주둥이만 30㎝…마다가스카르 거대 나방은 어떻게 진화했을까? [지구를 보다]

1862년, 찰스 다윈은 마다가스카르 섬에서 자생하는 별난초(Angraecum sesquipedale)를 관찰한 후 한 가지 예측을 내놓았다. 이 꽃의 꽃관(nectar spur)이 매우 긴 점을 고려할 때, 그 깊숙한 곳의 꿀에 닿을 수 있는 30cm 길이의 주둥이를 가진 곤충이 존재할 것이라고 본 것이다. 다윈은 긴 꽃관을 지닌 꽃이 혼자 진화할 수 없고 반드시 꽃가루를 옮겨 주는 곤충과 함께 진화할 수밖에 없다고 판단했다.

하지만 마다가스카르 숲속 어딘가에 주둥이가 30cm나 되는 미지의 곤충이 존재할 것이라는 주장은 당시에는 터무니없는 상상으로 여겨졌다. 실제로 이런 나방이 발견되면서 다윈의 예측이 옳았다는 것이 증명된 것은 그가 세상을 떠난 후인 1903년이었다. 이 나방은 그의 이름을 기려 다윈 박각시나방(학명 Xanthopan praedicta)으로 불린다.


다윈 핀치가 먹이에 따른 생물의 다양한 진화를 보여주는 사례라면 다윈 박각시나방은 생물이 함께 진화해 나가는 공진화(co-evolution)의 대표적 사례로 거론된다. 동시에 이는 진화적 군비 경쟁의 사례이기도 하다. 우선 꽃이 꽃가루를 많이 옮기게 하려고 깊은 곳에 꿀을 숨기면 나방이 더 깊은 곳의 꿀을 먹으려고 주둥이를 길게 진화시키고 다시 식물이 꽃관을 길게 만드는 식의 과정이 반복됐기 때문이다. 이제는 둘 다 너무 길어져 서로 없이는 살 수 없는 극단적인 의존 관계가 됐다.

이는 유명한 사례이지만, 정작 나방의 주둥이 진화 과정에 대해서는 알려진 바가 적었다. 최근 플로리다 박물관의 맥과이어 나비 및 생물다양성 센터 소장이자 연구의 주도자인 아키토 카와하라(Akito Kawahara) 교수와 크리스티안 코치(Christian Couch) 박사가 이끄는 연구팀은 박각시나방의 주둥이 진화 과정을 상세히 연구했다.

연구팀은 전 세계 1600여 종의 박각시나방 중 약 20%에 해당하는 300개 이상의 표본을 선정했다. 이어 이 나방들의 DNA 염기서열을 분석하여 유전 계통도를 구축한 후, 박물관에 보관된 표본의 말려 있는 주둥이를 용액에 담가 펴고 자로 측정하는 과정을 통해 데이터를 수집했다.



연구팀은 나방 혀 길이가 1.27cm 미만인 종은 성충이 되어 먹이를 섭취하지 않는 ‘비섭취종’으로 분류했다. 꿀을 섭취하기에는 주둥이의 길이가 짧기 때문이다. 그 결과, 초기 박각시나방과 가장 가까운 친척인 야생 누에나방과(Saturniidae)의 대부분의 종이 성충이 되면 먹이를 먹지 않고 짝짓기와 산란 후 죽는다는 사실이 확인됐다. 이는 애벌레 시기에 축적한 에너지로만 생존하는 전략이다.

그러나 약 4400만 년 전, 박각시나방 계통에서 성충이 먹이를 섭취하기 시작하는 변화가 나타났다. 먹이를 먹을 수 있게 된 성충은 생존 기간이 늘어나 짝짓기 기회를 늘리고 더 많은 알을 낳을 수 있는 진화적 이점을 얻었다. 이 특징은 빠르게 확산됐지만, 진화는 단순한 직선 경로가 아니었다. 많은 종이 먹이를 먹지 않는 상태에서 먹이를 먹는 상태로, 다시 먹이를 먹지 않는 상태로 여러 차례 전환했다. 환경에 따라 변화를 거듭한 셈인데, 이러한 전환은 진화적 시간 척도에서 보면 매우 짧은 500만 년 만에 일어나기도 했다.

나방이 긴 주둥이를 얻거나 잃는 구체적인 원인은 아직 완전히 규명되지 않았으나, 연구팀은 빠른 전환의 메커니즘에 대한 단서를 발견했다. 긴 주둥이를 가진 박각시나방은 입안의 복잡한 근육을 이용해 주둥이를 펴고 꿀을 빨아먹는다. 흥미롭게도 먹이를 먹지 않는 종들도 기능적인 입 부분이 없더라도 이 근육 구조를 그대로 유지하고 있는 것으로 나타났다. 이는 환경이 변해 다시 긴 주둥이가 필요할 때, 이미 갖춰진 해부학적 기반 덕분에 진화가 매우 빠르게 일어날 수 있게 해주는 ‘진화적 준비 상태’를 제공한다. 덕분에 다윈 박각시나방처럼 주둥이가 짧은 조상에서 극단적인 길이를 지닌 후손이 등장할 수 있는 셈이다.

연구팀은 박각시나방이 단순히 긴 혀를 가진 종과 짧은 혀를 가진 종으로 나뉘는 것이 아니라, 환경 압력에 따라 먹이 섭취 전략을 유연하게 바꾸며 진화해 왔음을 확인했다. 열대 지역에 서식하는 종들은 특정 식물과의 밀접한 관계를 유지하며 긴 혀를 진화시켰지만, 온대 지역이나 다른 환경에서는 먹이를 먹지 않는 일반주의자 전략을 택하기도 했다. 박각시나방은 공진화나 진화적 군비 경쟁 못지않게 진화의 다양성을 보여주는 사례인 셈이다. 이런 다양한 적응 능력이야말로 이 세상의 수많은 생물종이 진화를 통해 나타났다는 다윈의 주장을 뒷받침하는 것이기도 하다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com