[빅히스토리]동물의 육지진출! 팔다리는 언제 생겼을까?
오르도비스기(Ordovician era, 5.1~4.4 억 년 전)엔 바다에서 최초의 척추동물(vertebrates)이 진화해나갔다. 이들은 초기형태의 물고기와 상어였다. 최초의 척추동물인 물고기가 출현한 것은 고생대 중반인 4억8000만 년 전이었다. 이때의 화석 기록은 매우 드물지만 4억6000만 년 전의 물고기 화석이 세계 곳곳에서 다양하게 발견된다. 물고기의 기원에 대해서는 고생물학계에서 논란거리이다. 어류의 다양성이 가장 풍부한 곳이 산호초라는 사실에 비춰 원시 산호초 주변에서 물고기가 출현했을 것이라는 주장이 유력했다. 그러나 빅 데이터를 이용한 연구결과 새로운 증거가 나왔다. 먼 바다의 산호초 주변이 아니라 해안의 얕은 바다라는 것이다. 초 대륙 해안의 조간대나 석호의 얕은 바다에서 최초의 어류가 출현하고, 그곳에서 1억년 이상 머물면서 다양한 형태로 분화했을 것으로 추정된다. 유연하고 날렵하게 진화한 종은 먼 바다와 깊은 바다로 진출했다. 환경변화에 잘 적응하여 ‘억센’ 형태를 갖춘 종은 담수로 이동하거나 일부는 육지로 진출해 네발짐승으로 진화했다. 얕은 바다에서는 늘 파도가 일어 죽은 어류가 조각나므로 화석으로 남기 힘들다. 게, 바다가재나 새우의 조상도 이 시기에 나타났다. 과거에는 게, 바다 가재, 새우 같이 다리가 열 개인 갑각류에 대한 연구는 물리적 형태 위주였고 유전적 연구는 거의 없었다. 2019년에 이루어진 이들에 대한 유전적 연구에 의하면 이들은 4~5억 년 전 하나의 조상에서 갈라져 나왔다는 것이 밝혀졌다. 유전자 분석 결과 게와 바다가재는 4억5천만 년 전에 갈라졌고, 새우는 훨씬 이전에 갈라졌다. 이들은 5억 년 전부터 수천 년 동안 분화되었고, 1~2억 년 전에 분화가 완성된 것으로 분석됐다. 이들의 분화는 산호초 형성과 관련이 있으며 산호초는 이들이 분화할 수 있는 새로운 서식지를 제공했을 가능성이 있다.
5억 년 전에 나타난 바다생물은 육지로 진출하여 결국 인간으로 진화되었다. 고생대에 얕은 바다에 살았던 어류의 화석에서 동물의 손가락과 발가락으로 진화하는 과정을 보여주는 직접적인 증거를 처음 발견했다. 캐나다 퀘벡 주에서 4억 1920만~3억 5890만 년 전 사이 데본기 중에 형성된 지층에서 발견되었다. 이 화석은 어류에서 육지 척추동물로 진화하는 과정을 보여주는 사지 형 어류(Elpistostege watsoni)의 것이다. 어류 화석 중 손의 진화 과정이 발견된 사례는 처음이다. 어류가 육지에 진출하기 전에 점차 이런 구조로 진화되었음을 보여준다. 몸길이가 약 1.6미터로 공룡이 출현하기 약 1억5000만 년 전이어서 이런 대형 어류가 번성할 수 있었을 것이다. 당시 유라메리카(유라시아+아메리카) 대륙은 적도 바로 아래에 있어서 온난하고 쾌적한 환경에서 살았을 것이다. 당시 육지에는 척추동물이 존재하지 않고 전갈이나 노래기 같은 무척추동물이 번성했다. 유일한 척추동물인 어류는 아직 물속에 있었다. 이 물고기의 가슴지느러미 부분에서 척추동물에서 볼 수 있는 손가락뼈와 팔뼈의 원시 형태가 확인되었다. 시간이 지나 사지동물로 이어지는 위팔뼈와 아래팔뼈, 손목 등도 포함돼 있었다. 손가락의 섬세한 관절도 확인할 수 있어 명확하게 손뼈에 대응한다. 하지만 이들 물고기가 땅 위를 걸었던 것은 아니다. 손가락뼈와 팔뼈가 너무 작아 육지에서 체중을 지탱할 수 없는 것으로 보인다. 척추동물의 본격적인 육상 진출은 데본기 후기 양서류였다. 하지만 이들의 어류의 진화가 사지동물, 인류의 손과 발로 이어졌을 것이다.
물속에 살던 물고기가 진화하여 척추동물이 되었다. 그것은 수억 년 전에 일어난 일로 물고기가 네발 동물을 가진 원시적이고 도마뱀 같이 생긴 동물이 땅으로 올라왔다. 물에서 살던 동물이 육지로 나오려면 물 밖에서 호흡을 할 수 있는 폐와 땅에서 걸을 수 있는 다리가 필요하다. 폐와 다리는 육지에 올라와서 살면서 생길 수는 없다. 폐와 다리가 없이 육지에서 살 수가 없기 때문이다. 물속에서 살 때 폐와 다리가 생길 수 있는 유전인자가 생겼어야 한다. 실제로 이러한 유전자가 5000만 년 이상 전에 물고기 조상에게 있었다는 증거가 있다. 처음으로 육지로 올라오기 전 5000만 년 동안 물속에서 살아왔던 어류 조상은 이미 땅에서 살 수 있는 팔다리와 폐 유전자 암호를 가지고 있었다는 것이다. 물에 육지로 올라와 살 수 있는 유전적 기초가 물에서 육지로 올라오기 훨씬 전에 이미 발생했다는 사실이다. 이러한 유전 암호가 물에서 육지로 올라와 사는데 도움이 되었다. 이런 유전 암호는 지금도 인간과 일부 원시적인 물고기이 가지고 있다. 아프리카 민물에 사는 관상용으로 기르는 폴립테루스 비키르(polypterus bichir bichir)가 그런 물고기 중 하나이다. 이 물고기는 물고기 조상이 약 4억 2000만 년 전에 가지고 있는 특성을 지니고 있다. 비키르는 가슴지느러미를 사용하여 네발 동물과 비슷하게 육지에서 움직일 수 있다. 유전자를 분석한 결과 인간의 뼈마디에서 뼈의 움직임을 원활하게 해주는 활액 관절을 만들어 주는 유전자는 어류의 공통 조상도 가지고 이었고 지금도 원시적인 물고기와 지상에 사는 척추동물도 가지고 있다. 그러나 초기어류는 딱딱한 뼈를 가진 경골어류로 진화하면서 이러한 관절이 없어졌다. 결국 물고기들은 땅에서는 살 수 없다. 하지만 이것을 가지고 있는 비키르는 땅에서 움직일 수 있다. 또한 비키르와 미국 동남부에 사는 커다란 물고기인 앨리게이터 가(alligator gar)의 폐도 인간의 유사하며 동일한 유전자를 발현하는 것도 밝혀졌다. 이들 물고기들이 폐로 숨을 쉴 수 있어 약 3억 7500만~3억 6000만 년 전의 대량 멸종에서 살아남을 수 있었다고 추정된다. 당시 바다에서는 무슨 이유인지 산소가 없어져 대부분이 멸종되었다. 과거 찰스 다윈은 물고기의 부레가 폐로 전환됐다고 생각했지만 오히려 거구로 폐에서 부레로 진화했을 가능성이 높은 것으로 보인다. 이들 물고기 조상 중 일부가 진화되면서 지상에 사는 네발 동물이 되었을 것이다. 결국 폐나 팔다리가 육지에서 진화한 것이 아니라, 물속에 살 때부터 진화가 일어났던 것이다.
