생명과학과 철학 다섯 번째 회차이자 『진화란 무엇인가』 두 번째 세미나에서는 진화가 어떤 방식으로 이루어지는지, 그리고 그 방식에 있어서 꼭 알아야 하는 중요한 개념들에 대해서 공부했습니다. 그래서 세미나에서도 전체적으로 논쟁적인 토론보다는 교과서를 공부하듯이 이해되지 않는 개념에 대해 꼭꼭 씹어 소화하는 시간이 주를 이루었습니다. 특히 어려웠던 부분은 유전학의 열일곱 가지 원리였습니다.

  또한, 세미나 후반부에서는 ‘유전자란 무엇인가?’로 유전자와 DNA의 차이가 무엇인지 집중적으로 이야기했습니다. DNA 발견 이전 유전자라는 개념이 먼저 만들어졌을 것이라는 의견, DNA가 유전자보다 조금 더 작은 단위라는 의견 등 다양한 생각을 나누었습니다.

 

5장. 변이 진화

 5.1 변이와 개체군적 사고

종과 개체군은 본질적으로 규정된 부류가 아니라 유전적으로 각기 독특한 개체들로 이루어진 생물 개체군이다. 기존의 본질주의적 이론들은 풍부한 변이에 대해 제대로 설명하지 못한다. 다윈에 따르면 세계는 절대 변하지 않는 본질로 이루어진 것이 아니라 매우 가변적인 개체군으로 이루어져 있으며, 진화란 바로 이 생물의 개체군에서 일어나는 변화이다. 결국, 자연선택에 의한 다윈의 진화 이론은 ‘변이 진화 이론’이라고 부르는 것이 가장 타당하다.

 

 5.2 다윈의 진화 이론

‘다윈주의 이론’은 다섯 가지 독립적인 이론으로 구성되어 있다. 이중 종의 비균일성(진화의 기초 이론)과 모든 생물은 공통의 조상으로부터 유래했다는 분기 진화 이론은 몇 년 안에 널리 받아들여져 첫 번째 다윈주의 혁명을 이루었다. 하지만 점진주의, 종 분화, 자연 선택 이론은 강한 저항에 부딪혔고, 이 진화의 종합이 두 번째 다윈주의 혁명이다.

 

 5.3 변이

모든 개체들이 제각기 독특하다는 것을 의미하는 변이는 성적 번식을 하는 모든 종의 특성이다. 변이성은 눈에 보이는 형질뿐만 아니라 특질, 행동 패턴, 생태학적 측면, 분자 패턴에도 영항을 미치며 모든 개체들이 서로 다른 고유의 존재라는 사실을 뒷받침해 준다. 그리고 자연선택을 가능하게 한다.

 

 5.4 개체군 내에서의 유전적 교체

하디-바인베르크의 공식에 따른 진화의 중요 작용 일곱 가지 중 선택을 제외한

  ⑴ 돌연변이

  ⑵ 유전자 확산

  ⑶ 유전자 부동

  ⑷ 편향 변이

  ⑸ 전이 인자

  ⑹ 비일의적 교배

 

 5.5 단위 생식과 진화

  대부분의 단위 생식, 무성생식의 경우 자손은 부모와 유전적으로 동일하다. 고등 생물의 경우 돌연변이를 통해 변이가 일어난다. 원핵생물은 무성 생식을 한다. 이들은 돌연변이와 ‘수평적 유전자 교환’을 통해 유전적 변이를 획득한다. 어쨌든, 모든 원핵생물 개체들은 성이 같다고 할 수 있다. 반면 진핵생물 사이에서는 무성 생식이 드물며, 이는 오늘날 고등한 생물에게서 발견되는 단위 생식이 처음부터 존재했던 오래된 현상이 아니라 나중에 파생된 현상임을 보여준다.

 

 5.6 왜 자연선택은 유전자형의 변이를 선호할까?

  유성 생식의 강력한 이점이 무엇인지 만장일치의 합의는 보지 못했다. 하지만 분명한 것은 어느 개체군이 갑작스럽게 극도로 불리한 상황에 직면한 경우, 유전적 다 양성이 크면 클수록 환경의 요구에 더 잘 부응하는 유전자형을 갖게 될 가능성이 크다는 것이다. 그리고 재조합은 다양한 표현형을 더 많이 갖도록 한다. 또한, 유전자들 사이에는 어마어마한 상호 작용이 일어나고 있다. 많은 유전자들이 표현형의 여러 측면에 동시에 영향을 주고, 이를 ‘다면 발현 유전자’라고 한다. 한편 표현형의 특정 측면은 각기 다른 여러 개의 유전자의 영향을 받기도 하는데 이는 ‘다인자 발현 유전’이라고 한다.

 

 5.7 새로운 유전자의 기원

  세균이 1,000개의 유전자를 가진 데 반해 인간이 가진 기능성 유전자의 수는 약 3만 개에 이른다. 새로운 유전자들은 옆자리에 직렬로 끼어 들어가는 ‘직렬 상동 유전자’와 원래의 유전자가 진화한 ‘병렬 상동 유전자’로 이루어져 있다. 또한, 단백질 합성 암호를 갖지 않은 유전자들을 비부호화 DNA라고 하는데 한 추정치에 따르면 인간 DNA의 중 비부호화 DNA가 약 95퍼센트라고 했다.

 

 5.8

  다윈은 플라톤적 유형 대신 생물 개체군을 진화론의 토대로 삼았다. 그는 개체군의 무궁무진한 유전적 변이와 선택이 진화적 변화의 핵심이라고 생각했다. 또한, 유전자형은 환경과 상호 작용하여 발달 과정에서 표현형을 만들어낸다.

 

6장. 자연선택

 6.1 개체군

  개체군의 본질을 이해하는 것은 진화를 이해하기 위한 가장 중요한 요소 중 하나이다. 국지적 개체군은 경우에 따라 ‘최소 교배 단위’라고 불린다. 최소 교배 단위는 주어진 국지적 장소에서 서로 짝짓기를 할 수 있는 개체들의 모임이라고 정의할 수 있다. 다윈은 후기 저작에서 ‘자연선택이란 다름 아닌 적자생존’이라고 말했던 허버트 스펜서의 비유를 체택했다.

 

 6.2 선택의 두 단계 과정

  첫 번째 단계에서는 새로운 접합체의 생산에 이르는 모든 작용들로 새로운 변이가 만들어진다. 두 번째 단계인 선택에서는 새로운 개체의 ‘적합 여부’가 끊임없이 시험된다. 유전적 변이가 생성되는 첫 번째 단계에서는 모든 것이 우연의 문제이지만, 생존과 번식이 차별적으로 이루어지는 두 번째 단계에서는 우연은 훨씬 적은 역할만 수행한다.

 

 6.3 생존을 위한 투쟁

  동물이든 식물이든 또는 다른 계의 생물이든 모든 개체들은 매 순간 자신의 생존을 위해 ‘투쟁’해야 한다. 대부분의 경우 같은 개체군의 구성원 사이에 경쟁이 가장 치열하나 다른 종의 개체 사이에서도 일어난다.

 

 6.4 선택의 대상

  일부 동물 학자나 생태학자들은 선택이 종을 ‘개선’하기 위해 작용한다고 생각했지만, 80년대에 이르러서 각 개체가 주요 선택의 대상이라는 합리적 합의에 도달했다. 그리고 이는 표현형을 통해 이루어진다. 표현형이란 어떤 개체를 다른 개체와 구분하는 형태학적, 생리학적, 생화학적, 행동학적 형질 전체를 말한다. 유전자형이 아니라 표현형이 선택의 목표물이라는 사실은 유전자 풀에 상당한 정도의 유전적 변이가 존재하도록 만들어준다.

 

 6.5 진화는 왜 그토록 느리게 일어나는 것일까?

  가장 큰 이유는 이미 수백, 수천 세대에 걸쳐서 선택이 이루어져 자연적인 개체군이 최적의 유전자형에 근접한 상태에 이르렀기 때문이다. 그러한 개체군에 이르도록 작용한 선택을 ‘정상화 선택’ 또는 ‘안정화 선택’이라고 한다.

 

 6.6 번식의 성공을 위한 선택

  다윈은 자손을 남기는 확률에는 생존 경쟁 외에도 두 번째 종류의 요인들이 작용한다는 사실을 깨닫고 이를 ‘성 선택’이라고 불렀다. 동성의 개체 간 사이의 경쟁이나 투쟁을 통해 번식 성공에 이르는 것을 ‘동성 간 선택’이라고 하며, 암컷이 수컷을 선택하는 것처럼 이성 사이에 선택이 이루어지는 경우를 ‘이성 간 선택’이라고 부른다.

 

 6.7 왜 많은 경우에 자연선택이 적응성을 성취하거나 유지하는 데 실패하는 것일까?

  많은 경우 자연선택이 완벽하지 못했는데, 최근 연구들은 한계에 대해서 여러 원인을 밝혀냈다.

  1. 기존의 동식물의 유전적 구조가 추가적인 진화선에 한계선을 그어 놓는다.

  2. 적절한 유전자 변이의 부재로, 주어진 종의 개체군이 수용할 수 있는 변이의 양에 한계가 있다.

  3. 개체군 안에서 생존과 번식의 차이 가운데 상당수는 선택이 아니라 우연에 의한 결과이다.

  4. 환경의 도전에 대하여 몇 가지 가능한 대응이 있을 수 있는데, 이에 생물이 어떤 반응을 보이는지는 대개 기존의 구조에 따라 결정된다. 또한, 새로운 환경적 기회에 대해 특정 반응을 체택하는 것은 향후 미래의 진화 가능성에 커다란 제한을 가하게 된다.

  5. 표현형이 유연할수록 선택압의 영향력이 감소된다.

  6. 자연선택은 노년기에 질병에 걸리는 유전적 경향을 제거하지 못한다.

  7. 형태형의 요소들은 제각기 독립적이지 않으며 이들 중 어떤 요소도 선택에 대해서 다른 요소들과의 상호 작용 없이 독자적으로 반응할 수 없다. 따라서 발달 기구 전체가 하나의 상호 작용을 하는 시스템으로 볼 수 있다.

  8. 유전자에 담겨 있는 정보는 직선상의 순서에 암호화 되어 있으며, 유전자의 집단이 기능적 팀을 이루도록 조직되어 있다.

 

7장. 적응과 자연선택 : 향상 진화

  과학자들이 자연에 대해 점점 더 많이 이해하게 될수록 창조주의 설계라는 개념의 신뢰성은 점점 떨어지고 있다.

  적응 과정은 아리스토텔레스의 ‘궁극 원인’이라는 개념과 매우 잘 맞아떨어진다. 그러나 적응 과정에 대한 다윈주의의 설명에는 궁극 원인론적 요소가 전혀 들어 있지 않다. 적응이란 신체 구조든, 생리적 특징이든, 행동이든, 기타 속성이든 그것이 가진 개체를 생존 경쟁에서 유리하게 만들어 주는 생물의 성질이다. 다윈주의자들의 관점에서 볼 때 적응은 완전히 사후적 현상이다. 제거는 적응하려는 ‘목적’이나 ‘목적론적 목표’를 갖고 있지 않으며, 오히려 제거라는 과정의 부산물이라고 볼 수 있다. 또한, 적응이란 전체 세계가 아니라 제한된 일부 특징에 해당된다. 환경의 특정 부분의 집합은 각 종에게 생태적 지위 또는 니치라는 삶의 조건을 제공한다.

 

8장. 다양한 단위 : 종

 8.1 개념으로서의 종과 분류군으로서의 종

  한 종의 개체군들은 연속성을 지니는데도 모든 종이나 상위 분류군에서는 간극이 존재한다. 그렇다면 종 사이의 간극은 어디서 유래하는가? 이를 위해서는 종이 무엇인지 제대로 알아야 한다. 아직 종의 개념에 대해 만장일치의 합의는 이루어지지 않았다. 가장 중요한 이유는 다음 두 가지이다. 첫째로 종이라는 용어가 자연에서 종을 의미하는 개념으로서의 종과 동물학적 대상으로 종 개념의 정의를 만족시키는 개체군들의 집합이라는 두 가지 매우 다른 것들을 지칭하기 때문이다.

  전통적으로 자연의 어떤 것들이든 그것의 범주가 다른 유사한 범주의 것들과 충분히 다르면 이를 자연종이라고 불렀다. 잘 구분된 경계로 둘러싸인 어떤 범주를 가리키는 이러한 종의 개념을 ‘유형론적 종 개념’이라고 한다. 이 개념에 따르면 종은 다른 종으로부터 완전히 단절된 항구적인 유형이다. 그런데 19세기 말과 20세기 초 점점 더 많은 자연학자들이 생물의 종은 유형이나 부류가 아니라 개체 또는 개체들의 집단이라는 사실을 깨닫게 되었다. 예를 들어 분류학적으로 명확한 차이를 보이지 않아도 상호 교배가 되지 않는 동소성 자연 개체군이 점점 더 많이 발견되었고, 이러한 종들은 오늘날 은폐종 또는 자매종이라고 불린다.

 

 8.2 자매종

  자매종이란 같은 장소에 공존하지만 상호 교배 없이 서로 생식적으로 격리되어 있는 자연적 개체군이다. 그런데 이들은 사실상 서로 구분할 수 없을 정도로 비슷하다. 그리고 이러한 분류학적 형질에서는 두드러지지 않는 차이가 없는 서로 다른 종들이 공존하는 경우는 매우 흔하다. 따라서 분류학자들은 다른 기준에 기초한 새로운 종 개념을 개발해야 한다는 결론에 이르렀고 이는 두 가지 사실에 기초하고 있다. 첫째, 종은 개체군으로 이루어져 있으며, 둘째, 두 개체군이 성공적으로 상호 교배할 수 있으면 그들은 같은 종이다. 다시 말해 종은 번식 공동체이다. 그리고 이러한 생물학적 종 개념은 유성 생식을 하는 생물에만 적용할 수 있다.

 

 8.3 종의 의미

  다윈주의자라면 “왜 종이라는 것이 존재할까? 왜 유성 생식을 하는 생물의 살아 있는 개체들은 종이라는 단위로 묶이는 것일까?”라는 질문을 던질 것이다. 그리고 이는 잡종에 대한 연구에서 답을 얻을 수 있다. 잡종은 거의 예외 없이 열등한 자손을 생산한다. 성공적인 번식을 위해서는 정교하게 균형 잡힌 유전자형이 비슷해야 하는데 그렇지 않으면 생식이 불가능한 개체가 태어난다. 결국 종의 격리 기작은 균형 잡힌 유전자형을 그 상태 그대로 보전하기 위한 장치라고 할 수 있다. 격리 기작이란, 각 생물들이 같은 장소에 있는 다른 종의 개체와 상호 교배하는 것을 막는 생물학적 특성을 말한다.