[사이언스 데일리] 연구자들이 진화발생생물학의 방법론을 이용하여 포유류와 파충류/조류에서 독립적으로 고막이 진화했다는 것을 밝혀냈다.

(2015년 4월 22일 Science Daily 기사 번역)

정보출처: RIKEN

리켄 (이화학연구소) 진화형태학연구실와 도쿄 대학의 학자들이 포유류와 이궁류(diapsid) – 파충류와 조류를 포함하는 분류군 – 에서 서로 독립적으로 고막이 진화했다는 것을 밝혀냈다. 네이처 커뮤니케이션즈에 발표된 이번 논문은 포유류의 고막이 아래턱이 생기면서 같이 생기는 데 반해 이궁류의 고막은 윗턱과 연관되어 있다는 것을 보여주었다. 중요한 시사점은 이들이 발생생물학에서 사용되던 테크닉을 빌려와 고생물학자들을 오랫동안 괴롭혀왔던 질문의 답을 찾았다는 것이다.

고막과 중이(middle ear)의 진화는 포유류, 파충류, 그리고 조류가 공기 중의 소리를 들을 수 있도록 해주었다. 이들의 고막은 모두 비슷해 보이고 귓길(ear canal)이 첫번째 인두주머니(pharyngeal pouch)에 닿으면서 형성되며, 비슷한 기능을 한다. 하지만 화석기록에 따르면 이들 두 계통의 중이는 근본적으로 달라서 포유류의 중이를 구성하는 두 개의 뼈 – 망치뼈와 모루뼈 – 는 이궁류의 턱뼈 – 관절뼈(articular)와 네모꼴뼈(quadrate) – 와 상동이라는 것이 알려져 있다. 양쪽 계통 모두 이 뼈들은 턱관절에서 연결되어 있다.

과학자들은 고막 – 그리고 따라서 청각 – 이 포유류와 이궁류에서 독립적으로 진화했을 것이라고 생각해 왔으나 고막은 화석화되지 않기 때문에 화석기록에서 확실한 증거를 찾을 수는 없었다. 이런 어려움을 극복하기 위해 연구팀은 진화발생생물학 – 이보디보 – 의 도움을 얻기로 했다. 포유류에서는 고막이 아래턱에서 유리한 뼈인 고실륜(tympanic ring)에 부착되어 있지만, 이궁류에서는 고막이 위턱에서 유래한 네모꼴뼈에 부착되어 있다. 고막의 진화가 이들 서로 다른 턱뼈와 관련되어 있다는 가설을 세우고 연구팀은 쥐와 닭의 아래턱 발달을 조작하는 일련의 실험들을 수행했다.

연구팀은 먼저 Ednra 수용체가 없어 아래턱의 발달이 제대로 이루어지지 않는 쥐에서의 고막 발달을 살펴보았다. 이 쥐들에서 고막과 귓길 역시 발달하지 않는 것을 보여 고막과 귓길의 발달이 아래턱 형성에 의존한다는 것을 알아냈다.

그 다음으로 연구팀은 Ednra 수용체 대항체를 사용해 닭의 정상적인 발달을 방해했다. 고막을 잃는 대신 이 조작은 고막과 귓길을 하나씩 더 만들어 냈다. 추가로 만들어진 고막과 귓길은 기형이 된 아래턱 내부에서 생겨난 윗턱 구성요소들로부터 발생했다.

고막이 어떻게 두 번 진화했고 왜 서로 다른 턱 구성요소와 연관되었는지를 이해하기 위해서 연구자들은 Bapxl – 턱관절  마커 – 의 발현과 첫번째 인두주머니와의 상대적인 위치를 살펴보았다. 이들은 쥐의 태아에서 Bapxl 은 첫번째 인두주머니보다 약간 아래쪽에 있는 세포들에서 발현되며 닭에서는 훨씬 낮은 위치에서 발현된는 것을 발견했다. 이러한 차이때문에 포유류에서는 고막이 턱관절보다 아래쪽에서 발생하여 아래턱과 연관되며 이궁류에서는 턱관절보다 위쪽에서 발생하여 윗턱과 연관된다.

포유류에서는 왜, 그리고 어떻게 해서 턱관절이 위쪽에서 생겨나는지 아직 알지 못하지만 이번 연구는 중이가 이런 이동 이후에 발생하며 따라서 포유류와 이궁류 계통이 그들의 공통조상으로부터 갈라진 이후 독립적으로 생겨났다는 것을 보였다. 이보디보에 기반한 접근의 중요성을 강조하면서 수석 과학자인 시게루 쿠라타니는 다음과 같이 지적했다. “수렴진화는 종종 서로 아주 닮아서 마치 상동인 것처럼 보이는 기관들을 만들어냅니다. 하지만 발달과정을 분석하면 서로 기원이 다르다는 것을 알 수 있는 경우가 있습니다.”

고막과 같은 구조는 화석화되지 않기 때문에 이보디보에 기반한 접근이 더 중요해진다. 주저자인 마사키 타케치는 이렇게 이야기한다. “중이의 진화에 이런 방식으로 접근함으로써 이와 연관된 포유류의 다른 진화적 변화, 예를 들면 고음을 들을 수 있는 능력이라든지 아니면 더 효율적인 신진대사 등을 이해하는 데 도움을 얻을 수도 있을 겁니다.”

참고문헌

Taro Kitazawa, Masaki Takechi, Tatsuya Hirasawa et al. Developmental genetic bases behind the independent origin of the tympanic membrane in mammals and diapsids. Nature Communications, 2015 DOI: 10.1038/ncomms7853

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