September 23,2019

익룡의 ‘비행 능력’ 매우 서툴렀다

깃털의 무게‧유연성, 미숙한 단계에 머물러

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날개가 있어 하늘을 날았던 파충류를 익룡(Pterosaurs)이라고 한다.

이들은 공룡과 같은 시대를 살며 강력한 날개를 갖고 날아다녔던 척추동물이다. 어떤 익룡은 기린처럼 컸던 것으로 추정하고 있다.

최근 이 분석 기법이 발전하면서 이 익룡 연구에 급진전이 이루어지고 있다. 지난해 12월 영국 레스터 대학 등 영국과 중국 공동연구팀은 익룡의 피부가 원시 형태의 깃털(feather)로 뒤덮여 있었다는 사실을 밝혀냈다.

익룡의 깃털 단백질 성분이 새롭게 변화하면서 비행 능력이 향상됐다는 연구 결과가 발표됐다. 사진은 미국 피츠버그 자연사박물과에 소장된 시조해 화석. ⓒWikipedia

익룡의 깃털 단백질 성분이 새롭게 진화하면서 비행 능력이 서서히 향상됐다는 연구 결과가 발표됐다. 사진은 미국 피츠버그 자연사박물관에 소장된 시조새 화석. ⓒWikipedia

1억6000만 년 전 깃털 단백질 분석 

당시 연구팀은 또 익룡의 모습을 재현했는데 영화 ‘해리 포터’에 나오는 독수리 날개와 머리를 지닌 벅빅(Buckbeak)과 흡사한 모습이었다.

최근 들어서는 나노 차원의 첨단기기를 통해 단백질 분석에 성공하면서 이 벅빅처럼 생긴 익룡이 언제, 어떻게 날 수 있는지 그 증거를 밝혀내고 있다.

29일 ‘사이언스’ 지에 따르면 중국과학원(CAS)은 미국 노스캐롤라이나 주립대와 공동으로 익룡의 깃털 화석을 분석해 깃털을 구성하고 있는 분자들이 어떤 변화과정을 거쳐 더 가벼워지고, 또한 더 유연해졌는지 그 증거를 찾아내는데 성공했다.

깃털 분자가 더 가벼워지고 유연해졌다는 것은 날 수 없었던 공룡이 비행이 가능한 새로 진화했다는 사실을 말해주는 것이다.

연구 결과에 따르면 약 1억6000만 년 전에 살았던 까마귀 크기의 익룡 안키오르니스(Anchiornis)와 약 1000만 년까지 살았던 시조새 ‘아르카이오프테릭스(Archaeopteryx)’의 깃털은 매우 불완전해 매우 서투르게 날았던 것으로 추정된다.

깃털을 구성하고 있는 단백질 일부가 여전히 공룡 수준에 머물고 있어 지금의 새처럼 유연하고 빠르게 날 수 없었다는 것.

연구에 참여한 노스캐롤라이나대학의 메리 슈바이쳐(Mary Schweitzer) 박사는 “시조새의 날개가 지금의 새처럼 완벽한 모습을 갖추지 못하고 있었다”며, “시조새의 비행 능력이 진화 상태에 있었음을 보여주고 있다”고 설명했다.

최근 익룡에 대한 연구는 유전자, 단백질 분석 기술 발전으로 발전을 거듭하고 있다. 이번 미국과 중국 과학자들의 공동연구 결과는 익룡의 진화 과정을 단백질 수준에서 명백히 밝혀냈다는 점에서 높은 평가를 받고 있다.

이번 연구 결과는 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 29일자에 게재됐다. 논문 제목은 ‘The molecular evolution of feathers with direct evidence from fossils’이다.

단백질 진화로 비행 능력도 진화 

현재 지구상에 살고 있는 모든 척추동물들은 머리카락이나 깃털, 뿔이나 손톱‧발톱, 부리와 같은 생체 구조를 지니고 있다. 그리고 이 구조물을 구성하고 있는 것이 ‘케라틴(keratins)’이란 단백질이다.

그동안 연구 결과에 따르면 사람이 포함된 포유류의 경우 ‘알파-케라틴(alpha-keratins)’이 10나노미터(10억분의 1m) 크기의 미세한 필라멘트를 구성하고 있는데, 이 가는 실과 같은 구조로 머리카락, 피부, 손톱 같은 생체 구조가 형성된다.

포유류를 제외한 악어, 거북이, 도마뱀, 그리고 새와 같은 동물들의 경우는 ‘베타-케라틴(beta-keratins)이란 단백질 성분을 지니고 있다. 그리고 이 단백질을 통해 발톱(claws), 부리(beaks), 깃털(feathers)과 같은 생체 구조가 만들어진다.

지난 수십 년 동안 과학자들은 살아있는 새, 악어, 거북이, 기타 파충류 등에서 유전자를 채취해 이들 동물들이 지니고 있는 ‘베타-케라틴’의 변화를 추적해왔다.

그리고 ‘베타-케라틴’의 변화를 통해 이들 동물들이 어떻게 진화했는지 가계도를 그려왔는데 최근 익룡 탄생서부터 지금의 변화 과정에서 과학자들이 그동안 알지 못했던 새로운 사실들을 밝혀냈다.

현재 지구상에 살고 있는 새들 대부분이 진화 과정에서 원래 지니고 있었던 ‘알파-케로틴’을 대부분 상실했으며, 그 자리를 메운 ‘베타-케라틴’이 점차 변화하면서 이전보다 더 가벼워지고, 또한 유연해졌다는 것.

단백질을 만드는 구성하고 있는 원료는 아미노산이다.

연구팀은 ‘알파-케라틴’을 구성하고 있던 아미노산인 클라이신(glycine)이 소멸되고 ‘베타-케라틴’을 구성하는 아미노산 타이로신(tyrosine)이 빈자리를 대신했다는 사실을 발견했다.

이번 연구에서 분석한 자료는 1억6000만 년 전부터 7500만 년 전까지 살았던 5종의 익룡 화석들로 중국과 몽골에서 발굴된 것이다. 그동안 단백질 분석을 위해 특수 처리된 장소에서 화석들을 소중하게 보관해왔다.

그리고 전자현미경으로 단백질을 분석해 새로운 사실들을 밝혀냈다. 1억6000만 년 전에 살았던 까마귀 크기의 익룡 안키오르니스(Anchiornis)의 깃털은 불완전하게 끝이 잘려 있는 ‘베타-케라틴’으로 구성돼 있었다는 것.

‘시조새’라 불리는 ‘아르카이오프테릭스(Archaeopteryx)’는 약 1000만 년 전까지 살았던 깃털공룡이다. 이들의 화석을 분석한 결과 ‘베타-케라틴’과 함께 다수의 ‘알파-케라틴’이 발견됐는데 이는 ‘시조새’가 오늘날의 새들과 크게 달랐음을 말해주는 것이다.

1억3000만 년 전에 살았던 ‘슈부이아(Shuvuuia)’란 공룡도 분석했다. 이 공룡은 날 수는 없었지만 깃털 내 단백질 ‘알파-케라틴’의 수가 매우 부족했는데 이는 ‘베타-케라틴’으로의 변화 과정을 말해주는 것이다.

연구팀은 이로 인해 당시 살았던 익룡 들이 날 수는 있었지만 지금의 새처럼 유연하고 신속하게 비행할 수 없는 공룡과 새가 결합된 상태였을 것으로 판단하고 있다.

슈바이처 교수는 “연구팀은 지금 익룡의 깃털 진화 과정을 규명하기 위해 분석 자료를 취합하고 있다”며, “‘알파-케라틴’에서 ‘베타-케라틴’으로 바뀌는 과정에서 돌연변이 사례들을 밝히는 중”이라고 말했다.

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