by 제니퍼 추Jennifer Chu, 매사추세츠 공과대학교
MIT 지구화학자 팀이 매우 오래된 암석에서 지구 최초의 동물 중 일부가 현대 해면동물sea sponge의 조상일 가능성이 높다는 새로운 증거를 발견했다.
미국 국립과학원 회보(PNAS)에 게재된 한 연구에서, 연구진은 5억 4천 1백만 년 이상 된 암석에서 고대 해면동물이 남긴 것으로 추정되는 "화학 화석chemical fossils"을 발견했다고 보고했다.
이 화학 화석은 살아있는 유기체에서 유래한 생체 분자biomolecule의 잔해로, 이후 퇴적물에 묻히고 변형되어 보존되었으며, 때로는 수억 년 동안 지속되기도 한다.
새롭게 발견된 화학 화석은 특수한 유형의 스테레인steranes으로, 지질학적으로 안정된 형태의 스테롤sterols(예: 콜레스테롤cholesterol)로, 복잡한 유기체의 세포막에서 발견된다.
연구진은 이 특수한 스테레인을 데모스펀지demosponge라고 불리는 해면동물에서 유래한 것으로 추정했다.
오늘날 데모스펀지는 크기와 색깔이 매우 다양하며, 부드럽고 물렁물렁한 여과 섭식자filter feeders처럼 바다 곳곳에서 서식한다.
고대의 데모스펀지 역시 비슷한 특징을 공유했을 가능성이 있다.
"당시 이 생물들이 어떤 모습이었을지는 정확히 알 수 없지만, 분명 바다에 살았을 것이고, 연체동물이었을 것이며, 실리카 골격silica skeleton은 없었을 것으로 추정한다"고 MIT 지구·대기·행성과학과(EAPS) 슐럼버거 지구생물학 명예교수인 로저 서먼스Roger Summons는 말한다.
이 연구팀이 발견한 해면동물 특유의 화학 화석은 해면동물의 조상이 최초로 진화한 동물 중 하나였으며, 지구의 다른 주요 동물 그룹보다 훨씬 일찍 진화했을 가능성이 높다는 강력한 증거를 제시한다.
Summons를 포함한 이 연구 저자는 주저자이자 MIT EAPS Crosby 박사후 연구원 출신인 Lubna Shawar로, 현재 Caltech 연구 과학자이며, 캘리포니아 대학교 리버사이드 캠퍼스 Gordon Love, Cornell University의 Benjamin Uveges, 휴스턴 GeoMark Research의 Alex Zumberge, 스웨덴 Uppsala University의 Paco Cárdenas, 뉴욕 주립 대학교 환경 과학 및 임업 대학 José-Luis Giner다.
스테로이드 해면동물Sponges on steroids
이번 연구는 2009년에 처음 보고된 연구 결과를 바탕으로 한다.
당시 연구팀은 고대 해면동물에서 유래한 것으로 보이는 최초의 화학 화석을 발견했다.
오만의 한 노두outcrop에서 채취한 암석 샘플을 분석한 결과, 놀랍게도 풍부한 스테레인을 발견했는데, 이는 30탄소(C30) 스테롤의 보존된 잔해였다.
이는 희귀한 스테로이드의 한 형태로, 고대 해면동물에서 유래했을 가능성이 높다는 것을 보여주었다.
이 스테레인은 약 5억 4,100만 년에서 6억 3,500만 년 전까지 이어지는 에디아카라기Ediacaran Period에 형성된 매우 오래된 암석에서 발견되었다.
이 시기는 지구에 복잡한 다세포 생물multicellular life이 갑작스럽게 전 세계적으로 폭발적으로 증가한 캄브리아기 직전이었다.
연구진의 발견은 고대 해면동물이 대부분의 다세포 생물보다 훨씬 일찍 출현했으며, 지구 최초의 동물 중 하나였을 가능성을 시사한다.
그러나 이러한 연구 결과가 발표된 직후, C30 스테란의 기원을 설명하기 위한 대안 가설이 쏟아져 나왔다.
그 중에는 이 화학 물질이 다른 생물 집단이나 무생물 지질학적 과정에 의해 생성되었을 수도 있다는 가설도 있었다.
연구팀은 이번 연구가 고대 해면동물이 이 특별한 화학 기록을 남겼다는 기존 가설을 뒷받침한다고 밝혔다.
같은 선캄브리아기 암석에서 생물학적 기원이 거의 확실한 새로운 화학 화석을 발견했기 때문이다.
증거 구축
이전 연구와 마찬가지로 연구진은 에디아카라기 암석에서 화학 화석을 찾았다.
오만, 서인도, 시베리아의 시추 코어drill cores와 노두에서 샘플을 채취하여 모든 진핵생물eukaryotes (식물, 동물, 그리고 핵, 그리고 막으로 둘러싸인 세포소기관membrane-bound organelles을 가진 모든 생물)에서 발견되는 지질학적으로 안정적인 형태의 스테롤인 스테레인의 특징을 분석했다.
서먼스는 "스테롤이나 그에 상응하는 막 지질membrane lipids이 없다면 진핵생물이 아니다"고 말한다.
스테롤의 핵심 구조는 네 개의 융합된 탄소 고리fused carbon rings로 이루어져 있다.
생물의 특정 유전자가 무엇을 생성할 수 있는지에 따라 추가적인 탄소 곁사슬carbon side chain과 화학적 부가물chemical add-ons이 스테롤의 구조에 부착되어 확장될 수 있다.
예를 들어, 인간의 스테롤 콜레스테롤은 탄소 원자 27개를 가지고 있는 반면, 식물의 스테롤은 일반적으로 탄소 원자 29개를 가지고 있다.
샤와르는 "탄소 원자 30개를 가진 스테롤을 찾는 것은 매우 드문 일"이라고 말한다.
연구진이 2009년에 발견한 화학 화석은 탄소 30개짜리 스테롤이었다.
또한, 연구팀은 이 화합물이 해면동물에 공통적으로 존재하는 유전자에 의해 암호화되는 독특한 효소의 존재로 인해 합성될 수 있음을 확인했다.
이번 연구에서 연구팀은 이러한 화합물의 화학적 성질에 초점을 맞추었고, 해면동물에서 유래한 동일한 유전자가 탄소 원자 31개(C31)를 가진 더욱 희귀한 스테롤을 생성할 수 있다는 것을 발견했다.
암석 샘플에서 C31 스테란을 분석한 결과, 앞서 언급한 C30 스테란과 함께 놀라울 정도로 풍부하게 존재하는 것을 발견했다.
샤와르는 "이러한 특별한 스테란은 항상 존재했다"라고 말하며, "이들을 찾아내고 그 의미와 유래를 진정으로 이해하기 위해서는 적절한 질문을 던지는 것이 필요했다"라고 덧붙였다.
연구진은 또한 현대의 해면동물 표본을 채취하여 C31 스테롤을 분석했다.
그 결과, 암석에서 발견되는 C31 스테란의 생물학적 전구체인 스테롤이 일부 현대 해면동물 종에도 존재한다는 사실을 발견했다.
한 걸음 더 나아가, 연구진은 실험실에서 8가지 C31 스테롤을 화학적으로 합성하여 화학 구조를 검증하는 표준 물질로 사용했다.
그런 다음, 스테롤이 수억 년에 걸쳐 퇴적, 매몰, 가압되었을 때 어떻게 변화했을지 시뮬레이션하는 방식으로 분자를 처리했다.
연구진은 이러한 스테롤 중 두 가지의 생성물만이 고대 암석 표본에서 발견된 C31 스테롤의 형태와 정확히 일치한다는 것을 발견했다.
두 가지가 존재하고 나머지 여섯 가지가 존재하지 않는다는 것은 이러한 화합물이 무작위적인 비생물학적 과정을 통해 생성되지 않았음을 보여준다.
여러 연구를 통해 뒷받침된 이 연구 결과는 고대 암석에서 발견된 스테레인이 지질학적 과정이 아닌 살아있는 유기체에 의해 생성되었다는 가설을 강력하게 뒷받침한다.
더욱이, 이 유기체들은 오늘날까지도 동일한 계열의 화합물을 생성할 수 있는 능력을 유지하고 있는 해면동물의 조상일 가능성이 높다.
"암석에 있는 것, 해면에 있는 것, 그리고 화학 실험실에서 만들어낼 수 있는 것의 조합이다"라고 서먼스는 말한다.
"이 해면 동물이 지구상 최초의 동물 중 하나임을 뒷받침하는 세 가지 상호 동의하는 증거가 있습니다."
샤와르는 "이 연구에서 우리는 바이오마커를 인증하는 방법을 보여주며, 신호가 오염이나 비생물학적 화학 반응이 아닌 진정한 생명체에서 나온 것인지 확인한다"고 덧붙인다.
이제 연구팀은 C30과 C31 스테롤이 고대 해면 동물의 신뢰할 수 있는 신호임을 보여주었으므로, 세계 다른 지역의 고대 암석에서 화학 화석을 찾을 계획이다.
지금까지 채취한 암석을 통해서만 퇴적물과 해면 동물이 에디아카라기 어느 시점에 형성되었음을 알 수 있다.
더 많은 샘플을 확보하면 최초의 동물 중 일부가 언제 형성되었는지 더 정확히 알 수 있을 것이다.
More information: Shawar, Lubna, Chemical characterization of C31 sterols from sponges and Neoproterozoic fossil sterane counterparts, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2503009122. doi.org/10.1073/pnas.2503009122
Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences
Provided by Massachusetts Institute of Technology
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무슨 말인지 모르겠지만 참 폼 나는 듯하다.
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