마지막 빙하기 땅다람쥐 똥에서 매머드와 말 DNA, 북극 초원 생태계 생생하게 복원

 

예술가가 재구성한 플라이스토세 시대 유콘 지역은 북극땅다람쥐가 매머드가 산 스텝 생태계에서 고기를 찾아 먹고 식물을 뜯어 먹는 모습을 보여준다. 보존된 굴과 배설물에서 추출한 고대 DNA는 작은 설치류조차 매머드와 같은 거대 동물을 잡아먹은 복잡한 먹이 사슬을 밝혀준다. (메르세데스 민크/하카이 연구소)

 
과학자들이 유콘Yukon에서 발견한 얼어붙은 다람쥐 배설물poop에서 추출한 DNA를 이용해 마지막 빙하기 시대 캐나다 북극Canadian Arctic 초원을 누빈 털매머드, 말, 스텝 들소, 땅다람쥐의 게놈을 재구성했다. 

실제로, 화석화한(비록 돌로 굳어지지는 않았지만) 배설물feces, 즉 분변석coprolites에는 늑대, 육식 고양이, 매머드, 말, 새, 박쥐, 메뚜기, 기생충을 비롯한 동물과 세이지sages에서 사초sedges에 이르는 200여 종 식물 DNA가 가득 들어 있었다는 새로운 연구 결과가 지난주 화요일 네이처 커뮤니케이션즈Nature Communications에 발표되었다.

캐나다 브리티시컬럼비아 주 캠벨리버Campbell River에 있는 하카이 연구소Hakai Institute 과학자이자 이번 연구 주저자인 타일러 머치Tyler Murchie는 "우리는 거대 동물megafauna과 식물, 균류와 곤충, 그리고 다양한 미생물에 이르기까지 전체 생태계를 실제로 포착할 수 있었다"고 말했다.

이러한 배설물로 가득 찬 공간은 강을 따라 계곡 벽에서 침식되어 나왔다.

유콘에 있는 머치의 동료이자 공동 저자들은 이 굴들을 수집하고 보존했는데, 이 굴들에는 식물부터 뼈, 곤충에 이르기까지 다양한 먹이 조각들로 가득 찬 방이 여러 개 있다.

이 먹이들은 다람쥐들이 3만 년에서 70만 년 전에 모아둔 것이다.

"다람쥐들은 마치 자연의 작은 기록 보관자 같아요. 정말 다양한 먹이를 먹고, 한 곳에 엄청나게 많은 양을 배설하죠." 머치는 말했다.
 

2022년 8월, 유콘 헌커 크릭Hunker Creek 영구 동토층permafrost에서 고대 북극 땅다람쥐 배설물 덩어리가 발견되었다. (사진: 스콧 코커) 유콘에서 발견된 '갈색 덩어리Brown blob'는 빙하기 다람쥐의 잘 보존된 화석이다.

절벽 속 배설물 덩어리

처음에 그는 다람쥐 배설물에서 매머드와 말 DNA가 많이 발견된 데 놀랐지만, 조금 더 조사해 보니 현대 다람쥐조차도 견과류부터 로드킬 당한 동물, 작은 설치류까지 거의 모든 것을 먹는다는 사실이 밝혀졌다.

그리고 선사시대 다람쥐 역시 먹이를 가리지 않은 것이 분명하다.

"견과류나 씨앗, 좋아하는 식물이 있으면 좋았고, 죽은 매머드나 말 같은 동물이 있으면 그것도 먹었습니다. 말똥이 있어도 먹었죠."
 

유콘 준주 헌커 크릭Hunker Creek에서 영구 동토층 코어를 채취하는 연구원들. 주황색 깃발은 고대 다람쥐 굴을, 초록색 깃발은 다람쥐가 먹이를 저장하고 배설한 장소를 표시한다. 사진 제공: 스콧 코커

뼈보다 배설물이 DNA 보존에 더 효과적

연구진은 배설물 속 DNA 조각들을 알려진 DNA 염기서열 데이터베이스와 비교해 다른 생물체 DNA와 대조했다.

어떤 경우에는 여러 개 작은 조각들을 조합해 전체 게놈을 재구성할 수 있었다.

머치 연구원은 배설물에서 DNA를 추출하는 일이 어려웠다고 말했다.

하지만 추출 방법을 알아낸 후에는 수년간 연구한 뼈와 퇴적물보다 배설물이 DNA를 농축하고 보존하는 데 더 효과적이라는 사실을 깨달았는데, 이는 "매우 예상치 못한 발견"이었다.
 

현대 북극땅다람쥐를 포함한 대부분의 설치류는 빙하기 조상들처럼 먹이를 가리지 않는다. (사진 제공: 유콘 준주 정부)

풀밭에 있는 땅다람쥐

DNA 분석 결과, 대부분의 배설물은 오늘날 유콘에서 발견되는 북극땅다람쥐 친척에서 나온 것으로 나타났지만, 아마도 별개 개체군이나 종일 가능성이 높다.

70만 년 된 배설물은 현재 중국, 카자흐스탄, 몽골, 시베리아에서만 발견되는 다른 종의 것으로 밝혀졌다.

전반적으로, 이 연구는 베링기아Beringia 동부 건조한 매머드 스텝 초원에서 발견되는 식물과 동물 종류가 플라이스토세 시대인 70만 년 동안 비교적 안정적이었지만, 오늘날 이 지역 습윤한 북방림 생태계에서 발견되는 식물과 동물과는 완전히 달랐음을 보여주었다.

연구진은 현재 홀로세 시대 눈토끼snowshoe hare 배설물에서 발견된 DNA를 분석해 이를 확인했다.

눈토끼 배설물에는 가문비나무spruce와 오리나무alder 같은 나무들이 포함되었고, 땅다람쥐 배설물에서 발견되는 대형 포유류는 전혀 발견되지 않았다.
 

연구진은 고대 땅다람쥐 배설물에서 환경 DNA를 복원했다. (타일러 머치, 스콧 코커)

기후 변화는 과거 기후 변화 기록을 위협한다

머치 연구원은 과거 이처럼 기후 변화에 따라 생태계가 어떻게 진화했는지 연구하는 것이 오늘날 기후 변화에 따라 북극에 사는 동물들에게 어떤 일이 일어날지 예측하는 데 도움이 될 수 있다고 말했다.

하지만 기후 변화는 과학자들이 이러한 고대 기록물을 보존할 시간이 얼마 남지 않았음을 의미하기도 한다.

머치 연구원은 이번 연구를 위해 다람쥐 배설물을 수집한 한 장소가 녹아 무너져 강으로 흘러들어갔다고 말했다.

"이러한 유적들이 너무 빠르게 녹고 있습니다."

연구진은 여러 빙하기를 거쳐 수천 년 동안 얼어붙은 채 밀봉된 상태로 남아 있을 수 있는 땅다람쥐 굴에서 채취한 영구동토 샘플을 분석했다. (조지아 커코스, SWNS 제공)

 
캐나다 자연사박물관 고생물학 책임자이자 고대 북극 포유류를 연구하는 다니엘 프레이저Danielle Fraser는 이번 연구에 참여하지 않았다.

그녀는 이메일을 통해 이번 연구에 "흥미로운 발견"이 많이 포함되며, 어떤 종들이 언제 존재했는지 아는 것은 과거와 현재의 기후 변화를 이해하는 데 중요하다고 말했다.

쿠르트 키에르Kurt Kjær 교수는 코펜하겐 대학교 연구원으로, 이전에는 퇴적물 속 DNA를 이용해 매머드, 순록, 거위, 포플러, 자작나무, 측백나무 등이 풍부했던 200만 년 전 그린란드 생태계를 재구성했다.

그는 이메일을 통해 10년 전만 해도 배설물 화석에서 DNA를 추출하는 것은 가능성이 희박한 일로 여겨졌다고 밝혔다.

이제 화석에서 이처럼 많은 정보를 얻을 수 있게 된 것은 매우 흥미로운 일이라고 생각한다고 덧붙였다.
 

최대 70만 년 전까지 거슬러 올라가는 다람쥐 배설물 분석을 통해 북극의 진화 역사에 대한 "놀라운" 새로운 사실들이 밝혀졌다. (사진: SWNS, 듀안 프로에세)

"유콘 영구동토층에 보존된 땅다람쥐 배설물이 수십만 년 전 생태계와 진화 역사에 대한 이처럼 상세한 정보를 제공할 수 있을 거라고 누가 상상이나 했겠습니까? 이는 과학적으로 중요할 뿐만 아니라 정말 흥미로운 연구입니다." 

이 연구는 툴라 재단, CANA 재단, 벨몬트 포럼, 바이오다이버사, 캐나다 자연과학 및 공학 연구 위원회, 그리고 앨버타 대학교 북부 연구상 기금으로 지원되었다.
 

북극땅다람쥐는 북극 생태계에서 중요한 역할을 한다. 빙하기에 살았던 이들의 조상은 영구동토층에 보존된 굴과 배설물을 남겼는데, 이는 고대 생태계의 DNA 기록을 보여준다. (유콘 정부)

 
아티클 출처 : https://www.cbc.ca/news/science/frozen-squirrel-poop-9.7230087