, 그리고 23 종류의 화석 고래 및 현생 고래와 비교했습니다. 이 분석을 통해 오늘날의 돌고래처럼 초음파에 해당하는 주파수를 들을 수 있는 특징들이 여럿 발견되었습니다.

에코베나토르 귀의 해부적 구조를 볼 때 고주파 청력은 고래 진화의 초기, 약 2천7백만 년 전에 진화했으며 이 능력과 연관되어 있는 특징들은 이빨고래의 기원보다도 더 이전에 나타났던 것으로 보입니다. 또, 이빨고래의 조상들은 육상에 살던 친척들보다 더 높은 주파수를 들을 수 있었을 것으로 보입니다.

처칠에 의하면 에코베나토르의 속귀는 현생 고래의 속귀와 놀랍도록 유사하다고 합니다. 실제로 에코베나토르 귀의 특징들 중 단 하나만이 현생 고래들보다 원시 고래에 더 유사하여 초기 고래에서 청각 능력 진화가 매우 빠른 것이었음을 암시합니다.

에코베나토르는 다른 측면에서도 놀랄 만한 화석이라고 처칠은 지적합니다. 예를 들면 고대의 고래인 에코베나토르는 그 조상에 비하면 눈에 띄게 작은데, 이것은 이빨고래 진화의 초기에 몸 크기가 급격히 변했다는 것을 의미하며, 이 변화는 아마도 뇌의 크기에서부터 생태까지 많은 변수에 영향을 끼쳤을 가능성이 높습니다.

에코베나토르는 처칠과 동료들이 연구하고 있는 수많은 남캐롤라이나의 고래 화석들 중 하나일 뿐입니다. 이 화석들은 이빨고래의 조상들 중 가장 이른 시기의 것들입니다다. 따라서 앞으로 현생 고래의 지능, 몸 크기, 섭식 생태, 그리고 다양성과 관련하여 훨씬 더 많은 것들이 밝혀질 전망입니다. (사이언스 데일리)

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“균류를 키우는 쪽으로 돌아서면서 개미들은 여러 유전자를 잃어버렸습니다.” 봄스마의 말입니다. 이로 인해 개미의 운명이 먹이와 단단히 묶이게 되었습니다. 개미는 영양을 얻기 위해 균류에 의존하게 되었고 균류는 영양소가 풍부한 작물을 더 많이 만들어냄으로써 생존의 가능성을 높였습니다. “진화적 변화가 연달아 일어나게 되었고, 지금까지 다른 어떤 계통의 동물도 이런 정도의 변화를 만들어내지 못했습니다.”

연구자들은 약 2천5백만 년 전 균류를 키우는 개미 중 한 계통이 작고 단백질이 풍부한 둥근 덩어리를 만들어내는 균류를 재배하기 시작했으며, 개미들이 수확할 때 이 덩어리를 선호했다는 것을 알아냈습니다. 영양이 더 풍부한 먹이로 인해 더 큰 개미 군집을 지탱할 수 있게 되었고 개미와 균류의 공진화에 박차가 가해졌으며 1천5백만 년 전에는 잎꾼개미가 등장했습니다. 잎꾼개미는 지하에 있는 자신들의 농장에 매일 신선한 녹색 식물을 잘라와 심어서 완전히 작물화된 균류 한 종을 대규모로 재배하는데 이것은 수백만 마리의 개미가 사는 군집을 지탱할 수 있을 정도입니다.

작물화는 이 관계의 두 파트너 모두를 변화시켰습니다. 잎꾼개미가 기르는 균류는 그 조상이나 오늘날의 야생 근연종과 달리 더 이상 식물의 목질부를 소화시킬수 있는 효소를 만들어내지 못하기 때문에 개미가 가져오는 녹색 잎에 의존하게 되었습니다. 그 대가로 균류는 개미의 성장에 필수적인 단백질로 차 있는 둥근 덩어리를 만들어냅니다. 개미는 이 수퍼푸드를 쉽게 소화시켜주는 특수한 효소를 진화시켰고, 다른 음식은 아무 것도 먹지 못합니다. 이들은 서로가 상대방이 없이는 살아남을 수 없는데, 공생관계인 잎꾼개미와 균류는 균류를 재배하는 개미류들 중 가장 큰 군집을 형성합니다. 잎꾼개미와 균류는 한데 묶여서 신열대의 숲에서 지배적인 초식생물이 되었습니다.

이와 대조적으로 인류는 자급자족하는 농업을 1만 년 전 경에 시작하여 지난 세기에야 산업화된 농업으로 나아갔습니다. 인간의 기준으로 봤을 때 잎꾼개미의 성공은 질병이나 해충, 가뭄 중 어느 것에도 영향을 받지 않는 단 한 가지 종류의 다목적 수퍼푸드를 산업적인 규모로 재배할 수 있는 방법을 알아낸 것에 견줄 수 있다고 봄스마는 말합니다. “그걸 고대 그리스 시대에 알아낸 셈이지요.”

지난 25년간 균류를 재배하는 개미에 대한 연구의 상당수는 스미소니언 열대연구소를 통해 파나마에서 연구하는 과학자들이 수행해 냈습니다. 이번 연구는 관심을 받는 몇몇 선택된 유전자가 아니라 개미와 균류 모두에서 전체 유전자 구성을 들여다 보려는 최초의 시도에 속합니다다. 공저자인 스미소니언 국립 자연사박물관의 테드 슐츠에 따르면 아직 알아내야 할 것이 무수히 많다고 합니다. “다섯 종류의 개미와 여섯 종류의 균류에 대한 유전체 자료가 공개되었으니 향후 더 많은 연구자들이 여기에 뛰어들기를 희망하고 있습니다.” (사이언스 데일리)

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“거북 등껍질이 어떤 이유로 진화했는지는 닥터 수스가 던질 법한 질문인데 그 답변은 꽤나 명확해 보입니다. 몸을 보호하기 위한 것이죠.” 학술지 <커런트 바이올로지 (Current Biology)>에 지난 7월 15일 실린 논문, [거북 등껍질의 토굴성 기원]의 주저자인 라이슨 박사의 말입니다. “하지만 새의 깃털이 원래 비행을 위해 진화하지는 않았던 것과 마찬가지로 거북 등껍질이 맨 처음 생겨났을 때는 몸을 보호하기 위한 것이 아니라 이들 초기 원시 거북이 살았던 남아프리카의 혹독한 환경을 피해 땅 속으로 파고 들어가기 위한 것이었습니다.”

거북 등껍질의 초기 진화는 오랫동안 과학자들을 어리둥절하게 해온 문제였습니다. “화석 기록과 현생 거북 등껍질의 발생 과정에 대한 관찰을 통해 등껍질이 형성되는 과정에서 갈비뼈가 넓어지는 것이 초기에 일어나는 중요한 변화라는 점을 알고 있었습니다.” 라이슨 박사의 말입니다. 갈비뼈가 뚜렷하게 넓어졌다는 사실이 그다지 중요한 변화로 보이지 않을 수 있지만 이 변화는 사족보행을 하는 동물의 호흡과 보행속도에 상당한 타격을 주는 것이었습니다. 갈비뼈는 이동 중에 몸을 받쳐주며 폐에서 공기를 배출하는 데 중요한 역할을 합니다. 눈에 띄게 넓어진 갈비뼈는 몸통을 뻣뻣하게 만들어 보폭을 짧게 하여 이동속도를 낮추고 호흡을 방해합니다.

“이동과 호흡 양쪽 모두에서 갈비뼈가 종합적으로 하는 역할이 우리가 갈비뼈 모양에서 그다지 많은 변이를 볼 수 없는 이유일 것입니다.” 라이슨 박사의 말입니다. “일반적으로 갈비뼈는 꽤나 재미없게 느껴지는 뼈입니다. 고래, 뱀, 공룡, 인간, 그리고 사실상 대부분의 동물들의 갈비뼈가 비슷해 보입니다. 거북이 유일한 예외인데, 이들의 갈비뼈는 고도로 변형되어 등껍질의 대부분을 형성하게 됩니다.”

남아프리카 카루 분지에서 등껍질이 완전히 형성되지 않은 2억 6천만 년 전의 거북 에우노토사우루스 아프리카누스(Eunotosaurus africanus) 표본 여러 개가 발견되어 획기적인 돌파구가 마련되었습니다. 이 표본 중 몇몇은 연구의 공저자이기도 한 요하네스버그 위트워터스랜드 대학의 로저 스미스 박사와 브루스 루비지 박사가 발견한 것입니다. 하지만 가장 중요한 표본은 당시 8살이었던 남아프리카 소년이 남아프리카 웨스턴케이프에 위치한 아버지의 농장에서 발견했습니다. 이 표본은 길이 약 15cm 정도로 잘 보존된 골격에 앞발과 뒷발이 온전히 붙어 있었습니다.

“코부스 스니먼에게 감사를 표하고 악수를 하고 싶습니다. 코부스가 표본을 발견하고 그 지역 박물관인 프린스 앨버트의 프랜시 피나르 박물관에 가져오지 않았다면 이번 연구는 불가능했을 겁니다.” 라이슨 박사의 말입니다. (사이언스 데일리)

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연구자들에 따르면 해저 퇴적층에 박혀있는 가느다란 굴뚝처럼 보이는 구멍 난 길다란 대롱 모양의 구조는 약 5억 년 전 대롱 안에 고립된 생활을 했던, 오에시아(Oesia)라고 불리는 생물이 만든 것이라고 합니다.

캐나다와 영국의 학자들이 수행한 연구에서 원래 해초의 한 종류로 생각되던 화석 마르가레티아 (Margaretia) 를 재조사했습니다. 그 결과 이것이 고대의 벌레를 보호해주던 대롱 모양 구조의 잔해라는 것을 알아냈습니다.

논문은 학술지 BMC 생물학 (BMC Biology) 에 출판되었으며 캠브리지 대학, 토론토 대학, 몬트리올 대학, 그리고 토론토의 왕립 온타리오 박물관의 학자들이 참여했습니다.

이번에 밝혀진 중요한 사실 중 하나는 오에시아가 반삭류(hemichordates)라고 불리는 생물 그룹의 원시적인 종류임을 확인한 것입니다. 반삭류는 더 큰 생물 그룹인 후구동물에 속하는데 (인간을 포함하는) 척추동물이 후구동물의 한 갈래입니다. 학자들은 이들 초기 생물에 대해 더 많은 것을 알아내어 결과적으로 바다에 사는 벌레에서부터 인간까지 모든 후구동물의 공통 조상었던 생물이 어떤 특징을 가지고 있었는지 밝히기를 희망하고 있습니다.

특히 이번 연구는 후구동물의 공통 조상이 아마도 “여과섭식생물”, 즉 물을 빨아들여 그 안의 영양소를 걸러먹는 생물이었으리라고 하는, 갈수록 힘을 얻고 있는 주장을 뒷받침하고 있습니다. 오에시아 역시 이런 여과섭식생물의 일종으로 몸 전체에 아가미가 있어 영양소를 걸러먹은 후 물을 바깥으로 내보냈고, 대롱 모양 집의 벽에 있는 구멍 역시 물이 들어오고 나가는 용도였습니다.

연구의 주저자인 토론토 대학의 카르마 낭루의 말입니다. “반삭류는 후구동물이 어떻게 진화했는지 이해하는 데 중심적인 역할을 합니다. 반삭류를 통해 후구동물 모두가 공유하는 마지막 공통조상의 해부학적 특징과 생활양식에 대한 단서를 얻을 수 있으며, 이를 통해 공통조상이 오에시아와 같은 여과섭식생물이었다는 가설에 대한 추가 증거를 얻을 수 있습니다.”

연구의 공저자인 캠브리지 대학교 세인트존스 칼리지의 사이먼 콘웨이 모리스 교수의 말입니다. “오에시아 화석은 아주 수수께끼같았습니다. 발견하기 매우 힘든 것이었고 지금까지는 어느 그룹에 속한 것인지를 증명할 수 없었습니다. 이제는 이들이 원시적인 반삭류라는 것을 알게 되었습니다. 아마도 반삭류 중 가장 원시적인 종류일 겁니다.”

이번 연구는 파크스 캐나다 (국립공원 관리공단에 해당하는 캐나다 정부 산하의 조직) 이 관리하는 캐나다 록키산맥 마블 캐년 (브리티시 콜럼비아의 쿠테네이 국립공원) 인근에서 화석이 풍부하게 발견되었기에 가능했습니다.

“마블 캐년은 가장 최근에 발견된 버제스 셰일 화석 산출지 중 하나입니다. 버제스 셰일은 보존상태가 매우 좋은 화석이 발견되는 것으로 유명한 지층이지요” 왕립 온타리오 박물관 무척추동물학 선임 큐레이터이자 토론토 대학 부교수인 공저자 진-버나드 카론 의 말입니다. “오에시아는 더 오래된 버제스 셰일 화석지에서 100년도 넘게 알려져 있었습니다만 마블 캐년에서 발견된 표본들이 훨씬 풍부하고 보존이 잘 된 상태였기 때문에 이 동물의 내부 구조에 대해 이전에 불가능했던 정도로 자세히 알아낼 수 있었습니다.”

이번 연구를 통해 오에시아가 주둥이와 깃, 그리고 긴 몸통으로 이루어진 현생 장새류와 유사한 남자 성기 모양의 생물이라는 것이 분명해졌습니다. 공저자인 몬트리올 대학 부교수 크리스토퍼 B. 캐머론의 말입니다. “장새류는 화석기록에서 아주 드문드문 발견됩니다. 겨우 몇몇 종의 화석만이 보고되었기 때문에 이 그룹에 속하면서 이렇게 오래된 화석이 발견되었다는 것은 특기할 만한 일입니다.”

오에시아는 평균 53mm 의 길이로 너비가 10mm 를 넘는 경우는 드뭅니다. 독특하게도 이 벌레는 여과섭식을 위해 몸 길이의 대부분에 U자 형태의 아가미를 가지고 있습니다. 아가미 구멍은 모든 후구동물이 공통적으로 가지는 특징으로 보입니다. 인간조차 배아 발생 초기 단계에서 목에 구멍을 가지고 있으며, 이 사실이 모든 후구동물들이 오래 전의 공통조상과 연관되어 있다는 증거로 간주되고 있습니다.

마블 캐년의 화석 중 십수 개의 표본에서 오에시아의 유해가 마르가레티아 안에서 발견되었기 때문에 연구자들은 오에시아가 대롱 모양의 집 안에 살았다는 것을 깨닫게 되었습니다.

1920년대부터 마르가레티아는 일종의 해조류로 분류되었습니다. 하지만 마르가레티아는 이 시기의 다른 어떤 해조류와도 닮지 않은 형태였습니다. 오에시아와 함께 발견되면서 마르가레티아가 왜 그렇게 독특해 보였는지 설명이 가능해졌습니다. 마르가레티아는 해초가 아니라 안에 벌레가 살던 구멍 뚫린 대롱 모양의 구조였던 것입니다.

이번 연구에 따르면 대롱 모양의 구조는 때로 길이가 50cm 가 넘고 보통 오에시아의 몸 너비 두 배 정도의 너비를 가지고 있어 내부 공간에 여유가 있었다고 합니다. 양쪽 끝은 막혀 있어 관 안의 생활은 외로운 삶이었을 것입니다. “대롱 내부에서는 한 마리의 벌레만이 발견되었으니 이들은 아마도 고립된 생활을 했을 겁니다.” 낭루가 덧붙였습니다.

화석 기록을 살펴보면 장새류는 어떤 시점에서 전이를 거쳐 대롱을 버리고 해저 퇴적층 속의 삶을 선택한 것으로 보입니다. 이번 연구에서는 진화가 속도를 더해가고 더 많은 포식자들이 주변에 나타나자 해저를 파고 들어가는 것이 더 안전한 선택이었다고 주장하고 있습니다. 오늘날의 장새류는 분명 이런 생활양식을 받아들였습니다. 여과섭식을 하는 대신 퇴적물 속에 살며 그 안에 있는 영양소를 섭취합니다.

“우울하긴 하지만 다윈적인 경쟁 이야기입니다.” 콘웨이 모리스의 설명입니다. “경쟁과 포식이 증가하자 생명은 더 빨라지고 더 힘들어졌으며 동물들은 스스로를 더 잘 보호해야 했습니다. 그런 방법 중 하나는 대롱 속에서 여과섭식하는 방식을 버리고 퇴적물 속으로 파고 들어가 진흙을 먹는 것이었죠. 일단 이 방식을 선택한 장새류는 새로운 생태적 지위를 찾아냈고 완벽하리만치 좋은 삶을 살 수 있게 되었습니다.” (사이언스 데일리)

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포유류의 털과 조류의 깃털은 ‘플라코드’ 라고 불리는 유사한 원시적 구조로부터 발생합니다. 표피가 국소적으로 두꺼워져 기둥 모양의 세포들이 증식을 늦추고 특정 유전자를 발현시킵니다. 이런 관찰결과는 여러해 동안 진화생물학자들과 발생생물학자들에게 의문을 던져주었습니다. 포유류와 조류는 자매그룹이 아니기 때문입니다. 이들은 서로 다른 파충류 그룹으로부터 진화했습니다. 이전 연구들에 의하면 파충류의 비늘은 해부학적으로 플라코드에서 발생하지 않는다고 알려져 있었습니다. 다시 말해 조류와 포유류는 진화 과정에서 독립적으로 플라코드를 ‘발명’ 했으리라는 의미였습니다.

플라코드의 단일한 진화적 기원이 밝혀지다

2015년에 미국 예일 대학의 연구팀이 비늘, 털, 그리고 깃털이 발생 과정에서 분자지표를 공유한다는 것을 보이는 논문을 출판했습니다. 이 결과는 두 학파가 오랫동안 벌여온 논쟁에 기름을 부었습니다. 한쪽은 이러한 분자 특성이 피부부속지들이 공통의 진화적 기원을 가진다는 것을 보인다고 주장했고, 다른쪽은 서로 다른 피부부속지의 발생에 동일한 유전자들이 재사용되는 것일 뿐이라고 주장했습니다.

UNIGE 유전 및 진화학과와 SIB 에 소속된 니콜라스 디 포이와 미셸 C. 밀린코비치는 파충류의 비늘이 조류와 포유류의 플라코드와 동일한 해부학적, 분자적 지표를 갖추고 발생한다는 것을 보임으로써 오랜 논란을 잠재웠습니다. 두 명의 과학자는 악어와 뱀, 그리고 도마뱀의 배아 발생과정에서 피부의 형태학적, 분자적 지표를 분석하고 세세히 관찰했습니다. “이번 연구는 미국 학자들의 연구를 보완하는 새로운 분자 데이터를 제공할 뿐 아니라 핵심이 되는 미세해부학적 사실들을 밝혀냈습니다.” 미셸 밀린코비치의 설명입니다. “실제로 우리는 파충류에서 털과 깃털의 발생 중에 관찰되는 것과 동일한 분자적 특성 뿐 아니라 포유류 및 조류에서 볼 수 있는 것과 해부학적으로 동일한 플라코드의 존재를 확인했습니다. 이것은 세 종류의 피부부속지, 즉 파충류의 비늘, 조류의 깃털, 그리고 포유류의 털이 상동이라는 것을 보여줍니다. 비록 최종 형태에 있어서는 크게 다르지만 이 모두는 파충류와 비슷한 공통조상의 비늘로부터 진화한 것입니다.”

피부부속지 발생에 핵심적인 역할을 하는 유전자

연구 과정에서 UNIGE 와 SIB 의 연구자들은 턱수염도마뱀의 세 변종을 조사했습니다. 첫번째 종류는 일반적인 야생 형태입니다. 두번째 종류는 자연적으로 생긴 유전자 변이를 하나 가지고 있어 비늘의 크기가 작습니다. 세번째 종류는 이 유전자 변이를 두 개 가지고 있으며… 비늘을 전혀 가지고 있지 않습니다. 이들 세 종류의 유전체를 비교함으로써 디 포이와 밀린코비치는 해당 변이에 영향을 끼치는 유전자를 발견했습니다. “비늘이 없는 도마뱀의 독특한 외모는 인간과 쥐에서 변이가 일어났을 경우 치아, 샘, 손발톱 및 털의 발생에서 상당한 비정상성을 만들어내는 것으로 알려진 엑토디스플라신-A (EDA) 가 파괴되었기 때문이라는 것을 확인했습니다.” 밀린코비치의 말입니다. 스위스의 연구자들은 포유류나 새에서 EDA 유전자에 유사한 변이가 있을 때 그 영향으로 털이나 깃털의 플라코드가 적절히 발생하지 않는 것과 정확히 마찬가지로 도마뱀에서 EDA 가 제대로 작동하지 않을 경우 비늘을 만들어내는 플라코드가 제대로 만들어지지 않는다는 것을 보였습니다. 이 모든 자료들은 시종일관 비늘, 깃털과 털이 공통의 기원을 가진다는 것을 보여주고 있습니다.

스위스 연구팀, 그리고 세계 각지의 많은 연구자들 앞에 놓인 다음 과제는 피부부속지의 다양한 형태를 설명하는 기작을 해독해 내는 것입니다. 조상들이 가지고 있던 비늘 덮인 피부에서 비늘, 깃털과 털 등의 서로 다른 형태들이 어떻게 생겨났으며, 이 부속지들이 어떻게 해서 놀랄만큼 다양한 모양을 가지게 된 것일까요? 향후 이러한 연구를 통하여 진화 과정에서 생명의 다양성과 복잡성을 만들어내는 물리적 및 분자적 기작의 미세한 지점까지 우리의 이해가 증진될 전망입니다. (사이언스 데일리)

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날개 화석은 2-3 센티미터 정도 길이로 매우 작으며, 나무에 매달릴 수 있도록 날카로운 발톱이 달려있는 긴 손가락 세개, 날개뼈, 그리고 깃털이 포함되어 있고 아주 작은 세부사항까지 정교하게 모두 보존되어 있습니다. 손의 해부학적 구조를 보면 이 날개는 에난티오르니스류 새의 것으로 에난티오르니스류는 백악기에 살았으나 공룡과 함께 6천6백만 년 전에 멸종한 주요한 새의 그룹 중 하나입니다.

호박은 고형화된 나무의 수액으로 버마에서 발견되는 호박은 작은 덩어리 형태이며 안에 들어있는 귀중한 표본을 보기 위해서는 깨끗하게 손질이 되어야 합니다.

브리스톨 대학 지구과학부의 척추고생물학 교수인 마이크 벤턴과 연구진 중 한 명의 말입니다. “이 날개 화석은 놀라울 정도로 세부사항을 잘 보여주고 있습니다. 개별 깃털의 섬유질 및 가는 털 하나하나까지 다 볼 수 있어서 이것이 비행깃털인지 솜깃털인지 알 수 있으며 점과 띠 모양으로 된 색깔의 흔적까지 볼 수 있습니다.”

이번 연구의 주저자인 싱 리다 박사의 설명입니다. “이렇게 작은 새가 나무에 매달려 있었다는 사실을 보면 이들의 발생과정이 매우 발전되어 있었다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 이 새들은 알에서 깨어나자 마자 활동할 수 있었다는 의미입니다.”

“이 새들은 둥지에 머무르면서 부모가 먹여주기를 기다리지 않고 먹이를 찾아나섰다가 슬프게도 작은 몸과 경험부족 때문에 죽었던 것 같습니다. 다른 호박에서 발견되는 깃털 표본을 보면 다 자란 새들은 끈적거리는 수액을 잘 피했거나 수액과 접촉했더라도 몸을 빼낼 수 있었던 것으로 보입니다.”

버마의 호박 매장층에서는 귀중한 초기 화석들이 많이 발견되고 있으며 여기에서 발견되는 화석들은 땅 위에서 생명의 진화가 특별히 활동적으로 일어났던 시기, 즉 백악기의 육상 동물 진화를 잘 기록해 보여주고 있습니다. 속씨식물이 번성하며 다양성이 증가하고 있었고 잎과 꽃의 꿀을 먹는 곤충들 역시 빠르게 분화했으며 이들을 잡아먹는 포식자들, 즉 거미, 도마뱀, 포유류와 조류들의 다양성도 같이 증가했습니다.

이 연구는 6월 28일 <네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)> 에 출판되었습니다. (사이언스 데일리)

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원뿔세포는 특정 주파수의 빛에 반응하도록 특화되어 동물이 색깔을 감지할 수 있도록 해주며 간상체는 단 하나의 광자라도 감지할 수 있을 정도로 저조도 환경에 특화되어 있습니다. “대부분의 포유류들은 간상체가 주를 이루는 망막을 가지고 있지만, 물고기, 개구리, 혹은 새들을 보면 이들 대부분은 주로 원뿔세포로 이루어진 망막을 가지고 있습니다. 따라서 진화적인 관점에서 ‘무슨 일이 일어난 걸까?’ 라는 질문을 던질 수밖에 없습니다.” 미국 국립보건원의 산하조직인 국립 눈 연구소의 망막 생물학자 아난드 스와루프의 말입니다. “오랫동안 간상체와 원뿔세포의 발생에 관련된 근본적 기작을 이해하려는 연구를 진행해 왔습니다.”

스와루프와 동료들은 이전에 했던 연구들을 통해 NRL 이라 불리는 전사인자가 원뿔세포 발생 과정에 관여하는 유전자들을 억제하여 망막에 위치한 세포가 간상체로 성장하게 한다는 것을 보였습니다. “진화 과정 중에 짧은 주파수를 담당하는 원뿔세포가 어떤 이유로든 간상체로 변화한 것이 아닌가 궁금해졌습니다.” 스와루프의 말입니다.

포유류 간상체의 기원을 조사하기 위해 스와루프와 그의 연구팀은 서로 다른 발생단계의 쥐로부터 얻어낸 간상체와 원추세포를 살펴보았습니다. 유기체 태아 발생과정의 세부사항들을 살펴보다 보면 진화과정에서 조상이 가지고 있었던 특징들이 드러나곤 합니다. 예를 들면 인간 태아의 초기 발생과정에서는 아가미 비슷한 틈새와 꼬리를 볼 수 있습니다.

연구자들은 쥐가 태어난 지 이틀 후의 초기 발생단계에서 발생 중인 간상체 세포에서 보통은 짧은 주파수의 빛을 담당하는 성숙한 원뿔세포 (다른 동물에서는 자외선을 감지하는 데 사용되는 종류의 원뿔세포입니다) 에서 볼 수 있는 유전자들이 발현되는 것을 확인했습니다. 연구자들이 간상체 세포를 분리하여 후생학적 조사를 수행하자 쥐가 태어난지 열흘 이후의 발생과정에서 이런 부분이 히스톤과 DNA 메틸레이션에 의해 억제되고 있다는 것이 밝혀졌습니다.

주행성이면서 주로 원뿔세포로 이루어진 망막을 가진 제브라피쉬를 대상으로 한 일련의 실험에서는 제브라피쉬의 간상체 세포가 원뿔세포와 전혀 비슷하지 않다는 것이 밝혀졌습니다. 포유류에서 어떤 요인들이 작용하여 원뿔세포를 간상체로 변화시켰는지를 조사하기 위하여 연구자들은 여러 척추동물들의 유전체 염기서열을 살펴보았습니다. 연구팀은 태반류 포유류에서 현재의 망막이 진화하면서 NRL 조절에 관련된 유전자들의 작용이 더욱 정교해 졌으며 포유류가 아닌 몇몇 척추동물 그룹에서는 이 유전자들이 사라졌다는 것을 알아냈습니다. 이러한 조절 시스템의 기원은 초기 포유류에서 야행성 생활습관의 진화와 시기적으로 일치하는 것으로 보입니다.

연구팀은 포유류에서 NRL 전사인자가 눈의 광수용체에 제한되면서 세포가 원뿔세포에서 간상체로 변화하도록 강제하여 초기 포유류들이 야간에 활동적으로 생활할 수 있는 이점을 안겨주었다고 결론내렸습니다. 인간의 시력은 원뿔세포에 더 많이 좌우되지만 이것은 우리 조상들이 낮 시간에 주로 생활하도록 다시 진화했기 때문입니다.

“광수용체인 이들 간상체는 짧은 주파수의 빛을 감지하는 원뿔세포의 흔적을 분자 수준에서 여전히 가지고 있습니다.” 스와루프의 말입니다. “짧은 주파수의 빛을 담당하는 원뿔세포를 간상체로 만들어 주는 조절 요소들을 획득함으로써 초기 포유류들이 자외선을 감지하는 종류의 세포들 — 밤에는 필요하지 않은 — 을 빛에 아주 민감한 종류의 세포들로 변화시켰다는 증거들을 제시할 수 있었습니다.” (사이언스 데일리)

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사우샘프턴 대학의 엘리스 뉴엄이 참여한 이번 연구에서는 공룡이 (새를 제외하면) 6천6백만년 전에 멸종하여 포유류가 전면에 나설 수 있게 되기 전까지 공룡이 선사시대의 세계를 지배했고 몸집이 작은 포유류들은 눈에 띄지 않게 물러나 있었다는 식의 흔히 들을 수 있는 줄거리에 의문을 던졌습니다.

<왕립학회보 B (Proceedings of the Royal Society B)> 에 출판된 이번 연구의 공저자로 공학 및 환경 분야의 박사과정 학생인 엘리스 뉴엄의 말입니다. “전통적인 관점은 ‘공룡의 시대’ 동안 포유류들이 억압되어 있다가 공룡의 멸종 직후 빠른 속도로 번성하게 되었다는 것입니다. 하지만 우리 연구에 따르면 현생 포유류 대부분의 조상이었던 수류 포유류 (therian mammals) 들은 멸종사건이 있기 한참 전에 이미 분화하고 있었으며 멸종사건으로 인해 포유류의 다양성도 상당한 타격을 입었습니다.”

과거의 가설은 발견된 초기 포유류 화석들 중 많은 수가 작고 곤충을 먹는 동물이라는 사실에 기반하고 있습니다. 다양성 측면에서 특별히 중요해보이지 않았던 것입니다. 하지만 여러 해에 걸쳐 점점 더 많은 초기 포유류 화석이 발견되었고, 그 가운데에는 개만한 크기의 발굽동물 조상도 있었습니다. 이들 동물의 이빨 역시 다양한 모습을 보였습니다.

연구자들은 박물관의 화석 컬렉션에 보관되어 있는 수백 종류의 초기 포유류 어금니들을 분석했습니다. 그리고 공룡이 멸종하기 전에 살던 포유류들의 이빨 모양이 매우 다양했다는 것을 발견했는데 이것은 이들 포유류가 매우 다양한 식성을 가지고 있었다는 것을 의미합니다. 이렇게 서로 다른 식습관이 존재했다는 사실은 공룡과 함께 포유류 종들도 멸종했다는 예기치 못한 발견을 해내는 데 핵심적인 증거가 되었습니다.

포유류는 이전에 생각했던 것보다 더 일찍 분화하기 시작했던 데다가, 전통적으로 묘사되었던 것처럼 대량멸종이 포유류의 진화를 위한 완벽한 기회였던 것도 아닙니다. 초기 포유류는 공룡이 죽어나간 것과 동일한 시기에 선택적으로 멸종했습니다. 다양한 종류의 먹이를 먹으며 살아갈 수 있었던 제너럴리스트들이 생존에 더 적합했던 것으로 보이며, 특정 먹이만을 먹는 스페셜리스트였던 많은 포유류들이 멸종했습니다.

연구에 참여한 과학자들은 대량멸종으로 인해 포유류도 초기에는 부정적인 영향을 받았다는 것에 놀랐습니다. “멸종 직후부터 분명히 더 다양한 포유류를 볼 수 있을 거라고 기대했습니다.” 필드박물관의 연구원이자 시카고대학의 박사후보생인 주저자 데이비드 그로스니클의 말입니다. “어떤 면에서든 다양성이 감소할 것이라고는 생각하지 않고 있었습니다. 전통적인 관점, 즉 멸종 직후부터 포유류가 재빨리 번성했으리라는 관점과 맞아들어가지 않는 것이었죠. 그게 제가 이 문제로 되돌아와서 더 깊이 연구를 했던 이유 중 하나입니다. 틀린 것 같았거든요.”

공룡멸종 직전에 포유류의 분화가 일어났던 이유는 여전히 수수께끼입니다. 그로스니클은 비슷한 시기에 분화하기 시작한 속씨식물의 부상과 포유류의 부상 사이에 연관관계가 있을 수 있다고 말합니다다. “확실히 알 수는 없습니다만, 속씨식물이 포유류들이 먹기 좋은 씨앗과 열매를 제공했을 수 있습니다. 그리고 만일 식물이 꽃가루받이를 시켜주는 곤충들과 공진화를 했다면 이 곤충들이 초기 포유류의 먹이가 되었을 수도 있습니다.” 그로스니클의 말입니다.

그로스니클은 이번 연구가 특히 현재 지구가 겪고 있는 대량멸종과 관련하여 의미를 가진다고 지적했습니다. “6천6백만 년 전 대량멸종을 거치며 살아남은 동물들은 대부분 제너럴리스트였는데, 이것이 향후 수백년에서 천년 정도의 기간에 어떤 생물들이 살아남을 것인지 알려주는 지표일 수도 있습니다.” (사이언스 데일리)

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