Multiscale architecture and composition of two South Australian Bryozoa: Celleporaria cristata and Densipora corrugata

호주의 해안 근처, 차갑고 온화한 대양의 수면 아래 깊은 곳에서, 태형동물(bryozoans)이라 불리는 작은 군체 동물들은 정교한 돌 집을 짓는다. 흔히 "이끼 동물"로 불리는 이 생물들은 단일 개체가 아니라 미세한 복제본들이 함께 협력하는 거대한 공동체이다. 수 세기 동안 과학자들은 이 군체들이 석회암이나 조개껍데기에서 발견되는 것과 동일한 광물인 탄산칼슘으로 구성되어 있다는 사실을 알고 있었다. 그러나 이 동물들이 어떻게 골격을 구축하는지, 그리고 그 골격이 그들이 살아가는 환경에 대해 어떤 비밀을 간직하고 있는지에 대한 이야기는 대체로 숨겨져 있었다. 문제는 규모에 있었다. 구조물이 너무 작아서 이를 보기 위해서는 강력한 현미경이 필요하며, 그들이 포함하고 있는 화학적 신호는 너무 희미하여 표준적인 도구로는 쉽게 놓칠 수 있다는 점이다. 이 작은 건축가들을 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 이들은 세계의 탄산염 퇴적물에 크게 기여하며, 만약 우리가 그들의 돌벽 안에 쓰인 화학적 언어를 읽는 법을 배울 수 있다면 그들의 골격은 잠재적으로 해양 조건에 대한 역사적 기록 역할을 할 수 있기 때문이다.

한 연구팀은 남호주의 해초 군락지에서 발견되는 두 가지 특정 종의 태형동물을 연구함으로써 이 언어를 해독하기 위해 나섰다. 이 두 종, Celleporaria cristata와 Densipora corrugata는 수억 년 전에 갈라진 서로 다른 진화 계통에 속함에도 불구하고, 외관상 거의 동일하게 보이도록 진화했다. 두 종 모두 해초 줄기를 따라 자라는 방추형 군체를 형성하며, 표면을 가로지르는 일련의 두드러진 능선을 특징으로 한다. 과학자들은 이 놀라운 형태적 유사성이 그들이 집을 짓는 방식 또한 동일함을 의미하는지, 아니면 그들의 고대 차이점이 미세한 구조적 세부 사항을 여전히 결정하고 있는지를 알고 싶어 했다. 이를 알아내기 위해 그들은 전체 동물 크기부터 골격을 구성하는 개별 광물 입자에 이르기까지 군체를 조사하는 일련의 첨단 이미징 기술을 사용했다.

조사는 군체의 전체적인 형태와 내부 구조를 살펴보는 것으로 시작되었다. 고해상도 3D 스캐닝을 사용하여 연구진은 외형은 거의 쌍둥이처럼 닮았지만, 개별 동물들이 사는 내부 방은 근본적으로 다르다는 것을 확인했다. 한 종에서는 생활실이 상자 모양이었던 반면, 다른 종에서는 긴 튜브 형태였다. 이러한 차이는 그들의 뚜렷한 진화적 역사를 반영한다. 그러나 연구팀이 벽 자체를 보기 위해 더 깊이 확대했을 때, 그들은 놀라울 정도로 공통된 부분을 발견했다. 두 종 모두 아주 작은 평평한 광물판과 작은 알갱이 형태의 탄산칼슘 혼합물을 사용하여 벽을 만들었다. 가장 미세한 수준에서, 두 종 모두 65에서 250 나노미터 범위의 아주 작은 둥근 입자인 나노그레뉼(nanogranules)로 구성되어 있었다. 이는 서로 다른 진화 경로에도 불구하고, 두 동물 모두 이 작은 입자들을 서로 붙임으로써 돌집을 조립하는 기본적인 방식을 공유하고 있음을 시사한다.

연구진은 이어 이 돌벽의 화학적 조성을 조사했으며, 특히 탄산칼슘이 형성될 때 흔히 갇히게 되는 원소인 마그네슘에 주목했다. 그들은 두 종 모두 골격에 마그네슘을 포함시키고 있지만, 그 방식은 매우 달랐다. 튜브 모양의 생활실을 가진 종의 경우, 마그네슘은 군체 표면의 외부 능선과 완벽하게 일치하는 뚜렷한 띠 형태로 집중되어 있었다. 이 패턴은 과학자들에게 설득력 있는 가설을 제시했다. 즉, 이 능선들이 나무의 나이테와 유사한 연간 성장 흔적일 수 있다는 것이다. 해양 생물의 마그네슘 수치는 종종 따뜻한 여름철에 높아지기 때문에, 마그네슘 함량이 높은 능선은 급격한 여름 성장을 나타내는 시기를 의미할 수 있다. 이것이 사실이라면, 이 군체들은 몇 년의 수명을 가질 수 있으며, 능선의 개수가 그 나이를 나타낼 수 있다. 반면, 다른 종은 마그ne슘이 벽 전체에 불규칙한 띠 형태로 흩어져 있었으며, 외부 형태와 명확한 연결 고리가 없어 동일한 방법으로 나이를 판별하는 것이 불가능했다.

광물 이외에도, 팀은 돌 속에 갇힌 유기 물질을 조사했다. 딱딱한 껍데기를 만드는 모든 생명체는 광물 형성을 유도하기 위해 단백질이나 당과 같은 유기 분자를 일부 섞는다. 연구진은 두 종이 매우 다른 유기적 레시피를 사용한다는 것을 발견했다. 상자 모양의 생활실을 가진 종은 벽이 단백질이 풍은 상태였는데, 이는 동물이 성장함에 따라 벽에 통합되는 보호용 외피, 즉 큐티클(cuticle)의 일부로 보였다. 이 외피가 없는 다른 종은 광물 입자 사이에 위치한 탄수화물이 풍부한 유기층으로 채워져 있었다. 이러한 차이는 겉모습은 같아도 내부의 생물학적 전략은 완전히 다를 수 있음을 보여준다.

이 연구는 두 태형동물이 동일한 환경에서 살아남기 위해 유사한 형태로 수렴 진화했지만, 그 내부 구조는 그들만의 독특한 진화적 과거를 증명하고 있다고 결론짓는다. 연구 결과는 이 두 종을 바라보는 새로운 관점을 제공하며, 마그네슘이 풍부한 능선을 가진 종이 과거 해양 온도의 자연스러운 기록자가 될 수 있음을 시사한다. 능선의 수를 세고 화학 성분을 분석함으로써, 과학자들은 해초 생태계의 여름철 온난화 역사를 재구성할 수 있을지도 모른다. 이 작업은 단순히 이 동물들이 어떻게 집을 짓는지를 설명하는 데 그치지 않고, 그들의 돌집을 통해 과거의 기후를 들여다볼 수 있는 창을 열어줌으로써 미세한 군체를 기후 변화를 모니터링하는 도구로 활용할 수 있게 한다.