6억 3000만 년 전 곰팡이 추정 화석 발견

“빙하기 벗어나 생명 번창할 때 중요한 역할”

버섯이나 곰팡이 같은 균류(fungi)를 생각할 때 떠오르는 것은, 버섯은 각종 음식에 들어가는 즐겨 찾는 재료이고, 곰팡이는 햇빛이 안 드는 그늘진 곳에서 죽은 유기물을 필수 영양소로 분해해 살아가는 능력이다.

최근 미국 버지니아공대 연구팀은 좀 더 넓은 시야에서 균류가 얼어붙은 빙하기로부터 지구가 되살아나는 데 도움을 주었다는 지구 역사에서의 중요한 역할을 강조하는 연구를 내놨다.

버지니아공대 슈하이 샤오(Shuhai Xiao) 교수와 티안 간(Tian Gan) 박사과정 연구원을 비롯한 중국과학원과 귀주교육대, 미국 신시내티대 연구팀은 약 6억 3500만 년 전 빙하기 말에 살았던 곰팡이같이 생긴(fungi-like) 미세 화석의 잔해를 발견했다.

이는 지금까지 발견된 가장 오래된 지상 화석으로, 최고의 공룡 화석보다 연대가 세 배 이상 거슬러 올라간다.

이번 발견은 과학 저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 28일 자에 발표됐다.

이번에 발견된, 곰팡이같이 균사가 있는 미세 화석의 현미경 이미지. © Andrew Czaja of University of Cincinnati

예상외의 발견

이 화석은 남중국 귀주지방 웽안(Weng’an)의 가장 낮은 도우샨투오 지층(Doushantuo Formation)의 고회암(dolostone) 퇴적층 안에 있는 작은 구멍들에서 발견됐다.

도우샨투오 지층에서는 수많은 부드러운 연조직 화석이 발견돼 지금까지 많은 연구가 진행돼 왔었다. 따라서 연구팀은 고회암의 낮은 기저 쪽에서는 화석이 더 이상 발견될 수 없을 것으로 생각했다.

그러나 이런 예상을 깨고 간(Gan) 연구원이 균류의 핵심 특성 중 하나인 실 모양의 긴 필라멘트(균사) 몇 개를 발견하는 성과를 거뒀다.

간 연구원은 “우연한 발견이었다”며, “발견 순간 이것은 과학자들이 오랫동안 찾고 있던 화석일 수 있다는 것을 깨달았다”고 말했다. 그는 “우리의 해석이 맞다면 이 화석은 고기후 변화와 초기 생명체 진화를 이해하는 데 도움이 될 것”이라고 강조했다.

미세 화석 현미경 사진을 앞과 옆, 뒤쪽으로 돌려본 모습. © Tian Gan of Virginia Tech and Chinese Academy of Sciences

에디아카라기와 균류 지상화 이해에 중요

이번 발견은 지구 역사에 걸쳐 여러 전환점이 된 에디아카라기(Ediacaran period)와 균류의 지상화를 이해하는데 중요한 것으로 보고 있다.

에디아카라기는 약 6억 3500만 년 전부터 5억 4100만 년 전까지 지속된 선캄브리아기의 마지막 지질시대로, 이때 에디아카라 동물군에 속하는 다세포 생물들이 나타난 것으로 알려진다.

에디아카라기가 시작됐을 때 지구는 ‘눈덩이 지구(snowball Earth)’로 불리는 재앙적인 빙하기에서 회복되는 중이었다. 당시 바다 표면은 1㎞ 이상 깊이까지 얼어붙어 있었다. 추운 곳에서도 살아갈 수 있는 몇몇 미생물들을 제외하고 거의 모든 생명체에게는 엄청나게 혹독한 환경이었다.

과학자들은 이런 상황에서 어떻게 생명체가 정상으로 돌아올 수 있었는지, 그리고 그 이후 생물권이 이전 어느 때보다 더 크고 복잡하게 성장할 수 있었는지 궁금하게 여겨왔다.

미국 스미소니언 인스티튜트에 전시된 에디아카라 바다 생물의 디오라마.© WikiCommons / Ryan Somma

이전 기록보다 2억 4000만 년 더 오래돼

티안 연구원과 샤오 교수는 새 화석 연구를 통해 이 미세하고 하등한 동굴 서식자들이 에디아카라 시기의 지상 환경을 재조정하는데 수많은 역할을 했을 것이라고 확신하고 있다. 강력한 소화시스템도 그런 역할 중 하나다.

균류는 필수 영양소 순환에 큰 역할을 하는 다소 독특한 소화시스템을 가지고 있다. 지상에 사는 균류는 주변 환경에 분비하는 효소를 이용해 암석과 기타의 거친 유기 물질들을 화학적으로 분해해 재활용한 다음 바다로 내보낸다.

간 연구원은 “균류는 식물의 뿌리와 공생 관계를 맺고 있어 인(phosphorus) 같은 미네랄을 동원할 수 있다”고 말하고, “육상 식물과의 연계와 중요한 영양 순환에 따라 육상 균류는 생화학적 풍화와 지구의 생물지화학적 순환 및 생태적 상호작용에 강력한 영향을 미친다”고 설명했다.

이전의 증거에 따르면 육상 식물과 균류는 약 4억 년 전 공생관계를 형성했으나, 이번 발견으로 그 시기를 재조정하게 됐다.

샤오 교수는 “육상 식물이 출현하기 전 지상에 균류가 있었느냐는 질문이 나오곤 했다”며, “우리 연구를 보면 ‘그렇다’고 대답할 수 있다”고 말했다.

그는 “이번에 발견한 곰팡이 같은 화석은 이전 기록보다 2억 4000만 년이나 더 오래돼 지금까지 발견된 것 가운데 가장 연대가 멀리 올라가는 육상 곰팡이 기록”이라고 밝혔다.

남중국 도우샨투오 지층에서 발견된 바다 화석 단세포 생물에 포함된 ‘에디아카라 배아’로 알려진 화석. © WikiCommons

환경적 관점에서 유기체 이해 필요

이번 발견에 따라 연구팀은 새로운 질문을 하게 됐다. 화석화된 필라멘트에 다른 화석들도 동반됐기 때문에 간 연구원은 이들의 과거 관계를 탐구해 볼 계획이다.

간 연구원은 “목표 중 하나는 균류 화석과 관련된 다른 종류 화석들의 계통발생학적 친화성을 밝혀보는 것”이라고 말했다.

60년 전에는 박테리아와 곰팡이 같은 미생물이 화석으로 보존될 수 있다고 믿었던 사람은 거의 없었다. 샤오 교수는 실제로 이 화석들을 눈으로 확인했으므로 이들이 당시에 어떻게 동결됐는지에 대해 탐구해 볼 계획이다.

샤오 교수는 “중요한 것은 유기체를 환경적 맥락에서 이해하는 것”이라고 강조했다. 그는 “이 균류들이 고회석의 작은 구멍에 살았다고 일반적으로 생각하나 정확히 어떻게 살았고 어떻게 보존됐는지는 모른다”며, “뼈나 껍질이 없는 균류 같은 것이 어떻게 화석 기록으로 보존될 수 있었는지 궁금하다”고 말했다.

‘네이처 커뮤니케이션즈’ 28일 자에 발표된 논문. © Springer Nature / Nature Communications

“젊은 과학자들, 학제간 연구 관점에서 훈련해야”

연구팀은 이번에 발견된 화석이 결정적으로 곰팡이류라고 확실하게 말하기는 아직 어렵다고 보고 있다. 이를 뒷받침할 만한 상당한 증거가 있으나, 이 미세 화석에 대한 조사가 아직 진행 중이기 때문이다.

이번 연구에서는 버지니아공대 외 다른 세 연구그룹도 화석 식별과 시기 확인에 중요한 역할을 했다. 버지니아공대 프레일린 생명과학연구소의 공초점 레이저 스캐닝 및 현미경 랩은 티안 연구원과 샤오 교수가 초기 분석을 하는 데 도움을 주고, 신시내티대에서 추가 조사를 할 수 있는 계기를 만들었다.

또 11만 5000 종 이상의 관속 식물과 균류, 선태류, 이끼류 표본을 보관하고 있는 버지니아공대 생물과학부 매시 식물표본관(Massey Herbarium)의 현대 균류 표본을 이용해 화석과 비교할 수 있었다.

연구팀은 화석화 환경을 이해하기 위해 이차 이온 질량 분석기로 유황-32와 34 동위원소 풍부도를 분석했고, 첨단 컴퓨터 단층촬영으로 두께가 몇 마이크로미터에 불과한 화석 필라멘트의 3차원 형태를 얻었다.

이와 함께 집속 빔 주사전자현미경과 투과전자현미경을 조합해 정밀하게 화석 표본을 절단한 뒤 필라멘트를 나노미터 단위로 자세히 관찰할 수 있었다.

샤오 교수는 “이번 연구는 한 사람이나 한 연구실이 단독으로 수행할 수 없었다”며, 학제간 협동연구의 중요성을 강조했다.

그는 “새로운 발견은 항상 서로 다른 분야의 경계에서 일어나기 때문에 젊은 과학자들이 학제간 연구의 관점에서 훈련하도록 장려하는 것이 매우 중요하다”고 밝혔다.

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