수학과 물리학, 진화라는 세 가지 학문적 원리가 결합해 지구상에서 가장 매혹적이라 할 만한 천연 구조물들을 만들어낸다.

앵무조개의 나선형 구조. 전복의 오색영롱한 진줏빛 광택. 여왕수정고둥의 뾰족한 돌기. 우리는 이런 천연 구조물에서 정밀함과 우아함, 강인함을 볼 수 있다. 조개껍데기는 형태와 기능이 조화를 이루고 있으며 인간의 창의력을 능가하기도 하고 그것에 영감을 주기도 한다. 인간은 글이 기록되기 이전부터 조개껍데기에 찬사를 보냈다. 고고학자들은 최근 이스라엘에서 약 12만 년 전에 만들어진 조개껍데기 목걸이의 잔해를 발굴했다.
 

조개껍데기에 대한 우리의 관심만큼이나 오래된 것이 바로 그것이 품고 있는 신비로움이다. 어떻게 이토록 복잡하고 아름다운 구조가 생겨나게 됐을까? 자연 선택에 의한 진화는 껍데기가 연체 동물 사이에 널리 퍼진 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있지만 개별 생물이 어떻게 긴가시고둥의 유별나게 뾰족한 껍데기처럼 정교한 골격을 형성하는지는 명확히 설명해주지 못한다. 조개껍데기를 제대로 이해하려면 우리는 그 생물학적 특성 이면에 있는 수학과 물리학을 살펴봐야 한다. 최근 몇 년간 과학자들은 이런 연구를 통해 껍데기 형성을 유도하는 물리적 힘을 이해하는 데 상당한 진전을 이뤄냈다. 영국 옥스퍼드대학교 소속 응용 수학과 교수 데릭 몰턴은 동료들과 수행한 혁신적인 연구들을 통해 몇 가지 간단한 수학적 원리로 조개껍데기의 놀라운 다양성을 대부분 설명해낼 수 있었다.

모든 연체동물의 몸은 외투 같은 기관인 ‘외투막’에 둘러싸여 있다. 이 기관은 탄산칼슘을 분비하고 그것을 단백질 골격과 혼합해 한 층씩 껍데기를 만들어낸다. 연체동물은 껍데기를 확장하면서 단 한 군데에만 새로운 물질을 덧입힌다. 바로 개구부, 즉 ‘각구’다. 이 각구를 원이라고 상상해보자. 만약 연체동물이 새로운 층을 만들 때마다 각구만 한 크기로 동그랗게 물질을 쌓아 올린다면 그 껍데기는 원통형으로 길어질 것이다. 반면 연체동물이 각각의 새로운 층을 만들 때마다 원둘레를 늘린다면 껍데기는 원뿔형이 될 것이다. 또한 각구의 한쪽에 다른 쪽보다 더 많은 물질을 쌓는다면 연체동물은 원통형 껍데기를 구부려 도넛 모양으로 만들 수 있다. 왼쪽이 더 두꺼운 비대칭 원들을 하나씩 쌓아서 붙이는 모습을 상상해보자. 균일한 원들을 쌓았을 때처럼 깔끔한 원통형 탑을 형성하는 대신 아치형 입구에 쓰이는 쐐기돌처럼 한쪽으로 휘어져 결국 고리 모양이 될 것이다. 외투막이 어느 정도 물질을 분비하는 지점을 회전시킴으로써 연체동물은 그런 고리를 비틀어 나선형 관으로 만들 수 있다.
 

이런 간단한 수학적 규칙으로 조개껍데기의 많은 기본적인 형태를 설명할 수 있다. 그러나 더 복잡한 여러 상호 작용을 통해 조개껍데기의 가장 화려한 특징들이 만들어진다. 연체동물의 부드러운 몸을 감싸는 외투막과 딱딱한 껍데기의 성장 속도가 서로 다르기 때문에 가시나 뭉툭한 돌기, 기타 장식들이 생겨난다. 이런 성장의 불일치로 인해 새로운 층이 생길 때마다 돌출부가 커지게 된다. 외투막의 상대적인 성장 속도와 단단함이 이런 돌출부의 길이와 두께, 곡률을 결정한다. 이런 장식들은 처음에는 우연히 발생한 돌연변이와 껍데기의 성장에 관여하는 물리적 힘이 결합돼 생겨난다. 그러나 그 장식들이 생물체의 생존과 번식에 유리하다면 자연 선택에 의해 지속돼 결국 우세한 형질이 될지도 모른다.

우리는 주로 조개껍데기의 미적 특성을 높이 평가하지만 그 안에 사는 동물들은 ‘보호’라는 더 실용적인 이유로 조개껍데기를 소중히 여긴다. 약 5억 4000만 년 전, 캄브리아기 대폭발로 알려진 혁신적인 진화 과정이 지구를 한바탕 휩쓰는 동안 포식 동물들은 훨씬 많아지고 능수능란해졌다. 몸이 부드럽고 이동이 느린 유기체는 끊임없이 위험에 처했다. 대략 이 시기에 해양의 연체동물들은 노출되고 취약한 조직을 보호하기 위해 단순하면서도 견고한 껍데기를 발달시켰다. 이에 대응해 갑각류와 어류 및 기타 포식 동물은 더 발전된 무기와 사냥 기술을 발달시켰다.
 

결국 포식 동물과 먹잇감의 공진화로 연체동물의 껍데기가 극적으로 다양해졌다. 일부 연체동물은 가장 강하거나 교활한 포식 동물만이 깨뜨릴 수 있는 크고 두꺼운 껍데기를 진화시켰다. 좁은 각구는 때로 ‘뚜껑’이라 불리는 문으로 보호 기능이 강화된 덕분에 포식 동물이 먹잇감에 접근하기가 더 어려워졌다. 높은 첨탑 모양의 껍데기 덕분에 일부 연체동물은 포식 동물을 피해 더 깊숙한 곳으로 숨을 수 있었다. 가시와 돌기, 뭉툭한 돌출부는 매끈하고 미끈거리는 표면과 마찬가지로 포식 동물의 집게발과 턱의 공격을 막아냈다.

따라서 조개껍데기는 단지 생물학이나 물리학의 산물이 아니며 수학적 모형이나 다윈의 진화 이론만으로도 충분히 설명되지 않는다. 우리가 매혹적으로 느끼는 조개껍데기의 정교한 조형미는 기하학과 역학, 생태학, 진화, 우연의 일치가 어우러져 나타난 것이다. 우리가 모래에서 퍼 올리거나 박물관에서 감탄하며 본 모든 조개껍데기는 과학계가 아직 다 풀지 못한 비밀들이 층층이 쌓여 있는 구조물이자 우리 지구의 복잡성과 아름다움을 보여주는 물리적 증거다.

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