대멸종이 일어나자 턱뼈를 지닌 척추동물 시대가 도래했다

화석 데이터베이스를 통해 드러난 '어류의 시대'는 대량 멸종으로 시작되었다

오키나와 과학기술대학교 제공

길이 약 35cm 사카밤바스피스Sacabambaspis 한 쌍 물고기 화석. 이 물고기는 앞쪽으로 향한 뚜렷한 눈과 갑옷 같은 머리가 있었다. 오르도비스기 후기 대멸종 사건 이후에는 사카밤바스피스와 같은 동물의 화석이 발견되지 않았다. 사진 제공: 노부 다무라

 
약 4억 4천 5백만 년 전, 지구상 생명체는 영원히 바뀌었다.

지질학적으로 눈 깜짝할 사이에 초대륙 곤드와나Gondwana에 빙하가 형성되어 광활하고 얕은 바다들이 스펀지처럼 말라붙어 '빙하기icehouse climate'가 되었고, 해양 화학 성분의 급격한 변화와 함께 결국 모든 해양 생물 약 85%, 즉 지구 생명체 대부분이 멸종하는 결과를 초래했다.

오키나와 과학기술대학교Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) 연구진은 최근 Science Advances에 발표한 연구에서 후기 오르도비스기 대멸종Late Ordovician Mass Extinction (LOME)으로 알려진 이 생물학적 격변 속에서 전례 없는 척추동물의 풍요로움이 탄생했음을 입증했다.

이 격변에서 한 집단이 다른 모든 집단을 지배하게 되었고, 이는 오늘날 턱뼈를 지닌 척추동물jawed vertebrates로 알려진 생명체의 진화 경로를 열었다.

"우리는 턱이 있는 어류가 이 사건 때문에 지배적인 종이 되었음을 입증했다"고 OIST 거대진화연구소Macroevolution Unit 로렌 샐런Lauren Sallan 교수는 말한다.

"그리고 근본적으로, 화석 기록, 생태, 생물지리학 사이의 연관성을 밝혀냄으로써 진화에 대한 우리의 이해를 더욱 심화했습니다."

오르도비시기의 해질녘 생명에 대한 더 자세한 그림

약 4억 8600만 년 전부터 4억 4300만 년 전까지의 오르도비시기Ordovician period는 지구의 모습이 지금과는 매우 다른 시대였다.

남쪽의 초대륙 곤드와나가 지구를 지배했고, 그 주변은 광활하고 얕은 바다로 둘러싸여 있었다. 극지방은 얼음이 없었고, 온실 기후 덕분에 바닷물은 쾌적하게 따뜻했다.

해안가에는 우산이끼liverwort 비슷한 식물과 다리가 많은 절지동물이 서서히 정착하고 있었고, 주변 분지에는 다양하고 기이한 생명체가 가득했다.

커다란 눈을 지닌 칠성장어lamprey처럼 생긴 코노돈conodonts은 우뚝 솟은 해면 사이를 뱀처럼 기어 다녔고, 삼엽충trilobites은 껍데기가 있는 연체동물 떼 사이를 재빨리 움직였으며, 사람 크기 바다 전갈sea scorpions과 뾰족한 껍데기를 지닌 길이 최대 5미터에 달하는 거대한 앵무조개nautiloids는 먹이를 찾아 물속을 순찰했다. 

이 기묘한 생물들 사이사이에 드물게 발견된 화석들은 훗날 지구 동물계를 지배하게 될 악구류gnathostomes, 즉 턱이 있는 척추동물jawed vertebrates 조상들이었다.

프로미숨 코노돈트Promissum conodont는 길이가 5~50cm에 달하며, 특이한 원뿔 모양 이빨 화석에서 이름을 따왔다. 이 코노돈트는 현대 칠성장어lampreys 와 먹장어hagfishes 조상으로 추정한다. 코노돈트 종 중 극소수만이 후기 오르도비스기 대멸종 사건에서 살아남았다. 사진 제공: 노부 타무라

 
"우리는 후기 오르도비스기 대멸종의 궁극적인 원인을 알지 못하지만, 사건 이전과 이후가 분명히 존재했다는 것을 안다. 화석 기록이 이를 보여준다"고 살란 교수는 말한다.

대멸종은 두 단계에 걸쳐 일어났다.

첫째, 지구는 온실 기후에서 빙하 기후로 급격히 전환되었고, 곤드와나 대륙 대부분이 빙하로 뒤덮여 얕은 바다 서식지가 말라붙었다.

그러다가 수백만 년 후, 생물 다양성이 회복되기 시작할 무렵 기후가 다시 바뀌어 빙하가 녹고, 이제는 추위에 적응한 해양 생물들은 따뜻하고 유황 냄새가 나며 산소가 부족한 물에 잠겨 버렸다.

이러한 대멸종 시기 동안 그리고 그 이후에 살아남은 척추동물 대부분은 깊은 바다로 둘러싸인 고립된 생물다양성 보고인 피난처에 갇혔고, 그곳에서 살아남은 악구류는 분명히 유리한 위치를 차지했다.

"우리는 200년에 걸친 오르도비시기 후기와 실루리아기 초기의 고생물학 자료를 종합하여 새로운 화석 데이터베이스를 구축했다"고 제1저자인 하기와라 와헤이Wahei Hagiwara (전 거시진화연구단 연구원, 현재 OIST 박사 과정 학생)는 말한다.

"이를 통해 우리는 해당 시기의 속 수준 다양성을 정량화하고, 후기 오르도비시기 후기와 실루리아기 초기의 대멸종이 악구류 생물다양성의 점진적이지만 극적인 증가로 직접 이어졌음을 보여줄 수 있었습니다."

그리고 추세는 분명하다. 대멸종 사건들은 수백만 년 후 종 분화의 증가로 직접 이어졌다.

이빨 달린 '벌레worms'에서 다윈의 핀치새Darwin's finches까지

전 세계 화석에 대한 이 포괄적인 데이터베이스를 구축하면서 연구진은 악구류 생물 다양성의 증가를 LOME뿐만 아니라 지역적 특성과도 연결할 수 있었다.

"이번 연구는 대멸종 사건 이전과 이후의 생물지리학을 정량적으로 분석한 최초의 사례입니다. 전 세계에 걸친 종들의 이동 경로를 추적할 수 있었고, 이를 통해 모든 척추동물의 다양화에 중요한 역할을 했던 특정 피난처들을 식별할 수 있었습니다." 살란 교수 설명이다. 

하기와라 연구원은 "예를 들어, 현재 중국 남부 지역에서는 현대 상어와 직접적인 관련이 있는 턱이 있는 어류의 첫 번째 전신 화석이 발견되었다. 이들은 수백만 년 동안 이러한 안정적인 피난처에 집중적으로 서식하다가, 이후 대양을 건너 다른 생태계로 이동할 수 있는 능력을 진화시켰다"고 덧붙인다.

턱이 없는 척추동물 감소는 후기 오르도비스기 대멸종(LOME)의 두 차례에 걸친 대멸종 이후 턱이 있는 척추동물의 증가와 일치한다. 상위 속 수준의 다양성 곡선은 지질 시대별(A) 및 각 시대별 백만 년 단위(B)로 나타낸 전 세계적인 분류학적 풍부도, 즉 확인된 속의 수를 따른다. C는 13개 서로 다른 악구류 그룹에 대한 단계별 속 수준의 종 다양성을 보여준다. 출처: Hagiwara & Sallan, 2025

 
화석 기록을 생물지리학, 형태학 및 생태학과 통합함으로써 이러한 연구 결과는 진화에 대한 이해를 더욱 심화시키는 데 도움이 되었다.

"턱은 새로운 생태적 지위를 만들기 위해 진화했을까, 아니면 우리 조상들이 먼저 기존의 지위를 채운 후 다양화했을까?" 살란 교수는 질문한다.

"우리 연구는 후자를 시사합니다. 턱이 없는 척추동물과 다른 동물들이 죽으면서 생태계에 빈틈이 많아진 지리적으로 좁은 지역에 국한된 악구류는 갑자기 다양한 생태적 지위를 차지할 수 있었습니다."

갈라파고스 제도의 다윈의 핀치새Darwin's finches에서도 비슷한 경향이 나타난다.

이들은 생존을 위해 식단을 다양화할 수 있는 새로운 기회를 활용했고, 시간이 흐르면서 서식지에 더 잘 맞도록 부리 모양도 진화시켰다.

턱이 있는 어류가 남중국에 갇혀 있는 동안, 턱이 없는 어류는 다른 지역에서 병행적으로 진화하여 이후 4천만 년 동안 더 넓은 바다를 지배했다.

이들은 다양한 형태의 산호초 어류로 다양화했고, 그중 일부는 다른 형태의 입 구조를 지녔다.

하지만 왜 턱이 있는 물고기들이 다른 모든 생존자들 중에서 피난처에서 퍼져나간 후 나중에 지배적인 위치를 차지하게 되었는지는 여전히 수수께끼로 남아 있다.

연구진은 LOME(Long-Enhanced Extinction, 초기 대멸종)이 생태계를 완전히 초기화한 것이 아니라 오히려 생태계 재설정을 촉발했다는 사실을 발견했다.

초기 척추동물은 코노돈과 절지동물이 남긴 생태적 지위를 차지하며 새로운 종들로 구성된 기존의 생태 구조를 재구축했다.

이러한 패턴은 유사한 환경 조건으로 인한 대멸종 사건 이후 고생대 전반에 걸쳐 반복되었으며, 연구팀은 이를 진화가 동일한 기능적 설계로 수렴함으로써 생태계를 복원하는 "다양성 재설정 주기diversity-reset cycle"라고 명명했다.

살란 교수는 "위치, 형태, 생태, 생물 다양성을 통합적으로 분석함으로써 초기 척추동물 생태계가 주요 환경 교란 이후 어떻게 스스로를 재건했는지 비로소 이해할 수 있게 되었다. 이 연구는 턱이 진화한 이유, 턱이 있는 척추동물이 궁극적으로 번성한 이유, 그리고 현대 해양 생물이 코노돈이나 삼엽충과 같은 초기 형태가 아닌 이러한 생존자들에게서 유래한 이유를 설명하는 데 도움이 된다"고 요약했다.

"이러한 장기적인 패턴과 그 기저에 있는 과정을 밝히는 것은 진화 생물학에서 가장 흥미로운 부분 중 하나입니다."

More information: Wahei Hagiwara et al, Mass Extinction Triggered the Early Radiations of Jawed Vertebrates and Their Jawless Relatives (Gnathostomes), Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aeb2297. http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb2297

Journal information: Science Advances 
Provided by Okinawa Institute of Science and Technology
 
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이것이 바로 탈구축deconstruction 아니겠는가?