상동기관과 상사기관

사람의 팔과 고래의 가슴지느러미, 박쥐의 날개, 개의 앞다리를 엑스레이로 찍어보면 깜짝 놀라게 돼요. 물건을 쥐고, 물을 가르고, 하늘을 날고, 땅을 달리는 등 쓰임새는 제각각이지만, 안쪽의 뼈 배열은 놀라울 정도로 같아요. 위팔뼈 하나 아래에 두 개의 뼈가 있고, 그 끝에 손목뼈와 손가락뼈가 이어진 기본 뼈대 구조가 일치하거든요.

왜 이런 일이 일어났을까요? 이 동물들이 모두 하나의 공통 조상 포유류로부터 갈라져 나왔기 때문이에요. 같은 조상의 앞다리 뼈대를 물려받은 뒤, 각자 육지, 바다, 하늘 등 서로 다른 환경에 살면서, 그 환경에서 살아남기에 유리한 형태가 자연선택을 통해 세대를 거듭하며 쌓여 모양이 달라졌어요. 이처럼 공통 조상에서 갈라져 서로 다른 모습으로 변해 가는 과정을 분기진화(발산진화)라고 해요. 그중 짧은 기간에 여러 환경으로 빠르게 퍼져 나가며 다양해지는 경우를 특히 적응방산이라고 불러요.

식물 세계에서도 상동기관을 쉽게 찾아볼 수 있어요. 예를 들어 뾰족한 선인장의 가시와 덩굴을 감아 올라가는 완두콩의 덩굴손은 겉모습이 완전히 달라 보여요. 하지만 발생 과정을 추적해 보면 둘 다 광합성을 하던 잎이 환경에 맞춰 변형된 구조랍니다.

이번에는 참새의 날개와 잠자리의 날개를 비교해 볼게요. 둘 다 하늘을 날아다니는 데 쓰이므로 겉모습과 역할은 아주 비슷해요. 하지만 속을 들여다보면 참새 날개는 뼈와 근육, 깃털로 덮인 앞다리이지만, 잠자리 날개는 뼈가 전혀 없이 단단한 피부 껍질(외골격)이 얇게 늘어난 막이에요.

두 생물은 공통 조상에게서 날개를 물려받은 것이 아니에요. 날개가 없던 서로 다른 조상에서 출발했지만, 공중을 나는 데 유리한 변이가 각 계통에서 따로 선택되면서 각자 독립적으로 날개가 생겨났어요. 이처럼 서로 다른 갈래의 생물이 비슷한 환경에서 닮아가는 과정을 수렴진화라고 불러요.

바다에 사는 어류인 상어와 포유류인 돌고래의 등지느러미도 상사기관의 대표적인 예시예요. 상어와 돌고래는 계통이 아주 멀고, 돌고래의 등지느러미에는 뼈도 없어요. 그런데도 물속에서 몸을 안정시키며 빠르게 헤엄치는 데 유리한 형태가 각각 선택되면서 각자 비슷한 유선형 구조를 갖게 되었어요.

기관을 관찰할 때는 어떤 층위에서 비교하느냐에 따라 상동기관과 상사기관의 구분이 달라지기도 해요. 대표적인 예가 바로 박쥐의 날개와 새의 날개예요.

두 동물의 날개를 '앞다리 뼈의 배열'이라는 골격 관점에서 보면, 둘 다 먼 옛날 네 발 달린 육상 척추동물(초기 양막류) 조상의 앞다리 뼈를 물려받았기 때문에 골격 구조상으로는 상동기관이에요. 엑스레이로 보면 어깨뼈부터 손가락뼈까지 기본 배치가 같아요.

하지만 '하늘을 날기 위한 날개'라는 기능적 관점에서 보면 이야기가 달라져요. 새와 박쥐의 공통 조상은 날개가 없던 육상 척추동물이었고, 비행 능력은 각 계통에서 따로 진화했거든요. 따라서 비행 기관이라는 관점에서는 상사기관이 돼요. 이처럼 기관을 분류할 때는 겉모습만이 아니라 어디서 유래했는지 발생학적 기원을 함께 살펴봐야 해요.