중세시대 유니콘 뿔로 팔렸던 ‘이것’…첨단 3차원 X선으로 분석해보니 [사이언스 브런치]

일각고래의 길고 흰 나선형 엄니 덕분에 오랫동안 ‘바다의 유니콘’으로 불리며 신화의 대상으로 받아들여졌다. 실제로 중세 유럽에서는 이 엄니가 ‘유니콘 뿔’이라며 마법을 지닌 물건처럼 거래되기도 했다. 당연히 마법은 없지만 아직도 과학계에서는 일각고래가 엄니를 어디에 쓰는지, 왜 엄니에 왼쪽 방향 나선이 그려져 있고 곧게 뻗는가라는 의문을 풀지 못하고 있었다.

이런 가운데 덴마크 오르후스대 나노과학 센터, 화학과, 덴마크공과대(DTU) 응용수학 및 컴퓨터과학과, 물리학과, 스웨덴 예테보리 찰머스공과대 물리학과, 룬드대, 스위스 연방 재료과학 연구소, 폴 세러 연구소, 로잔 연방공과대(EPFL), 중국 과학원대, 프랑스 방사광가속기 연구소, 그린란드 국립 자연물 연구소 공동 연구팀은 첨단 3차원 X선 영상 기술을 이용해 일각고래 엄니가 특유의 나선 구조를 얻게 된 원리를 규명했다고 20일 밝혔다. 이 연구 결과는 기초과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 8월 19일 자에 실렸다.

연구팀은 다양한 X선 영상 기법을 조합해 일각고래 엄니를 정밀 분석했다. 엄니 자체가 크고 구조가 복잡해서 원자, 나노, 마이크로 규모에 걸쳐 엄니 내부 전체를 3차원으로 지도화했다. 특히 강한 X선을 엄니에 통과시킨 뒤 나노미터 크기의 광물화된 콜라겐 원섬유에서 X선이 산란되는 양상을 분석하는 ‘텐서 단층촬영’이라는 특수 3차원 X선 기법을 활용했다. 일반적인 컴퓨터 단층촬영(CT)이 ‘어디에 무엇이 있는가’를 보여준다면 텐서 단층촬영은 여기에 더해 ‘그 구성단위가 어느 방향을 향하고 있는지’까지 3차원으로 확인할 수 있다.



일각고래의 엄니는 뿔이 아닌 왼쪽 송곳니가 턱뼈와 윗입술을 뚫고 자라 나오면서 2m가 넘게 길어진 것이다. 사람의 치아와 달리 법랑질이 없고 안쪽은 상아질, 바깥쪽은 백악질로 이뤄져 있다.

분석 결과, 엄니 바깥쪽 백악질 조직은 왼쪽 방향으로 꼬여 있지만 안쪽 상아질 조직은 오른쪽 방향으로 꼬여 있는 것으로 확인됐다. 서로 반대 방향으로 감긴 두 나선이 안쪽 조직과 바깥쪽 조직의 경계면에서 맞부딪히며 일종의 생물학적 평형을 이뤄 단단한 형태를 갖게 된 것이라는 설명이다.

또 엄니를 단단하게 한 것은 광물화된 콜라겐 원섬유 때문이다. 원섬유들은 기본적으로는 엄니의 길이 방향을 따라 작은 각도로 일정하게, 일종의 헤링본 형태로 정렬돼 있었다. 미세한 각도 편차가 길이 방향으로 누적되면서 수 m 규모의 거대한 나선이 만들어졌다. 서로 반대로 감긴 두 구조가 만나는 곳은 상아질과 백악질 사이의 전이 구간으로, 생물학적으로 매우 복잡하면서도 정교한 구조를 가진 것으로 확인됐다.

이런 구조는 나선이 하나뿐이거나 막대 형태인 경우에 비해 휘거나 비틀리는 힘에 훨씬 안정적인 것으로 확인됐다. 서로 반대 방향으로 감긴 두 나선 덕분에 일각고래 엄니가 특유의 왼쪽 나선을 유지하면서도 곧게 자랄 수 있다고 연구팀은 설명했다. 실제로 일각고래 엄니는 자연계에서 알려진 유일한 ‘곧은 엄니’다.

연구를 이끈 헨리케 비르케달 덴마크 오르후스대 교수는 “고래의 수명은 80년 정도이기 때문에 이빨은 일생 동안 변해 온 환경 조건의 기록보관소나 다름없다”며 “이번 연구 결과는 바다에서 가장 상징적인 동물 중 하나를 둘러싸고 수백 년 풀리지 않았던 자연과학의 수수께끼를 풀었다는 점과 함께 자연이 극한의 기계적 성능을 지닌 재료를 어떻게 만들어내는지에 대한 새로운 통찰을 얻게 한다”고 설명했다.

유용하 과학전문기자