지구 생명체의 진화(2). 육지로 진출(I)

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에디아카라는 지구의 진화 역사에서 매우 중요시되는 지표이다.

선캄브리아기의 화석이 다수 발견된 호주 에디아카라(Ediacara) 지역에서 발견되는데 과학자들은 이 시기를 6억3500만 년 전부터 5억4000만 년 전까지 이어진 조용하고 목가적인 시기로 묘사했다. 그러나 최근 연구에 의하면 이 당시 살았던 유기체들이 매우 역동적으로 살았다고 추정한다.

에디아카라는 껍질이나 뼈를 만드는 능력이 생기기 전 즉 껍질이나 뼈가 없었기 때문에 이들 화석이 현재까지 남아있는 경우가 많지 않으며 특히 그들이 움직이며 활동했다는 증거를 찾지 못했다. 그러므로 학자들은 거의 모든 에디아카라들이 떠돌아다니는 해파리 비슷한 몇 가지 유기체를 제외하고 해저의 한 곳에 고정된 채 살았으리라는 결론을 내렸다.

그런데 에디아카라 동물 속(屬)에 속하는 파르반코리나로 불리는 작은 동전 크기 만한 유기체는 작은 닻 모양을 하고 등쪽에 일련의 굴곡이 있는 것이 특징이다. 학자들은 이 생물이 이동성이 있다는 결론을 내렸다. 즉 몸체 모양이 해류와 맞닥뜨렸을 때 와류를 만들어 해류의 힘을 몸체의 다른 여러 곳으로 이동할 수 있다는 것이다. 이것은 파르반코리나가 주류성(走流性, rheotaxis) 즉 물을 헤엄쳐가는 능력을 보유한 가장 오래된 종이 된다는 설명이다.

 

에디아카라 화석

이 연구 결과가 큰 반향을 받은 것은 이들이 얕은 바다 환경에서 살았기 때문에 강한 물의 흐름이 틀림없이 진화에 중요한 역할을 했다고 인식하기 때문이다. 한마디로 에디아카라기에 많은 생물의 움직임이 있었을 것이라는 설명이다.

이후 5억 5500만 년 전에는 퇴적물 위를 기어가거나 구멍을 뚫는 생물, 그리고 5억 5000만 년 전에 골격을 가지는 생물들이 등장하였다. 특히 이 당시 생물이 폭발적으로 다양해지는데 약 5억 2000만 년 전이다. 다윈의 시대에는 그러한 화석들이 전혀 알려지지 않았는데, 만일 다윈이 그런 화석을 발견했다면 진화론 비판자들을 충분히 설득할 수 있었을 것이다.

근래의 연구에 의해 그동안 지구 상의 동물은 약 5억4000만 년 전 갑작스럽게 출현했다는 것이 학계의 정설이며 ‘캄브리아 대폭발’로 이어진다. 그런데 동물의 첫 출현 시기를 이보다 3천만년 이상 더 거슬러 올릴 수 있는 연구 결과가 발표되었다.

케임브리지대학 고생물학자인 제니퍼 호얄 컷힐 박사는 캄브리아기 직전 에디아카라(Ediacara)기 유기체들이 식물 잎 모양을 하고 있지만 동물이라는 결론이다. 호얄 컷힐 박사는 5억1800만 년 전의 해양동물인 스트로마토베리스(Stromatoveris psygmoglena) 화석 200여종을 분석해 에디아카라기 유기체 화석들과 비교한 결과 이들이 해부학적으로 매우 유사하다는 것을 발견했다.

캄브리아기 운남성 청강 동물군에서 고착성 ctenophore 친척인 Stromatoveris psygmoglena의 복원

에디아카라기 유기체는 캄브리아 대폭발로 해면동물 등이 출현하기 전에 지구 상에서 사라졌다고 알려졌는데 이를 근거로 스트로마토베리스가 에디아카라 유기체의 일종으로, 캄브리아 대폭발 과정을 겪으면서 멸종되지 않고 생존했다는 것이다. 그러므로 호얄 컷힐 박사는 이들을 해면동물과 소화강이 있는 동물 사이에 위치하는 새로운 동물 문인 페탈로나메(Petalonamae)로 분류했다.

눈금자 mm 단위로 표시. 표본은  Charnia masoni, rangeomorph의 원형표본

에디아카라기 유기체가 동물계 페탈로나메 문으로 분류됨에 따라 동물의 출현도 이 화석이 나온 시기로 앞당겨질 수 있게 됐다. 에디아카라기 유기체 화석 중 가장 오래된 것은 ‘레인지오모르프스(Rangeomorphs)’로 약 5억7100만 년 전에 지구에 살았다. 이는 캄브리아 대폭발 훨씬 전에 동물이 존재했다는 뜻이다. 물론 일부 학자들은 스트로마토베리스가 에디아카라기 유기체의 프랙탈 구조를 갖고 있다는 것이 에디아카라기 유기체의 일원이라는 확고한 증거가 되기에는 불충분하다고 지적한다.

 

대체로 4억3700만 년 전부터 데본기가 시작되는 4억1600만 년 전의 실루리아기 지구의 바다엔 거대한 전갈처럼 생긴 절지동물이 살았다. 이들은 큰 수평의 꼬리로 마치 접영 수영선수처럼 몸을 굽이치면서 바다를 휘젓고 다녔는데 크기가 3미터에 달했다. 바다전갈이라고 불리는 이 절지동물은 당시까지 지구에서 진화한 가장 큰 동물이었으며 물고기를 입에 쓸어 담았다. 바다에 살았던 모든 동물 중에서 가장 무시무시한 폭군이었다.

 

던클레오스테우스

놀라운 것은 딱딱한 갑각으로 덮인 동물과 상어 같은 연골 어류가 나타나 번성했는데 중에서도 갑옷 같은 등딱지를 온몸에 덮은 던클레오스테우스는 몸길이가 6미터나 되는데 강한 턱으로 물고기를 씹어먹었다.

학자들이 궁금한 것은 던클레오스테우스는 물론 바다전갈 등이 어떻게 그토록 커질 수 있었는가이다. 학자들이 드디어 그 해답을 찾았다. 바로 대기의 산소 농도 때문이다. 오늘날 지구의 대기 중 산소 농도가 21%인데 반해 당시엔 24%나 됐다. 높은 대기 농도는 바다의 높은 용존 산소로 이어져 고(高)산소 세계에서 살아갈 수 있는 거대 동물들이 탄생했다는 것이다.

반면에 육지 생물계도 달라졌다. 육지는 푸르고 늪·호수의 물가뿐만 아니라 높은 산에서도 키 작은 다양한 풀들을 쉽게 볼 수 있었다. 이들 식물들 사이로 몇 가지 곤충들이 살고 있었다. 그런데 날개를 단 곤충은 하나도 없었고 모두 기어 다녔다.

아직 척추동물이 태어나지 않았기 때문으로 육지의 식물, 동물 모두 작았다. 하지만 대기의 산소 농도가 이미 육상동물을 감당할 수 있는 수준까지 올라갔다는 점이 중요하다.

학자들은 육지의 곤충의 조상은 바다의 절지동물로 인식한다. 그러나 육지 곤충에겐 바다 절지동물들의 호흡기관인 아가미가 없다. 고생물학자들은 그 주인공이 전갈 계통이라고 추정한다. 바다전갈이 물에서 기어 나와 해변으로 씻겨 올라온 동물의 시체 등을 어슬렁거리며 그럭저럭 육지에서도 호흡이 가능했다.

이때부터 9000만 년이 지난 3억3000만 년 전에야 날개가 달린 곤충들이 등장했다. 하지만 이때도 곤충들은 여전히 주변적인 구성원이었다. 이들이 다양하게 분화하는 데는 다시 2000만 년이 필요했다.

그런데 육지에 곤충이 정착한 뒤에 저(低)산소의 시기가 3000만 년이나 지속됐다. 이 시기에 대부분의 육상 곤충은 멸종했다. 하지만 생존에 성공한 극히 소수가 다시 산소 수준이 올라갔을 때 다양한 형태로 새롭게 진화했다. 이로써 육지는 안정적인 생태 환경이 되었다. 생명의 새로운 터전이 생긴 셈인데 곤충보다도 먼저 육상에 진출한 동물이 있었다. 바로 척추동물이다.

독일 슈투트가르트 자연사박물관의  아칸토스테가  복원 모형

3억8500만 년 전 지구 암석에선 평범한 물고기 화석들이 나온다. 이 화석에선 지느러미·원뿔형 머리·비늘이 보이지만 목은 없다. 3억6500만 년 된 그린란드 암석에선 어류로는 보이지 않는 척추동물 아칸토스테가 화석이 나온다. 이 화석엔 목·귀·네 다리가 있다. 양서류 화석이다. 곤충이 하늘을 날아다니기 한참 전에 양서류가 뭍에 살았던 것이다.

 

<틱타알릭 등장>

생태계에 새로운 틈새가 생기면 생명은 진출한다.

생명체에 육상이란 새로운 터전이 생기자 물에 살던 척추동물들은 육지로 올라오기 시작했다. 바다에 살던 척추동물이 육지로 올라오는 과정은 비교적 쉽게 상상할 수 있다. 육지로 올라오기 전에 절지동물처럼 먼저 민물로 옮겨가는데 생활터전을 육지로 완전히 옮기기 전에 물과 육지 양쪽에서 살았다는 것이다. 한마디로 양서류을 뜻하는데 양서류는 물과 뭍 양쪽에서 살 수 있는 척추동물을 가리킨다.

그러나 학자들은 가정도 중요하지만 이들 가설을 증명해 줄 증거가 필요하다. 즉 진화론으로 볼 때 이를 입증하기 위해선 어류와 양서류의 중간 형태가 존재해야 한다는 것이다. 미국 시카고대학의 해부학 교수인 닐 슈빈 박사는 북극의 엘스미어 섬에 있는 약 3억7500만 년 전의 데본기 암석에서 엽상형(葉狀形) 지느러미를 가진 물고기 화석을 찾아냈다.

이 이상한 물고기는 크기가 큰 것은 274㎝에 달할 정도로 매우 큰 규모이다. 이것이 고생물학계에서 유명한 ‘틱타알릭’이다. 에스키모 말로 ‘얕은 물에 사는 물고기’란 뜻이다.

틱타알릭은 물고기처럼 아가미와 비늘을 갖고 있었고 목과 원시 형태의 팔이 달려 있었다. 이런 형태의 생물을 ‘발이 있는 고기’란 뜻으로 피셔포드(fishapod)라고 부른다. 틱타알릭은 진화론 상 매우 중요한 위치를 차지한다. 그것은 틱타알릭이야말로 우리 조상들이 물을 막 떠날 무렵의 모습을 담고 있으므로 창조과학자들의 주장에 대한 강력한 반증을 제시했기 때문이다.

 

틱타알릭

2004년 7월, 북극권인 캐나다 북동부 엘스미어 섬에서 고생물학 역사에 한 획을 그은 화석이 발견됐다. 시카고대 닐 슈빈 교수가 3억7500만 년 전 고생대 데본기의 암석이 노출된 이 지역에서 지느러미가 달린 물고기와 네 다리로 움직이는 육상동물 사이의 ‘잃어버린 고리’를 마침내 발견한 것이다.

닐 슈빈 교수는 2008년 펴낸 책 『내 안의 물고기』에서 엘스미어 섬에서의 화석 발견 일화를 적었다. 바위의 얼음을 긁어내다 납작한 머리에 붙어있을 법한 턱 모양의 화석 덩어리를 보고 이상한 놈이라고 직감했다. 물고기는 머리가 원통형인데 이와 달랐기 때문이다. 여하튼 슈빈 교수는 주위를 철저하게 뒤져 보다 완전한 화석을 찾는 데 성공했다.

이 화석은 비늘로 덮여있고 지느러미가 있는 물고기임에도 머리가 납작하고 눈이 위쪽에 붙어있었다. 더불어 물고기가 목이 없는 것과 달리 목이 있어 머리와 몸통이 따로 움직일 수 있었다. 진화론의 찰스 다윈이 그렇게 찾기를 희망했던 바로 그런 중간 형태의 동물이었다.

슈빈 교수는 다음과 같이 틱타알릭에 대해 설명했다.

 

‘우리의 생명체는 두 동물 종의 경계를 흩트려놓았다. 갈퀴막이 달린 지느러미 안을 들여다보면 위팔과 아래팔이 있고, 심지어 손목에 해당하는 뼈와 관절도 가지고 있다. 이 녀석은 어깨, 팔꿈치, 손목 관절을 지닌 물고기였다.’

 

슈빈 교수에게 발굴을 허락한 이누이트 원주민 장로회에 이름을 지어달라고 하자 이들은 이누이트어로 ‘커다란 민물고기’라는 뜻의 ‘틱타알릭Tiktaalik’이라는 이름을 주었다. <네이처> 2006년 4월 6일자에 틱타알릭 논문이 발표되자 <뉴욕타임스>는 1면을 장식해 줄 정도로 센세이션을 불러일으켰다.

 

망둥어

학자들의 계속된 연구로 틱타알릭은 오늘날 망둥어와 비슷하게 얕은 강가에 살면서 길쭉한 가슴지느러미로 뭍을 기어 다녔을 것으로 추정했다. 이런 가정의 근거는 틱타알릭보다 물고기의 특징을 좀 더 지닌 유스테노프테론(Eusthenopteron)의 화석을 근거로 한다.

베를린의 자연사박물관에 전시된 에우스테놉테론 푸르드아이( Eusthenopteron foordi )

3억8500만 년 전 데본기 지층에서 발견된 유스테노프테론 화석은 사람의 다리에 해당하는 배지느러미에 연결된 골반이, 어깨뼈에 비해 훨씬 작아, 뭍에서 힘을 쓰는 것이 매우 불편했을 것임을 보여준다. 결국 과도기적 특성을 지닌 생명체들이 지느러미를 가지고 있을 때까지는 어깨와 팔뼈로 연결된 가슴지느러미로 뭍에서 이동을 하는 ‘전륜구동’ 방식이었고, 사지동물이 나오고 나서야 골반이 발달하면서 추진력이 뒷다리로 옮겨지는 ‘후륜구동’ 방식으로 바뀌었다는 것이다. 유스테노프테론은 뒤에서 다시 설명한다.