거대 선사시대 동물이 작아진 이유

무척추동물이 작은 데는 그만한 이유가 있습니다. 생태와 환경이 그들을 견제하고 있기 때문입니다. 하지만 벌레가 까마귀만큼 컸던 시절이 있었다. 잃어버린 거인들은 어떻게 되었습니까?  캐노피 위에서 100개의 작은 북을 두드리는 것과 같은 천둥 소리가 납니다. 침입자에게 놀란 나무 사이의 그림자에 숨어 있던 생물들이 숲 바닥에 흩어집니다. 무지개 빛깔의 날개가 번쩍이면서 공격자는 나무를 먹는 딱정벌레 를 찾아 잠수하여 날아가기 전에 거대한 턱으로 그것을 낚아챕니다.

이 거대한 살인마는 2억 9900만~2억 5200만 년 전 페름기의 이름을 딴 메가뉴롭시스 페르미아나( Meganeuropsis permiana ) 라는 그리핀파리입니다. 날개 길이가 71cm(28인치)로 지금까지 살았던 곤충 중 가장 큰 곤충(확실히 화석 기록상 가장 큰 날으는 곤충 )일 수 있으며, 이는 오늘날 가장 큰 잠자리 크기의 두 배입니다 (아마도 비슷한 크기  였을 것입니다). 그리고 현대 까마귀의 무게) .

페름기는 생명력이 넘치는 시기였으며 그 대부분은 우리에게 친숙했을 것입니다. 양서류, 파충류, 어류, 곤충이 있었지만 공룡은 아직 지구를 걷지 못했습니다. 상어는 나중에 등장하는 어룡이나 리오플레우로돈과 같은 선사 시대 해양 파충류가 아니라 페름기 바다의 정점 포식자였습니다.

페름기의 최상위 육상 포식자는 긴 턱과 면도날처럼 날카로운 이빨을 가진 네 발 달린 육식성 생물인 테라프시드(therapsids)였습니다. gorgonopsia와 같은 이들 중 일부는 큰 검치호 설치류 또는 작고 땅딸막한 개와 다르지 않게 보였지만 포유류는 아니었습니다.

거대한 곤충이 지배하던 시대였습니다. M. permiana 는 동시대 곤충보다 더 큰 페름기 곤충의 많은 예 중 하나입니다. 다른 무척추동물도 과거에 엄청난 비율에 도달했습니다. 현대 노래기의 친척인 아르트로플레우라( Arthropleura )는 길이가 2m(6.6ft) 이상이고  무게가 약 50kg(110lbs)에 달했으며 3억5800만~2억9800만년 전 석탄기의 숲을 배회했습니다. 페름기 초기에 멸종.

그러나 동물의 크기에 대한 제약이 없고 모든 것이 같은 크기로 자라면 어떻게 될까요? 이 질문에 제대로 답하려면 서로 다른 동물이 얼마나 크게 자랄 수 있는지를 제한하는 요소를 고려하는 것이 중요합니다. (그러나 아래 비디오에서 이러한 제한 사항이 존재하지 않는 경우 어떤 일이 발생할 수 있는지 확인할 수 있습니다.)

페름기의 곤충이 어떻게 그렇게 크게 자랐는지에 대한 한 가지  가설은  대기 산소 수준이 오늘날보다 높았다는 것입니다(  오늘날의 21%에 비해 페름기에서는 30%나 높았습니다 ). 곤충은 기문(몸 옆면에 있는 개구부)을 통해 숨을 쉬는데, 이 기문은 체액이 들어 있는 튜브 네트워크로 이어지며 산소가 확산되어 근육에 흡수됩니다.

"이것은 우리가 호흡하는 방식에 비해 비효율적인 호흡 방식입니다."라고 영국 Falmouth University의 방송인이자 곤충학자인 Tim Cockerill은 손바닥에 서아프리카에서 온 거대한 열대 과일 딱정벌레를 높이 들고 있습니다. "이것은 [오늘날] 대부분의 곤충의 크기 제한입니다. 곤충이 지금보다 더 컸다면 같은 방식으로 숨을 쉴 수 없었을 것입니다(21% 대기 산소에서)."

환경 조건이 거대한 페름기 곤충에게 딱 맞았을까요? Cockerill은 "시간이 지남에 따라 오르락 내리락하는 산소 수준의 흔들리는 그래프를 보면 그 당시 가장 큰 곤충의 크기도 거의 정확하게 일치합니다."라고 말했습니다. 그러나 대기 중 산소 수준만이 곤충 크기의 차이에 대한 유일한 이유 는 아닐 수 있습니다 . 작은 먹이가 풍부하고 새 (아직 생명 나무에 등장하지 않은 새)가 없었기 때문에 무척추 동물이 번성했을 수도 있습니다.

화석 기록은 현대의 친척을 왜소하게 만드는 다른 선사 시대 동물의 예들로 가득 차 있습니다. 또 다른 예는 2.5m(8.2ft) 길이로 자라는 거대한 절지동물인 Jaekelopterus rhenaniae (사악해 보이는 발톱이 있는 대형 딱정벌레 또는 알약 벌레 그림)이며 페름기보다 약 1억 년 전인 데본기에 존재했습니다.

J. rhenaniae 는 한쪽 끝에 큰 발톱이 있고 다른 쪽 끝에 얇은 꼬리가 있는 길고 분절된 몸체가 게, 가재, 거미를 포함하는 현대의 친척과 지나치게 닮았기 때문에 때때로 "바다 전갈"이라고 불립니다. , 노래기, 꿀벌 및 개미. 길이가 20cm(8인치) 까지 자라는 오늘날의 전갈과 달리 J. rhenaniae 와 그 거대 근연종은 수생 생물이었기 때문에 그들이 어떻게 그렇게 커질 수 있었는지에 대한 단서가 될 수 있습니다.

가장 큰 현대 절지동물은 모두 해양에 기반을 두고 있으며 일본 거미 게가 가장 커서 발가락에서 가늘고 긴 발가락까지 3m(10피트) 에 이릅니다 . 절지동물은 포식자로부터 자신을 보호하는 단단한 외피인 외골격을 가지고 있습니다. 그들은 이 외골격을 벗겨내어 아래에 있는 새롭고 부드러운 껍질을 드러냄으로써 성장합니다. 더 큰 종 의 경우 새로운 외골격이 굳는 데 몇 시간 또는 며칠 이 걸릴 수 있으며 동물은 플로피하고 취약한 상태가 됩니다.

육지에서 이것은 무척추동물이 자랄 수 있는 크기를 제한합니다. 너무 크면 새 쉘이 중력의 영향으로 변형됩니다. 그러나 물에서는 연약한 몸체가 지지되어 무척추동물이 몸이 너무 거추장스러워지기 전에 더 크게 자랄 수 있습니다 .

포유류나 공룡과 같은 척추동물도 물리적인 힘에 의해 성장할 수 있는 크기가 제한되어 있습니다. 몸집이 크면 움직이기가 더 어려워지고 시스템을 통해 혈액을 순환시키는 데 필요한 혈압을 생성하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다 . 더 큰 몸의 부담으로 폐를 팽창시키는 데 필요한 노력으로 인해 숨을 쉬는 것조차 힘들어집니다.

많은 무척추동물이 생태계 내에서 중요한 역할을 수행하지만 더 크면 균형을 깨뜨릴 수 있습니다(Credit: BBC)

육지에서 가장 거대한 동물은 아프리카 코끼리이지만 수생 포유류는 다시 몇 배 더 큽니다. 지금까지 살았던 동물 중 가장 큰  성인 흰긴수염고래 의  무게는 약 180,000kg으로 코끼리 40마리와 맞먹습니다 . 그 크기는 움직임이 지원되는 물에서만 달성할 수 있습니다. 물의 부력이 없으면 장기는 자신의 체중에 의해 빠르게 부서질 수 있습니다.

코끼리와 목이 긴 용각류 공룡과 같은 현대 및 선사 시대의 거인은 모두 초식성 경향이 있습니다(육식 동물인 고래를 제외하고). 부분적으로 이것은 체온과 신진대사 때문입니다. 더 큰 동물은 표면적 대 부피 비율이 더 큽니다. 예를 들어 코끼리는 피부 표면적에 비해 부피가 더 큰 반면 마우스는 표면적에 비해 부피가 훨씬 적습니다.

이것은 큰 동물이 작은 동물보다 체온을 훨씬 더 효과적으로 유지한다는 것을 의미합니다. 이것이 코끼리, 코뿔소, 하마와 같이 부피가 큰 포유류가 상대적으로 털이 없고 진흙 목욕과 같은 다른 방법으로 몸을 식혀야 하는 이유 중 하나입니다.

또 다른 이유는 식물성 식단 이 소화 중에 열로 많은 에너지를 방출하기 때문 입니다. "코끼리는 본질적으로 걸어다니는 거대한 발효통이고, 거대한 공룡은 기본적으로 걸어다니는 양조장이므로 많은 열을 발생시킵니다."라고 미국 네브래스카 대학의 생물학 조교수인 Kate Lyons는 말합니다.

거대한 Argentinosaurus와 Diplodocus를 포함하는 Sauropod 공룡은 현대 조류처럼 골격을 따라 기낭을 가지고 있습니다. "이것은 공룡에게 두 가지 일을 합니다. 즉, 공룡 이 생산하는 열을 발산 할 수 있게 하고, 또한 뼈가 더 가벼우면서도 질량을 충분히 지탱할 수 있게 합니다."라고 Lyons는 말합니다. 그들은 소화에 의해 생성되는 열을 제어할 수 있었기 때문에 거대한 크기로 진화했습니다. ( 이 거대한 동물들이 어떤 소리를 냈는지 알아보십시오 . )

"하지만 용각류 공룡을 가져다가 말괄량이 크기로 만들려고 하면 살아남지 못할 것입니다."라고 Lyons는 말합니다. "그리고 그 반대도 마찬가지입니다. 신진대사를 하는 말괄량이를 코끼리나 공룡만한 크기로 만들려고 한다면 생존에 필요한 충분한 에너지를 얻지 못하기 때문에 작동하지 않을 것입니다."

동물의 크기가 작은 이유는 환경, 사용할 수 있는 음식, 주변 포식자와 많은 관련이 있습니다.

환경도 중요한 역할을 합니다. 털북숭이 코뿔소와 털매머드는 홍적세 빙하기(250만 년 전~11,000년 전) 동안 북유럽에서 시베리아를 거쳐 북미에 이르기까지 서식 범위가 추운 기온에 대처하기 위해 얽히고 설킨 코트가 필요했습니다. 화석 기록은 이와 같은 거대 동물의 수가 추운 시기와 따뜻한 시기 사이의 전환기에 최고조에 달 했음을 보여줍니다 . 이 시기에는 음식이 더 풍부했지만 이 큰 짐승들에게 너무 따뜻해지지는 않았습니다. 홍적세에는 또한 남아메리카의 거대한 땅나무늘보(머리에서 발끝까지 6m/20ft)와 같이 따뜻한 기후에 살았던 거대한 포유동물도 등장했습니다.

동물이 크기가 큰 이유는 환경, 사용할 수 있는 음식 및 주변 포식자와 많은 관련이 있습니다. 하지만 그 크기로 플레이하면 어떻게 될까요? 가설적으로 사이즈 테이블이 다시 뒤집힌다면 누가 1위가 될까요? 거대 무척추동물이 다시 한 번 지구를 지배할 수 있을까요?

제 동료 Amy Charles가 이 기사의 앞부분에서 비디오에 대해 이 질문을 제기했을 때 가장 먼저 궁금했던 것 중 하나는 모든 똥에 무슨 일이 일어날지였습니다. 모든 작은 동물들이 더 커지면 우리는 곧 대변으로 범람하게 될까요?

그것은 생각하기에 약간 역겨운 일이지만 행복하게 Cockerill과 Lyons는 이것과 우리의 다른 특이한 질문에 대답했습니다. 그들은 또한 숫자 2의 부피 측면에서 동물의 크기를 변경한 결과가 무엇인지 생각하고 놀랐습니다.

그러나 혼란에 빠질 수 있는 것은 화장실 사용만이 아닙니다. 비디오에서 우리는 신중하게 균형 잡힌 생태계가 얼마나 빨리 무너지는지 보기 위해 모든 동물의 크기가 같은 세계로 모험을 떠납니다.

Cockerill이 씨름한 첫 번째 문제 중 하나는 인간 크기의 벼룩이 엠파이어 스테이트 빌딩을 뛰어넘을 수 있는지 여부였습니다. "동물 크기의 물리학과 근육의 물리학에는 보편적인 무언가가 있습니다."라고 그는 말합니다. "근육이 커질수록 상대적으로 힘이 약해집니다. 따라서 동물이 클수록 몸집에 비해 근육의 힘이 약해집니다. 벼룩을 캥거루 크기로 늘리면 아마 캥거루만큼 멀리 뛰어."

대부분의 포식자는 자신보다 작은 먹이를 사냥하는 경향이 있으므로 모든 것이 같은 크기라면 어려움을 겪을 수 있습니다(Credit: BBC)

이는 근육의 힘의 비율이 단면적 또는 근육을 반으로 쪼개었을 때의 면적에 비례하기 때문입니다. 벼룩이 아무리 커도 점프 능력에는 한계가 있다.

동물이 크기라는 몇 가지 근본적인 이유가 있지만 여전히 약간의 유연성이 있습니다. 한 동물은 불과 몇 킬로미터 떨어진 같은 종의 다른 동물보다 훨씬 더 커지거나 작아질 수 있습니다. 이것은 때때로 큰 동물이 섬에서 작아지고 작은 동물이 더 커지는 "섬 규칙"으로 설명됩니다 .

먹이 사슬에서 더 낮은 경향이 있는 더 작은 동물들이 일반적인 포식자가 없는 섬에서 해방되어 본토 동물보다 더 크게 자라는 경우가 있을 수 있습니다. 반면에 더 큰 동물은 먹을 것이 부족하여 몸이 움츠러듭니다.

이탈리아 장화 뒤쪽의 박차를 형성하는 가르가노 반도는 화석 기록에서 몇 가지 예를 제공합니다. 중신세 후기부터 선신세 초기(약 530만년 전)까지 지중해 해수면이 더 높았을 때 가르가노는 이탈리아 본토와 분리되었고 섬은 거대한 동물들로 넘쳐났습니다.

털이 많은 고슴도치(달쥐라고도 함)는 본토의 고슴도치를 왜소하게 만들었습니다. Deinogalerix koenigswaldi라는 한 종 은 20cm 길이의 두개골을 가지고 있었습니다. 거대한 햄스터 ( Hattomys gargantua ), 거대한 수달 ( Paralutra garganensis ), 거대한 올빼미 ( Tyto gigantea , 오늘날 발견되는 가장 큰 종보다 더 큼)도 있었습니다. 

다른 곳에서는 인간 종인 호모 플로레시엔시스( Homo floresiensis )가 섬 왜소증의 가능한 사례입니다. 작은 크기 때문에 "호빗"이라고 불리는 H. floresiensis 의 첫 번째 예는 인도네시아 플로레스 섬에서 발견되었으며 95,000년 된 것으로 생각됩니다. 한 가지 이론은 H. 플로레시엔시스 가 H. 사피엔스 의 피그미 후손 이거나 왜소한 H. 에렉투스 라는 것 입니다. 그 기원은 불분명하지만, 이 작은 인간들 은 수천 년 동안 이 섬에서만 번성한 것 같습니다 .

그러나 "섬 규칙"에 대한 증거는 불완전 합니다(처음 제안한 생물학자는 예외보다 규칙에 맞는 예가 더 많다고 제안했을 뿐입니다. 많다고 제안 했지만 항상 적용된다고 말하지는 않았습니다). 깔끔한 생각이지만 동물이 자라는 크기에 우리가 생각하는 것보다 더 많은 유연성이 있는 경우일 수 있습니다.

인간을 보세요. 가장 키가 큰 나라 인 네덜란드 에서는 남자가 평균 184cm(6ft), 여자가 170cm(5ft 7in), 가장 작은 나라인 동티모르(Timor Leste)에서는 남자가 160cm(5ft 3in), 여자가 153cm(5ft)입니다. 식단과 환경은 지난 2세기 동안 네덜란드인이 평균 키를 20cm(7.9인치) 늘린 데 큰 역할을 하지만 성 선택도 큰 역할을 합니다. 네덜란드에서는 키가 큰 것이 더 매력적이어서 네덜란드 사람들은 계속 키가 커집니다. ( BBC Reel 에서 네덜란드인이 세계에서 가장 키가 큰 사람들인 이유에 대해 자세히 알아보십시오 .)

106cm(3ft 5in)의 아주 작은 우리 H. floresiensis 사촌 은 섬 규칙의 결과일 수 있습니다. 주변에 먹을 것이 적기 때문에 키가 작습니다. 또는 키가 작은 것이 매력적이어서 너무 작을 수도 있습니다. 또는 둘 다 또는 둘 다.

인간이 성장할 수 있는 크기에는 약간의 유연성이 있지만 생물학과 물리학이 대부분을 통제한다는 사실에 감사합시다. Lyons와 Cockerill이 우리에게 보여준 뒤죽박죽의 세계는 나에게 너무 혼란스러울 수도 있습니다.