빠르게 변화하는 시계가 다윈이 제시한 동물 화석 기록 공백 미스터리를 풀 수도
by 맥스 텔포드Max Telford, 더 컨버세이션The Conversation
복잡한 구조를 한 동물의 가장 오래된 화석은 5억 3800만 년 전 암석에서 갑자기, 마치 어디선가 나타난 것처럼 발견된다.
이 중 가장 오래된 것은 머리와 꼬리가 달린 벌레 모양 생물이 남긴 단순한 화석 흔적(트렙티크누스Treptichnus)이다.
그 외에도 수많은 동물이 느닷없이 나타나는데, 이들은 오늘날 우리가 아는 다양한 동물 집단 조상이다.
고대 게와 같은 절지동물, 껍데기를 지닌 연체동물, 불가사리와 성게 조상이 그 예다.
매우 다른 동물들이 이렇게 빠르게 나타난 현상(그리고 조금 더 오래된 암석에서는 이들이 발견되지 않는 현상)은 찰스 다윈에게 골칫거리였다.
그의 점진적 진화론에 어긋나는 것처럼 보였기 때문이다.
그리고 이 현상은 그 이후로 과학자들을 당혹스럽게 했다.
그러나 최근 발표된 한 논문이 이 문제에 대한 해답을 제시할지도 모른다.
1859년, 다윈은 그의 저서 『종의 기원On the Origin of Species』에서 이렇게 썼다.
"만약 내 이론이 사실이라면… 이 광대한… 시대 동안 세상은 수많은 생명체로 가득 차 있었을 것이다. 그러나 왜 우리는 이 광대한 원시 시대 기록을 찾을 수 없는가? 나는 이 질문에 만족스러운 답을 내놓을 수 없다."
오늘날 과학자들은 이 고대 동물들이 언제 진화했는지 의견이 분분하다.
이 문제는 20세기 후반에 발명된 분자 시계molecular clock라는 개념에서 비롯한다.
내 책 『생명의 나무the Tree of Life』에서 설명했듯이, 분자 시계는 유전자 변화가 마치 괘종시계의 규칙적인 똑딱거림처럼 꾸준히 축적된다는 생각에 기반한다.
이 생각이 맞다면, 두 동물 사이 유전적 차이 수를 세는 것만으로도 두 동물이 얼마나 먼 친척 관계인지, 즉 공통 조상의 나이를 계산할 수 있다.
예를 들어, 인간과 침팬지는 600만 년 전에 분리했다.
침팬지 한 유전자가 인간의 해당 유전자와 6개 유전적 차이를 보인다고 가정해 보자. 분자 시계 작동 주기가 규칙적이라면, 이는 두 종 사이의 유전적 차이 하나가 백만 년에 해당함을 의미한다.
분자 시계는 생명나무 전체에 걸쳐 진화적 사건들을 지질학적 시간상에 위치시킬 수 있게 해 줄 것이다.
동물학자들이 처음으로 분자 시계를 이런 식으로 사용했을 때, 그들은 모든 복잡한 동물 조상이 12억 년 전에 살았다는 놀라운 결론에 도달했다.
이후 개선을 통해 동물 조상 나이는 약 5억 7천만 년 전으로 훨씬 더 타당한 추정치가 나왔다.
하지만 이는 최초 화석이 발견된 시기보다 여전히 약 3천만 년이나 더 오래됐다.
이 3천만 년이라는 시간적 간극은 사실 다윈에게 오히려 도움이 된다.
복잡한 동물 조상이 진화할 충분한 시간이 있었고, 자연 선택을 통해 물고기, 게, 달팽이, 불가사리처럼 뚜렷하게 구별되는 형태로 분화할 수 있는 여유가 있었다는 것을 의미하기 때문이다.
문제는 이처럼 아주 오래된 연대 때문에 수많은 고대 동물이 3천만 년 동안 고대 바다를 헤엄치고 기어 다녔지만, 화석을 하나도 남기지 않았다는 가정을 하게 된다는 것이다.
연구자들은 화석 기록에 공백이 있을 것으로 예상하지만, 이번 경우는 엄청난 공백이 될 것이다.
화석이 사라진 이유에 대한 일반적인 설명은 3천만 년 동안 복잡한 동물들이 작고 물렁해서 화석화하기 어려웠다는 것이다.
그러다가 약 5억 4천만 년 전, 아마도 산소 농도 증가로 이 작은 동물들이 커지기 시작했다는 이론이 있다.
일부 과학자는 이러한 크기 증가를 근거로 복잡한 동물들이 화석 기록에 갑자기 나타난 현상을 설명했다.
고생물학자 그레이엄 버드Graham Budd와 수학자 리처드 맨Richard Mann의 새로운 논문은 분자 시계가 예측하는 고대 조상과 복잡한 화석의 갑작스럽고 후대 출현 사이 간극에 대해 다른 설명을 제시한다.
버드와 맨은 분자 시계가 우리 생각만큼 규칙적으로 작동하지 않을 수도 있다고 주장한다.
새로운 아이디어는 어떤 큰 집단 생물이 처음 나타나는 순간 진화 속도가 빨라진다는 것이다.
앞서 예시로 든 것처럼, 수백만 년 동안 이 가상의 시계imaginary clock는 백만 년에 한 번이 아니라 두 번씩 째깍거렸을 수도 있다.
시계가 더 빨리 째깍거린다면 마치 비디오를 빨리 감기하는 것처럼 시간이 더 빨리 흐르는 것처럼 느껴질 것이고, 이는 동물 조상 나이를 더 먼 과거로 밀어낼 것이다.
유전자 변화 속도가 빠르면 동물 외형 변화도 더 빠르게 진행될 것이다.
이는 동물 계통수의 다양한 가지가 서로 더 쉽게 분화하도록 해주어 다윈의 난제를 해결한다.
최초의 동물 조상은 척추동물, 연체동물, 절지동물, 불가사리 등으로 빠르게 다양화할 수 있었을 것이다.
이 새로운 아이디어의 전반적인 효과는 복잡한 동물 조상 나이를 그 직계 후손 화석 기록에 나타난 시기와 훨씬 더 일치시키는 것이다.
시계 속도 증가 가설은 검증이 필요하지만, 분자 시계와 화석 기록 사이 불일치를 설명하는 데 도움이 될 수 있다.
어쩌면 최초 꽃식물은 화석으로 남기 전 수천만 년 동안 실제로 존재했을지도 모른다.
또한 초기 영장류, 육식동물, 설치류가 마지막 공룡과 함께 살았는지에 대한 과학적 논쟁을 해결하는 데에도 도움이 될 수 있다.
적어도 동물 기원에 관해서는 다윈이 이 가설을 분명히 지지했을 것이라고 생각한다.
Provided by The Conversation