상상해 보세요, 당신이 의존하는 산소의 가용성이 낮과 밤에 따라 크게 변동하는 현실을. 당신의 환경은 낮 동안 산소가 풍부한 상태(충분한 산소 공급)에서 변화하면서, 음식 사냥을 위한 에너지를 제공하다가, 밤에는 심각하게 산소가 결핍된 상태(무산소 상태)가 되어 움직임이 둔해지는 상황을 나타냅니다.
500백만 년 전 극단적인 해양 환경에서 생존을 위해 애쓴 원시 동물들의 시나리오가 바로 이러했습니다. 이는 동물 생명의 놀라운 다양성이 발생한 시기로 알려진 “캄브리아기 폭발”와 일치합니다.
내 팀이 수행한 최근 연구에서는 산소 수준의 이러한 큰 변동이 이 변혁적 생물학적 시대의 핵심 요인 중 하나였을 것이라는 점을 시사하고 있습니다.
전문가들은 오랫동안 진화의 촉매를 놓고 논쟁해왔습니다. 많은 이가 대기 중 장기간에 걸친 변화가 다양한 동물 종의 증가를 촉발했을 것이라고 믿어왔습니다. 그러나 최근의 관점은 동물의 확산을 단순히 대기 중 산소 증가로 설명하는 것에 의문을 제기합니다.
우리의 최신 연구는 자주 간과되던 측면을 밝혀냅니다. 얕은 해저에서의 일일 산소 수준의 변동이 초기 동물(현재 모든 동물 생명의 조상)들에게 스트레스를 부여했을 가능성이 있으며, 이는 다양화를 촉진하는 적응을 이끌었을 수 있습니다. 대중적인 믿음과 달리, 이러한 도전적인 조건들이 진화에서 유리한 상황보다 더 중요한 역할을 했다라고 제안됩니다.
태양빛이 드리운 해저에서의 기존 조건을 모사하는 생지구화학적 모델을 통해, 우리는 캄브리아기 동안 따뜻한 얕은 바다에서 낮과 밤 사이의 산소 수준이 극적으로 변동할 수 있었음을 입증했습니다. 낮 동안 해양 미세조류는 광합성을 통해 충분한 산소를 생성했지만, 밤이 되면 광합성을 할 수 있는 태양광이 없으므로 남은 산소를 신속하게 소모하고 무산소 상태가 되었습니다.
산소가 풍부한 상태와 결핍 상태의 순환적 주기는 초기 유기체들에게 상당한 생리적 도전을 초래했으며, 그들은 영양소 변동에 대처하기 위한 적응을 필요로 했습니다. 이러한 도전적인 조건에서 번성한 생물들은 지속 가능한 식량을 탐색하는 데 있어 경쟁 우위를 얻었습니다.
스트레스 아래에서의 적응 진화
생리적 스트레스는 종종 생존의 장애물로 여겨지지만, 동시에 진화적 혁신의 촉발제가 될 수도 있습니다. 현대의 극한 환경에 있는 종들은 종종 적응력을 높이는 특수한 특성을 개발합니다. 우리의 연구는 캄브리아기 동안 유사한 현상이 발생하였음을 보여주며, 동물들이 얕은 해저에서 변화하는 산소 수준에 의해 유발된 스트레스에 대처하기 위한 메커니즘을 진화했음을 시사합니다.
주요 적응은 HIF-1α(저산소 유도 인자 1)라는 세포 조절 시스템에 의해 조절되는 변하는 산소 수준을 효과적으로 감지하고 대응하는 능력을 포함했을 가능성이 큽니다. 이 시스템은 에너지 대사와 세포 기능 조정에 도움을 줄 뿐만 아니라, 무산소 상태에서의 독소에 대한 저항성도 부여합니다.
우리의 모델은 복잡한 산소 감지 시스템을 갖춘 동물들이 캄브리아 해저의 변동 조건에서 생존 우위를 누려, 그러한 능력이 부족한 유기체들을 앞설 수 있었을 것임을 시사합니다.
극한의 환경에서 다양한 생명체로
현대의 생물 다양성 핫스팟인 열대 우림과 산호초에서는 높은 경쟁과 생태적 복잡성이 번성합니다. 그러나 생존이 도전적인 물리적 조건을 이겨내는 것에 달려 있는 가혹한 환경에서는 서로 다른 진화적 압력이 작용합니다. 스트레스에 대한 저항력을 높이는 적응은 효율적으로 유전되어 특정 계통이 번성할 수 있도록 하고, 더욱 복잡한 생명체의 출현을 촉진할 것입니다.
모든 다세포 동물은 조직 형성과 수리에 중요한 홈오스타시스를 유지하기 위해 HIF를 이용합니다. 이것은 기린과 코끼리와 같은 크고 장수하는 종들이 어떻게 진화했는지를 설명할 수 있습니다. 이러한 새로운 관점은 초기 동물 진화의 주요 원인으로 대규모 지질학적 변화를 우선시하는 전통적인 이론에 도전하며, 매일의 산소 수준 변동과 같이 국지적인 도전들이 진화 경로를 형성하는 데 있어 중요한 역할을 했음을 주장합니다.
Emma Hammarlund, 부교수, 지질생물학, 룬드 대학교
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