남미의 열대우림에 서식하는 독화살개구리는 화려한 색상만큼이나 치명적인 독성으로 잘 알려져 있다. 독화살이라는 이름은 모양 때문이 아니라 원주민들이 이들의 피부에서 추출한 독을 화살촉에 발라 사냥에 사용했다는 데서 유래했다. 이들은 자연계에서 가장 강력한 생물학적 무기를 보유한 맹독성 양서류다. 하지만 이들의 강력한 독은 어느 날 갑자기 하늘에서 떨어진 재능이 아니다. 로마가 하루아침에 만들어지지 않았던 것처럼 독화살개구리의 독도 오랜 시간에 걸쳐 점진적으로 진화해 매우 정교하고 강력한 무기가 됐다.

사실 독화살개구리과(Dendrobatidae)에 속하는 여러 종은 스스로 독을 합성하지 못한다. 대신 야생에서 섭취하는 개미, 진드기, 지네, 딱정벌레 등 특정 절지동물이 포함하고 있는 ‘알칼로이드(Alkaloid)’ 독소를 체내에 축적한다. 먹잇감이 자신을 보호하기 위해 만든 방어 물질을 오히려 자신의 무기로 역이용하는 셈이다. 이들은 섭취한 독소를 체내에서 안전하게 분리해 피부로 배출하며, 때로는 독성을 강화하기 위해 화학적 변형 과정을 거치기도 한다.

미국 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스를 비롯해 브라질 상파울루 대학교, 일본 오사카 공립 대학교 등 국제 공동 연구팀은 이러한 독성 축적 메커니즘이 어떻게 진화했는지 분석한 연구 결과를 ‘왕립 학회보 B: 생물과학(Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences)’에 발표했다. 연구팀은 독성 알칼로이드 축적 과정이 특정 시점에 갑자기 나타난 것이 아니라, 조상 대대로 점진적인 단계를 거쳐 발달해 왔다는 가설을 세우고 이를 증명하기 위한 실험을 설계했다.

연구팀은 진화적 거리가 다른 세 부류의 개구리를 비교 대상으로 선정했다. 우선 독화살개구리와 계통학적으로 거리가 멀어 독을 축적하지 않는 것으로 알려진 청개구리과(Hylidae)의 나무개구리(Dryophytes cinereus), 독화살개구리의 자매 그룹이지만 독성이 약한 아로모바티대과(Aromobatidae)의 한 종(Allobates femoralis), 그리고 강력한 독성을 지닌 전형적인 독화살개구리들을 실험군으로 구성했다.

연구팀은 이들에게 서로 다른 농도의 알칼로이드 용액을 투여하거나, 독성 알칼로이드를 도포한 초파리를 먹이로 제공하며 피부 및 주요 장기에 축적되는 독소의 양을 정밀 측정했다. 실험 결과, 독이 없는 일반 청개구리조차 아주 미량의 알칼로이드를 저장할 수 있는 기초적인 잠재력을 지니고 있음이 확인됐다. 중간 정도의 독성을 가진 종은 그보다 많은 양을, 전문적인 독화살개구리는 압도적으로 많은 양의 독소를 안전하게 저장했다. 이는 독소 저장 능력이 진화의 과정 속에서 서서히 강화된 연속적인 형질임을 시사한다.

사실 절지동물의 독을 흡수해 자신의 방어 무기로 삼기 위해서는 고도의 진화적 장벽을 넘어야 한다. 먹이의 독에 자신이 중독되지 않도록 신경계나 수용체에 내성이 생겨야 하며, 소화기관에서 흡수된 독소를 파괴하지 않고 피부까지 운반하는 특수한 수송 단백질 체계가 필요하다. 또한 체내 대사 과정에서 독소가 분해되어 사라지지 않도록 유지하는 능력도 필수적이다.

연구팀은 이러한 복잡한 생화학적 시스템이 단계별로 구축됐으며, 그 과정에서 독성 곤충을 먹어도 생존할 수 있는 개체들이 선택적으로 살아남아 오늘날의 독화살개구리로 진화했다고 설명했다. 사실 자연계의 독이야말로 하루아침이 아니라 수백만 년 동안의 세월 동안 시행착오를 반복해 나가면서 건설된 진화의 걸작인 셈이다.