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- 기존 이론;공기 중 산소 함유량 낮고 곤충 기관계의 비효율성 때문
- 약 3억 년 전: 지네 2m길이, 잠자리 날개 75cm, 하루살이 길이는 45cm
- 석탄기 후기와 페름기 초기에 거대 곤충들은 당시 대기 중 산소 함량 높았기 때문 생존
- 더 많은 산소를 몸 안으로 운반하려면 이 더 큰 기관관의 직경이 커지거나 수가 많아져야

오늘날 거대 곤충이 사라진 이유
연구 결과, 기존 교과서 설명에 대한 부분적 반박

거대화 수수께끼:
선사시대 거대 곤충의 소멸에 대한 기존 이론이 틀렸을지도 모른다. 이 이론에 따르면, 공기 중 산소 함량이 낮고 곤충의 기관계가 비효율적이기 때문에 오늘날 거대 곤충의 성장이 제한되었다고 한다. 하지만 최근 연구에 따르면 현대 곤충의 세기관(허파 내에 분지된 기관지의 맨끝에 있는 가장 가느다란 공기통로)은 성장 제한 요인이 될 수 없다는 사실이 밝혀졌다. 따라서 거대 곤충이 사라진 이유는 다른 곳에 있을 가능성이 높다. 

▲ 석탄기 말, 날개 길이가 75cm에 달하는 거대한 잠자리들이 숲 속을 날아다녔다. 그런데 오늘날에는 왜 거대한 곤충이 없을까? © James St. John

오늘날 거대 곤충은 저급 공포 영화에서나 볼 수 있지만, 약 3억 년 전에는 실제로 존재했다. 석탄기 말에는 길이가 2m가 넘는 지네가 판게아의 습지림을 기어 다녔고, 날개 길이가 75cm에 달하는 잠자리류는 하늘에서 먹이를 사냥했다. 화석 발견에 따르면 초기 하루살이조차도 날개 길이가 45cm에 이르렀다.

그렇다면 왜 오늘날에는 거대 곤충이 없을까? 현재 통용되는 이론에 따르면, 그 이유는 첫째, 공기 중 산소 함량 때문이다. 약 3억 년 전에는 공기 중 산소 함량이 약 30%에 달했지만, 오늘날에는 21%에 불과하다. 둘째, 곤충의 비효율적인 호흡계 때문이다. 인간을 비롯한 대부분 동물은 적혈구를 통해 산소를 근육과 장기로 능동적으로 운반한다. 그러나 곤충은 기관이라고 불리는 여러 갈래로 뻗은 관망을 통해 공기가 주로 수동적으로 몸속으로 들어간다.

기관계의 한계 때문일까?

프레토리아 대학교의 에드워드 스넬링(Edward Snelling) 교수와 그의 동료들은 "특히 비행 중에는 큰 기관에서 대류에 의해 산소 운반이 촉진된다"고 설명했다. 비행 근육의 움직임은 기관을 압축하고 팽창시켜 공기를 빨아들인다. 이 기관계의 끝부분인 세기관지에서는 수동 확산을 통해 산소가 조직으로 운반된다. 이 과정에서 산소 농도 기울기가 매우 중요하다.

▲ 선사시대 거대 잠자리(그리핀플라이)와 현대의 친척이자 오늘날 살아있는 가장 큰 하루살이의 크기를 비교한 사진. © Estelle Mayhew

순전히 물리적인 관점에서 보면, 산소가 곤충의 몸에 도달하는 거리와 양은 주변 공기의 산소 농도에 따라 달라진다. 농도가 높을수록 기관은 호흡 가스를 몸 안으로 더 효율적으로 운반할 수 있다. 연구자들은 1995년 "네이처"지에 발표한 획기적인 논문에서 바로 이러한 관계를 제시했다. 이 연구에 따르면, 석탄기 후기와 페름기 초기에 살았던 거대 곤충들은 당시 대기 중 산소 함량이 높았기 때문에 생존할 수 있었다. 그 이후로 이 내용은 모든 교과서에 표준 지식으로 자리 잡았다.

기관관 밀도 비교

또한 스넬링과 그의 연구팀은 적어도 부분적으로는 이 주장에 이의를 제기하고 있다. 그들은 연구를 위해 크기가 다른 곤충들의 비행근육에서 기관계의 가느다란 끝부분인 기관관이 차지하는 공간을 더 자세히 조사했다. "만약 대기 중 산소 함량이 곤충의 최대 몸집 크기를 결정하는 상한선이라면, 기관지 수준에서 그에 대한 보상 작용이 나타나야 한다"고 스넬링은 설명했다.

즉, 몸집이 큰 비행 곤충은 큰 비행 근육의 높은 산소 요구량을 충족하기 위해 작은 곤충보다 훨씬 더 많은 기관지를 조직에 가지고 있어야 한다는 것이다. 하지만 분석 결과는 그렇지 않다는 것을 보여준다. 무게가 0.5mg인 아주 작은 곤충의 비행 근육에서 기관지는 전체 부피의 약 0.47%를 차지하는 반면, 1만 배 더 무거운 5g 곤충에서는 0.83%를 차지한다.

연구진은 "이는 몸무게가 1만 배 증가했을 때 부피 밀도가 겨우 1.8배 증가한 것에 불과하다"고 강조했다. 거의 모든 곤충 종에서 크기에 관계없이 조직 내 기관지의 비율은 1% 미만이다. "조류와 포유류의 심장 근육에 있는 모세혈관은 곤충의 비행 근육에 있는 기관관보다 상대적으로 약 10배나 더 넓은 공간을 차지한다"고 애들레이드 대학교의 공동 저자인 로저 시모어(Roger Seymour)는 설명했다.

▲ 골리앗풍뎅이의 비행근육에 있는 기관관(왼쪽)과 영양의 근육 조직에 있는 모세혈관을 전자현미경으로 촬영한 사진 © Antoinette Lensink and Edward Snelling

충분한 보상 공간

연구팀에 따르면, 이러한 데이터는 기관관을 통한 산소 운반이 곤충의 크기를 제한한다는 가설을 반박한다. 산소 공급을 개선하기 위해 곤충은 조직에 더 많은 기관관을 형성할 수 있다. "만약 기관관이 정말로 크기 제한 요소라면, 기관관 밀도를 높일 수 있는 여유는 여전히 충분할 것이다"고 시모어는 말했다. 척추동물과의 비교에서 알 수 있듯이, 부피가 10배로 증가하더라도 근육과 장기의 기능에는 아무런 지장을 주지 않는다.

스넬링과 그의 연구팀은 "기관관의 비율이 적고, 잠재력에도 불구하고 몸집이 커져도 기관관의 크기가 증가하지 않는다는 점은, 기관관을 통한 확산에 의한 산소 운반이 제한 요인이 될 수 없다는 강력한 증거다"고 주장한다. 그들의 견해로는 거대 곤충이 더 존재하지 않는 이유는 조직으로의 산소 운반 효율이 떨어져서가 아니다.

그렇다면 거대 곤충은 왜 사라졌을까?

이것은 산소 운반 이론이 완전히 반박되었다는 것을 의미할까? 연구진 스스로도 인정하듯, 그렇지는 않다. "산소 운반의 마지막 단계에서 진화적 한계를 발견하지 못하더라도, 그 이전 단계 중 하나에 그러한 한계가 존재할 가능성이 있다"고 그들은 지적했다.

실제로, 약 20년 전의 한 연구는 병목 현상이 곤충의 더 큰 기관관에 있을 가능성이 높다는 증거를 제시했다. 더 많은 산소를 몸 안으로 운반하려면 이 더 큰 기관관의 직경이 커지거나 수가 더 많아져야 할 것이다. 그러나 곤충의 몸에서 다리와 머리로 이어지는 좁은 통로 때문에 이러한 공간이 거의 없다는 것이 당시 연구진에 의해 입증되었다.

참고: Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-10291-3
출처: Nature, Arizona State University, University of Greifswald

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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