요약:
오랫동안 고생물학계에서는 일반적으로 초기 네발동물이 머리를 어깨에서 분리하고 독립적인 목을 진화시켜 머리가 더 자유롭게 회전할 수 있게 하여 물이나 육지에서 포식자를 더 효과적으로 먹이로 삼고 피할 수 있다고 믿어왔습니다. 그러나 새로운 연구는 수십 년 동안 인기를 끌었던 이 가설에 도전합니다. 초기의 목은 실제로 상당히 뻣뻣하여 머리가 움직일 수 있는 공간이 매우 제한되어 있었습니다.
물고기의 경우 끈이 두개골에 직접 부착되어 있기 때문에 물고기는 왼쪽이나 오른쪽을 보고 싶을 때만 몸 전체를 돌릴 수 있습니다. 약 3억 8천만년 전, 물에서 육지로 이동하던 일부 동물들은 몸에서 목이 분리되기 시작했습니다. 그러나 새로운 연구에 따르면 이러한 구조적 변화는 머리에 움직임의 자유를 많이 주지 못한 것으로 나타났습니다. 이 연구는 새로운 화석 증거와 살아있는 물고기에 대한 기계적 테스트 모델링을 결합하여 초기 목이 여전히 뻣뻣한 상태로 남아 있음을 보여주었습니다. 이번 국제 연구는 펜실베니아 주립대학교 생물학과 조교수인 톰 스튜어트(Tom Stewart)가 수행했으며, 그 결과는 네이처 저널 10월 14일자에 게재됐다.
데본기는 약 4억 2천만년에서 3억 6천만년 전입니다. 이 시기의 화석에는 수생 생물의 특성과 육상 생물과 관련된 특성을 모두 지닌 많은 동물이 기록되어 있습니다. 그들 중 일부는 체중을 지탱할 만큼 튼튼한 두꺼운 지느러미를 갖고 있어 얕은 물에서 몸을 지탱하거나 바닥을 따라 추진할 수 있었습니다. 동시에, 이 과도기 물고기에는 명확하게 차별화된 목도 나타나기 시작했습니다.
스튜어트는 지금이 최초의 숲이 형성되고 지구가 극적인 재조직을 겪고 있는 지구 역사상 매우 흥미로운 시기라고 말했습니다. 우리 혈통이 언제 어떻게 물에서 육지로 전환했는지, 그리고 어떤 해부학적 체계가 바뀌었는지를 정확히 이해하는 것은 이 역사의 중요한 부분입니다. 흥미롭게도 약 3억 8천만년 전에 뼈에 일어난 많은 변화가 오늘날 우리 몸에도 여전히 반영되어 있습니다.
이러한 유형의 과도기 어류에는 캐나다 누나부트 주 북극권의 엘즈미어 섬에서 화석이 발견된 틱타알릭이 포함됩니다. 스튜어트는 틱타알릭이 다리가 있는 척추동물과 가장 가까운 친척 중 하나이기 때문에 이 물질 배치가 중요하다고 말했습니다. 이는 물을 빨아들이는 것에서 땅을 물어뜯는 것으로, 수영에서 걷기로 전환하는 것과 같은 육지 생활로의 전환에서 많은 중간 단계를 재구성하는 데 도움이 됩니다.
네발동물(사다리가 있는 척추동물)의 조상에게는 아래나 옆을 볼 수 있는 능력이 얕은 물이나 육지에서 먹이를 찾고 포식자를 피하는 데 도움이 되었을 수 있습니다. 따라서 과학자들은 독립적인 머리 움직임이 깊은 물보다 그러한 환경에서 더 큰 가치가 있을 수 있다고 추론했습니다. 스튜어트는 틱타알릭이 2006년에 처음 기술되었으며 수십 년 동안 머리와 어깨의 분리로 인해 머리가 더 자유롭게 움직일 수 있었을 것이라고 합리적으로 가정해 왔다고 말했습니다. 따라서 적어도 지금까지는 "목의 가동성이 네발동물의 신체 구조 변화를 일으키는 진화적 원동력"이라는 가설이 지배적이었습니다.
이 설명을 테스트하려면 오늘날 대부분의 척추동물의 척추와는 다른 척추를 재구성해야 합니다. 초기 네발동물과 그 친척들은 척추 전체에 걸쳐 있는 척색(notochord)이라고 불리는 막대 모양의 조직을 가지고 있었습니다. 그들의 척추뼈는 매우 작았고, 이 거대한 연조직 덩어리 주위에 배열되어 있었으며, 그들의 기계적 행동은 현대 동물의 척추뼈 사이의 관절과는 매우 달랐습니다. 스튜어트는 이러한 변화를 겪고 있는 물고기의 척추는 대부분 연조직으로 이루어져 있어 뼈만큼 화석에 쉽게 보존되지 않는다고 설명합니다. 이 경우, 살아있는 새가 멸종된 공룡을 이해하는 데 도움이 되는 것처럼 현대 동물을 과거에 대한 참고 자료로 사용할 수 있습니다.
분류를 중심으로 만들어진 가시는 오늘날에는 드물지만 한때 생명의 역사를 통틀어 흔했습니다. 먼 친척인 어류인 철갑상어는 본래의 특징 때문에 "살아있는 화석"이라고도 불리며 여전히 이 가시를 유지하고 있어 화석에서 누락된 기계적 특성을 연구하는 데 유용한 대상이 됩니다. 스튜어트는 “우리는 이 초기 네 발 달린 동물이 어떻게 살았는지, 그리고 그것이 몸의 변화에 어떻게 반영되었는지 이해하고 싶습니다.”라고 말했습니다. 동물이 어디에 살고, 어떻게 움직이고, 어떤 행동을 하는지 재구성하는 것은 매우 어렵습니다. 이 연구가 주목할만한 점은 화석 데이터와 살아있는 동물 연구를 결합하여 우리가 보는 해부학적 변화가 기계적, 기능적 관점에서 동물의 행동에 어떤 의미를 갖는지 재구성한다는 것입니다.
연구원들은 현생 철갑상어의 척색 강성을 측정한 다음 초기 네발동물의 목 모델과 Tiktaalik과 같은 과도기 친척의 목 모델에 이러한 재료 특성을 적용하여 두개골에서 어깨를 분리하면 기존 척추 구조를 고려할 때 실제로 머리가 자유롭게 움직일 수 있는지 테스트했습니다. 논문의 첫 번째 저자이자 스웨덴 웁살라 대학교의 박사후 연구원인 다나 코네셀(Dana Konessel)은 이러한 해부학적 변화가 이 동물들에게 얼마나 많은 영향을 미치는지 알아보기 위해 이 연구를 수행했다고 말했습니다. 철갑상어의 척추 구조는 초기 네발동물의 척추 구조와 유사하지만 특별히 단단해 보이지는 않습니다. 따라서 모델링 후 거의 모든 동물의 머리 이동성이 크게 부족하다는 사실에 그녀는 놀랐습니다.
이러한 추정치는 척추 자체만 고려한 것입니다. 이러한 많은 동물의 피부에 내장된 근육, 피부 및 뼈는 움직임을 더욱 제한할 수 있으며, 이는 실제 동물의 목의 움직임 범위가 모델에서 제시하는 것보다 작을 수 있음을 의미합니다. 이 동물들은 머리를 물고기 높이만큼, 때로는 더 적게 들어올립니다. 그리고 우리가 머리를 흔들 때 할 수 있는 머리 비틀기 같은 종류의 머리는 이 동물들에서는 불가능하다고 Konessel은 말했습니다.
머리가 추가적인 움직임을 위한 공간을 거의 얻지 못했기 때문에 연구원들은 독립적인 목의 출현은 앞다리의 운동과 관련된 해부학적 변화의 결과일 가능성이 더 높으며 처음에 머리와 어깨가 분리되도록 촉발한 이점보다 더 큰 유연성이 나중에 이점이 될 것이라고 제안합니다. "우리는 네발동물이 결국 더 큰 목 이동성을 얻었음을 알고 있으며 이는 분명히 궁극적으로 유리했지만 초기 네발동물은 해부학적 제약으로 인해 이러한 이점을 누릴 수 없었습니다."라고 Konessel은 말했습니다.
이 논문의 제목은 "기존 유추를 사용한 초기 네발동물의 목 이동성 모델링"이며 저자에는 Dana E. Cornesel, Cassandra M. Donatelli, Han Linfang, Thomas A. Stewart, Andrew L. Traynor, Benjamin K. A. Otto, Marcos Martinez, Tetsuo Miyashita, Emily M. Standen 및 Hilary C. Martin이 포함됩니다. 이 연구는 척추 고생물학 협회의 스티븐 코헨 학생 연구 상과 캐나다 자연 과학 및 공학 연구 위원회의 자금 지원에 의해 지원되었습니다.
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