일각고래(narwhal)의 엄니가 머리 앞으로 2ｍ 넘게 곧게 자라는 것은 엄니를 이루는 광물화된 콜라겐 원섬유가 표면층과 내부에서 서로 반대 방향 나선 구조를 이루기 때문으로 추정된다는 연구 결과가 나왔다.

덴마크 오르후스대 헨리크 비르케달 교수팀은 19일 과학 저널 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에서 일각고래 엄니를 원자·나노미터 수준에서 거시적 구조까지 정밀 분석해 엄니 표면층의 왼쪽으로 감기는 나선 구조가 미세한 광물화된 콜라겐의 배열에서 비롯된다는 사실을 확인했다며 이같이 밝혔다.

연구팀은 이 발견은 곧게 뻗은 일각고래 엄니에 대한 수백 년 된 수수께끼를 푼 것일 뿐 아니라 자연이 뛰어난 역학적 특성을 지닌 재료를 어떻게 만드는지에 대한 새 통찰도 준다며 이는 향후 건설·의학 등 분야에 활용될 새로운 복합재료 설계에 영감을 줄 수 있다고 말했다.

일각고래는 북대서양과 북극해에 사는 이빨고래류로, 수컷의 왼쪽 송곳니가 턱뼈와 윗입술을 뚫고 머리 밖으로 2ｍ 이상 자라며, 엄니는 휘지 않고 곧게 자라면서 왼쪽으로 감기는 독특한 나선 형태를 보인다.

연구팀은 일각고래의 엄니는 자연계에서 유일하게 곧은 형태의 엄니로, 이전 연구들은 이런 형태가 엄니를 이루는 조직의 배열과 관련이 있을 수 있다고 제안했지만, 거시적인 나선 구조가 엄니의 미세한 구성단위에도 나타나는지는 명확하지 않았다고 지적했다.

이들은 먼저 엄니의 상아질을 대상으로 굽힘 시험을 한 결과, 힘을 가하는 방향에 따라 휘거나 부러지는 특성이 크게 달라지는 것으로 나타났다. 이는 엄니의 구성 단위가 특정 방향으로 정렬돼 있어 역학적 특성이 방향에 따라 달라지는 이방성을 보인다는 것을 뜻한다.

연구팀은 엑스선 회절, 소각 엑스선 산란, 편광현미경, 엑스선 컴퓨터단층촬영 등을 결합, 2차원 관찰만으로는 구분하기 어려웠던 엄니 내부 광물화된 콜라겐 원섬유의 방향을 입체적으로 추적했다.

그 결과 엄니의 주요 구성단위로 유연한 콜라겐과 단단한 무기질 성분이 결합한 광물화된 콜라겐 원섬유는 대부분 엄니의 긴 축을 따라 배열돼 있었지만, 축에서 조금씩 벗어나면서 서로 반대 방향의 나선형 배열을 만드는 것으로 나타났다.

엄니의 표면층을 이루는 시멘트질(cementum)에서는 원섬유가 왼쪽 나선을 이루는 반면, 더 안쪽의 상아질(dentine)에서는 반대인 오른쪽 나선을 이루었다.

연구팀은 두 나선 구조가 시멘트질과 상아질이 만나는 경계에서 서로 만나며, 하나의 방향으로만 비틀린 구조가 아니라 서로 반대 방향으로 감기는 두 구조가 엄니 안에서 함께 존재한다고 설명했다.

이어 이중 나선 구조가 하나의 나선이나 단순히 길이 방향으로 배열된 구조보다 굽힘과 비틀림에 더 안정적이라며 이 구조는 엄니가 휘거나 비틀리는 힘을 견디는 데도 중요한 역할을 하는 것으로 보인다고 말했다.

특히 엄니의 상아질에서는 나무의 나이테 같은 연간 성장층이 확인됐으며, 성장층에 따라 광물 결정의 크기와 결정학적 특성이 달랐다. 그러나 반대 방향의 나선형 미세구조는 이런 성장층을 가로질러 이어졌다. 이는 엄니의 나선형 미세구조가 연간 성장 과정에서도 유지된다는 것을 보여준다.

연구팀은 다만 엄니가 성장하면서 이 반대 방향의 나선 구조를 정확히 어떻게 만들어내는지는 밝혀지지 않았다며 이 구조의 형성 과정을 밝히면 생물학적 조직이 나노미터에서 거시적 규모까지 구조를 연결해 기능을 만들어내는 원리를 더 잘 이해할 수 있을 것이라고 말했다.

◆ 출처: Nature Communications, Adrian Rodriguez-Palomo et al., The narwhal tusk assembles its macroscopic helix from building blocks with opposing twists, https://www.nature.com/articles/s41467-026-75689-z