물에서 육지로의 진화(進化) '네발 달린 물고기'의 비밀은?

■ 美 과학자들 '어류 머리뼈'에서 진화과정 밝혀내 아가미 덮고 있던 단단한 뼈 육지로 올라오면서 사라져 목·지느러미 형태 변하면서 날아다니는 곤충도 먹어

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인어공주는 두 다리를 얻는 대신 그토록 아름답던 목소리를 잃어버린다. 진화의 역사에서 어류가 물을 벗어나 육지로 올라오는 일 역시 그만큼 어려운 일이었다. 숨도 아가미가 아닌 허파로 쉬어야 하고, 지느러미는 팔다리로 변해야 했다.

최근 과학자들이 어류와 육상동물의 특징을 모두 지니고 있어 '걸어 다니는 물고기'라 불리는 한 어류의 화석에서 어류가 육상동물로 진화하는 과정을 설명해줄 새로운 증거를 찾아냈다. 인어공주가 두 다리를 얻게 된 또 다른 비밀은 머리에 있었다.

◆머리뼈에 나타난 진화의 증거

미 국립과학원의 테드 대슬러(Daeschler) 박사가 이끄는 공동연구진은 지난 16일자 '네이처(Nature)'지에서 "3억7500만년 전에 살았던 어류의 화석인 '틱탈릭 로제이(Tiktaalik roseae)'의 머리뼈에서 어류가 육지동물로 진화하는 과정을 설명해줄 핵심적인 단서를 발견했다"고 밝혔다.

미국과 캐나다 공동연구진은 2004년 북극에서 1000㎞ 떨어진 캐나다 누나부트 지역 엘레스미어섬에서 몸길이 2.7m의 틱탈릭 화석을 발견했다. 2년의 연구 끝에 연구진은 이 화석이 어류에서 육상동물로 진화하는 과정을 밝히는 데 지금까지 찾지 못하던 '잃어버린 고리(missing link)'라는 결론을 내렸다.

화석의 두개골은 악어처럼 평평했고, 목과 갈비뼈는 육지의 네발짐승과 흡사했다. 지느러미 뼈는 물고기의 지느러미와 육상동물의 팔다리 뼈의 중간 형태였다. 날카로운 이빨도 있었다. 반면 어류의 전형적인 특징인 비늘과 지느러미 줄기도 갖고 있었다. 이른바 '네 발 달린 물고기'의 모습이었다.

하지만 진화는 다리에서만 이뤄진 게 아니었다. 연구진은 바위에 박혀 있어 미처 분석하지 못했던 머리뼈에서 어류에서 주로 발달하는 '하이오맨디불라(hyomandibula)'라는 뼈가 크게 축소돼 있는 것을 발견했다. 이 뼈는 뇌를 담는 머리뼈와 입 천장, 아가미를 연결하는 역할을 한다. 물이라는 3차원 공간에서 온몸을 먹이를 따라 움직이며 호흡을 할 수 있는 것도 이 뼈 덕분이다.

어류가 일단 육지에 올라서면 하이오맨디불라는 원래 기능을 상실하고 점점 귀 안쪽으로 쪼그라들게 된다. 인간의 경우 이 뼈가 외부의 소리를 달팽이관으로 전달하는 조그만 등자뼈로 변해 버렸다. 육지로 올라서면서 아가미 호흡에 대한 의존도가 줄어든 것으로 볼 수 있다.

아가미를 덮고 있던 단단한 뼈도 사라지면서 목이 자유로워졌다. 덕분에 땅을 단단히 짚은 상태에서 날아다니는 곤충과 같은 먹이를 쫓을 수 있게 됐다. 머리뼈가 어깨뼈와 분리된 것도 목놀림에 큰 도움을 줬다. 동시에 부력이 사라지고 중력을 그대로 받게 되면서 머리뼈는 납작해지고 단단해졌으며, 코는 길어졌다.

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▲ 어류에서 육상동물로의 진화과정을 보여주는 3억7500만년 전 어류 화석 틱탈릭 로제이. /미 국립과학재단 제공

◆네 발로 걷는 물고기

2006년 틱탈릭에 대한 첫 연구논문이 네이처지에 발표됐을 때 당시 연구를 지원한 내셔널 지오그래픽 소사이어티(NGS)와 미국과학재단(NSF)은 "지구 생물체의 진화를 이해하는 결정적인 단서를 찾았다"고 환호했다. 뉴욕타임스(NYT)지는 "창조론에 맞서는 강력한 방증이 될 것"이라고 평했다.

틱탈릭이 처음 세상의 주목을 받은 것은 지느러미가 다리로 진화해가는 과정을 보여준 데 있다. 지느러미 뼈에는 사람으로 치면 팔목과 팔꿈치 구조가 있었다. 과학자들은 틱탈릭이 얕은 물속에 살면서 잠시 육지에 올라와 지느러미로 땅을 짚고 움직였을 것으로 추정하고 있다. '틱탈릭'이란 이름도 에스키모 말로 '얕은 물에 사는 큰 물고기'라는 뜻이다.

이번 연구논문의 공동저자인 시카고대학 네일 슈빈(Shubin) 박사는 "틱탈릭의 머리뼈를 보면 물에서는 물고기, 육지에서는 곤충을 포획할 수 있는 구조였음을 알 수 있다"고 밝혔다.

화석은 3억9500만년에서 3억4500만년 전 사이 고생대 데본기 지층에서 발견됐다. 지금은 극지방이지만 당시엔 수풀이 우거진 열대 우림 지역이었을 것으로 추정되고 있다.

물속에만 있기에는 하늘을 날아다니는 곤충의 유혹이 너무 강했을 것이다. 인어공주가 왕자의 유혹에 빠졌듯이 말이다.

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▲ 물에서 육지로 올라온 최초의 어류 틱탈릭 로제이 상상도. /미 국립과학재단 제공

조선일보