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골화 과정은 척추의 모든 곳에서 동시에 일어나지 않는다. 오히려 그것들은 서로 다른 장소에서, 서로 다른 시간에 발생하며, 서로 다른 속도와 방향으로 실행될 수 있다."

원래 형태의 척추가 골화되는 과정 재건
조류, 포유류 그리고 뱀은 시간이 지남에 따라 다양한 패턴을 개발했다.

척추로의 변화:
배아의 척추는 처음에는 연골로 구성되어 있으며 점차 뼈로 변한다. 연구자들이 최근 이 과정의 원래 형태가 3억 년 전에 어떻게 생겼는지 재구성했다. 그들은 또한 조류, 포유류, 비늘 파충류 등 세 가지 주요 동물 그룹이 각각 원래의 골화 체계를 기반으로 고유한 패턴을 발달시켰다는 사실을 발견했다. 

▲ 척추 골화의 원래 상태는 오랫동안 거의 변하지 않았다. © Museum für Naturkunde

자궁에서 우리의 척추는 처음에는 단계적으로 골화되는 연골 구조다.
“골화 과정은 척추의 모든 곳에서 동시에 일어나지 않는다. 오히려 그것들은 서로 다른 장소에서, 서로 다른 시간에 발생하며, 서로 다른 속도와 방향으로 실행될 수 있다”고 베를린 훔볼트 대학의 Antoine Verrière와 그의 동료들이 설명했다. 척추에서 뼈 형성의 "시작점"이 정확히 어디이며 이러한 과정이 척추동물의 배아 발달에서 언제 시작되는지는 지금까지 거의 연구되지 않았다.

3억 년의 진화를 재구성하다.

이제 Verrière와 그의 팀은 멸종된 동물과 살아 있는 동물 모두의 데이터를 사용해 척추 형성 패턴을 체계화할 수 있었다. 이를 위해 그들은 다양한 동물 종의 척추 골화 과정에 대한 정보를 수집하고 이러한 패턴이 진화 과정에서 어떻게 발달했는지 재구성했다. 이것은 궁극적으로 모든 현대적 패턴이 등장했음에 틀림없는 척추 골화의 가상의 원시 상태로 이끌었다.

재건에 특히 중요한 것은 초기 해양 파충류인 메소사우루스 테누이덴스(Mesosaurus tenuidens)의 매우 잘 보존된 화석이었다. 약 3억 년 전, 메소사우르스는 해변에 간 후 수생 생물에 다시 적응한 최초의 파충류 중 하나였다. 그들의 척추는 초기 척추동물의 척추 골화에 대한 통찰력을 제공해 현대 발달 패턴과 비교할 수 있었다.

원시 골화는 거의 변하지 않음

분석 결과 :
메소사우루스 시대 이후 지난 3억 년 동안 척추의 골화 패턴은 거의 변하지 않았다. 연구원들은 놀랍게도 "살아 있거나 멸종된 네 발 달린 척추동물은 체형과 생활 방식 면에서 매우 다양하기 때문이다. 척추의 요소는 네 발 달린 척추동물 내(內) 그룹 간에 크게 다른 복잡한 단위로 구성된다. 그럼에도 불구하고 골화 패턴은 형태학적 다양성이 매우 크기 때문에 예상되는 것보다 훨씬 더 균일하다”고 Verrière의 동료인 Jörg Fröbisch는 설명했다.

▲ 축 골화 패턴을 보여주는 Mesosaurus tenuidens의 어린 표본. (A) SMF-R-4512, pleurocentrum 및 신경 아치 골화의 구배를 보여줌; (B) BSPG 1979 I 37, 신경궁 융합의 구배를 보여줌; (C) 신경 중심 융합의 구배를 보여주는 MZSP-PV 1301. 표본은 후방 영역을 왼쪽으로, 전방 영역을 오른쪽으로 향하게 한다. 짙은 회색 사각형은 일치하는 번호로 클로즈업으로 표시된 영역을 강조 표시한다. 화살표는 인접한 두 클로즈업 사이의 골화 또는 융합 정도의 차이를 강조 표시. 사진 (A) 및 (B) 제공: (C). 라드케(MfN). 사진(C) 제공: (A) Carvalho(MZSP). 눈금 막대: 10mm. (출처: 관련논문 Regionalization, constraints, and the ancestral ossification patterns in the vertebral column of amniotes / Scientific Reports) Published: 23 December 2022

연구팀이 파악한 원시 골화 패턴은 다음과 같다. 배아의 척추뼈는 목에서 꼬리까지 점진적으로 골화된다. 마찬가지로 한 쌍의 척추 아치는 먼저 같은 방향으로 골화한 다음 "지퍼와 같은" 패턴으로 함께 융합된다. 완성된 척추 아치는 이번에는 꼬리에서 시작하여 목을 향해 척추와 융합된다.

예외는 규칙을 증명

과학자들은 연구된 패턴이 척추동물 진화 동안 상대적으로 안정적으로 유지되었지만 일부 그룹에서 원래 패턴에서 편차가 있음을 발견했다. 이것은 특히 새, 포유류 및 비늘이 있는 파충류(도마뱀과 뱀)에 영향을 미친다. 모두 고유한 척추 골화 패턴을 개발했다. 비늘파충류에서 원형과 가장 큰 차이점은 척추궁이 목이 아닌 허리에서 골화된다는 점이다.

새의 이상 현상은 척추 아치와 척추체의 융합이 꼬리 대신 목에서 시작된다는 것이다. "포유류는 재구성된 원래 상태에서 가장 많은 편차를 보인다"고 Verrière 팀은 설명했다. 무엇보다도 그들의 척추 아치는 가슴에서 시작해 골화되고 꼬리 대신 목에서 융합된다.
(Science Reports, 2022; doi: 10.1038/s41598-022-24983-z)
출처: 자연사 박물관, 라이프니츠 진화 및 생물다양성 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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