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초기동물 진화, 산소가 좌우했다

대기 중 산소함량 증가…동물 다양성 늘어

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약 5억 년 전후의 캄브리아기 지질시대에 지구상에는 다양한 종류의 동물이 폭발적으로 증가했다는 사실은 화석 발굴로 널리 알려져 있다.

이 캄브리아기 대폭발(Cambrian explosion)에서 대기 산소의 급격한 변동이 동물 다양성의 진화적 부침과 일치한다는 새로운 증거가 제시됐다.

캄브리아기 대폭발에서는 특히 구조가 복잡한 동물이 급속하게 진화했으며, 초기 동물사에서 이 같은 기본 양상이 어떻게 촉발됐는가는 그동안 생물학계에서 계속 논쟁이 돼 왔다.

영국과 중국 및 러시아 협동연구팀은 ‘네이처 지구과학’(Nature Geoscience) 최근호에 발표한  논문을 통해 대기 중의 산소 함량이 동물 진화의 주요 조절인자라는 이론을 제시했다.

이번 연구는 캄브리아기 대폭발 동안 저산소 시기에는 멸종이 일어났고, 산소 수준이 급격히 증가하면 동물 진화와 다양성도 폭발적으로 늘어나는 현저한 상관관계가 있다는 사실을 처음으로 보여주었다.

캄브리아기 시기의 삼엽충 알도나이아(Aldonaia) 화석.  CREDIT: Andrey Zhuravlev, Lomonosov Moscow State University

캄브리아기 시기의 삼엽충 알도나이아(Aldonaia) 화석. ⓒ Andrey Zhuravlev, Lomonosov Moscow State University

“산소 수준 따라 멸종하거나 급팽창”

논문 제1저자로 영국 유니버시티칼리지런던(UCL)에서 이 연구를 시작한 티안체 헤(Tianchen He) 리즈대 박사후 연구원은 “캄브리아기 대폭발 동안에 나타난 복잡한 생물체들은 오늘날 우리가 볼 수 있는 많은 현대 동물의 전구체였다”고 말했다.

그러나 이 기간 동안 대기 중 산소 농도에 대한 직접적인 기록이 없기 때문에 어떤 요인들이 이 진화의 핵심 포인트를 촉발했는지를 판단하기가 어려웠다는 것.

그는 “고대 암석에서 발견되는 탄소와 황의 동위원소를 분석해 캄브리아기 대폭발 동안 지구 대기와 얕은 바다에서의 산소 변화치를 추적할 수 있었다”고 말하고, “같은 시기의 화석화된 동물들을 비교해 진화적 방산(evolutionary radiations)이 산소 수준에 따라 ‘급팽창과 몰락(boom and bust)’ 패턴을 따른다는 사실을 명백히 알 수 있었다”고 밝혔다.

이것은 산소가 초기 동물체 출현에 결정적인 역할을 했다는 사실을 강하게 시사한다는 것이다.

캄브리아기 시기의 대형 절지동물인 파이토필라스피스(Phytophilaspis)의 화석.  CREDIT: Andrey Zhuravlev, Lomonosov Moscow State University

캄브리아기 시기의 대형 절지동물인 파이토필라스피스(Phytophilaspis)의 화석. ⓒ Andrey Zhuravlev, Lomonosov Moscow State University

시베리아 캄브리아기 지층 분석

논문 공저자인 UCL 지구과학과 그레이엄 쉴즈(Graham Shields) 교수는 “이번 연구는 최초의 동물 조상들이 대기 산소 수준의 극심한 변화로 야기된 일련의 진화적 방산과 병목현상을 경험했다는 사실을 보여주는 첫 번째 연구”라고 평가했다.

그는 “그 결과 캄브리아기 1300만 년 이상 동안 새로운 형태의 동물들이 폭발적으로 증가했다”며, “당시 지구에는 단순한 단세포에 움직이지 않는 유기체들이 살고 있다가 오늘날 우리가 보는 것과 같은 놀라운 다양성을 지닌 복잡하고 활기 넘치는 생명체가 나타나게 되었다”고 설명했다.

연구팀은 시베리아 알단(Aldan) 강과 레나(Lena) 강 유역에서 수집한 해양 탄산염 표본에서 탄소와 황 동위원소를 분석했다. 캄브리아기 대폭발 당시 이 지역은 얕은 바다였고, 지구상 동물의 대부분이 서식하고 있었다.

시베리아에 있는 캄브리아기의 낮은 지층은 풍부한 화석 기록과, 연대를 신뢰할 수 있는 연속적인 석회암으로 구성돼 있어 지구화학적 분석에 적합한 표본을 얻을 수 있다. 연구팀은 이 암석들의 동위원소 분석을 통해 캄브리아기 동안에 얕은 바다와 대기에 존재하는 산소 수준을 확인할 수 있었다.

연구팀이 탐사 작업을 벌인 시베리아 사카(Sakha)에 있는 레나 강. CREDIT: Andrey Zhuravlev, Lomonosov Moscow State University

연구팀이 탐사 작업을 벌인 시베리아 사카(Sakha)에 있는 레나 강. ⓒ Andrey Zhuravlev, Lomonosov Moscow State University

지구생명체 형성과 산소의 역할

또 다른 공저자인 리즈대 지구 및 환경대 벤저민 밀즈(Benjamin Mills) 박사는 “시베리아 플랫폼은 초기 해양생태계에 대한 독특한 창을 열어주었다”며, “이 지역은 지금까지 알려진, 캄브리아기 대폭발에서 나타난 화석화된 생물 다양성의 절반 이상을 포함하고 있다”고 말했다.

그는 “동위원소 측정과 수학적 모델을 결합하면 중요한 진화의 요람인 캄브리아기 대폭발 시기의 퇴적물로 진입할 수 있는 탄소와 황의 맥락을 추적할 수 있다. 우리 모델은 이 정보를 사용해 지구에서의 산소 생산과 파괴의 균형을 평가함으로써 산소가 오늘날의 지구 생명체를 어떻게 형성했는지에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있었다”고 덧붙였다.

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