왜 사지동물은 4개의 부속지가 있을까?

오늘 모처럼 레드윙에 접속했는데, 쪽지가 하나 왔더군요. 가끔 확인하는데 이미 쪽지를 보내신지 꽤 된 것 같습니다. 흑... 어쨌든, 이런 질문이 올라왔습니다.

안녕하세요. 저는 진화론에 대해서 알고 싶어하는, 그냥 평범한 직장인 **라고 합니다. 갑자기 이렇게 쪽지를 보내서 죄송합니다. 하지만 제가 아는 사람 중 진화에 대해서 제일 잘 알고 있으신 분이 암만 생각해봐도 꼬깔님 같아서 이렇게 쪽지를 보냅니다. 제가 현재 다음에서 '진화론과 창조론' 이라는 카페에 있습니다. 그 중 인간의 2족 보행의 이유에 대해서 누군가 글을 썼는데, 어느 분이 이렇게 질문하시더군요. <왜 2족, 4족 보행인가? 6족이 될수도 있고 8족이 될 수도 있지 않은가?> 하고 말이에요. 실제로 곤충중에는 다리 6개 이상 달고 있는 녀석들도 많은데, 유독 포유류, 양서류 등을 보면 4족 이상의 녀석들은 보지 못했습니다. 왜 4족보행(그게 아니어도 손두개, 다리2개인 녀석들)이 많은 걸까요? (그냥 공통조상이4개여서는 답이 안될거 같아요. 그러면 왜 4개만 빼고 없는건데 라고 물어볼거 같아서요). 거듭 말씀드리지만 이런 질문 갑작스럽게 하여서 죄송합니다 ㅠㅠ

재밌는 질문입니다. 그리고 누구나 한 번쯤은 고민했음직한 내용입니다. 사실 저도 정확히는 모르지만 제가 아는 한도에서 답변드리자면 이렇습니다.

본래 이와 관련한 전통적인 답변은 '4개의 다리가 육상 생활에 최적화되었기 때문이다.'란 것입니다. 그러나 이는 문제가 많은 답변입니다. 왜 하필 4개의 다리인지, 그리고 4개의 다리가 지니는 잇점이 무엇인지를 명확하게 설명하지 못하기 때문입니다. 이 경우 '6개의 다리나 8개의 다리를 가지면 4개보다 유리하지 않느냐?'란 질문에 딱히 답변하기 어려운 듯합니다.

4개의 다리와 관련해서는 육상으로 상륙하기 이전의 상황을 살피는 것이 적절할 듯합니다. 즉, 어류의 지느러미를 살펴야 한다는 겁니다. 소위 갑주어라 불리는 원시적인 무악류 - 턱 없는 녀석들 - 는 꼬리 지느러미(caudal fin) 밖에 없었지만, 이후 등지느러미(dorsal fin)이 생겼습니다. 대개 초기 어류는 물의 흐름에 적응하기 어려웠던 것으로 생각됩니다. 이 때까지만 해도 모든 지느러미는 몸통의 중앙에 위치했고, 쌍을 이루지 않았습니다. 그런데 놀랍게도 턱을 지닌 물고기가 등장하면서 쌍을 이룬 가슴지느러미(pectoral fins)와 배지느러미(pelvic fins)가 나타났습니다. 현재 물고기의 지느러미는 다음과 같습니다.

꼬리지느러미(caudal)
등지느러미(dorsal)
가슴지느러미(pectoral) - 쌍을 이루며, 사지 동물의 앞다리와 상동
배지느러미(pelvic) - 쌍을 이루며, 사지 동물의 뒷다리와 상동
뒷지느러미(anal)
▶ 조기어류(ray-finned fish)의 지느러미
(출처 :
http://www.lets-evo.net/wp/wp-content/uploads/2008/10/neptuno-submarine-fish-fins.jpg)
▶ 육기어류(lobe-finned fish)의 지느러미
(출처 :
http://www.willsillin.com/Images/Illustrations/Latimeria-web.jpg)

조기어류와 육기어류는 등지느러미의 개수와 지느러미의 구조가 다를 뿐 구성은 사실상 같습니다. 즉, 꼬리, 등, 가슴, 배, 뒷지느러미를 지녔으며, 가슴과 배지느러미가 쌍을 이룹니다. 또한, 쌍을 이루는 지느러미는 사지류의 다리와 상동입니다. 즉, 사지류는 조상인 육기어류의 지느러미 중 쌍을 이룬 가슴과 배지느러미를 사지로 진화시킨 것입니다. 또한, 사지는 처음부터 육상에서 몸통을 지지하고자 만들어진 것은 아니며, 새로운 환경에서 기능이 변화한 것이라 할 수 있습니다. 그리고 육상에 올라온 녀석들은 조상으로부터 물려 받은 지느러미 중 헤엄을 치는데 필요한 등지느러미와 뒷지느러미 등은 퇴화시켰고, 한동안 꼬리지느러미는 지녔고, 가슴지느러미와 배지느러미는 사지로 진화시킨 겁니다. 그렇기에 애당초 육상에 올라온 녀석들은 선택의 여지 없이 4개의 부속지를 지니게 된 것입니다. 만약 조상이 더 많은 쌍을 이룬 지느러미를 지녔다면 6개나 8개의 부속지가 있는 육상 척추동물이 살아 남았을 가능성이 충분하겠지요.

이런 지느러미의 발생은 Hox 유전자에 의한 것이며, 꼬리지느러미를 만든 Hox 유전자가 복제되면서 같은 구조의 등지느러미와 가슴지느러미, 배지느러미, 뒷지느러미 등을 만든 것으로 생각됩니다. 그리고 유악류 - 턱이 있는 물고기 - 로 오면서 돌연변이를 일으켜 가슴지느러미와 배지느러미가 쌍을 이룬 것으로 압니다. 가슴지느러미와 배지느러미가 쌍을 이루면서 물에서의 안정성이 좋아졌기에 쌍을 이룬 지느러미를 지녔던 녀석이 자연선택 되었으리라 생각합니다.

육상에 상륙해서는 더이상 파격적인 구조의 변화는 없었고, 현생의 모든 육상 척추동물은 기본적으로 4개의 부속지를 지니며, 환경에 적응하는 과정에서 퇴화되거나 환경에 맞게 변화한 것입니다. 물론, 사지류의 Hox 유전자가 돌연변이를 일으켜 새로운 부속지를 생성할 가능성이 없는 것은 아니겠지만, 이 가능성은 아주 희박하다고 알고 있습니다. 곤충을 비롯한 절지동물은 기본 체제가 체절 단위로 반복되는 비교적 단순한 구조지만, 사지동물은 그렇지 않기에 돌연변이가 일어나 갑자기 새로운 다리가 생길 가능성은 희박하지 않을까 생각합니다.

저도 이 부분은 좀 더 찾아봐야 할 듯합니다. 어쨌든, 제가 할 수 있는 답변은 "애당초 4개의 사지를 지니고 육상 생활을 시작했기에 4개의 다리를 지닌 것이다."란 겁니다.

질문하신 분의 연락처가 딱히 없어 포스팅으로 대신합니다.

P.S.) 내용이 조잡하오니 보충할 부분이 있다면 언제든 댓글로 보충 부탁드립니다. :) 다음에 기회가 되면 사지의 진화와 관련한 글을 써보겠습니다.

by 꼬깔 | 2009/06/17 21:18 | SCIENTIA | 트랙백(2) | 덧글(52)

트랙백 주소 : http://conodont.egloos.com/tb/2374790
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Tracked from melotopia at 2009/06/18 00:31

제목 : 왜 사지동물은 사지밖에 없을까?
어떤 블로그에서 재밌는 글을 읽었다. http://conodont.egloos.com/2374790 팔 2개, 다리 2개. 끝. 인간은 모두 그렇다. 가끔 팔이나 다리가 더 많거나 더 적은 아기가 태어나긴 하지만, 더 적으면 그냥 그렇게 살으라고 하고 더 많으면 2개 빼고 나머지는 잘라준다. 그렇지 않다고 가정해 보자. 얼마나 불편할까? 또는 얼마나 편할까? 다만, 여기서는 다리가 몇개있든지간에 각 개체는 그 상황 자체에는 충분히 적응해 있다고......more

Tracked from 안개속의 진실을 찾아서.. at 2009/06/18 00:42

제목 : 곤충과 척추동물의 다리를 만드는 hox 유전자들
왜 사지동물은 4개의 부속지가 있을까? by 꼬깔 에서 트랙백합니다. 꼬깔님의 멋진 상동기관 해석을 보면서, 저도 유전자 측면의 이야기를 하고 싶어졌습니다. hox 유전자에 관해서는 약 20년전 학부때, 발생학 교과서에서 초파리의 발생에 관한 이야기로 배웠던 기억이 가물가물 했었는데, '생명 최초의 30억년(앤드류 H. 놀, 2007, 원저 2003, p279-283) 에서 다시 보니 반갑기 그지 없네요. 게다가 이번에는 다세포......more

Commented by 漁夫 at 2009/06/17 21:20
누군지 몰라도 질문할 대상은 기가 막히게 잘 잡았다고 할 수 있겠습니다 ^^;;
Commented by 꼬깔 at 2009/06/17 22:32
어부님// 어머머!!
Commented by Allenait at 2009/06/17 21:24
오 이거 저도 궁금했던 건데, 이렇게 되는군요.

그러면 결국 물고기 탓이군요(?!)
Commented by 꼬깔 at 2009/06/17 22:33
Allenait님// ㅋㅋ 그런 셈입니다. :)
Commented by 갑옷을 그리는 젊은이 at 2009/06/17 21:29
이게 사실은 노무..아니, 물고기 탓!
Commented by 꼬깔 at 2009/06/17 22:33
갑옷을 그리는 젊은이님// 하하하 :)
Commented by 원래그런놈 at 2009/06/17 21:44
알면 알 수록 신비한 진화의 세계~~~
Commented by 꼬깔 at 2009/06/17 22:33
원래그런놈님// :)
Commented by 다크엘 at 2009/06/17 21:56
흐음....그럼 우리의 조상(?) 물고기의 지느러미가 12개 정도 됐었으면 지금쯤 인간의 팔다리 갯수는...(.. )
Commented by 꼬깔 at 2009/06/17 22:33
다크엘님// 흠... 만약 쌍을 이룬 지느러미가 많았다면 그럴 가능성도 :)
Commented by 만슈타인 at 2009/06/17 22:06
그보다도 무게 중심의 안정성이 최소한의 지지대 숫자로 최대한 보장되는 게 4지라 그런 것일수도 있지 않나요? 육기 어류 보니 6도 가능해 보일 수 잇어서..
Commented by The Nerd at 2009/06/17 22:08
그렇게 치면 3도 가능하지 않을까요?
Commented by 만슈타인 at 2009/06/17 22:11
3은 일단 좌우 대칭이 잘 안되지 않나 싶어 써 봅니다.
Commented by 少雪緣 at 2009/06/17 22:11
셋으로 지탱하고 하나로 움직이는거죠. 셋으로 지탱하고 하나씩 차례대로 움직이면 굉장히 안정적인 이동 메커니즘이 됩니다. 때문에 대학에서 만드는 보행 로봇은 통상적으로 4족 메커니즘부터 시작하죠(그전에 쥐로봇 이명박호 부터 만들지만...)
Commented by 만슈타인 at 2009/06/17 22:12
흠... 그렇군요 일단 움직이기 위해서는 +1 이상은 필수 이고, 최소한의 안정적 지지가 가능한 것은 3이니..

적절하군요 감사합니다
Commented by 꼬깔 at 2009/06/17 22:35
만슈타인님// 문제는 육기어류 역시 쌍을 이룬 지느러미는 2쌍 밖에 없습니다. 또한, 쌍을 이룬 지느러미는 어느정도의 운동성이 있었지만 등지느러미나 뒷지느러미 등은 사실상 안정성을 위한 장치였던 것 같거든요.
Commented by 만슈타인 at 2009/06/17 22:39
끄덕... 그렇군요. 감사합니다
Commented by The Nerd at 2009/06/17 22:07
진화는 결과론으로 접근하면 끊임없이 왜 라는 질문이 쏟아지지만, 실은 그냥 당연하거나 우연히 결정되거나 한 경우가 참 많은거 같습니다.
Commented by 꼬깔 at 2009/06/17 22:35
Lee님// 그렇지요. :) 그래서 재밌답니다. :)
Commented by 새벽안개 at 2009/06/17 22:17
오오 개념 질문에 개념 대답 잘 봤습니다. 저도 대충 그리 짐작만 하고 있었는대 명쾌하게 설명해 주셨네요. hox 유전자 관련 간단한 트랙백을 해봐야 겠습니다.
Commented by 꼬깔 at 2009/06/17 22:35
새벽안개님// 은근히 기대했습니다. :) 사실 저도 Hox에 대해서는 잘 몰라서 궁금하거든요. :) 기대합니다.
Commented by Sanai at 2009/06/17 22:22
파나마 지협 관련 포스팅은......
Commented by 꼬깔 at 2009/06/17 22:36
Sanai님// 헉... 그러고보니... ㅠ.ㅠ 정리해 올리겠습니다. ㅠ.ㅠ
Commented by 玉蔚亞育護 at 2009/06/17 22:37
Carl Zimmer의 At the water's edge 재미있게 읽었는데 관련분야에 대해 상당히 도움이 됩니다.

근데 저도 질문이 있는데 초기형태 사지동물로 자주 언급되는 아칸토스테가와 이크티오스테가 말입니다. 저책에서는 아칸토스테가가 사지동물의 초기형태를 유지한 "살아있는 화석"이라고 했는데 이융남박사님의 글을 읽어보니 아칸토스테가가 이크티오스테가의 후예라고 하시더라고요. 그렇다면 아칸토스테가는 지머의 말대로 초기사지동물의 형태를 간직한 살아있는 화석인지 아니면 고래의 경우처럼 이크티오스테가같은 동물이 물에서만 적응하기위해 진화된 형태인지 궁금합니다.
Commented by 꼬깔 at 2009/06/17 22:40
玉蔚亞育護님// 제가 알기로는 익티오스테가와 아칸토스테가는 연관성이 없는 공통조상을 지닌 서로 다른 가지라고 알고 있습니다. 어떤 부분은 아칸토스테가가 원시적이고 어떤 부분은 익티오스테가가 원시적이라고 합니다. 예전에 써놓은 글이 있었는데, 정리가 되지 않아서 말입니다. ㅠ.ㅠ
Commented by Frey at 2009/06/17 22:39
가장 간단하게 말하자면 '최초의 사지동물의 다리가 네 개였기 때문'이지요^^; 곤충이나 다른 다지류를 보면 다리가 여섯 개, 또는 그 이상일 경우 다리가 네 개일때보다 생존에 유리했을 가능성도 무시하기 어렵습니다.

공통조상의 다리가 4개였다는 것만으로도 답이 충분히 되는데... 진화란 최대한의 가능성이 아니라 조상으로부터 조금씩 변해가는 형태이기 때문에, 숫자가 줄어드는 것은 가능하더라도 늘어나는 것은 어렵지요.
Commented by 꼬깔 at 2009/06/17 22:41
Frey님// 그러게요. 저 역시 육상동물의 공통조상이 4개의 다리를 지녔다라고 간단하게 말하고 싶었습니다. :) 그리고 말씀처럼 제가 하고 싶은 얘기도 갑자기 하늘에서 뚝 떨어진 것이 아닌 짜맞추기라고나 할까요? :)
Commented by 게스카이넷 at 2009/06/17 23:14
저거 먹을 수는 있겠죠...? (도망~~~~~)

p.s : 야담이지만..., 암만 봐도 조기 어류가 훨씬 잘생겼네요 ;;; -_-;
Commented by 가고일 at 2009/06/17 23:19
실러칸스는 현지에서는 먹기는 먹는데 기름이 너무 많아서 그렇게 맛있는 편은 아니라고 하더군요....
Commented by 게스카이넷 at 2009/06/18 00:07
헉... 생선기름 ;;;;
그렇군요.... ㅠㅠ
Commented by 꼬깔 at 2009/06/18 18:10
게스카이넷님// 거의 먹을 수 없다고 들었습니다. ㅠ.ㅠ 가고일님 말씀처럼 기름땜시...
Commented by hotdol at 2009/06/17 23:22
일단 기본적으로 물고기란 동물이 보통 옆구리보다 등부터 배까지가 길죽하니까 중력에 의해 양옆으로 넘어가지 않으려면 쌍으로 된 지느러미가 발달하는게 최적이었겠지요. 뒷지러느미는 발달해봤자 땅에 박아넣을 것도 아니니, 쓸모가 없었을 테구요. 그나저나 보통 물고기는 갈비가 등~배쪽으로 있는데, 중력의 영향으로 내장을 감싸안기 위해서라고 납득은 되지만 갈비뼈가 양 옆쪽으로 돌아가는 과정이 있었을텐데 그 과정도 궁금하네요. 갈비뼈 방향이 돌아간 것에 대해선 연구결과가 있는지 궁금합니다.
Commented by 꼬깔 at 2009/06/18 18:10
hotdol님// 사실 그럼에도 연골어류는 상하로 납작한 형태였기에 이는 사실상 경골어류에 해당하는 듯합니다. 그리고 갈비뼈와 관련한 것은 저도 궁금한데 아직 답을 찾지 못했습니다. :) 열심히 답을 찾아봐야겠습니다. :)
Commented by 카놀리니 at 2009/06/17 23:29
의외로 생각보다 답이 명쾌하군요 육기어류나 조기어나 지느러미가 4개라서 사지동물이라니 ㄷㄷㄷ
Commented by 꼬깔 at 2009/06/18 18:11
카놀리니님// :)
Commented by snowall at 2009/06/18 00:34
일단 바다 속에서 좌,우,상,하,전,후로 자유롭게 움직이려면 짝수개의 지느러미는 필수겠네요.
좌-우에 2개, 상-하에 2개, 근데 바닷속에서 후진할 일은 거의 없으니까 전-후는 그냥 꼬리지느러미 하나로 끝.
이런거 아닐까요...
Commented by 꼬깔 at 2009/06/18 18:11
snowall님// 오호~ :)
Commented by Epik high 메가랍토르 at 2009/06/18 05:42
아.. 저도 굉장히 궁금하였던 것인데 언젠가는 꼬깔님한테 물어볼 생각이였다는..
그런데 또 궁금한건 척추동물이 알을 낳아서(난생) 부화시키는것과 새끼를 낳는것(태생,난태생)으로 나뉘는데 파충류,어류는 난태생을 하는 녀석이 있지만 왜 조류는 난태생을 하는 종이 없는지 궁금히네요..
양서류는 난태생을 하는 녀석이 있는지 모르겠고..
Commented by 꼬깔 at 2009/06/18 18:12
메가랍토르님// 오~ 그건 생각해보지 못했습니다. 궁금한데요? :) 그리고 양서류는 기본적으로 체외수정이니 난태생일리가 없지 않겠습니까? :)
Commented by 漁夫 at 2009/06/18 22:38
조류의 경우, 땅으로 내려온 몇 개 분파(타조,에뮤,모아 등)를 제외하곤 대부분 날 수 있죠. 이 경우 몸 속에서 오래 키우면 비행에 장애가 돼서 아닐까요. 오죽하면 새들이 뼈 속까지 비행을 위해 비웠겠습니까.
Commented by 꼬깔 at 2009/06/18 22:46
어부님// 확실히 저도 비슷하게 추정만 해봤습니다. 뭔가 비행과 관련이 있으리라 생각합니다.
Commented by Epik high 메가랍토르 at 2009/06/19 01:08
아 그러고 보니 그렇군요.. 그런데 날지 못하는 조류도 꽤 있는데 이것들은..
Commented by 꼬깔 at 2009/06/19 11:26
메가랍토르님// 날지 못하는 새는 날 수 있는 새를 조상으로 둔 겁니다. 즉, 2차적으로 비행능력을 손실했지요. 그렇기에 날지 못하는 새가 전혀 새로운 방식으로 번식 전략을 보일 특별한 이유가 있을까 싶습니다.
Commented by 다음엇지 at 2009/06/18 09:17
진화는 '복잡하고 완전한 것을 지향' 한다는 오해에서 오는 질문이로군요. 답변은 말씀하신 그대로이죠. 인간이 5개의 손가락을 갖고 있는 것은 사람에게 5개라는 손가락 숫자가 이상적이고 완벽하기 때문이 아니라 단순히 우리의 공통조장이 되는 양서류들이 5개를 갖고 있었을 뿐이죠. 진화는 새로운 것을 만드는 것보다는 기존에 있는 것을 변형하는 방향으로 진행되어 왔으니까요. 진화는 '완벽'한 것이 아니라 필요한 기능이 불완전하더라도 '동작' 하기만 하면 되니까요.
Commented by 玉蔚亞育護 at 2009/06/18 12:00
하지만 발가락갯수는 계속 변합니다. 5개 손가락을 가진 공통조상으로서 양서류는 너무 멀리 잡으신것 같고 영장류쯤으로 잡는게 좋을 듯 합니다.
Commented by 꼬깔 at 2009/06/18 18:13
다음엇지님// 사실 초기 양서류는 5개의 발가락이 아니었습니다. 현재 결과로는 익티오스테가나 아칸토스테가 등에서 7~8개 정도의 발가락이 발견된 것으로 압니다. 결국 5개로 최적화된 듯싶고요. 이 부분은 차후에 포스팅해보겠습니다. :)
Commented by 다음엇지 at 2009/06/18 22:50
크... 역시 여기는 무서운 곳이에요. ^^ 저는 그냥 원론적인 이야기를 적어 봤던 것인데요.
하지만 말씀하신대로 Devonian 시기의 Acanthostega 라던가 Ichthyostega 같은 대표적인 종류들이 7~8개 정도의 마디들을 갖고 있기는 하지만 이후 carboniferous에 오면 결국 5개가 스텐다드로 정착되는 것으로 알고 있습니다.
Commented by 꼬깔 at 2009/06/19 11:24
다음엇지님// 무섭기는요. :) 말씀처럼 확실히 5개가 최적화된 듯합니다. 그리고 앞발가락의 생성 과정에서 초기에 정해진 숫자는 없었던 것 같아요.
Commented by Bloodstone at 2009/06/18 17:39
사실 어떻게 보면 '목적론적 이유'를 꼭 찾으려고 하는 데서 문제가 생긴다고 할 수도 있겠죠. 진화생물학이 발견하는 '이유' 중 많은 수는 '조상들이 그랬기 때문'인데 말입니다^^; Hox 유전자를 몇 개 복제할 수 있는지 물고기님들이 정하신 건 아닐 테니까요.

(물고기 한마리를 맛있게 궈먹은 사죄로 물고기'님'이라고 칭하고 있습니다-_-;;)
Commented by 꼬깔 at 2009/06/18 18:13
Bloodstone님// 하하 :) 그러게나 말입니다. 아무튼, 재밌더라고요. :)
Commented by 구이 at 2009/06/19 00:28
메가랍토르님의 글에 대한 답글.....새는 날기 위해 수컷의 긴? 생식기도 없앴다고 하더라구요..
가끔 손을 많이 쓰는 일을 할 때면 팔이 두개 뿐이라는 것에 불평을 하고 팔이 더 많았음 했는데 모두를
육기어류 탓으로 돌려야 하는 것이었군요;;
Commented by 꼬깔 at 2009/06/19 11:25
구이님// 확실히 그렇지요. :)

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