척추동물의 진화사(1)-뼈와 연골, 그리고 이빨

 척추동물이 다른 동물과 다른 가장 큰 특징이 있다면 뼈가 있다는 것이다. 뼈는 우리 몸의 기둥과 같은 존재로, 자동차의 철제 프레임과 유사하다. 척추동물의 진화사에 대해 알아보기 전에 먼저, 뼈, 그리고 연골과 이빨에 대해서 간략하게 살펴보자.

인회석. 뼈를 이루는 주요 성분

 뼈는 무엇으로 이루어져 있을까? 뼈는 인회석(apatite)이라는 광물로 이루어져 있다. 좀 더 정확히 말해서, 뼈는 인회석을 기반으로 한 인산염과 칼슘의 조합으로 이루어져 있다. 이 성분은 콜라겐 섬유조직(collagen filber)으로 뭉쳐져 있다. 콜라겐 섬유조직은 비타민C로 이루어져 있다. 따라서 비타민 C가 부족하면 콜라겐 섬유 조직이 약해지게 되고, 그 결과 뼈를 이루는 결합이 약해지게 된다. 과거 대항해시대 당시 선원들을 괴롭혔던 괴혈병이 바로 이 비타민C가 부족해져서 생긴 병이었다. 영국 선원들은 이를 라임을 먹으면서 극복하였다.

 콜라겐으로 뭉쳐져 있으면 어떤 장점이 있을까? 코라겐은 유연하면서도 질기다. 따라서 뼈에 강한 압력이 가해졌을 때 유연성을 이용해서 압력이 분산되어서 가해지는 압력에 저항을 할수 있게 한다. 

인회석. 언뜻 보기에는 그냥 돌이나, 사실 우리 몸을 이루는 뼈도 인회석을 기반으로 한다. 출처-https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Apatite_crystals.jpg

 뼈를 단단하게 하는 법

어릴 적에 우유를 많이 마시고 멸치를 많이 먹어야 뼈가 튼튼해진다는 이야기를 들은 적이 있을 것이다. 실제로 우유나 멸치에는 칼슘이 들어있어 뼈를 이루는 조직에 칼슘을 공급하는 데 도움을 주기는 한다. 그런데 뼈를 튼튼하게 하기 위해서는 단순히 우유나 멸치를 먹고 마시는 것뿐만이 아닌 뼈를 이루는 칼슘-인산염의 밀도가 더더욱 단단해져야 한다.

 뼈에 압력이 가해진다면(운동한다거나) 뼈는 어떻게 반응할까?

 뼈가 충격을 받게 되면, 뼈를 이루는 뼈세포가 뼈 외부의 골수(bone marrow)와 골막(periosteum)에서 추가로 생성된다. 새로운 뼈세포는 기존의 뼈처럼 칼슘-인산염으로 이루어져 있고, 콜라겐 조직으로 감싸여져 있으며, 기존의 뼈에 추가로 더 뭉쳐지게 된다. 추가로 생성이 된 뼈세포가 있어서 뼈가 충격을 받으면서 더더욱 단단해지는 것이다. 

 인산염은 생명체가 살아가는 데 필요하기도 하다. 따라서 필요하다면 기존에 뼈를 이룬 칼슘-인산염은 뼈와 연결된 혈관속의 백혈구등을 통해서 분해되어서 필요한 다른 곳으로 옮기게 된다. 우주비행사들이 우주에서 무중력 상태로 살다가 지구로 오면 제일 먼저 병원 신세를 지는 이유가 바로 이것이다. 우주에는 중력이 없기 때문에 몸무게를 버티는 뼈가 존재할 필요가 없어지기 때문이다. 따라서 우주에서 오래 지내다 보면 뼈가 약해지게 된다.

내셔널 지오그래피에서 방영하였던 슈퍼휴먼의 격파 편. 오랜 기간의 단련 끝에 뼈가 극도로 단단해져서 콘크리트 여러  장을 격파하고도 멀쩡할 정도로 뼈가 단단해졌다.

 

그러면 뼈는 왜 인산염으로 이루어져 있을까? 뼈는 근육과 연결되어 있다. 근육은 움직이면서 체내의 산소를 일종의 연료로 사용한다(우리가 호흡을 하는 이유가 이 때문이다.). 산소가 부족해지면 근육에서부산물로 젖산(lactic acid)이 생성되게 된다. 젖산은 산성의 성질을 가지고 있다. 만약 우리 몸의 뼈가 달팽이나 조개의 껍질과 비슷한 탄산칼슘 성분이라면 젖산이 분비되면서 뼈를 손상할 것이다. 탄산칼슘은 산성에 약하기 때문이다. 인산염은 산성에 저항성이 높아서 젖산에 손상을 입지 않는다. 

 그 외에 다른 이유를 찾자면 ATP 때문이다.  ATP는 생명체가 살아가는데 필요한 주요 에너지이다. 산소와 만난 ATP는 분해되어서 에너지가 된다. ATP는 리보스, 아데닌과 인산으로 이루어져 있다. 즉, 뼈를 이루는 인산염은 본래 생명체의 활동에 필요하였다가 후에 뼈를 이루는 성분으로 되었을 가능성이 있다.

 

연골. 뼈는 아니지만 뼈와 비슷한 것

 우리 몸에서 귀와 코는 뼈가 아닌 연골로 이루어져 있다. 연골은 뼈와는 달리 단백질, 포도당, 콜라겐 섬유조직으로 이루어진 성분이다. 연골은 뼈만큼 단단하지만 않지만 동시에 유연하다는 특징이 있다. 또한, 연골은 가벼워서 물에서 생활할 때 연골이 뼈보다 유리할 수 있다. 연골로 이루어진 골격의 내부에는 젤리와 비슷한 모체(matrix)가 존재한다. 이 모체는 충격을 받으면 움직이면서(푸딩이나 젤리를 누르면 움푹 들어가는걸 생각해보자)충격을 흡수한다. 유연하면서 충격을 흡수하기도 용이하기에 우리 몸의 관절 또한 연골로 이루어져 있다.

무릎관절에서 연골로 이루어진 부분. 연골은 특유의 유연성과 충격을 흡수하기 용이한 점으로 인해 뼈와 뼈 사이 관절을 이루기도 한다. 출처-https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Knee_Femur_Cartilage.jpg

이빨과 고통

 이빨은 뼈가 아니다. 하지만 뼈보다 더 단단한데, 인간의 신체에서 가장 단단한 부위가 바로 이빨이다. 이빨은 겉 면은 법랑질로 이루어져 있고, 내부에 상아질, 그리고 상아질 내부에 신경과 혈관이 흐르는 치수강(pulp cavity)으로 이루어져 있다.

이빨의 구조 출처-https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=938775&cid=51006&categoryId=51006&anchorTarget=TABLE_OF_CONTENT3#TABLE_OF_CONTENT3

 층치가 생기는 것, 그리고 그로 인해 치과에 가는 것을 좋아하는 사람은 없을 것이다. 매우 아프기 때문이다 (치과에서 들리는 비명소리는 공포게임 둠(DOOM)시리즈에서도 사용될 정도이다!). 왜 이빨은 매우 단단한데 아픈 걸까? 바로 법랑질이 손상되면 내부의 상아질이 노출되기 때문이다. 상아질은 표면에 치수강에서 뻗어 나오는 신경과 혈관이 세밀하게 이루어져 있다. 따라서 상아질이 노출된다는것은 신경이 노출된다는 것이고, 이 때문에 아픈 것이다. 그래서 이빨은 매우 단단함에도 불구하고 썩으면 아픈 것이다(그러니 평소에 양치질을 잘하자).

 

여기까지 알아본 뼈와 연골, 이빨의 특징은 모든 척추동물이 공통으로 가지는 특징이다. 우리의 몸을 이루는 뼈는 길가에서 보이는 동물(길고양이, 비둘기 등등...)과 같은 성분으로 이루어져 있고, 연골 역시 마찬가지이다. 이빨도 이빨을 이루는 성분과 구조는 모두 똑같다. 그러면 이런 특징을 지닌 척추동물의 진화사는 어떻게 이루어져 있을까? 우선 원시적인 척사공물 시절부터 연골로 몸이 이루어져 있었고, 이빨을 발달시키면서 뼈를 진화시켰다.