가장 완벽한 오스트랄로피테쿠스 골격, '리틀풋Little Foot'의 새로운 얼굴 복원
by Amélie Beaudet and Dominic Stratford / The Conversation
300만 년 전 우리 조상 얼굴은 어떤 모습이었을까?
국제 연구팀은 지금까지 발견된 가장 완벽한 오스트랄로피테쿠스 골격인 '리틀풋Little Foot의 얼굴 조각들을 가상으로 복원하여 이 질문에 대한 답을 찾았다.
이번 복원을 통해 환경이 얼굴 진화에 미친 영향을 밝혀낼 수 있었다.
연구 결과는 학술지 'Comptes Rendus Palevol'에 게재되었으며, 리틀풋의 새로운 3D 얼굴은 MorphoSource 플랫폼에서 온라인으로 확인할 수 있다.
화석 발견으로 최초 인류(호모 속genus Homo)의 출현 시기가 280만 년 전으로 앞당겨지고, 200만 년 이상 된 화석에서 유전 정보를 복원하는 등 최첨단 분석 방법이 개발되면서 인류 기원 연구는 그 어느 때보다 풍성해지고 있다.
하지만 멸종된 인류 종에 대한 지식은 새로운 발견으로 확장하는 반면, 최초 인류 출현 이전 우리 조상의 이야기는 여전히 불분명하다.
인류를 정의하는 특징들이 나타난 것은 바로 이 중요한 시기였으며, 이는 우리 인류의 진화적 성공을 가능하게 했다.
우리 직계 선조인 호모 속 이전 인류의 정체는 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 한 화석 집단이 이 탐색에 핵심적인 역할을 한다.
바로 오스트랄로피테쿠스Australopithecus다. 유명한 "루시Lucy"(50년 전 에티오피아에서 발견됨)가 속한 이 속은 아프리카 대부분 지역에 서식하며 200만 년 이상 생존했다.
오스트랄로피테쿠스는 많은 화석으로 알려졌지만, 이러한 화석들은 대부분 파편화하고, 고립되며, 수백만 년 동안 땅속에 묻혀 있는 동안 변형된 경우도 많다.
특히, 얼굴 전체가 거의 보존된 두개골은 극히 드물다. 얼굴은 오늘날 우리의 모습을 형성하는 데 지대한 영향을 미친 신체 부위다.
https://youtu.be/aNp5ZZVhyI0
소화, 시각, 호흡, 후각 및 비언어적 의사소통 체계를 통해 얼굴은 개인과 물리적, 사회적 환경 간 상호작용의 중심에 있다.
인류 진화 과정에서 얼굴 부위는 상당한 변화를 겪었으며, 대부분의 구조는 전반적으로 약해졌다.
하지만 이러한 변화를 야기한 요인은 여전히 불분명하다.
식단 변화, 사회적 행동 변화, 아니면 둘 다의 영향이었을까?
더 완전한 두개골이 발견되어야만 이 논쟁을 명확히 할 수 있으며, 바로 이 때문에 리틀풋의 두개골이 매우 중요하다.
‘인류의 요람Cradle of Humankind’
남아프리카공화국은 인류 기원 연구에 매우 중요한 지역이며, 지금도 그렇다.
한 세기 전, 상징적인 “타웅 아이Taung Child” 화석이 아프리카에서 새롭게 발견된 인류 계통인 오스트랄로피테쿠스의 대표 화석으로 네이처지에 발표되었다.
이전에는 과학의 관심이 유라시아에 집중되어 있었지만, 이 발견은 아프리카 전역에 걸쳐 수십 년간의 탐사와 주요 화석 발견을 촉발했다.
특히 남아프리카공화국은 유네스코 세계유산으로 등재된 ‘인류의 요람’ 지역에서 수많은 고생물학 유적이 발굴되었다.
그중에서도 스터크폰테인Sterkfontein 유적은 화석이 매우 풍부한 곳으로, 많은 화석이 오스트랄로피테쿠스 속의 것으로 추정되며, 놀라울 정도로 잘 보존된 표본이 다수 발견되었다.
하지만 스터크폰테인에서 가장 주목할 만한 발견은 1994년과 1997년에 이루어졌다.
바로 90% 이상 완전한 형태로 보존된 리틀풋 골격으로, 남아프리카에서 발견된 가장 오래된 인류 조상이다.
현재까지 발견된 오스트랄로피테쿠스 골격 중 가장 완전한 형태를 갖춘 것으로, 해부학적 구조 40%만 보존된 루시를 훨씬 능가한다.
우리 연구팀은 2017년 발굴이 완료된 이후 이 골격을 연구했다.
특히 두개골은 머리의 모든 부분, 즉 두개골뼈와 하악골이 비교적 온전하게 보존되어 있어 연구 중심이 되었다.
그러나 370만 년 동안 땅속에 묻혀 있던 탓에 얼굴 화석 일부가 파편화하고 변형되었다.
이러한 현상은 특히 이마와 눈구멍(안와)에서 두드러지게 나타나며, 이 부위를 정량적으로 분석하는 것은 불가능하다.
이 화석의 특별하고 독특한 특성을 고려하여, 우리는 최첨단 영상 기술을 활용하여 리틀풋의 얼굴을 복원하기로 결정했다.
유럽의 '리틀풋'
리틀풋 두개골의 디지털 복제본을 만드는 일은 원본 두개골을 손상시키지 않고 파편들을 가상으로 분리하고 재배치하는 데 필수적이었다.
그러나 기존 X선 스캔 기술에는 한계가 있다. 매장 및 화석화 과정에서 리틀풋 두개골에는 연조직이 사라지고 퇴적물로 채워지면서 빈 공간이 생겼다.
그 결과, X선은 이 매우 조밀한 퇴적층을 투과하기 어려워 이미지 대비와 품질이 저하된다.
여러 차례 실패를 거듭한 끝에, 우리는 더욱 강력한 대안인 싱크로트론 방사선 스캔synchrotron radiation scanning을 선택했다.
싱크로트론은 초고해상도 이미지(마이크론 또는 서브마이크론 규모)를 생성하는 데 사용되는 고에너지 입자 가속기다.
이러한 점을 고려해 우리는 리틀풋 두개골을 영국으로 가져와 다이아몬드 라이트 소스Diamond Light Source 싱크로트론의 I12 빔라인에서 스캔 작업을 진행했다.
2019년 여름, 리틀풋은 아프리카를 벗어나 처음으로 해외로 이동했으며, 영국에 도착한 후에는 안전한 보관소에 보관되는 등 세심한 호송을 받았다.
오스트랄로피테쿠스의 새로운 얼굴
두개골 전체를 21마이크론 해상도로 스캔하는 데 며칠이 걸렸다.
이렇게 얻은 뛰어난 이미지는 리틀풋의 해부학적 구조에 대한 자세한 정보를 제공했을 뿐만 아니라, 얼굴 복원에 필요한 데이터도 확보해 주었다.
하지만 이러한 고품질 데이터는 엄청난 연산 비용을 수반했다.
9,000개가 넘는 이미지가 생성되었고, 이는 테라바이트에 달하는 방대한 정보를 처리해야 한다는 것을 의미했다.
두개골 조각들을 가상으로 분리하기 위해, 영국 케임브리지 대학교 슈퍼컴퓨터를 사용해 이 이미지들을 처리했다.
3D로 렌더링된 후, 조각들은 해부학적 위치에 따라 재배치되었고, 누락된 부분들을 복원하여 마침내 리틀풋의 완전한 얼굴을 완성했다.
이전에는 파편으로 가려져 볼 수 없던 리틀풋의 안와 크기와 모양은 복원도에서 가장 눈에 띄는 특징 중 하나다.
영장류에서 안와는 기능적(시각적) 및 행동적(생태적) 적응에 큰 영향을 받는다.
다른 호미닌에 비해 리틀풋의 안와가 상대적으로 큰 것은 감각 정보, 특히 먹이 찾기에 크게 의존했음을 시사한다. 이러한 가설은 리틀풋의 시각 피질이 현대 인류보다 더 발달했다는 이전 연구로 뒷받침된다.
이 연구 두 번째 주요 결과는 400만 년에서 200만 년 전 사이에 아프리카에 산 오스트랄로피테쿠스 집단 간 관계를 이해하는 데 중요한 의미를 갖는다.
비교 표본은 제한적이지만 동아프리카와 남아프리카에서 출토된 표본을 모두 포함한다.
놀랍게도 남아프리카에서 발견된 리틀풋은 동아프리카 표본과 매우 유사한 특징을 보인다.
이러한 유사점은 리틀풋이 동아프리카 인구와 가까운 조상을 공유했을 가능성을 시사하며, 남아프리카에 산 후손들은 이후 지역적 진화를 통해 독자적인 해부학적 구조를 발전시켰을 것으로 추정된다.
얼굴은 우리 조상들이 환경에 어떻게 적응했는지에 대한 귀중한 통찰력을 제공하지만, 리틀풋의 두개골 나머지 부분 또한 우리의 진화 역사를 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 것이다.
특히, "가소성" 변형“plastic” deformation 영향을 받은 뇌두개골은 이 화석 집단의 신경학적 특징을 재구성하고 탐구하기 위해 유사한 복원 작업이 필요할 것이다.