장 속의 오랜 동맹: 요구르트 한 모금에서 시작되는 이야기
사람이 요구르트 한 병을 마시거나 저녁 식사를 즐길 때, 장 속의 수조 마리에 달하는 미세한 세균 무리는 묵묵히 일하며 몸이 음식을 분해하고 필수 비타민을 합성하도록 돕습니다. 이처럼 동물과 미생물이 서로 긴밀하게 의존하며 살아가는 방식은 오늘날 자연계에서는 흔히 볼 수 있는 일입니다. 하지만 오랫동안 사람들은 동물을 독립적인 진화의 주체로 여겼고, 초기 생명체가 환경 변화에 적응하기 위해 전적으로 자신의 기관을 진화시키는 데 의존했다고 생각했습니다.
생물학자들은 동물이 도대체 언제부터 생명의 대사라는 막중한 책임의 일부를 미생물에게 맡기기 시작했는지 오랫동안 궁금해했습니다. 2026년 8월, 중국 난징대학(Nanjing University) 지구과학 및 공학부의 왕전페이(Wang Zhenfei) 연구팀은 학술지 ‘미국국립과학원회보’(PNAS)에 연구 결과를 발표했습니다. 연구진은 5억 5천만 년 전의 암석 표본에서 지금까지 알려진 동물과 세균 협력의 가장 오래된 화학적 흔적을 발견했습니다.
빨대처럼 얇은 석화된 미세 흔적: 해저 관상 생물 코노투부스
이 연구의 주인공은 에디아카라기(약 6억 3500만 년 전에서 5억 3900만 년 전의 지질 시대로, 복잡한 다세포 동물이 처음으로 광범위하게 출현한 시기) 바다에 살았던 소형 동물인 코노투부스(Conotubus, 5억 년 이상 전 해저에 살았던 소형 원뿔형 관상 동물)입니다. 이 화석 관의 지름은 겨우 몇 밀리미터에 불과하여 오늘날 일상적으로 사용하는 얇은 플라스틱 빨대와 비슷합니다. 야외 지층 단면에서 이 화석들은 회색 이암 속에 가라앉은 눈에 띄지 않는 미세한 흔적에 불과해 보입니다.
이 미세한 생물들이 살았던 시대는 지금으로부터 5억 5천만 년 이상 전입니다. 당시 지구의 육지에는 어떤 식물이나 동물도 없었고, 광활한 바다에서 이제 막 최초의 다세포 생명체가 싹트기 시작했을 무렵으로, 최초의 공룡이 출현하기보다 3억 년 이상 전의 일입니다. 오랫동안 과학계는 초기 생명체에 어떤 형태의 공생 관계(두 개의 서로 다른 생물이 장기간 함께 생활하며 서로 의존하거나 상호 이익을 얻는 협력 방식)가 존재했을 가능성을 추측해 왔지만, 캄브리아기 이전의 고대 지층에서는 직접적인 화석 증거가 부족했습니다. 코노투부스 화석의 발견은 이 수수께끼를 풀기 위한 귀중한 실체적 자료를 제공했습니다.
사진: 회색 암석에 박힌 코노투부스 관상 화석 근접 촬영. 출처: Li & Schiffbauer / Nature
원소 잔류물의 단서: 다중 동위원소 시스템이 사건을 해결한 방법
5억 년 이상의 지질학적 변화를 겪은 단단한 암석 속에서 세균 활동의 흔적을 찾으려면, 일반 현미경으로 화석의 외형을 관찰하는 것만으로는 결론을 내릴 수 없습니다. 난징대학 연구팀은 다중 동위원소 시스템(탄소, 황 등 다양한 화학 원소의 서로 다른 원자량 형태를 검출하여 고생물의 식단과 대사 특성을 추적하는 방법)이라는 분석 기술을 채택했습니다. 연구진은 화석의 관 벽과 그 주변 미세 영역에 대해 고정밀 지구화학 원소를 층별로 스캔하고 비교했습니다.
분석 결과, 화석 관 벽 내부에는 황철석화 과정에서 형성된 특수한 화학적 신호가 남아 있는 것으로 나타났습니다. 관 벽 영역의 탄소 및 황 동위원소 수치는 매우 뚜렷한 비정상적인 편차를 보였으며, 이러한 독특한 동위원소 특징은 일반적인 해수 환경에서의 무기적, 물리적 침전으로 인한 것이 아닙니다. 연구팀은 여러 다른 단면의 화석 표본을 비교하여 이러한 화학적 이상 현상이 코노투부스 관 벽 주위에 보편적으로 존재함을 확인했고, 후대의 지질 작용에 의한 침입 및 오염 가능성을 배제했습니다.
사진: 황 산화 세균과 공생하는 코노투부스 생태 복원도. 출처: Jiahao Li / 난징대학 지구과학 및 공학부
생명의 일부를 세균에게 맡기다: 초기 동물의 생존 전략
이러한 정상 범위를 벗어난 동위원소 데이터는 특수한 생명 생존 방식, 즉 화학 합성 공생(어떤 생물이 체내 또는 체표에 붙어 화학 반응을 일으키는 세균에 의존하여 영양분을 얻는 공생 방식)을 정확히 가리키고 있습니다. 충분한 유리 산소가 부족했던 고대 해저 환경에서, 황 산화 세균(황화물을 산화시킬 때 방출되는 에너지를 이용해 무기물에서 유기 영양분을 합성할 수 있는 미세한 세균)이 코노투부스의 관 벽에 대량으로 밀집해 있었습니다. 세균은 진흙과 모래에서 방출되는 황 화합물을 흡수하여 화학적 대사를 수행하고 에너지를 방출하는 동시에, 합성된 유기 영양 물질을 숙주에게 끊임없이 전달했습니다.
코노투부스 자체의 신체 구조는 매우 단순하여 복잡한 포식 활동에 대처할 수 있는 소화 시스템을 발달시키지 못했습니다. 황 산화 세균과 형성한 영양 동맹에 의존함으로써, 이 관상 생물은 먹이를 찾으러 돌아다니기 위해 많은 에너지를 소비할 필요가 없었고, 자원이 부족한 해저 진흙과 모래의 경계면에서 뿌리를 내리고 생존할 수 있었습니다. 이러한 협력 방식은 초기 다세포 동물이 생존하는 데 필요한 생리적 장벽을 낮춰주었고, 원시 바다의 가혹한 경쟁 속에서 귀중한 생존 공간을 확보할 수 있게 해주었습니다.
복잡한 생명은 혼자 싸우지 않았다: 5억 년 전 협력의 역사
과거 학계의 주류 견해는 동물과 미생물이 고도로 분업화된 공생 파트너십을 형성한 것이 캄브리아기 대폭발 이후 생물 다양성이 급증함에 따라 진화해 온 결과라고 생각했습니다. 국제 학술지 ‘네이처’(Nature)는 이 연구에 대한 하이라이트 보도(Research Highlight)에서 난징대학 팀의 이번 발견이 지금까지 알려진 가장 오래된 동물과 미생물 공생의 실체적 증거를 제공했다고 평가했습니다. 이 성과는 종을 뛰어넘는 협력의 역사를 수천만 년 전으로 앞당겼으며, 초기 생명의 진화 관계에 대한 인식을 새롭게 했습니다.
에디아카라기에 동물과 미생물의 공생 관계가 확립되었다는 것은 복잡한 생명의 기원과 진화가 시종일관 종 간의 영양 동맹에 의존해 왔음을 의미합니다. 초기 동물은 원시 바다의 복잡한 환경에 혼자 맞선 것이 아니라, 진화의 시작부터 미시 세계의 세균과 어깨를 나란히 하고 싸우는 것을 선택했습니다. 암석층 깊은 곳에 잠들어 있는 그 관상 화석들은, 이미 5억 년 전부터 생명이 서로 윈윈(Win-Win)하는 생존의 지혜를 터득하고 있었음을 분명하게 기록하고 있습니다.
참고 링크:
- Nature Research Highlight 보도
- 난징대학 지구과학 및 공학부 뉴스 보도
- PNAS 논문 원문 e2526201123
