암모나이트 껍질, 부력 조절했다
암모나이트 껍질, 부력 조절했다
  • 함예솔
  • 승인 2021.05.11 18:00
  • 조회수 2842
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오늘날 문어, 오징어, 갑오징어와 같은 두족류의 조상이라고 할 수 있는, 암모나이트는 공룡 시대 훨씬 이전부터 지구에 살기 시작해 약 3억 4천만년 동안 바다를 누볐습니다. 사실 엄밀하게 말하면 암모나이트는 암모노이드강((subclass Ammonoidea) 하위의 암모나이트목(order Ammonitida)에 속하는 종류만을 지칭하지만 넓은 의미로 암모노이드를 암모나이트로 부르기도 합니다. 

복잡한 봉합선 패턴을 나타내기 위해 외부 껍질을 제거한 Menuites oralensis의 화석. 출처: University of Utah /David Peterman
복잡한 봉합선 패턴을 나타내기 위해 외부 껍질을 제거한 Menuites oralensis의 화석. 출처: University of Utah /David Peterman

3억 4천만 년 동안 암모나이트의 화석 껍질을 보면 놀라운 것들을 발견할 수 있는데요. 시간이 지나면서 껍데기 내부의 물결모양은 점점 더 복잡해지고 결국 케일 잎의 가장자리처럼 주름이 잡히게 됩니다. 

 

이 물결모양의 선들을 봉합선이라고 불리며 그것들은 암모나이트 껍질의 방(chamber)을 분리한 벽이나 격벽(septa)의 가장자리의 복잡성을 반영합니다. 이전까지 과학자들은 껍질에 가해지는 압력에 저항하는 복잡한 봉합선의 역할에만 초점을 맞췄습니다. 하지만 이번 연구를 통해 유타 대학교(University of Utah) 연구원들은 다른 가설에 대한 증거를 제공합니다. 연구에 따르면 복잡한 봉합선은 표면 장력을 통해 더 많은 액체를 보존해 암모나이트의 부력을 미세 조정하는데 도움을 주는 것으로 보입니다. 이러한 결과는 ‘Scientific Reports’에 게재됐습니다. 

 

연구진들은 살아있는 암모나이트가 더 이상 존재하지 않기 때문에 껍데기의 구조와 기능을 이해하기 위해 3D 프린팅 모델을 사용해야만 했는데요. 이번 연구의 주요 저자이자 유타 대학교 지질학 및 지구물리학과의 박사 후 연구원인 David Peterman는 “이 가설은 복잡한 특징들에 대한 믿을 수 없을 정도로 정확한 모델을 만들지 않고서는 시험할 수 없었다”며 “3D 프린팅 모델은 살아있는 동물에 버금가는 디테일을 가진 엄청나게 복잡한 내부의 방 격면을 제작할 수 있게 해준다”고 설명합니다. 

 

암모나이트 껍질, 복잡성 증가

 

암모나이트는 오래 전 멸종됐지만 우리는 암모나이트의 껍질이 어떻게 작동하는지 이해하기 위해서 살아있는 그들의 먼 친척인 앵무조개(chambered nautilus)를 볼 수 있습니다. 만약 앵무조개 껍질의 단면을 본다면 당신은 껍질이 각각의 컵 모양으로 된 분할된 벽(격벽)으로 나눠져 있다는 걸 볼 수 있을 겁니다. 봉합선은 격벽이 껍데기와 만나는 부분을 말하는데요. Peterman은 “최초의 봉합선은 앵무조개류와 같은 암모나이트 선조들의 직선이었다”고 말합니다. 암모나이트에서 진화 시간이 지나면서 봉합선이 더 복잡해졌을 때 격벽은 더 복잡하고 프랙탈 같은 가장자리를 발달시켰습니다. 그는 “어떤 종은 특별했는데, 봉합선이 너무 복잡해서 격벽이 껍데기와 만나는 빈 공간이 거의 없었다”고 말합니다. 

암모나이트 화석과 함께 내부 및 외부 형태학을 보여주는 3D 프린팅 컴퓨터 재구성. 출처: University of Utah /David Peterman
암모나이트 화석과 함께 내부 및 외부 형태학을 보여주는 3D 프린팅 컴퓨터 재구성. 출처: University of Utah /David Peterman

만약 암모나이트의 진화의 결과로 복잡한 봉합선과 격벽을 발달시켰다면 그들은 생존의 이점을 가져야 합니다. 이에 암모나이트에 대한 대부분의 연구는 복잡한 격벽이 껍질의 내구성을 준다는 가설에 초점을 맞추고 있습니다. Peterman은 “기계적 기능상의 해석은 일반적으로 응력 저항과 관련있다”며 “더 복잡한 분리 벽이 지지대 역할을 한다”고 전합니다. 

 

그러나 여러 연구들이 그러한 가설에 이의를 제기했고, 또 다른 가설로 격벽의 복잡한 표면은 표면 장력을 변화시킬 수 있고 더 많은 물이 달라 붙을 수 있어 방(chambers)에 물을 다시 채우는데 도움이 될 수 있다는 대안 가설을 내놓게 됐습니다. 이는 암모나이트가 성장 중에 부력을 조절하기 위해 무게의 변화에 반응하기 위해 그리고 아마도 수직 운동을 위해 사용됐을 것이기 때문에 중요합니다. 

 

Peterman 그리고 Kathleen Ritterbush 조교수는 이 가설에 대한 실험을 시작했습니다. 하지만 우선 그들은 격벽이 필요했습니다. Peterman은 “화석화된 암모나이트 방은 전형적으로 석화된 진흙이나 광물로 가득 차 있어 다른 접근법이 필요하다”고 말합니다. 

 

3D 프린팅으로 껍질 재현하다

 

연구진들은 가상의 모델링을 사용해 다양한 크기와 다양한 수준의 복잡성을 가진 맞춤형 격벽 표면의 모형을 설계했습니다. Peterman은 가상 모델링을 통해 가상의 표면을 제작할 수 있다고  말합니다. Peterman은 “예를들어 Menuites oralensis의 껍질에 있는 가장 복잡한 봉합선 중 하나는 상대적인 방의 부피와 껍데기 모양을 질정하게 유지하면서 복잡성의 차이를 조사하기 위해 반복적으로 반듯하게 펴졌다”고 말합니다. 

 

연구팀은 미세하게 분산된 산화된 셀룰로오스 코팅을 모델에 추가해 물이 표면에 달라붙도록 했습니다. 앵무조개 껍질는 이와 비슷한 코팅을 가지고 있는데요. Peterman 은 “앵무조개는 암모나이트와 먼 친척이지만 어떤 면에서는 암모나이트 껍질 기능을 가장 유사하게 보여주는 역할을 한다”고 말합니다. 

오늘날 앵무조개(오른쪽)의 껍질 단면과 3D 프린팅 된 암모나이트 껍질(왼쪽) 껍질 단면. 이번 연구에서 방(Chamber)모델을 전단해 내부의 기하학 구조(위)를 보여준다출처: University of Utah /David Peterman
오늘날 앵무조개(오른쪽)의 껍질 단면과 3D 프린팅 된 암모나이트 껍질(왼쪽) 껍질 단면. 이번 연구에서 방(Chamber)모델을 전단해 내부의 기하학 구조(위)를 보여준다출처: University of Utah /David Peterman

실험과정은 비교적 간단했는데요. 각 모형들이 건조한 상태였을 때 무게를 측정하고, 이후 물에 담굽니다. 중력에 의해 붙잡힌 물을 빼내기 위해 회전시킨 다음 표면 장력에 의해 얼마나 많은 물이 남아있는지 확인하기 위해 다시 무게를 잽니다. 

 

실험 결과, 더 복잡한 봉합선이 더 많은 물을 가지고 있다는 걸 분명히 보여줬는데요. 더욱 복잡하게 접혀있는 모형들은 물을 보유하는데 특히 효과적이었습니다. 이 연구 결과는 복잡한 격벽 표면이 보다 더 정확하고 능동적인 부력 조절에 도움이 됐을 수도 있다는 걸 시사합니다. 그리고 이는 더 나은 균형, 더 큰 크기, 그리고 속도에 유리한 외형을 가능하게 했을 수도 있다고 합니다. 

단일 Menuites oralensis 격벽의 가상 모델. 현재 연구에서 3D 프린팅 모델을 만드는데 사용된다. 출처: University of Utah /David Peterman
단일 Menuites oralensis 격벽의 가상 모델. 현재 연구에서 3D 프린팅 모델을 만드는데 사용된다. 출처: University of Utah /David Peterman

암모노이드들은 백악기 말, 공룡들과 함께 멸종 직전에 봉합선의 복잡성이 절정에 도달했습니다. 더 단순한 봉합선을 가진 앵무조개만이 살아남았지만, 암모나이트에게는 생존을 가능하게 하는 봉합선의 복잡성 외에도 다른 요소들이 작용했을 가능성이 존재합니다. 그들의 연구는 암모나이트 생태학과의 관계와 함께 생리적인 기능이 더 탐구될 수 있는 토대를 마련했습니다. 진보된 컴퓨팅 워크 플로우와 스마트 재료의 개발은 결국 이러한 미지의 생명체를 부활시킬 수 있도록 할 것 입니다. 

 

Peterman은 “우리가 쥐라기 공원의 공룡처럼 이 동물들을 되살릴 수는 없겠지만 컴퓨터 시뮬레이션과 이런 실험들은 생태학적으로 중요한 두족류를 되살리는 데 가장 근접하게 될 것이다”고 말합니다. 


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