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고래의 진화! 그 시작을 탐구하다

뿌리와이파리 오파비니아 열 네번째 『걷는 고래』는 우리가 고래의 기원을 이해하는 데에서 특히 최근 20년 동안에 이룬 놀라운 진전들을 담아냈다. 고래는 어류가 아니라 포유류다. 육상에서 소리를 전달했던 고막과 귓속뼈들은 점점 그 기능이 축소되었고, 대신에 아래턱과 이마에 지방체를 갖추어 고주파나 저주파를 송수신할 수 있게 되었다. 고래는 왜, 어떻게 해서, 바다로 되돌아갔을까? 800만 년 동안 경이로운 진화의 드라마가 고스란히 펼쳐진다.

이 책은…

고래가 정말 고뤠?
─창조론자의 총신에서 진화생물학의 총아로!
그러니까, 고래는 왜, 어떻게 해서, 바다로 되돌아갔을까?

초등학생도 안다. 고래는 어류가 아니라 포유류다. 기원전 4세기의 아리스토텔레스도 알았고, 위대한 계통분류학자 린네는 1776년에 낸 『자연의 체계』에서 “이런 이유에서 나는 고래를 물고기에서 제외한다”고 선언했다. 하지만 1851년에 허먼 멜빌이 쓴 『모비 딕』에 나오는 피쿼드호 선원들처럼 고래를 속속들이 꿰는 이들마저 린네를 외면하며 고래를 물고기로 쳤고, 1859년에 『종의 기원』을 낸 다윈은 포유류가 물로 돌아가기에 적합한 몸을 만들 수 있는 진화적 각본의 하나로 기술한 북아메리카 흑곰 탓에 한껏 비웃음을 사다가 그 대목을 점점 줄여 끝내는 삭제하고 말았다.
고래가 포유류인 이상, 분명 육상 포유류에서 유래하는 조상이 있었을 테다. 그러나 발견된 화석 고래는 모두 해양 포유류였다. 1832년에 발견된 화석 고래에는 바실로사우루스(‘왕도마뱀’)라는, 고대의 수생 포유류를 육상 도마뱀으로 오해하게 만드는 이름이 붙었다. 다윈이 고초를 겪은 뒤로도 150년 가까이, 이 바실로사우루스과가 골격이 알려진 가장 오래된 고래였다. ‘중간화석’이 없다! 고래는, 창조론자들이 진화를 부정하고 조롱하는, 지금은 무너진 지 오래지만 몇몇은 여전히 눈 꼭 감고 악을 써대는 ‘잃어버린 고리’의 단골 메뉴였다.

걷고 헤엄치는 고래, 암불로케투스 나탄스와 고래의 조상들
1991년, 상황이 일변했다. 지은이 ‘한스’ 테비슨이 파키스탄에서 암불로케투스 나탄스(‘걷기도 하고 헤엄치기도 하는 고래’)의 머리뼈와 골격을 발견한 것이다. 그리고 이제 고래는, 인도히우스, 파키케투스, 암불로케투스, 레밍토노케투스, 프로토케투스, 바실로사우루스라는 풍부한 중간화석, 다수의 뚜렷한 기능적 고리, 그 모두를 몰아가는 분자 기제에 대한 기본적인 이해를 갖춘 진화생물학 교과서의 총아가 되어 있다.
3억 7500만 년 전의 고생대 데본기, 물에 살던 물고기가 팔을 달고 뭍으로 올라왔다. 닐 슈빈이 2004년에 북극 엘스미어 섬에서 ‘팔굽혀펴기를 할 수 있는 물고기’ 틱타알릭을 발굴하면서 알게 된 사실이다. 그리고 5000만 년 전의 에오세 초기, 꽃과 이파리를 뜯어먹던 쥐사슴 같은 우제목 한 마리가 위험을 피해 물속에 숨었다. 그로부터 고래의 진화가 시작되었다.
고래의 진화라는 이 경이로운 드라마의 무대는 파키스탄과 인도, 1억 4000만 년 전의 백악기에 아프리카에서 떨어져나온 인도판이 5000만 년 전에 이르러 아시아판을 들이받으며 히말라야 산맥을 만들던 무렵, 아시아판과 인도판, 그 사이의 섬들, 특히 인도판의 가장자리를 따라 내해(內海) 테티스 해로 뻗은 얕은 대륙붕과 그 주위였다. 테비슨은 지난 20년간 이곳을 열 번 넘게 탐사해가며 암불로케투스 나탄스를 비롯한 여러 중간화석들을 발굴하고, 마침내 땅 위에 살았던 고래의 조상이 우제목 인도히우스였음을 밝혀내어 고래의 진화사를 새로 쓴 주역이다. 그는 산소와 탄소의 동위원소를 분석해 어느 화석 고래가 뭘 먹고 뭘 마셨는지를 알아내고, 현생 포유류의 헤엄을 관찰해 고래의 헤엄방식이 어떻게 진화했는지를 추적하고, 일본에서 잡힌 뒷다리가 둘 달린 돌연변이 돌고래 ‘하루카’를 관찰하고 고래의 배아를 연구하여 고래가 뒷다리를 잃게 된 과정까지를 세세하게 밝혀냈다. 덧붙여, 그 결과를 종합하면, 고래목과 가장 가까운 현생동물은 하마, ‘가장 유력한 조상’은 흔히 언급되는 메소니키드(메소닉스과)가 아니라 인도히우스이다.

배트맨의 ‘배트모빌’이 비틀스의 ‘노란 잠수함’이 되기까지
모든 것을 깡그리 바꾼 고래의 진화!
고래의 진화는, 최고의 공학자들로 팀을 짜서 이를테면 배트맨의 자동차 ‘배트모빌’을 해체한 다음, 그 부품들로 비틀스의 ‘노란 잠수함’을 만드는 일에 비유할 수 있다. 단, 공학자들은 퇴근할 때마다 여전히 작동하는 모종의 탈것을 제시해야 한다. 도저히 불가능해 보이는 그 일을 해낸 것이 고래다. 고래는 육상생활에 고도로 적응한 몸을 800만 년 만에 대양에 완벽하게 조율된 몸으로 바꾸었다. 이동기관을 비롯해 감각기관과 번식기관에 이르기까지 땅 위에서 잘 작동했던 거의 모든 기관계를 깡그리 바꿔낸 것이다.
5000만 년 전쯤의 인도히우스(‘인도의 돼지’)에서 파키케투스(‘파키스탄의 고래’), 암불로케투스(‘걷는/ 걷고 헤엄치는 고래’), 레밍토노케투스(인도 학자 사니와 미시라가, 초기 고래들은 “명백히 에오세 동안 인도양에 도달하지 않았다”고 잘못 주장한 스미스소니언의 고생물학자 레밍턴 켈로그의 이름을 딴 ‘레밍턴 고래’), 프로토케투스(‘최초의 고래’), 바실로사우루스까지, 800만 년 동안의 이 모든 ‘화석 고래’의 진화사가 이 책의 씨줄을 이룬다. 참고로, 2500만 년 전부터 수염고래와 이빨고래, 두 아목으로 나뉘는 현생 고래가 나타나고, 지금은 76종에 이른다.
800만 년에 걸친 이 드라마의 몇 장면. 에오세 초기에 살던 우제목이자 고래의 육상 조상인 인도히우스의 네발은 현생 고래에 이르러서는 흔적조차 남아 있지 않다. 파키케투스를 비롯해 바실로사우루스까지 중간형태들을 죽 훑어보면(〈참고도〉), 시간이 지날수록 앞다리는 지느러미를 닮아가고 뒷다리는 퇴화하며 몸도 기다랗게 유선형으로 변하였음을 알 수 있다. 귓속 구조 또한 확연하게 달라졌다. 그도 그럴 것이 공기 중의 소리는 물속의 소리와 달라서 육상의 귀는 물속에서 제대로 작동하지 않기 때문이다. 따라서 육상에서 소리를 전달했던 고막과 귓속뼈들은 점점 그 기능이 축소되었고, 대신에 아래턱과 이마에 지방체를 갖추어 고주파나 저주파를 송수신할 수 있게 되었다.

‘화석 고래계의 인디애나 존스’, 잃어버린 고래의 조상을 찾아서
1991년에 테비슨은 최초로 ‘발 달린 고래’ 암불로케투스를 발견했다. 그 전까지 발견된 고래 화석이라고는 현생 고래와 상당히 닮은 바실로사우루스의 골격과 그보다 훨씬 오래전에 살았던 파키케투스의 귀뼈가 전부였다. 따라서 암불로케투스는 고래의 기원을 화석기록 안에서 입증한 ‘첫’ 화석이라고 할 수 있다. 1999년에는 파키케투스의 전체 골격을 발견했는데, 놀랍게도 파키케투스의 발목뼈는 발굽이 짝수 개인 우제목의 발목뼈와 똑같이 생겨 있었다. 베일에 가려진 고래의 육상 조상이 그 ‘발굽’을 드러내는 순간이었다.
1985년의 첫 탐사 때, 소련의 아프가니스탄 침공 이후 미국과 소련-아프가니스탄 정부가 벌인 전쟁의 여파로 파키스탄 이슬라마바드의 호텔에서 차량폭탄에 의해 새카맣게 불타버린 소형버스들을 목격한 이래, 파키스탄과 인도를 둘러싼 복잡다단한 정치지형과 에오세에 형성된 이래 겹겹이 꺾이고 휘고 뒤틀린 지층, 사막과 히말라야 산록이라는 자연지형을 넘나들며 테비슨은 소설보다 재미있고 역동적인 ‘탐구생활’을 보여준다. 이것이 이 책의 날줄이다. 그리고 우연과 필연, 행운과 불운이 교차하는, 가히 ‘화석 고래계의 인디애나 존스’라 할 이 학자의 활약은 2005년, 인도의 지질학자 랑가 라오의 미망인 프리트린데 오베르크펠 박사 집에서 마침내 정점에 이른다. 고생물학계에서 상처를 받고 카슈미르의 칼라콧 마을 근처 에오세 포유류 화석산지를 통째로 발굴해버리고는 피해의식과 은둔과 비밀주의에 잠겨 있던 미망인이 “자네는 믿을 수 있어”라는 말과 함께 화석 더미를 위탁한 것이다.
화석 더미에는 자그마한 우제목 인도히우스가 잠들어 있었고, 테비슨은 인도히우스가 고래와 똑같은 새뼈집을 갖고 있었음을 알아냈다. 고래 귓속에는 사발 모양의 고실뼈가 있는데, 고래의 고실뼈는 가장자리 한쪽이 굉장히 두꺼워서 이를 새뼈집이라 부른다. 새뼈집은 포유류 중 오직 고래목만이 갖고 있는 독특한 귀뼈이다. 그래서 해부학자에게는 귀가 곧 고래이다. 고래와 유사한 그 밖의 수많은 해부구조와 함께 인도히우스는 고래의 명실상부한 육상 조상으로 판명되었다.

고래의 진화, 다시 또 새로운 지평을 위하여
고래는 800만 년 동안 경이로운 진화의 드라마를 보여주었고, 이 책은 우리가 고래의 기원을 이해하는 데에서 특히 최근 20년 동안에 이룬 놀라운 진전들을 거의 완벽하게 담아냈다. 물론 아직도 많은 질문이 남아 있고, 우리가 더 많은 것을 알게 되는 순간 다시 쓰여야 할 단편들도 여럿 있다.
하지만 테비슨이 말하듯이, 그것이야말로 과학이 정상적으로 작동하고 있음을 알려주는 청신호다. 새로운 발견이 과거의 결론을 검증하면서 한 걸음씩 내디딜 때마다 우리는 비로소 진정한 이해에 가까워진다. 그것은 과학뿐만 아니라 인생살이에서도 마땅히 넘어야 할 관문이다. 인간은 경험해야 성장할 수 있고 낡은 관념들을 다시 새길 수 있기 때문이다.
테비슨은 우리 독자들에게, 우리의 젊은 과학자들에게 이렇게 말하며 끝맺는다. “나는 새로운 세대의 싹트기 시작한 과학자들이 고래의 진화에 대한 우리의 이해를 현재의 지평 너머로 힘차게 밀어주기를 바란다. 이제 여러분 차례다. 파이팅.”

[책속으로 추가]
어떤 발생생물학자들은 배아에서 매우 초기에 일어나는 사소한 유전적 변화들이 진화의 원동력이라 믿는다. 이 믿음은 그러한 변화의 결과로 개체를 매우 근본적으로 개조할 기회가 생긴다는 이해를 토대로 한다. 그러나 고래의 뒷다리 진화의 경우에 개체발생 초기의 발생적 변화가 일어난 시점은 뒷다리가 이동기관의 기능을 잃기 시작하고서도 한참이 지난 다음이었다. 실험과 자연에서 얻은 SHH에 관한 이 모든 지식을 고려하면, 다이지의 돌고래 하루카에게는 무슨 일이 일어난 것인지 궁금해진다. (237쪽)

인도히우스는 원래 랑가 라오에 의해, 그가 이 암석들 속에서 이 동물의 턱뼈 몇 개를 찾았을 때 발견되었다. 가장 중요한 것은 머리뼈다. 우리는 머리뼈를 네 개 가지고 있다. 내 새 화석처리 담당자 릭은 대단한 인내심을 가지고 실낱 같은 잔금들에서 자줏빛과 잿빛의 퇴적물을 긁어내면서도 새하얀 뼈를 손상시키지 않고 일을 멋지게 해낸다. (…) 그러던 어느 날 내가 처리실로 걸어 들어가자, 릭이 머리뼈 하나에서 한 조각을 부러뜨렸다고 사과한다. (…) 머리뼈를 살펴보다가, 나는 부러진 뼈가 고실뼈임을 깨닫는다. 정확히 중간을 가르며 뚝 부러져서, 퇴적물이 채워진 중이강이 노출되어 있다. 충격적이게도, 고실뼈의 안쪽 벽이 바깥쪽보다 훨씬 더 두껍다. 인도히우스도 고래와 마찬가지로 새뼈집을 가지고 있었던 것이다. 릭의 사고가 불러온 굉장한 발견이었다(〈그림 55〉). 이 뼈는 다시 붙이지 맙시다! (255쪽)

작은 너구리만 한 우제류들이 꽃과 이파리를 뜯어먹다가, 위험을 피해 물속에 숨었다. 이들의 후손들은 포식자로서 물속에 숨어 먹잇감을 정찰하며, 물속에 머물렀다. 뒤이은 후손들이 빠르게 헤엄치는 법을 알아냈고, 새로운 먹잇감을 쫓았고, 땅 위에서 돌아다니는 능력을 조금씩 잃어버렸다. 다양한 방식의 헤엄을 실험한 뒤, 이들은 마침내 자신의 몸을 미끈한 유선형으로 바꾸었다. 따라서 육지에 대한 모든 유대가 끊어졌다. 한 집단이 먹잇감의 위치를 찾아내려고, 이미 고도로 발달된 청각계에 소리 방출계를 추가했다. 바로 반향정위를 하는 이빨고래다. 다른 집단은 크릴 들판에서 크릴을 뜯는 데에 쓰이는 수염을 진화시켰다. 바로 수염고래다. (266쪽)

니컬러스 피엔슨(학예사)
『걷는 고래』는 고래 고생물학 분야의 최첨단에 있는 책이다. 이 분야는 지난 15년 사이에 중대한 변화를 겪으며 이해의 차원이 달라졌다. 누가 들어도 재미난 테비슨 자신의 이야기가 과학에서 초기의 고래들을 발견해온 우여곡절과 얼마나 기막히게 들어맞는지 감탄스러울 뿐이다.

애널리사 베르타(『다시 바다로
』 지은이)
테비슨이 고생물학에서 많은 주목을 받고 있는 연구 영역인 초기 고래의 진화사를 설득력 있게 전달한다. 이 모험과 발견의 이야기를 따라가다 보면 테비슨이 현장에 나가 고래의 진화를 뒤쫓아온 지난날들이 다시금 생생하게 펼쳐진다.

1. 헛된 삽질
화석과 전쟁
고래의 귀

2. 어류냐, 포유류냐, 아니면 공룡?
코드 곶의 왕도마뱀
바실로사우루스과의 고래들
바실로사우루스과와 진화

3. 다리 달린 고래
검은 구릉 흰 구릉
걷는 고래

4. 헤엄 배우기
범고래와의 만남
개헤엄에서 어뢰까지
암불로케투스과의 고래들
암불로케투스와 진화

5. 산들이 자라던 때
히말라야 고지
구릉에서 일어난 납치 사건
인도의 고래들

6. 인도로 가는 길
델리에서 발이 묶이다
사막 안의 고래
70킬로그램의 머리뼈

7. 바닷가 나들이
바깥 둑
화석이 된 해안

8. 수달 고래
손 없는 고래
레밍토노케투스과의 고래들
뼈로 한 짐승을 짓는다는 것

9. 대양은 사막이다
수사 고생물학
마시기와 오줌 누기
화석이 된 마시기 습성
암불로케투스와의 산책

10. 조각 골격 맞추기
눈길만으로 사람을 죽일 수 있다면
뼈가 얼마나 있으면 골격이 될까?
고래의 자매를 찾아서

11. 강고래
고래의 청각
파키케투스과의 고래들
2001년 9월 11일

12. 고래, 세계를 제패하다
분자 사인
검은 고래
프로토케투스과의 고래들
프로토케투스과의 역사

13. 배아에서 진화까지
다리 달린 돌고래
다이지 해양공원
팔다리 벗어던지기
다이지의 고래잡이

14. 고래 이전
미망인의 화석들
고래의 조상들
인도히우스
화석 위탁업체

15. 앞으로 나아갈 길
중대한 의문
이빨의 발생
이빨로서의 고래수염

옮기고 나서
후주
찾아보기

고래의 고실뼈(〈그림 2〉)는 반 토막 난 호두 껍데기처럼 생겼으며, 가운데가 뻥 뚫린 사발 모양의 뼈다. 덧붙여, 한쪽에는 매우 두꺼운 벽이 있고, 반대쪽에는 매우 얇은 벽이 있다. 얇은 쪽을 고실판이라 하며, 여기에 구불돌기라는 S자 모양의 뼈 능선이 붙어 있다. 새뼈집(골구)으로 알려진 두꺼운 벽은 몸의 다른 부분에 비해 훨씬 더 치밀한 뼈로 이루어져 있다. 이것들이 고래 귀뼈의 결정적 특징이자, 고래류와 그들의 친척인 돌고래류 및 쇠돌고래류, 통틀어 고래목이라 일컫는 모든 포유류에게 고유한 특징이다. 모든 고래목이 새뼈집이 있는 고실뼈를 가지고 있지만, 그것을 가지고 있는 다른 동물은 하나도 알려져 있지 않다. (15쪽)

멜빌의 배 피쿼드 호의 선원들처럼 고래를 속속들이 꿰고 있는 사람들마저 고래를 물고기로 여겼다. 『모비 딕』이 나온 지 8년 뒤인 1859년에는 다윈의 『종의 기원』이 출간되었다. 자연에서 고래가 차지하는 자리가 『종의 기원』 이전부터 문제였다면, 이제는 문제가 훨씬 더 심각해졌다. 화석이건 최근의 것이건, 포유류는 땅 위에서 살았다. 만일 고래가 포유류라면, 고래의 조상들은 육상 포유류였음이 틀림없다. 다윈은 포유류의 몸을 물로 돌아가기에 적합한 형태로 만들 수 있는 진화적 각본을 상상하느라 애를 먹었다. (22~23쪽)

바실로사우루스과는 육지에서 바다로 향하는 그 극적인 전이가 어떻게 일어났는지를 이해하는 데에 도움이 되기에는 현대 고래와 너무 많이 닮았다. 그리고 완전히 육지에서 생활한 조상이 도대체 누구였는지를 드러내기에는 조상의 특징들을 충분히 보유하고 있지 않다. 화석기록의 빈약함은 진화가 일어났음을 의심하고 지구의 역사에 대한 성경의 설명을 신봉하는 사람들의 밥이었다. 네발 포유류와 바실로사우루스과 사이에 틈새가 벌어지자, 창조론자들은 진화의 불가능함을 보여주는 일례로 고래를 물고 늘어졌다. 다윈이 고래의 기원 때문에 겪었던 고충을 들춰내면서, 중간형태는 결코 발견되지 않을 거라고 주장했다. (50쪽)

마침내, 1994년에, 모든 준비를 마치고 그 짐승을 과학계와 대중에게 선보일 수 있게 된다. 드디어 녀석에게 이름도 준다(〈컬러도판 2〉). 이 동물은 새로운 속과 종에 해당하고, 다른 모든 고래와 너무도 달라서 새로운 과의 고래이기도 한, 다시 말해 암불로케투스과에 속하는 암불로케투스 나탄스Ambulocetus natans다. 속명이 이 화석의 가장 특이한 점, 즉 걸어다닌 고래라는 점을 나타낸다. 암불라레ambulare가 걷기를 가리키는 라틴어이고, 나탄스natans는 헤엄치기를 뜻한다. 녀석은 걷기도 하고 헤엄치기도 하는 고래인 것이다. (71쪽)

“그 물고기는 자기가 들어가서 헤엄치고 있던 물을 마신 다음, 그 물에 들어 있던 산소를 써서 뼈를 지었어. 뼈는 인회석으로 만들어지는데, 인회석에 산소가 들어 있거든. 동위원소들은 화학적으로 다르지 않기 때문에, 뼈에 든 동위원소를 측정하면 그 물고기가 헤엄치던 물의 동위원소를 알아낼 수 있어.” “우와. 그렇게 동위원소를 측정해서 마시는 물을 추적하면 너는 어떤 동물이 뭘 마셨는지를, 그 동물이 죽은 지 2000만 년이 지난 뒤에도 알 수 있고, 따라서 어느 물고기가 강의 어디에서, 그러니까 낮은 평원에서 살았는지, 아니면 높은 산의 개울에서 살았는지도 알아낼 수 있다는 거네.” (158쪽)

마침내 주둥이가, 제자리에 달린 많은 이빨과 함께 나온다. 우리는 작은 뼛조각들을 많이 주워 가방에 담는다. 집에 와서 모두 씻은 다음, 큰 조각에 더 작은 조각들을 맞춰본다. 큰 조각들과 모두 들어맞는다. 이놈은 레밍토노케투스과와는 매우 다른 고래다. 큰 눈이 옆을 향해 있고, 이빨이 크고, 윗니에 교두 세 개가 삼각형을 이루고 있다(〈그림 30〉). 눈확 위에는 뼈로 된 두꺼운 테두리인 눈확위돌기가 있다. 이는 에오세 고래들 중 프로토케투스과로 불리는 고래들의 특징으로 보고되며, 그렇다면 이놈은 쿠치의 첫 번째 프로토케투스과인데 우리가 그것의 머리뼈와 함께 골격의 일부를 찾은 것이다. 우리는 이놈을 데다케투스 Dhedacetus라 부른다.(209~210쪽)