September 26,2018

1억5천만년 전 시조새, 꿩처럼 날았다

진보된 비행 스타일은 아니지만 능동적 비행 가능

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후기 쥐라기의 공룡-조류인 시조새(Archaeopteryx)가 정교하게 깃털로 장식된 지상 거주 동물인지, 활공을 했었는지, 아니면 능동적으로 비행을 했었는지는 수십년 동안 고생물학자들 사이에 논란이 되어왔다.

최근 국제 과학자팀이 유럽 싱크로트론 방사광 시설(ESRF)에서 시조새 화석을 대상으로 첨단 싱크로트론 미세단층촬영을 실시한 결과 마침내 이런 의문에 대한 답을 얻게 되었다. 연구팀은 이 결과를 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 최근호에 발표했다.

분석 결과에 따르면 시조새의 날개 뼈는 오늘날의 새에게서 볼 수 있는 진보된 비행 스타일은 아니나, 부수적으로 능동적인 비행을 할 수 있도록 형성된 것으로 나타났다.

시조새는 과연 하늘을 날 수 있는 능력이 있었을까? 그렇다면 어떻게 날았을까? 현대의 조류는 일반적으로 멸종된 공룡으로부터 유래됐다고 알려져 있으나 초기의 진화 그리고 조류의 비행이 어떻게 발전해 왔는가에 대해서는 여전히 많은 의문이 남아있다.

과도기 조류인 시조새의 뮌헨 표본. 부분적인 두개골(왼쪽 위)과 어깨 견갑대와 양쪽 날개가 약간 위로 올라온 모습(왼쪽 끝에서 왼쪽 중앙), 흉곽(가운데), 골반대와 양 다리가 ‘자전거 타기’ 자세 (오른쪽)를 하고 있다. 이 모두가 척추에 의해 목(왼쪽 상단, 두개골 아래)에서 꼬리 끝(가장 오른쪽)까지 연결된다.  Credits: ESRF/Pascal Goetgheluck

과도기 조류인 시조새의 뮌헨 표본. 부분적인 두개골(왼쪽 위)과 어깨 견갑대와 양쪽 날개가 약간 위로 올라온 모습(왼쪽 끝에서 왼쪽 중앙), 흉곽(가운데), 골반대와 양 다리가 ‘자전거 타기’ 자세 (오른쪽)를 하고 있다. 이 모두가 척추에 의해 목(왼쪽 상단, 두개골 아래)에서 꼬리 끝(가장 오른쪽)까지 연결된다. Credits: ESRF/Pascal Goetgheluck

지금까지는 화석 속 볼 수 없어 연구에 한계  

전통적인 연구방법으로는 시조새가 날았는지 그렇지 않은지에 대해 지금까지 답을 할 수가 없었다. ESRF와 체코 팔라키 대학, 프랑스의 국립과학연구센터(CNRS)와 소르본느 대학, 스웨덴의 업살라 대학 및 독일 솔른호픈 뷔르거마이스터-뮐러 박물관의 국제과학자팀은 ESRF의 빔라인 ID19에서 싱크로트론 미세단층촬영 방법으로 시조새 화석의 내부를 조사해 이 최초의 새에 대한 새로운 사실을 밝혀냈다.

멸종된 동물, 특히 유명한 시조새 같은 수수께끼의 동물이 나타냈던 행동을 재구성하는 일은 고생물학자들에게 상당한 과제를 안겨준다. 독일 남동부의 후기 쥐라기 시대 퇴적층에서 화석이 발견된 시조새는 자유 비행을 할 수 있었던 가장 오래된 공룡으로 간주된다. 잘 보존된 시조새 화석은 해부학적으로 멸종된 육식 공룡과 ‘살아있는 공룡’인 조류가 가까운 친척 사이임을 보여준다.

가장 현대화된 조류의 골격은 동력 비행을 위해 매우 전문화되어 있고 특히 어깨 부위의 많은 특징적인 적응요소들이 시조새의 바바리아 화석에는 결여돼 있다. 시조새의 깃털 달린 날개는 매일 머리 위를 날아다니는 오늘날의 조류 날개와 비슷하지만 원시적인 어깨 구조가 현대 조류의 날갯짓 리듬 주기와는 일치하지 않는다.

이번 연구를 토대로 표현한 시조새가 비행하는 모습 Image credit: Jana Růžičková

이번 연구를 토대로 표현한 시조새가 비행하는 모습 Image credit: Jana Růžičková

첨단 X선 조사로 삼차원 형상 재구성

소르본느 대학의 조르주 퀴보(Jorge Cubo) 교수는 “팔다리 뼈의 횡단면 구조를 보면 최소한의 질량으로 최적의 강도를 얻기 위한 진화 적응과, 생애 동안 경험한 힘들에 대한 기능적 적응에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 알 수 있다”고 말했다.

논문 시니어 저자인 스웨덴 업살라대의 소피 산체스(Sophie Sanchez) 교수는 “관찰 가능한 행동습관을 지닌 살아있는 동물의 뼈와 수수께끼 같은 화석 뼈를 통계학적으로 비교해 보면 오래된 논란을 해결하는데 도움이 되는 새로운 정보를 얻을 수 있다”고 설명했다.

시조새 뼈대는 석회암판 안과 위에 묻혀있는 형태로 보존돼 있어 형체의 일부만 드러내고 있다. 이 화석은 세계적인 희소가치가 있기 때문에 모호한 부분이나 내부 구조를 확인하기 위해 침습적인 방법을 쓰기는 곤란하다.

ESRF의 빔라인 과학자인 폴 타포로(Paul Tafforeau) 박사는 “다행히 오늘날에는 귀중한 화석을 손상시킬 필요가 없게 됐다”며, “대형 시편을 조사할 수 있는 탁월한 감도를 지닌 ESRF의 X선 영상기술로 화석에 아무런 해를 끼치지 않고 내부를 미세하게 파악해 품질 높은 가상의 삼차원 모습으로 재구성할 수 있다”고 밝혔다.

그는 “싱크로트론 소스의 속성이 크게 향상되고 단층 촬영을 위한 새로운 빔라인이 지정되는 등 흥미로운 업그레이드가 진행되고 있다”며, “이런 발전은 앞으로 훨씬 더 큰 표본에 대해서도 더욱 나은 조사 결과를 제공할 것”이라고 덧붙였다.

ESRF의 ID19 빔라인에서 석회암 판에 있는 시조새 화석을 첨단X선 장비로 분석하고 있다. Credits: ESRF/Pascal Goetgheluck

ESRF의 ID19 빔라인에서 석회암 판에 있는 시조새 화석을 첨단X선 장비로 분석하고 있다. Credits: ESRF/Pascal Goetgheluck

현대 조류와 중요한 적응 공유

조사된 자료는 예기치 않게 시조새의 날개 뼈들이 어깨의 견갑대와는 달리 현대의 날아다니는 새와 중요한 적응을 공유한다는 사실을 나타냈다.

프랑스 CNRS의 엠마뉘엘 마르주리(Emmanuel de Margerie) 박사는 “팔의 가운데 부분이 새의 명확한 비행 관련 정보를 담고 있기 때문에 거기에 초점을 맞춰 이런 결과를 얻었다”고 말했다.

논문 제1저자인 ESRF의 데니스 뵈텐(Dennis Voeten) 연구원은 “우리는 시조새의 뼈 내벽이 지상에 사는 공룡들보다 훨씬 얇고 오히려 전통적인 새의 뼈와 많이 닮았다는 것을 즉각 알 수 있었다”며, “분석된 자료를 보면 시조새의 뼈가 장벽을 가로질러 날아가거나 때때로 포식자를 피하기 위해 능동적으로 나는 꿩 같은 조류의 뼈와 가장 가깝다는 것을 알 수 있고, 지속적인 비행을 위해 최적화된 많은 맹금류와 일부 바다새와 같이 활공하고 솟아오르는 형태를 취할 수 있는 뼈는 아닌 것으로 보인다”고 설명했다.

논문 공저자로 시조새 큐레이터인 마르틴 뢰퍼(Martin Röper) 박사는 “우리는 시조새 화석이 발견된 독일 남동부 솔른호펜 주변 지역이 그 옛날 열도 군도였다는 사실을 알고 있다”며, “그런 환경은 섬을 뛰어넘거나 탈출 비행을 하기에 매우 적합하다”고 말했다.

ESRF의 뱅상 베이랑(Vincent Beyrand)은 “시조새는 백악기의 거대 익룡으로 진화한 원시 익룡과 함께 쥐라기 하늘을 날아다녔고, 우리는 능동 비행과 솟구치는 새들 간의 차이처럼 원시 익룡과 진화한 익룡 사이의 날개 뼈 기하 구조에 유사한 차이점이 있다는 것을 발견했다”고 덧붙였다.

논문 제1저자인 데니스 뵈텐이 시조새와 원시 익룡의 뼈 벽 두께를 비교하기 위해 컴퓨터 화면에 표시한 모습. Credits: ESRF

논문 제1저자인 데니스 뵈텐이 시조새와 원시 익룡의 뼈 벽 두께를 비교하기 위해 컴퓨터 화면에 표시한 모습. Credits: ESRF

공룡의 능동적인 비행, 훨씬 일찍 시작돼”

시조새는 현대 조류가 포함된 날개 새 계열(avialan lineage)에서 가장 오래된 종류로 알려져 있기 때문에 이번 발견은 시조새의 생활양식뿐만 아니라 공룡 비행의 초기 진화에 대한 통찰을 제공하고 있다. 체코 팔라키 대학의 스타니슬라브 부레쉬(Stanislav Bureš) 교수는 “실제로 우리는 시조새가 이미 약1억5000만년 전에 활발하게 활동하고 있었음을 알았고, 이는 능동적인 공룡 비행이 훨씬 더 일찍 진화했다는 것을 의미한다”고 말했다.

데니스 뵈텐은 “그럼에도 불구하고 시조새는 현대 조류처럼 날 수 있는 가슴의 적응력이 부족했기 때문에 동력 비행을 하는 방식도 달랐을 것”이라며, “시조새가 어떻게 날개를 사용했는지를 정확히 알기 위해 화석을 더 면밀히 연구할 필요가 있다”고 결론지었다.

시조새는 공룡 비행 전략의 첫 번째 물결을 대변하는 것으로 명백히 밝혀졌으나 결국 멸종되었고, 오늘날에는 공중을 나는 새들에서 일부 흔적을 관찰할 수 있다.

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