진화란 무엇인가. 생물과 유전

진화생물학의 시작

 

생물학자들은 생물을 바라보며 많은 의문에 빠지게 된다. 왜 공작은 그렇게 아름다운 깃털을 가지고 있을까? 왜 고래는 폐를 가지고 있고, 뱀은 몸통만 있는 걸까? 왜 어떤 개미는 염색체가 단 1개밖에 없는데, 어떤 나비는 200개도 넘는 종류의 염색체를 가지고 있는 걸까? 생명체의 종류가 이처럼 다양한 이유는 무엇일까? 과학의 역사에서 가장 획기적인 사고 중의 하나가 다윈이 제안한 '이 지구상에 살았거나 현재 살고 있는 유기 생명체들은 모두가 하나의 근원적인 형태로부터 발달한 것이다...'라인 것이다. 이 사고가 의미하는 것은, 모든 종의 모든 특징-유전자의 숫자와 염기서열, 효소의 촉매 능력, 세포와 기관의 구조, 생리적 내성과 영양 요구, 생활사와 생식방식 등이 진화적 역사의 산물로 해석된다. 이런 진화적 관점은 분자생물학에서 생태학까지 모든 생물학의 분과들을 설명하는 데 적용된다.

 

진화란 무엇인가

 

진화라는 용어는 라틴어의 'evolve re', 즉 '감춰진 잠재력을 펼친다.'라는 말에서 유래하였다. 오늘날 '진화'의 일반적인 뜻은 단순히 '변화'를 뜻하며, 때로는 어떤 개별적 대상의 변화를 묘사하는 데도 사용된다. 그러나 생물학적 진화는 여러 세대를 지나는 동안 생물집단의 특성에서 변화가 일어나는 것을 뜻한다. 다시 말해 개체가 아닌 개체군이라 부르는 생명체의 집단이 변형되는 과정을 거치는 것을 말한다. 공통 조상 개체군으로부터 파생된 여러 개체군이, 또 서로 다른 변화들이 발생한다면, 그 개체군들은 분기하게 된다. 진화로 간주할 수 있는 개체군 내의 변화는 한 세대에서 다음 세대로 유전물질을 통하여 전달되는 것이다. 생물학적 진화는 사소할 수도, 본질적일 수도 있다.

찰스 다윈

진화의 증거 항생제 내성 세균

 

자연선택에 의한 진화를 가장 잘 나타내 주는 것은 항생제 내성의 발달이다. 1960년대에 이르러 항생제의 발견과 약제의 합성에 대한 지속적인 진보는 수많은 세균성 질병을 극복할 수 있게 하였다. 오늘날 대부분의 사람을 결핵을 아주 오래전 이야기 정도로 취급한다. 그러나, 현대에 이르러 우리는 새로운 전염성 질병뿐만 아니라, 새로운 양상으로 재유행하는 과거 질병들을 마주하게 되었다. 이들 세균은 인간의 무기들, 반코마이신, 암피실린 등에 내성을 지니고 있다. 게다가 이들은 점점 강해지는 듯하다. 예를 들어 많은 외과수술 환자에게 감염을 일으키는 세균인 Staphylococcus aureus는 현재 거의 전 세계적으로 페니실린 등 관련 약제들에 내성을 가지고 있다. 그래서 메디 실린 이 대체 약물로 개발되었으며 어느 정도는 효과가 있었지만, 많은 S. aureus의 개체군들이 메티실린에 내성을 가지게 되었다. 또한 새로 개발된 항생제인 반코마이신이 이런 문제를 해결한 듯 보이기도 했었는데, 그 역시 효능이 점차 약해지고 있다.

 

제기되는 의문점들과 진화생물학의 역할

 

그렇다면 이러한 일이 왜 일어나는 것인가? 항생제가 세균 유전자에서 약제 저항성 돌연변이를 유발하는 것인가? 그런 돌연변이는 항생제가 없는 경우에도 일어나는가? 그 돌연변이는 얼마나 자주 발생하는 것인가? 그런 돌연변이는 다른 세균으로 전파될 수도 있는 걸까? 만약 전파가 가능하다면 같은 종의 세균이나 바이러스에서만 가능한가 아니면 다른 종으로 전파도 가능한 것인가? 약제의 사용을 줄이면 그러한 내성의 진화를 막을 수 있는 것일까? 사용량을 늘리거나 다른 약제들과 함께 사용한다면 어떻게 될까? 진화생물학의 원리와 방법들은 이러한 의문들에 대한 대답과 사회에 영향을 주는 많은 문제들에 대해 해답을 제공해 왔다. 이들은 병을 매개하거나 곡식에 해를 입히는 곤충의 살충제 내성의 진화에 대해 연구하여, 화학적 방제법을 이용하지 않고 해충을 조절할 수 있는 방법들을 고안하는 데 일조하였다. 또한 진화적 원리와 지식은 생명공학 기술에서 새로운 약제와 많은 유용한 생산물을 고안하는 데 이용되고 있다. 진화생물학의 중요성은 실질적인 이용에 관한 측면 이상으로 더 광범위하다. 우리는 개개인이 모두 유전적으로 그리고 표현 형적으로 독특하다는 사실을 어떻게 설명할 수 있을까? 인간이란 종족은 무엇이 다르며, 언제, 어떻게 발생하였을까? 남성과 여성의 행동학적 차이는 무엇을 설명하는 것일까? 손이나 혀, 귀와 같은 정교하면서 유용한 특징들은 어떻게 형성되었을까? 왜 우리 몸에는 막창자꼬리나 사랑니처럼 쓸모가 없어 보이는 특징들이 있는 것일까? 왜 의학 연구자들은 인체의 작용에 대한 모델로 원숭이만 아니라 초파리와 효모까지도 사용할 수 있는 걸까? 이러한 의문들은 다윈이 약 150년 전에 창안한 진화생물학의 영역 안에서 해답을 찾을 수 있다.

 

다윈의 진화생물학

 

[종의 기원]은 두 가지의 주요 논지를 가진다. 첫 번째는 다윈 변형의, 대물림에 관한 학설이다. 이것은 현생 종과 멸종종 모두가 하나 혹은 몇몇 생명의 근본 형태로부터 단절 없이 대물림되었다는 것이다. 종의 기원에 관한 두 번째 논지는 진화적 변화를 유발하는 요인에 관한 다윈의 학설이다. 자연선택에 관한 학설이라고도 부른다. 즉 어떤 생명체에서 변이가 발생하였는데 그것이 유용할 때 그 개체는 생존을 위한 투쟁에서 승리할 가능성이 높으리라는 것이다. 그리고 이것을 강력한 유전의 법칙으로 유사 특성을 지닌 자손을 생산하는 결과를 낳을 것이다. 자연선택 이론은 이러한 보존의 법칙 또는 적자생존의 법칙을 말하는 것이다.