우리 코는 독특하다.
포유류의 전형적인 입과 코 부위는 진화의 독특한 재창조이다.

개든 말이든 인간이든 포유류의 얼굴은 지구상의 다른 동물의 얼굴과 다르다.
모두 돌출되어 있고 때로는 움직일 수 있는 코가 있으며, 이 포유동물의 ‘주둥이’는 진화의 독특한 재창조이기 때문이다. 연구원들이 상세한 비교를 기반으로 발견한 것에 따르면 우리 조상의 턱에 있는 두 개의 뼈가 위치와 기능을 바꾸어 전형적인 포유류 입과 코를 만들었다. 

▲ 이 초기 포유류 조상인 Stahleckeria potens는 여전히 돌출된 코가 없는 파충류 주둥이를 가지고 있었다. © Wolfgang Gerber / 고생물학 컬렉션 튀빙겐 대학교

언뜻 보기에는 거의 눈에 띄지 않을 수 있지만, 포유류의 얼굴 영역은 파충류, 새 및 기타 육상 척추동물의 얼굴 영역과 한가지 결정적인 세부 사항에서 다르다. 이 모든 동물 그룹에서 위턱은 주둥이 끝을 형성한다. 코는 약간 뒤에 있으며 일반적으로 2개 미만의 구멍으로 구성된다.

▲ 그림1. 쥐의 "전상악골"은 다른 네발동물의 상악전부와 다르게 발달합니다. (A) 리안 포유류의 얼굴의 해부학. (B) 양막의 두개안면 발달의 일반적인 계획(10, 11, 15). (C) 네발동물 배아의 3차원 모델. murine premaxilla는 다른 종의 septomaxilla(오렌지색)와 같은 지형적 위치에서 골화한다. 13.5 dpc 마우스에서 V2의 안와하 가지(vibrissae에 대한 신경 가지)가 제거되었다. (출처: 관련논문 Mammalian face as an evolutionary novelty / PNAS)

딱딱한 턱 끝 대신 움직이는 코

우리 포유동물은 다르다. 대부분 포유동물에서 코는 눈에 띄게 발달돼 있다.
코를 킁킁거리고 경련을 일으키고 다른 움직임을 수행할 수 있으며 종종 턱 위로 돌출되어 있다. 이 유연한 코 덕분에 우리의 포유류 조상은 후각과 촉각을 크게 향상시켜 완전히 새로운 생활 방식과 생태학적 전략을 개발할 수 있었다.
그러나 전형적인 포유류의 주둥이와 코는 진화 과정에서 어떻게 생겨났는지, 어떤 해부학적 기원을 지니고 있었는지 대체로 설명되지 않았다.

"지금까지 과학은 파충류와 포유류의 얼굴 발달이 상대적으로 비슷한 것으로 여겨져 왔다"라고 공동 저자인 튀빙겐 대학의 잉그마르 베르네부르그(Ingmar Werneburg)가 설명했다. 이것은 두 동물군의 주둥이 끝이 악간골(顎間骨: 앞니가 박혀 있는 위턱뼈의 부분. 대부분 척추동물에서는 독립된 뼈로 분리되어 있다)에 의해 형성되어 발생학적으로 일치하는 뼈 구조 때문이었다. 그러나 해부학자들은 포유류의 주둥이로 연결되는 안면 신경과 턱 신경이 파충류와 다른 가지에서 온다는 것을 오랫동안 의아하게 생각했다.

▲ 그림 4. 화석 시냅스에서 위턱뼈의 진화적 전환. (A) 개구리와 도마뱀붙이의 위턱 골격. (B) 이전 연구에서 다시 그린 디메트로돈의 주둥이. 격막은 콧구멍에 있다. (C) 화석 시냅스의 관찰. 실포익티도이데스 화석은 주둥이의 주둥이 표면을 덮고 있는 큰 격막을 보여주며, 그 비율은 배아 바늘두더지와 비슷하다(그림 1C 및 SI 부록, 그림 S2). 계통발생학적 프레임워크는 이전 연구를 기반으로 한다. cynodonts의 계획은 이전 연구에서 다시 그려졌다. (출처: 관련논문 Mammalian face as an evolutionary novelty / PNAS)

배아 발달에 대한 비교 조사

문제의 본질을 파악하기 위해 제1저자인 도쿄 대학의 히가시야마 히로키, 베르네부르크와 동료들은 최근 위턱과 코의 발달을 자세히 조사했다. 한편으로는 파충류, 포유류의 뼈 구조와 포유류 조상의 화석을 비교했다. 다른 한편으로 그들은 이러한 구조의 배아 발달을 세포 수준까지 추적했다.

Ingmar Werneburg는 "20년 전만 해도 이 수준의 세부 사항은 기술적으로 상상할 수 없었을 것이다“고 말했다. 연구를 위해 그들은 닭, 성게, 도마뱀붙이 그리고 생쥐의 배아에서 주둥이 형성에 관여하는 다양한 세포 그룹을 표시하여 그들의 움직임과 성장을 이해할 수 있었다. 그들은 또한 주둥이 부위에 대한 신경 공급을 비교했다.

▲ 그림 5 포유류 총구의 진화. (A) 비테리아인 양막동물과 리안 포유동물의 발달 도식. (B) 척추동물 주둥이의 단순화된 진화 시나리오. plesiomorphic 상태에서 premandibular mesenchyme (연한 녹색)는 구강 장치의 주둥이 부분을 구성하고 크라운 척추 동물 (cyclostomes 및 gnathostomes)에서 강력하게 보존되었다. 그러나 이러한 지속적인 보수성은 시냅스 계통에서 새로운 패턴을 가져오기 위해 점진적으로 리모델링되었다. (출처:관련논문)

놀라운 전환

포유류의 입과 돌출된 코는 진화 과정에서 턱뼈가 크게 변형된 결과다.
파충류 및 기타 비 포유동물에서 악간골(premaxilla)은 위턱의 끝을 형성한다. 또한 도마뱀붙이, 개구리 등의 앞니를 잡아준다. 또 다른 뼈인 septomaxillary(동물에서 상악 전치부와 상악골을 분리하는 뼈)는 작고 악간골 뒤에 있다.

그러나 포유류의 조상이 진화하면서 이 두 뼈의 위치와 비율이 바뀌기 시작했다.
상악중격은 더 커지고 전진한 반면, 상악 전치부는 밀치고 앞으로 이동했다. 최초의 포유류에서는 기능의 변화가 있었다. 이전에 앞니를 가지고 있던 상악 전치부가 중격으로 대체되었다. 이것은 위턱뼈와 융합되어 모든 포유류의 턱 끝과 앞니 지지대를 형성했다.

따라서 상악 전치부는 새로운 기능을 자유롭게 수행할 수 있다.
모든 포유동물에서 상악은 비강 영역을 위한 지지 구조를 형성한다. 이와 관련해 이 부분도 별도의 신경 연결을 받았다고 Werneburg는 설명했다.

▲ 이 소와 다른 모든 포유류에서 상악 전치부(검은색)이 앞으로 이동하여 코를 위한 지지 구조를 형성한다. 반면에 중격은 상악골(주황색)과 융합대 있다. © Senckenberg / Ingmar Werneburg

우리의 진화에 대한 새로운 시각

이러한 결과는 포유류의 진화를 보는 방식을 바꾼다.
우리가 생각한 것과는 달리 포유류의 전형적인 입과 코는 비슷한 모양의 파충류 구조에서 직접 나오지 않았기 때문이다. 대신 관련된 뼈의 위치와 기능이 교환되었다.
따라서 연구팀은 "포유류 특유의 얼굴인 주둥이는 진화적으로 참신한 것"이라고 말했다.

이 결정적인 변화만이 포유류의 민첩한 코와 고도로 발달된 후각을 발달시키는 것을 가능하게 한다. 얼굴 근육도 바뀌었고 킁킁거리기에서 킁킁거리기까지 새로운 표정이 가능해졌다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; doi: 10.1073/pnas.2111876118)

출처: PNAS, Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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