2008/03/06 23:02

새의 골격; 내부 구조 Evolutionary theory

  얼마 전까지 살았던 최대 조류에서 누렁별 님의 첫 질문은;

  땅 위에 사는 새의 몸무게는 500kg 정도가 한계인 모양이군요.  고래가 최대의 포유류인 것 처럼, 혹시 펭귄같이 바다에 살던 새 중에는 더 크고 무거운 종류가 있지 않았을까 하고 상상해 봅니다. 

  이 문제를 지금 다룰려면 
두 가지 가능성이 있습니다.  말씀처럼 더 큰 넘이 있었는데 모를 가능성하고, 원리적으로 안 되는 경우겠죠.  
  다들 알고 계시겠지만, 일단 새 뼈의 내부 모양은 포유류하고는 좀 다릅니다.  아래 그림을 보시면;

http://www.dkimages.com/discover/Home/Animals/Birds/Anatomy/Skeletons/Bone-Structure/Bone-Structure-3.html 

  그러면 사람의 두 가지 경우와 비교해 보시겠습니다.  왼쪽은 정상 뼈의 내부 구조, 오른편은 골다공증(osteoporosis; 骨多孔症)에 의해 약해진 모습입니다.

                             ▲
http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/imagepages/17156.htm

  오히려 사람의 골다공증 뼈가 새 뼈의 내부와 비슷하게 보일 정도입니다.  하지만 새들이 사람의 골다공증 환자처럼 앓지는 않죠.  그 이유는 새들이 나는 데 특화되어 있어서, 몸 도처에 기낭(氣囊)이 있고 가벼운 깃털로 몸을 보호하며, 뼈 전체적으로도 위처럼 속이 텅 비어 있기 때문에 전체적으로 체중이 작아서 뼈에 걸리는 하중이 적기 때문입니다.  뼈가 위 그림처럼 속이 텅 비어 있어서, 새의 뼈 중량을 다 합해 봐야 깃털 전체보다도 중량이 작다는 얘기도 찾을 수 있었습니다...  OzTL  [ 참고; 새 뼈의 강도가 크지 않기 때문에, 품질 좋은 화석이 되는 데는 이 점이 상당한 장애로 작용할 수 있습니다. ]
  새의 뼈도 그렇겠지만, 포유류의 뼈는 '멈춰 있는' 정적인 기관이 아닙니다.  대량의 무기물 창고로, 섭취하는 음식물의 상태 또는 필요에 따라 무기물이 축적되기도 방출되기도 합니다.  내부 골수 부분에는 뼈를 분해하는 파골(破骨) 세포가 있어서 필요할 때 뼈의 무기물을 뼈 밖으로 방출합니다.  파골 세포가 제대로 작용을 못 하면 소위 '통뼈'가 되는데, 이 경우 뼈 속의 공간이 부족해서 오히려 골절이 더 잘 일어나고 여러 문제를 야기합니다.

  새들이 체중이 커지려면 일단 뼈의 강도가 커지지 않고서야 몸을 지탱할 수가 없죠.  그러면 하나 해결해야 될 과제가 있습니다.  파충류에서 조류로 바뀌었을 때 뼈를 가볍게 하는 데 성공했는데, 다시 뼈를 무겁게 하는 것이 진화적으로 가능성이 얼마나 되는가 하는 얘깁니다.

  결론부터 말하자면 전 가능성이 아주 희박한 얘기는 아니라 생각합니다.  특히 원리적으로 안 될 이유는 없다고 보는데, 위 단락에서 말했듯이 뼈에 빈 공간을 만드는 것은 파골 세포인데, 이 세포의 활동 정도만 바꾸더라도 뼈 밀도에 상당한 변화를 줄 수 있을 것입니다.  체중 500kg 정도의 새가 있었던 것만 보더라도, 이 이상 새의 중량이 더 커질 수 없지는 않다고 봅니다.  (단지 사람이 문제인데, 가령 체중 1 ton 정도의 육식 조류라면 그대로 놔 둘까요? ^^ 호랑이보다 더 무서울 텐데요)  그런데 이런 큰 새가 있었을 경우, 뼈도 튼튼해서 화석으로 상당히 잘 남았을 테니, 아직 1 ton 이상의 큰 새가 등장할 '시간이 부족했다'고 해야 할까요? ^^

  아쉽게도 타조나 레아 등 육지 조류들의 뼈 내부 구조 사진이나 그림을 찾지 못했으며, 코끼리새는 알 내부의 구조까지 볼 수 있었지만 뼈 내부는 역시 찾을 수 없었습니다.  참고로 인간 대퇴골의 역학적 강도는 압축/인장이 ~18 GPa (1.8×10^10 N/m2), 굴곡은 ~180 GPa 정도라고 합니다(bone.egloos.com).  육지 대형 조류의 데이터는 역시 못 찾았음........

漁夫

ps. 제일 처음 리플 달아주신 분의 말씀에 따르면 제가 인간 대퇴골의 역학적 강도라고 인용한 수치가 '역학적 강도'(physical strength)가 아니라 Young's modulus(탄성 영역에서 길이 변화율에 대한 장력 변화의 기울기)인 듯하다고 합니다.  저는 여기까지는 잘 모르니 어떤 의견도 환영합니다.

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덧글

  • curlyapple 2008/03/06 23:30 # 답글

    잘 읽었습니다.
    그리고 마지막의 뼈의 인장강도 말입니다.
    단위로 볼 때 강도가 아닌 young's modulus가 아닐까 싶네요.
    보통 steel이 압축 및 인장강도가 몇백 MPa 단위이고 modulus가 수십에서 백 GPa수준이거든요.
    그 부분은 확인을 해보셔야할것같습니다.
  • 어부 2008/03/06 23:53 # 답글

    코멘트 감사합니다. 그 데이터는 bone.egloos.com에서 그냥 인용했고, 제가 이 분야 전문가가 아니라서 글 쓸 때 뭐라고 수정을 할 수가 없었습니다. ^^ 단위가 약간 이상하기는 했지만 뼈 단면적으로 나눠서 표현했나 하고 생각했죠.
  • GradDivCur 2012/01/11 10:23 # 삭제

    값으로 보면 강도가 아니고 탄성계수가 99.9% 확실합니다.
    curlyapple님 말씀대로 ~18 GPa 강도라면 철보다 수십배 강해서 탄소섬유보다도 강한 겁니다. 저게 강도면 뼈가 망가졌을 때, 금속으로 보강할 수없습니다. 수십배가 약한 재료로 무슨 보강입니까.
    굴곡 ~180 GPa 쪽은 탄성계수라기에도 값이 너무 큽니다. 철이 ~200GPa 인데, 저정도면 거의 철과 맞먹는다는 말이 됩니다.
    강도와 탄성계수 단위가 같으니 단위는맞고요.
  • GradDivCur 2012/01/11 10:25 # 삭제

    http://en.wikipedia.org/wiki/Young's_modulus

    Approximate Young modulus for various materials
    Human Cortical Bone 14GPa
  • GradDivCur 2012/01/11 10:27 # 삭제

    더해서 휨과 압축,인장의 관계(거시적 휨이 미시적으로는 압축+인장)를 생각하면 탄성계수 10배는 황당한 값입니다.
  • 漁夫 2012/01/12 21:55 #

    이 포스팅 한 날짜가 2008년 3월인데, 지금 이 포스팅을 한다면 아마 대번에 눈치챘을 문제군요. 지금은 제가 modulus 측정하는 장비를 다루고 있기 때문에 견적이 바로 나오는데 ;-)
  • byontae 2008/03/07 01:37 # 답글

    구조적인 문제야 어떻게든 극복할수 있겠지만(비슷한 구조를 가진 생물군이 성공한 예가 있으니) 진화적으로 조류가 저런 방법을 동원해서 얻는 이득이 없다는 점에서 존재하기 힘들지 않았을까 생각되는걸요.
  • 어부 2008/03/07 09:04 # 답글

    리플 쓰다가 너무 길어져서 트랙백으로 대체할게요 ^^
  • 구들장군 2008/03/07 13:10 # 삭제 답글

    글 잘 읽고 갑니다.
  • 어부 2008/03/07 15:33 # 답글

    감사합니다 ^^
  • 누렁별 2008/03/07 22:35 # 답글

    잘 읽었습니다.
    그런데 속이 빈 뼈는 새의 조상인 공룡에서 이미 등장했다고 들었는데, 속이 빈 뼈를 가진 공룡 중 가장 무거운 종류에서 골격 구조에 의한 체중의 한계치를 추정할 수 있을 듯 합니다.
  • 어부 2008/03/07 23:54 # 답글

    누렁별님/
    일단 제 생각은, 새들이 꼭 뼈 속이 빈 채로 체중이 증가해야 할까 하는 것입니다. 다시 '뼈 속 채우기'가 그리 어려울 것 같지는 않습니다 ^^
    아무래도 속이 빈 뼈를 갖고서는 체중 증가에 한도가 있을 것 같습니다. 참고 자료가 될 만한 거대 육상 조류의 뼈 구조를 못 찾아서 유감입니다.
  • GradDivCur 2012/01/11 10:45 # 삭제

    더 큰 무게를 감당하려고 꼭 '뼈 속 채우기'가 필요하진 않아보입니다.
    밀도와 강도가 비례해서 밀도 0.5배에 강도 0.5배라고 가정하지요. 같은 뼈 무게에서 단면적 2배, 뼈 지름은 sqrt(2)=1.41배. 압축,인장 강도는 그대로. 휨 강도는 sqrt(2)^3=2.82842712배. 휨 강성은 sqrt(2)^4=4배. 뼈의 형태나 구조를 보면 휨 쪽이 지배적인 파괴 형태로 보이니, 속이 빈 뼈 쪽이 오히려 더 강한 겁니다. 다만 뼈가 커지면 근육이나 다른 기관이 들어갈 자리가 줄어드니 문제지요.
    비행기의 경우에는 Specific Strength(강도/비중), Specific Stiffness(강성/비중)이 중요하니, 새도 마찬가지일 겁니다. 즉 속이 빈 뼈가 무게 대비로는훨씬 강한 구조일 겁니다. 부피가 커서 문제지요.
  • GradDivCur 2012/01/11 10:53 # 삭제

    초고층 건물에 쓰는 형강이나 강관도 속이 비어있습니다. 거대한 배나 비행기 뼈대도 보시면 구멍을 송송 뚫어놓습니다.
    새의 뼈 그림도 보니, 배나 비행기 뼈대처럼 겉은 꽉 차고 안은 비어있군요. 무게 대비 성능에서 아주 효율적인 구조입니다.
  • 漁夫 2012/01/12 21:59 #

    네, L자형이나 I(alphabet I)자형 beam을 쓰는 이유가 휨에 오히려 더 잘 저항하기 때문이라는 것을 저도 알고 있습니다.

    단 생물 쪽에서 알아두면 좋은 점이, 뼈 자체의 강도로만 계산하는 것보다 실제 생물체가 버틸 수 있는 하중이 더 크다는 것입니다. 많은 경우 뼈와 같이 붙어 있는 근육들이 에너지를 상당히 많이 흡수한다고 합니다. 그렇더라도 코끼리 같은 큰 동물들의 다리는 뼈도 굵어져야 하기 때문에 근육과 합하면 상당히 굵습니다. 현대의 타조도 다리가 굵은 것을 보면 마찬가지 현상이 나타나겠지요.
  • 꼬깔 2008/03/10 01:06 # 답글

    알로사우루스와 같은 수각류에서도 경추 쪽의 함기화 - 기낭 구조 - 가 발달한 것으로 알려졌고요, 코일루로사우리아로 가면서 더욱 발달한 것으로 알고 있습니다. 그리고 프테로사우리아는 조류보다 더욱 가벼운 뼈의 구조를 나타낸다고 하더라고요. 그래서 익룡의 화석은 발견이 어렵다고 합니다. 아무튼 재밌는 얘기네요. :)
  • 어부 2008/03/10 12:37 # 답글

    알로사우루스 정도면 크기가 장난이 아닌데, 일부 기낭 구조 등이 발달했다고 해도 체중을 주로 받쳐 주는 골반과 척추 등도 속이 빌까요? 프테로사우리아야 활공하기 위해서는 뼈까지 경량화해야 할 테니 이해가 갑니다만, 체중 자체가 그리 컸을 것 같지는 않습니다. 그 정도면, 이 측면에서는 거의 새나 마찬가지군요.
  • GradDivCur 2012/01/12 07:59 # 삭제 답글

    그러면, 작아지는 건 어디까지 갈 수 있을까요? 실제로 살았던 새 가운데 가장 작은 건 어느정도인가요?
  • 漁夫 2012/01/12 21:48 #

    음... 저는 가장 작은 새의 기록은 잘 모르겠습니다. 하지만 새가 아무리 깃털이란 품질 좋은 보온 도구를 갖고 있다고 해도, 상대적으로 높은 체온을 24시간 유지하려면 어느 정도 체구가 있어야 합니다. 요즘의 작은 새들은 http://www.sunjang.com/bbs/zboard.php?id=mystery_monster&page=20&sn1=&divpage=1&category=2&sn=off&ss=on&sc=on&select_arrange=binary(subject)&desc=desc&no=2484 (link가 끝까지 안 나오는데 그림은 http://www.sunjang.com/bbs/data/mystery_monster/67151_20090915_115051_12.jpg 입니다) 여기서 보는 것처럼 때때로 곤충이나 거미, 개구리 등에게도 잡혀 먹힙니다. 현실적으로 참새나 벌새 정도 수준보다 크게 줄어드는 데는 한도가 있지 않을까 싶습니다.
  • GradDivCur 2012/01/14 09:25 # 삭제

    7.7mm 개구리, 세계에서 가장 작은 척추동물 "신비로워"
    [스타엔] 입력 2012.01.13 19:09
    http://live.joinsmsn.com/news/article/article.asp?total_id=7133253&cloc=portal|media|major_news


    7.7mm 개구리가 발견돼 눈길을 끌고 있다.

    지난 11일(현지시간) 미국 공공과학도서관 학술지 플러스원은 미국 루이지애나 주립대(LSU) 크리스 오스틴 교수 연구팀이 인도네시아 뉴기니의 열대 숲에서 7.7mm 크기의 작은 개구리를 발견했다고 전했다.

    이 연구팀이 발견한 7.7mm 개구리는 세계에서 가장 작은 개구리인 동시에 가장 작은 척추동물로 기록될 예정이라고.
    .
    .
    .
    한편 현재까지 약 6만여 종의 척추동물 중 가장 작은 종은 7.9mm 크기인 인도네시아의 물고기로 알려졌다.

    /스타엔 jypark@starnnews.com박주연 기
  • 漁夫 2012/01/14 11:38 #

    둘 다 소위 '온혈동물'이 아니네요...
  • mimimi 2018/08/25 01:45 # 삭제 답글

    일단 새의 뼈는 속이 비어있지만 밀도가 아주 높습니다. 따라서 상당히 튼튼합니다. 다만 그 탓에 부러지면 조각이 날카로워져서 골절시 상처가 심각해지는 원인이 되죠.
    타조의 뼈까지 찾아갈 필요없이 닭 뼈만 부러트려봐도 내부에 골수가 가득 차있죠. 육상 조류는 뼈가 비어있지 않을 겁니다
  • 漁夫 2018/08/31 17:38 #

    감사합니다. 제가 이해하기로는 새 뼈가 빈 공간은 많아도 뼈가 밀도가 높으므로 전체 'apparent density'는 크게 차이나지 않는다는 말씀이시지요?
    (혹시 공개적으로 이런 것을 설명해 놓은 page를 아시면 소개해 주시면 감사하겠습니다)
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