동물이 어떻게 물 속에서 땅 위로 올라올 수 있게 진화했는지 그 단서를 도롱뇽에서 찾다

[사이언스 데일리] 약 3억9천만 년 전, 최초의 척추동물이 물 속에서 땅 위로 올라오면서 육상생활을 하기 위한 근골격계의 변화가 필요했다. 첫 네발동물의 앞다리와 뒷다리는 더 많은 무게를 지탱해야 했다. 하지만 뼈의 기능에 변화를 가져온 정확한 기작은 무엇이었을까? 범무늬도롱뇽에서 단서를 찾을 수 있을지도 모른다.

(2015년 11월 30일 사이언스 데일리 기사 번역)

정보출처: 미국 국립 수학 생물학 종합 연구소 (National Institute for Mathematical and Biological Synthesis, NIMBioS)

과학자들이 범무늬도롱뇽을 이용해 초기 네발동물이 물에서 땅 위로 올라오면서 겪었던 변화를 조사했다. Credit: Todd Pierson

과학자들이 범무늬도롱뇽을 이용해 초기 네발동물이 물에서 땅 위로 올라오면서 겪었던 변화를 조사했다. Credit: Todd Pierson

약 3억9천만 년 전, 최초의 척추동물이 물 속에서 땅 위로 올라오면서 육상생활을 하기 위한 근골격계의 변화가 필요했다. 첫 네발동물의 앞다리와 뒷다리는 더 많은 무게를 지탱해야 했다. 하지만 뼈의 기능에 변화를 가져온 정확한 기작은 무엇이었을까?

범무늬도롱뇽에서 단서를 찾을 수 있을지도 모른다. 미국 국립 수학 생물학 종합 연구소 (NIMBioS) 와 클렘슨 대학의 과학자들로 이루어진 연구팀이 새 연구에서 어떤 기작이 뼈 기능의 변화를 이끌어냈는지를 살펴보고 네발동물이, 즉 네 다리를 가진 최초의 척추동물들이 어떻게 해서 땅 위로 첫 걸음을 내딛게 되었는지 그 진화과정에 대한 새로운 통찰을 제공해 주었다.

화석 동물들의 생물학적 측면을 이해하기 위해서 연구자들은 종종 그와 비슷한 현생 동물들을 조사하여 멸종한 동물이 어떻게 움직였는지를 모델링하곤 한다. 특히 도롱뇽은 육상에서의 이동방식이 어떻게 진화했는지를 연구하기에 적합한 동물인데, 도롱뇽의 해부학적 구조와 생태가 초기의 네발동물과 유사하기 때문이다.

이들의 뼈는 근육의 수축과 환경과의 상호작용으로 인한 서로 다른 여러 종류의 힘, 혹은 “부하” 를 견뎌야 했다. 특히 다리뼈는 가장 큰 힘을 받아내야만 했다. 화석 기록을 보면 앞다리와 뒷다리는 땅 위에서 걷는 데 서로 다른 기능을 가지고 있었던 것으로 보이지만 이런 차이를 가져오는 정확한 기작은 잘 알려져 있지 않다. 연구자들은 초기 네발동물의 진화에 있어서 골격 설계의 다양성을 이끌었을 만한 요인들이 무엇이었는지 검증하기를 원했다.

도롱뇽에서 뼈에 걸리는 부하의 역학적인 측면은 도롱뇽이 다리 뼈에 가해지는 힘을 측정할 수 있도록 특수제작된 플랫폼 위를 걷는 모습을 촬영하는 것을 포함하여 여러 가지 방식으로 검증되었다. 앞다리와 뒷다리의 비교, 그리고 다리 관절에 대한 분석이 행해졌다. 수학적인 모델을 사용하여 육상을 걸을 때 필요한 물리적 요구사항을 다리뼈가 어떻게 견뎌낼 수 있었는지를 평가했다.

검증이 잘 되는지를 확실히 하기 위해 예를 들면 도롱뇽이 방향을 바꾸거나, 멈추거나, 플랫폼에서 떨어지거나, 혹은 대각선으로 걸어간 경우는 연구에서 제외되었다. 연구 결과, 뒷다리와 비교했을 때 앞다리는 상대적으로 낮은 항복 응력 (lower yield stresses), 높은 역학적 경도, 그리고 정상적인 경우보다 훨씬 높은 부하를 견딜 수 있는 능력을 가지고 있는 것으로 나타났다.

“이 결과는 육상에서의 이동에 앞다리와 뒷다리가 서로 다르게 기여했다는 점을 고려함으로써 네발동물이 땅 위로의 첫 걸음을 어떻게 내디뎠는지를 모델링하는 데 있어서 새로운 관점을 제공해 줍니다.” NIMBioS 의 박사후 연구원이자 논문의 주저자인 샌디 카와노의 말이다.

참고문헌

S. M. Kawano, D. R. Economy, M. S. Kennedy, D. Dean, R. W. Blob. Comparative limb bone loading in the humerus and femur of the tiger salamander Ambystoma tigrinum: testing the ‘mixed-chain’ hypothesis for skeletal safety factors. Journal of Experimental Biology, 2015; DOI: 10.1242/jeb.125799

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카테고리:번역, 기타척추동물, 사이언스 데일리, 생물학, 현생

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