머리 돌리려고 목이 생긴 게 아니다…3억8천만년 전 비밀 밝혀졌다

철갑상어 척삭 실험으로 밝혀낸 초기 사지동물 목 진화의 진짜 이유

펜실베이니아주립대 Tom Stewart 조교수 등 국제 연구팀은 지구 최초의 육상 동물들이 알려진 것과 달리 뻣뻣한 목을 갖고 있었다는 연구 결과를 네이처에 발표했다. (AI 생성 이미지)

목이 생겼다고 고개를 돌릴 수 있었던 건 아니었다.

새로운 모델 연구 결과, 지구 최초의 육상 동물들은 과학자들이 오랫동안 믿어온 것과 달리 유연한 목이 아니라 뻣뻣한 목을 갖고 있었던 것으로 나타났다. 이 연구는 펜실베이니아주립대(Penn State) 생물학과 Tom Stewart 조교수 등 국제 연구팀이 수행했으며, 10월 14일 국제학술지 Nature에 게재됐다.

약 3억8000만 년 전, 물에서 육지로의 진화적 전환에 가까워진 일부 어류들은 두개골과 어깨 사이에 해부학적 분리, 즉 목이 생기기 시작했다. 수십 년간 과학계는 이 변화가 머리의 이동성을 높여 먹이 탐색과 포식자 감지를 용이하게 했다고 믿어왔다.

연구진의 모델 추정에 따르면, 틱타알리크 로세(Tiktaalik roseae)는 목을 좌우로 6도도 채 굽히지 못했다. 두개골이 어깨에서 분리된 구조를 갖고 있었지만, 고개를 돌리거나 들어올리는 동작이 거의 불가능했다는 뜻이다. 틱타알리크는 2006년 처음 기재된 3억7500만 년 전 화석 어류로, 캐나다 누나부트 엘즈미어 섬에서 발견됐으며 두개골과 어깨가 자연적으로 분리된 최초의 사지동물로 알려져 있다.

이 시기 동물들은 뼈로 된 척추뼈 사이의 관절 대신, 척삭(notochord)이라 불리는 긴 연조직 막대가 척주를 관통하는 구조를 갖고 있었다. 문제는 연조직이 화석으로 거의 남지 않아 실제 목의 유연성을 검증하기가 불가능했다는 점이다.

연구진은 이 문제를 풀기 위해 성체가 된 뒤에도 척삭을 유지하는 철갑상어(lake sturgeon)에 주목했다. 철갑상어는 초기 사지동물의 가까운 친척은 아니지만, 척추 구조가 유사해 유용한 비교 대상이 된다. 연구진은 철갑상어의 척추를 해부해 만능시험기(universal testing machine)로 구부리고 비틀며 역학적 특성을 측정했다. 이 데이터에서 철갑상어 조직의 강성(stiffness)을 계산한 뒤, 멸종 동물의 화석 치수에 적용해 목의 가동 범위를 추산했다.

제1저자인 웁살라대 박사후연구원 Dana Korneisel은 "철갑상어 척추를 손으로 다뤄보면 조직이 그다지 뻣뻣하게 느껴지지 않았다"며 해부 과정에서 예상과 달랐다고 밝혔다. "이 해부학적 변화가 동물들에게 얼마나 큰 차이를 만들었는지 알고 싶어 연구를 시작했다"고 그는 덧붙였다.

그러나 철갑상어 척삭의 물성을 화석 동물에 적용한 결과, 초기 사지동물의 목은 놀랍도록 뻣뻣했으며 두개골과 어깨가 분리돼 있어도 목이 크게 움직이지 못했을 것으로 나타났다. 모델들은 이 초기 목이 눈에 띄게 뻣뻣하게 유지됐음을 보여줬고, 근육과 피부 같은 연조직은 계산에 포함되지도 않았는데 이것들이 더해지면 움직임이 더욱 제한됐을 것이다.

"사지동물이 결국 더 높은 목 이동성을 갖게 됐다는 사실은 알고 있다. 이번 결과는 그 기능 획득 시점을 우리가 이전에 생각했던 것보다 더 나중으로, 진화 계통수에서 더 위쪽으로 밀어 올리는 것"이라고 Korneisel은 밝혔다.

연구팀은 두개골과 어깨의 분리가 처음에는 앞다리를 이동에 활용하는 방식의 변화와 관련해 발생했을 가능성을 제시했으며, 목의 유연성은 그보다 나중에 추가적인 진화적 이점으로 발달했다고 설명했다.

Penn State의 Tom Stewart 조교수는 새 화석 증거와 살아있는 물고기를 대상으로 한 역학 실험을 결합한 이 모델들이, 목이 머리를 자유롭게 움직이기 위해 진화했다는 오랜 통념에 의문을 제기한다고 설명했다. 연구는 목의 기능적 발달이 해부학적 목의 출현보다 나중에 이루어졌음을 보여주며, 이후 목이 길어지고 척추 사이 관절이 더 유연해지는 변화가 뒤따랐다고 밝혔다.

초기 사지동물에서 더 큰 목 움직임이 언제 진화했는지는 아직 열린 질문으로 남아 있다.