1억 1,800만 년 전 공룡 이빨에 숨겨진 비밀…원자 단위 분석으로 공룡 식생활·서식지 추적 길 열었다

△ 공룡 이빨 화석의 다중스케일 분석 결과. 연구팀은 첨단 원자탐침단층현미경(APT)을 활용하여 공룡이 살아 있을 때 남은 화학적 정보와 화석화 과정에서 생긴 변화를 원자 수준에서 구분하는 데 성공했다

공룡은 어떤 음식을 먹고 어떤 곳에서 생활했을까. 고려대학교(총장 김동원) 신소재공학부 김세호 교수 연구팀이 서울대 기초과학연구원 이성진 박사, 독일 막스플랑크 친환경소재연구소 장규선 박사와의 공동연구를 통해 약 1억 1,800만 년 전 카르카로돈토사우루스과 공룡의 이빨을 원자 단위로 분석해 그 비밀을 풀 수 있는 기반을 마련했다.

공룡의 이빨에는 생전에 먹었던 음식과 마셨던 물, 생활했던 지역에 관한 정보가 남을 수 있다. 화석에 남아 있는 여러 동위원소 중 탄소(C)와 질소(N)는 공룡의 먹이와 먹이사슬 위치를 추정하는 데 활용될 수 있다. 지역의 암석과 물의 특성을 반영하는 스트론튬(Sr)을 분석하면 공룡이 어느 지역에서 생활했는지, 어디로 이동했는지도 추적 가능하다. 이밖에 칼슘(Ca)과 산소(O) 동위원소도 공룡의 식생활 및 당시 생태·기후환경 등 정보를 제공한다. 

그러나 화석이 땅속에 수천만 년 묻혀 있는 동안 지하수와 주변 흙의 성분이 스며들기 때문에, 검출되는 성분이 공룡이 살아있을 때 존재했던 것인지 아닌지 판단하기 어렵다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 고려대에 구축된 첨단 분석기기인 원자탐침단층현미경을 활용해 경남 하동 주지섬 하산동층에서 발견된 약 1억 1,800만 년 전 백악기 육식공룡 (카르카로돈토사우루스과)의 이빨 화석을 분석했다. 

*원자탐침단층현미경(atom probe tomography, APT): 원자를 하나씩 시편에서 떼어내 분석하고, 어떤 원소가 어느 위치에 있었는지를 원자 단위에서 3차원 지도로 보여주는 첨단 분석기술. 

△ 경남 하동 주지섬에서 발굴된 약 1억 1,800만 년 전 백악기 카르카로돈토사우루스류 공룡 이빨을 원자탐침단층현미경(APT)으로 분석한 결과

그 결과, 이빨의 가장 바깥쪽을 이루는 보호층인 ‘법랑질(에나멜)’은 원래의 결정구조를 비교적 잘 유지한 반면, 법랑질 내부의 조직인 ‘상아질’은 화석이 되는 과정에서 지하수와 주변 광물의 영향을 크게 받은 것으로 확인됐다. 나아가 연구팀은 원자탐침단층현미경을 통해 법랑질 안에서 공룡이 살아 있을 당시의 화학적 정보가 보존된 영역과 화석화 과정에서 변질된 영역을 원자 수준에서 구분하는 데 성공했다.

기존에는 이를 구분하지 않고 한꺼번에 분석하는 경우가 많아 공룡의 먹이, 생활환경, 이동 경로 등에 대한 해석이 달라지기도 했다. 이번 연구는 이러한 한계를 극복하고, 생전 정보가 보존된 영역만을 원자 수준에서 선별해 분석할 수 있는 새로운 방법을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 

향후 이러한 첨단 현미경 분석과 고정밀 동위원소 분석기술을 결합하면 공룡의 먹이와 생활지역, 이동 경로는 물론 당시의 환경까지 더욱 정확하게 복원할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 우라늄(U)과 납(Pb)이 충분히 보존된 화석의 경우, 동위원소 분석을 통해 화석의 형성 시기나 지질학적 연대를 직접 측정하는 연구로도 확장될 수 있을 전망이다.

김세호 교수는 “이번 연구는 원자 수준의 첨단 분석을 통해 공룡이 살아 있을 때의 정보와 화석이 되는 과정에서 생긴 변화를 구분한 첫 사례”라며 “공룡 화석의 작은 한 조각으로 수천만 년 전 공룡의 생활사를 복원하는 새로운 연구 분야가 열릴 것으로 기대한다”고 설명했다.

이번 연구 성과는 현미경 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘Microscopy and Microanalysis(IF=3.9)’ 온라인에 7월 21일 게재됐다. 

*논문명: Near-Atomic-Scale Characterization of Diagenetic Signatures in a Fossil Dinosaur Tooth by Atom Probe Tomography

*DOI: 10.1093/mam/ozag060

*URL: https://doi.org/10.1093/mam/ozag060

본 연구는 한국연구재단(NRF)의 국가연구개발사업(과학기술정보통신부, RS-2024-00450561), 한국기초과학지원연구원(KBSI), 교육부 지원사업(RS-2025-02317079)의 지원을 받아 수행됐다.

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 신소재공학부 김세호 교수(교신저자), 서울대 기초과학연구원 이성진 박사(교신저자), 독일 막스플랑크 친환경소재연구소 장규선 박사(제1저자)