사막의 모래에서 잠재 공간까지: 데이터 기반 화석 식별 접근법

사막 한가운데서 조개껍질을 찾는 것은 지질학적으로 불가능해 보입니다. 사우디아라비아 알가트 사막을 여행하던 한 사람에게, 가장 가까운 해안선으로부터 500km 떨어진 곳에서 조개껍질과 무섭게 닮은 암석을 발견한 것은 단순한 구글 검색만으로는 만족시킬 수 없는 호기심을 불러일으켰습니다.

지질학 기록은 아라비아 반도의 일부가 후기 쥐라기(~1억 5천만 년 전) 동안 바다에 잠겨 있었음을 확인하지만, 특정 표본을 식별하려면 보통 전문 고생물학자가 필요합니다. 고생물학자에 접근할 수 없었던 발견자는 문제에 데이터 과학 접근법을 적용하기로 했습니다: 형태학과 차원 축소를 이용해 화석의 가장 가까운 현대 친척을 찾는 것이었습니다.

‘형태’를 포착하는 도전

화석을 식별하기 위해 목표는 조개껍질의 형태를 수학적으로 표현하고, 유사한 표본을 찾기 위한 거리 측정 기준을 정의하는 것이었습니다. Zhang 등(2020)의 조개 데이터셋(7,894종, 59,244이미지)을 활용하면서 프로젝트는 중요한 난관에 직면했습니다: 잡음으로부터 실제 형태를 분리하는 것이었습니다.

조개 이미지에는 회전(피치, 요, 롤), 스케일, 이동이 영향을 미칠 수 있습니다. 데이터를 정규화하기 위해 엄격한 파이프라인을 구현했습니다:

1. 중심 맞추기: 모든 조개를 이미지의 중앙에 맞추었습니다.
2. 스케일링: 원점으로부터의 최대 거리를 모든 이미지에서 1로 설정했습니다.
3. 방향 조정: 피치와 요를 처리하기 위해 조개 입구가 카메라를 향한 샘플만 사용했습니다. "롤"을 해결하기 위해 가장 긴 반경을 기준점으로 삼아 오른쪽으로 회전시켰습니다.

정규화가 완료되면 각 조개의 윤곽을 중심을 기준으로 256개의 점으로 추출하여 (x, y) 좌표의 256×2 행렬을 만들었습니다. 두 조개 사이의 거리는 이러한 윤곽점들 사이의 제곱 유클리드 거리로 계산되었습니다.

PCA를 이용한 잠재 공간 매핑

256차원에서 작업하는 것은 계산 효율성이 떨어지고 시각화가 불가능합니다. 그러나 이 데이터의 대부분은 중복됩니다; 예를 들어, 모든 가능한 256점 윤곽의 공간에는 실제 조개 형태로 존재할 수 없는 형태도 포함됩니다. 이를 압축하기 위해 주성분 분석(PCA)을 사용해 원래 차원을 더 작은 "잠재 공간"으로 매핑했습니다.

결과는 놀라웠습니다: 첫 번째 주성분(PC1)만으로도 분산의 56.50%를 유지했으며, 첫 두 주성분(PC1 및 PC2)으로는 67.25%를 포착했습니다. 이는 조개의 일반적인 형태를 단 두 개의 숫자로 설명할 수 있음을 의미합니다.

PC1 차원의 양쪽 끝에 있는 조개들을 분석한 결과, PC1은 "뾰족함"을 나타냅니다. 조개 형태 분산의 절반 이상은 단순히 얼마나 뾰족하거나 둥근가에 달려 있습니다. PC2는 대칭성 혹은 수직 축을 따라 질량 분포를 포착하는 것으로 보입니다.

발견 및 지질학적 맥락

알가트 화석을 이 잠재 공간에 투영했을 때 가장 가까운 매치는 Sphincterochila candidissima였습니다. 그러나 연대상의 불일치가 나타났습니다: S. candidissima는 비교적 최근 종으로, 가장 오래된 화석이 약 3,800만 년 전이며, 알가트 지역의 해양 퇴적물은 쥐라기 시대로 거슬러 올라갑니다.

이는 형태는 거의 동일하지만 같은 종은 아니라는 것을 시사합니다. 이는 수렴 진화의 전형적인 사례로, 두 무관한 종이 비슷한 환경 압력에 직면하면서 유사한 물리적 특성을 진화시킨 경우입니다.

커뮤니티 관점 및 반론

이 프로젝트는 Hacker News에서 기술·과학 커뮤니티 사이에 활발한 토론을 촉발했습니다. 많은 이들이 DIY 데이터 과학 접근법을 칭찬한 반면, 다른 이들은 형태 기반 식별의 한계를 지적했습니다.

형태학적 제한점

일부 사용자는 조개 형태만으로는 정확한 계통을 규정하기에 부족하다고 지적했습니다. 한 댓글러인 @purplehat_가 언급했듯이:

"형태학은 단순히 조개 껍질의 형태만을 의미하지 않습니다... 당신은 복족류이므로, 입구(peristome)와 관(관절)에도 특별히 주의를 기울이는 것이 좋습니다."

대체 식별

PCA 도구가 S. candidissima를 가리켰지만, 다른 커뮤니티 구성원들은 화석이 Ampullospira일 가능성을 제시했습니다. Ampullospira는 사우디아라비아에서 기록된 속으로, 해당 지역의 위치와 중·상부 쥐라기 연대를 모두 만족합니다.

해양 화석의 보편성

발견이 저자에게 "불가능"하게 느껴졌지만, 댓글러들은 해양 화석이 예상치 못한 곳에서도 흔히 발견된다고 상기시켰습니다. 비엔나의 성 스테판 대성당 석회암부터 에베레스트 정상에 이르기까지, 해양 석회암은 지구의 판구조 이동과 고대 해안선의 영구 기록 역할을 합니다.

결론

이 실험은 차원 축소가 복잡한 생물학적 데이터를 이해하는 데 얼마나 강력한지를 보여줍니다. 고생물학자가 퇴적물과 내부 해부학을 살펴보는 전문성을 대체하지는 못하지만, 생물 형태의 "공간"을 시각화하고 수백만 년에 걸친 진화 속에서 섬뜩한 유사성을 발견하는 흥미로운 방법을 제공합니다.