직립보행을 가능케 한 인간의 골반 진화 비밀을 마침내 풀다
해답은 장골ilium에 있었다!
새로운 연구는 골반pelvis에서 가장 큰 뼈인 장골ilium의 발달과 그 형성을 뒷받침하는 유전자를 심층적으로 탐구한다.
두 발로의 직립보행walking upright은 인간을 다른 영장류primates와 구별하는 주요 특징 중 하나다.
이제 과학자들은 두 발 보행bipedalism으로의 전환을 뒷받침하는 발생학적, 유전적 미스터리들을 풀기 시작했다.
네이처Nature지 최신호에 발표된 새로운 연구에서 연구진은 인간의 골반pelvis을 변형시키고 독특한 보행 방식을 위한 길을 닦은 두 가지 진화적 변화를 설명했다.
이번 연구에서 연구팀은 골반에서 가장 큰 뼈인 장골ilium에 초점을 맞췄다.
인간은 척추 오른쪽과 왼쪽에 각각 하나씩, 총 두 개 장골이 있으며, 이 두 뼈가 합쳐져 넓고 그릇 모양 골반을 형성한다. (엉덩이에 손을 얹으면 장골을 만지는 것과 같다.)
재미있는 사실: 골반pelvis이라는 단어의 유래. 뼈의 사발bowl 모양 구조 때문에 골반pelvis이라는 단어는 라틴어로 '물통basin'을 뜻하는 단어에서 유래했다.
연구진은 인간, 생쥐, 여우원숭이lemurs, 긴팔원숭이gibbons, 침팬지, 그리고 다른 영장류primates를 포함한 다양한 종의 장골ilium 발달을 비교하기 위해 128개 배아 조직embryonic tissues 샘플을 수집했다.
그들은 또한 이 뼈의 발달을 담당하는 세포와 유전자를 연구했다.
하버드 대학교 진화유전학자이자 주저자인 가야니 세네비라트네Gayani Senevirathne는 성명을 통해 "우리는 다양한 접근법을 통합하여 골반이 시간이 지남에 따라 어떻게 발달했는지에 대한 완전한 설명을 얻고자 했다"고 밝혔다.
그들의 분석은 장골ilium 발달 과정에서 인간과 다른 종 사이에 두 가지 중요한 차이점을 발견했다.
첫째, 인간 배아에서 장골 연골이 형성되기 시작한 지 얼마 지나지 않아 90도 회전하여 뼈가 길고 좁아지는 대신 짧고 넓게 자란다.
인간의 이러한 넓고 물통basin 같은 모양은 두 발로 걷는 데 필수적인 둔근gluteal muscles의 고정점anchor points을 제공하며, 직립 시 내부 장기를 지지한다.
과학자들은 이러한 변화가 500만 년에서 800만 년 전, 초기 인류가 영장류 계통도primate family tree에서 유인원apes과 분리될 때 발생했다고 추정한다.
다른 영장류primates의 경우 장골 연골ilium cartilage은 척추와 평행하게 자란다.
그러나 인간에게서 관찰되는 극적인 회전은 장골ilia이 척추spine와 수직으로 자라도록 하는데, 이는 연구진에게 다소 놀라운 변화였다. 연구진은 더 점진적인 변화를 예상했기 때문이다.
하버드 대학교 진화생물학자이자 공동 저자인 테렌스 카펠리니Terence Capellini는 뉴욕 타임스에 "단계적인 과정이 아니다"며 "사실 완전히 뒤집힌 것이다"고 말했다.
둘째, 결국 장골 연골ilium cartilage form을 대체하는 뼈 세포는 다른 영장류보다 인간에게서 늦게 형성되며, 인간 골격의 나머지 대부분이 형성된 후 약 16주 후에 형성된다.
지연 골화delayed ossification라 하는 이 과정은 인간의 골반이 성장하면서 원래 모양을 유지할 수 있도록 한다.
로이터 통신에 따르면, 과학자들은 이러한 변화가 인간의 뇌가 더 커지기 시작한 약 160만 년 전 이전에 발생했을 것으로 추정한다.
이러한 진화적 변화는 두 발 보행뿐만 아니라 큰 머리를 지닌 자손을 안전하게 출산하는 데에도 중요했다.
카펠리니Capellini는 로이터 통신에 "이렇게 해서 골반은 크기가 커지고 걷는 데 중요한 형태를 유지할 수 있었을 뿐만 아니라, 결국 큰 뇌를 지닌 아기가 통과하는 데 사용될 산도産道 birth canal의 형태도 유지했다"고 말했다.
과학자들은 또한 인간 장골의 이러한 발달적 변이를 설명하는 데 도움이 되는 300개 이상의 유전자를 발견했다.
그중 SOX9, PTH1R, RUNX2라는 세 가지 특정 유전자가 가장 큰 역할을 하는 것으로 보인다.
이러한 유전자 돌연변이는 골반 골격 문제와 보행 장애를 유발할 수 있다는 사실이 연구 결과를 뒷받침한다.
두 발로 직립 보행하는 능력은 초기 인류에게 획기적인 변화였다.
로이터 통신에 따르면, 이 능력 덕분에 인류는 과도한 에너지 소모 없이 장거리를 걷거나 달릴 수 있었고, 이는 인류가 전 세계로 확산하는 데 기여했다.
스미스소니언 국립 자연사 박물관에 따르면, 직립 보행은 또한 인간이 도구를 사용하고, 아이를 품고, 예술 작품을 만드는 등 다른 중요한 일을 할 수 있게 해주었다.
직립 자세는 또한 우리 조상들이 다른 동물들에게 더 크고 위협적으로 보이도록 했고, 낮은 나뭇가지에서 먹이를 더 쉽게 잡을 수 있게 해 주었다.
또한 햇빛에 직접 노출되는 신체 면적을 줄여 더운 기후에서 체온을 유지하는 데 도움이 되었다.
이번 연구에 참여하지 않은 듀크 대학교 생물인류학자 대니얼 슈미트Daniel Schmitt는 이 새로운 논문이 "이전에는 전혀 알려지지 않았던 [뼈] 모양의 변화를 가능하게 하는 메커니즘을 보여준다"고 말했다.
앞으로 과학자들은 신체 다른 부분에서도 이와 동일한 메커니즘을 연구할 수 있을 것이다.