[바이오토픽] 다윈을 경악시킨 '속씨식물의 폭발적 진화'의 수수께끼, 150년 만에 해명될까?
생명과학 / Bio통신원
양병찬 (2020-07-03)

속씨식물의 폭발적 진화

ⓒ Science 동영상 캡처

지금으로부터 150여 년 전, 찰스 다윈은 화석기록에 나타난 속씨식물의 폭발적 다양화에 경악했다. 최초의 꽃식물 화석이 등장한 지 1,000만 년 후, 중요한 네 가지 과(科)가 1,000만 년 동안 신속하게 등장했기 때문이다. 이제 과학자들은 현생 꽃식물과 꽃가루매개자에 대한 DNA 분석을 이용하여, 「꽃식물의 등장 및 다양화 시기」에 대한 다윈의 "끔찍한 불가사의"를 해명하려 하고 있다.

1879년 찰스 다윈은 동료 조지프 돌턴 후커에게, 화석기록상의 "끔찍한 불가사의(abominable mystery)"에 대해 이야기했다. 그는 '속씨식물(angiosperm)─꽃 피우고 열매 맺는 식물─의 주요 과(科)들이 백악기에 나타날 때, 겨우 1,000만 년에 걸쳐 후다닥 진화했다'는 사실에 당혹스러워 했다. 지금껏 알려진 것 중 가장 오래된 속씨식물 화석의 연대측정 결과는, 그런 「다양성 폭발(explosion of diversity) 기간」보다 1,000만 년쯤 앞선 약 1억 3,500만 년 전이다. 이제 연구자들은 분자생물학 도구와 화석을 이용하여, 불가사의하고 흥미진진한 역사에 한 줄기 빛을 비추고 있다.

2019년 연구자들은 엽록체(chloroplast)─식물의 잎에서 광합성을 통해 햇빛을 에너지로 전환하는 세포소기관(organelle)─에 눈을 돌렸다. 엽록체는 식물의 진화를 이해하는 데 중요한 도구인데, 그 이유는 잎에서 추출한 다음 DNA를 시퀀싱 하기가 쉽기 때문이다. 종(種)마다 다른 엽록체 속의 DNA를 비교분석하면, '상이한 식물들이 얼마나 가까운 친척인지'와 '특정한 종과 속(屬)이 언제 진화했는지'를 알아낼 수 있다.

연구자들은 속씨식물의 클레이드(clade)─하나의 공통조상을 보유하는 그룹─에 속하는 식물들의 엽록체 DNA를 시퀀싱했다. 그와 동시에, 주요 클레이드에서 가장 오래된 화석을 이용하여 자신들의 분자분석을 교정(calibration)했다. 다음으로, 그들은 '조상에게서 갈라져 나온 시기'를 알아내기 위해, 현생식물들의 유전표지(genetic marker)를 분석했다. 분석 결과, 지금껏 알려졌던 것보다 훨씬 더 오래된 속씨식물의 기원(무려 2억여 년 전인 트라이아스기 후기)이 밝혀졌다. 우리가 알고 있는 가장 오래된 속씨식물 화석의 연대는 겨우 1억 3,500만 년 전인데 말이다. 또한, 분자분석에서는 우리가 알고 있는 것보다 오래전(쥐라기 후기 ~ 백악기 후기 초반)에 속씨식물의 다양성이 폭발한 것으로 나타났다(참고 1).

속씨식물의 진화에 얽힌 수수께끼를 해명한 또 한 가지 단서는, 꽃식물의 도우미인 꽃가루매개자(pollinator)─나비와 뒤영벌 포함─에게서 나왔다. 꽃식물의 경우와 마찬가지로, 최근에 발표된 분자증거에 따르면 꽃가루매개 곤충의 기원은 화석기록보다 더 오래전으로 거슬러 올라간다. 예컨대 가장 오래된 나비목(Lepidoptera)─나비와 나방을 포함하는 곤충 목(目)─의 화석상 증거는, 1억 9,500만 년 전이다. 그러나 분자분석에서는 나비목이 3억 년 전부터 지구상에 존재했던 것으로 나타났는데, 이는 속씨식물 기원의 새로운 추정치인 2억 여 년 전보다 수천만 년이나 앞선다.

【총정리】 분자 및 화석상 증거에 따른 속씨식물의 진화

꽃식물이 지구상에 등장한 타이밍에 대한 분자 및 화석상 증거 사이에는 커다란 차이가 있다. 화석상 증거는 꽃식물이 백악기 초기에 등장했음을 시사하지만, 분자분석은 그보다 훨씬 전인 트라이아스기를 가리킨다.


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과거에 과학자들은 "「겉씨식물(gymnosperm)의 풍매수분(wind pollination)」이 「속씨식물의 동물매개수분」에 자리를 내줌으로써 꽃식물의 다양화에 크게 기여했다"고 생각했다. 그러나 최근의 발견들은, 멸종한 겉씨식물 중 일부가 곤충에 의해 수분되었음을 시사함으로써 이야기를 복잡하게 만들고 있다. "식물의 특별한 특징─이를테면 기다란 화통(floral tube)─이 꽃가루매개자의 기다란 혓바닥에 반응하여 형성되었다(그 반대 방향의 추론도 가능하다)"는 생각도 혼란스럽다. '새로 발견된 화석'과 '유사한 방법 빛 교정을 이용한 연구'가 특정한 곤충과 식물의 등장 시기를 더욱 정확히 밝혀 줬으면 좋겠다.

그렇다면 한 세기를 훌쩍 넘긴 다윈의 "끔찍한 불가사의"에 대한 답변을 당분간 보류해야 한다는 말인가? 문제는 더욱 복잡해지고 있다.

※ 참고문헌
1. https://science.sciencemag.org/content/368/6497/1306.summary

※ 출처: Science https://www.sciencemag.org/news/2020/06/can-scientists-solve-darwins-abominable-mystery-about-angiosperm-explosion

정보출처: BRIC 바이오통신원
<본 기사는 기관에서 작성된 보도자료 또는 개인에 의해 작성 되었습니다.>
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