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생명과학 세미나의 첫 번째 책은 린마굴리스와 도리언세이건의 ‘생명이란 무엇인가’였고, 두 번째 책으로 에른스트마이어의 ‘진화란 무엇인가’를 읽기 시작했다. 

20세기의 다윈으로 불리는 에른스트마이어는 1904. 7. 5. 독일에서 태어나서 대학교에서 의학을 전공한 뒤 의학을 포기하고 동물학으로 진로를 바꾸었다. 뉴기니섬과 솔로몬제도를 여행하면서 탐사를 통해 다윈이 정립하지 못한 '새로운 종(種)은 격리된 개체군에서 발생한다'는 사실을 실증적으로 밝히는 연구에 전념했다. 1953년부터 1975년까지 하버드대학교 동물학 교수를 지냈고, 2005. 2. 3. 사망할 때까지 20여 권의 저서와 700여 편의 연구논문을 출간·발표하였다.

리처드도킨스의 ‘진화의 단위(주체)는 유전자’ 라는 주장에 대하여 에른스트마이어는 ‘진화의 주체(단위)는 개체군’이라고 반박하면서 논쟁하였다.

참고로 리처드도킨스의 ‘이기적 유전자’ 책의 핵심은 유전자가 이기적이라는 주장이 아니고, 진화의 단위가 유전자라는 주장이다. 앞으로 전개될 진화의 단위에 대한 양보 없는 논쟁이 기대된다.

2019. 3. 9. 세미나한 진화란무엇인가의 1,2,3,4장은 진화에 대한 기초 원리를 설명하고 있다.

1장 우리는 어떤 세계에서 살고 있을까?

- 세상에 대한 과거 의견 3가지 : 무한히 지속되는 세계, 짧은 기간 지속되는 불변하는 세계(창조론), 진화하는 세계(진화론)

진화 : 계속해서 진행되며 일종의 방향성을 가지고 있는 특정한 변화.

- 라마르크(1809년 동물철학, 기린의 목이 길어진 이유 설명),

다윈 : 1809년 출생, 의사인 아버지의 영향으로 의대에 갔다가 중퇴 신학대 졸업, 1831~1836년 5년간 비글호 타고 남아메리카 해안 조사 후 논문쓰기 시작함. 1859년 종의 기원, 1871년 인류의 유래와 성선택(The Descent of Man and Selection in Relation to Sex)

다윈 진화의 2가지 경향, 향상 진화 : 계통 발생 줄기의 위쪽으로 움직이는 진화, 분기 진화 : 계통 발생 나무에서 새로운 가지(계통 분기군)를 만들어 내는 진화

2. 지구에서 진화가 일어났다는 증거는?

- 진화는 역사적 과정이므로 순수한 물리적, 기능적 현상을 입증할 때 쓰는 방법으로는 입증하기 어렵고, 주로 화석을 관찰해서 추측한 가설을 검증하는 방법으로 증명.

- 그런데 화석기록은 불연속적이라서 갑자기 도약해서 진화한 것처럼 보이고 점진적인 진화과정을 보여주는 화석은 찾기 어렵다. 그 이유는 생물이 죽은 직후에 침적물이나 화산재에 파묻히는 경우에만 화석으로 변하기 때문.

- 다행히 1861년 발견된 시조새 화석은, 파충류 조상의 특징과 날개 등 조류의 특징을 함께 갖고 있어서 미싱링크 역할을 하고 있다.

- 분기 진화와 공통 유래 이론 : 다윈은 모든 생물은 공동의 조상을 갖고 있으며, 모든 생명은 하나의 생명의 기원에서 비롯된 것이라는 혁명적인 생각을 했고, 과학계에 즉시 수용됨.

- 형태학적 유사성 : 공통 유래 원리에 대한 설득력 있는 증거가 비교 해부학 연구에서 나타남, 계통학자들은 유사성의 정도를 이용해서 분류학적 범주의 서열을 완성한다. 이명법 분류 체계를 발전시킨 칼 폰 린네의 이름을 딴 ‘린네식 계층 분류 체계’ - 계문강목과속종

- 계통 발생학 : 에른스트 헤켈, 3장 참조

- 형태학적 종류에 대한 설명 : 조르주 퀴비에 - 제한된 수의 생물 종들이 기본적 구조(원형)에서 서로 일치한다는 사실을 발견함. 유형론, 본질주의(플라톤)

- 상동관계(Homology) : 헉슬리가 조류의 조상은 파충류라는 가설을 세운 후 1861년 시조새의 화석이 발견되어 가설이 증명됨. 추론으로 재구성했던 잃어버린 조상의 모습이 후에 발견된 진짜 조상 화석과 잘 들어맞았다.

리처드 오언은 상동관계를 “서로 다른 동물에게서 다양한 형태와 기능으로 존재하는 동일한 기관”이라고 정의함.

다윈은 서로 다른 두 종의 어떤 특징이 두 종의 가장 가까운 공통 조상의 상응하는 특징으로부터 진화한 것일 때 그 특징들이 상동관계에 있다고 정의함.

상동관계가 발생하는 것은 공통 조상으로부터 부분적으로 동일한 유전자형을 물려받았기 때문이다.

- 발생학 : 해부학자들은 18세기에 이미 서로 관계가 있는 동물들의 배아가 성체의 형태보다 좀 더 유사하다는 사실을 관찰했다.

- 발생 반복 : 개체 발생 과정에서 다른 관련된 분류군의 성체에 보존되어 있는 신체 구조가 나타났다가 사라지는 이상한 현상. 수염고래 배아의 이빨, 인간 배아의 ‘꼬리’, ‘아가미 틈’ 등.

헤켈(1866)은 개체 발생은 계통 발생을 되풀이한다 라는 과장된 주장을 함.

그러나 사실은 조상의 구조들이 배 발생 과정에서 다음 단계의 발달에 대한 형성체로 작용하기 때문임. 유전적 발달 프로그램이 조상으로부터 이어진 특정 발달 단계를 제거할 방법을 갖고 있지 않으며, 차후의 발달 단계에서 그것을 수정함으로써 생물의 새로운 형태에 적합하도록 만드는 수밖에 없다는 것. (신체 형성 프로그램).

흔적 구조 : 많은 생물들이 완전히 기능하지 않거나 전혀 기능하지 않는 구조들을 갖고 있다. 인간의 맹장, 동굴에 사는 동물의 눈 등.

생물지리학 : 먼 대륙에 사는 생물상은 큰 차이를 보인다. 낙타는 아시아와 아프리카에 있고, 낙타의 친족인 라마는 남아메리카에 서식한다. 아시아에서 아메리카로 가려면 북쪽에 연결된 육지로 가야하므로 북아메리카에도 낙타가 있어야 하는데 없다. 그래서 북아메리카 낙타가 있었다가 멸종했다고 추측함. 이후 화석 발견함.

1492년 유럽인이 아메리카를 발견했을 때 아메리카에는 말이 없어서 원주민은 걸어 다녔고, 각 부족들은 고립되어 있었음. 이후 2,500년전 멸종된 말 화석 발견됨.

분자적 증거 : 유전자를 구성하고 있는 분자들의 구조는 거시 구조와 마찬가지로 진화적 변화를 겪는다.

3. 생명 세계의 출현

지구는 46억년 전에 만들어졌고, 38억년 전에 생명체가 살 수 있는 곳으로 변화됨.

최초 생명의 흔적은 35억년 전의 화석, 모든 생물의 유전자 암호가 동일(?)하므로 지구상에 존재하는 모든 생명은 하나의 기원으로부터 파생된 것이다.

생물권 : 지구 초기에는 메탄, 수소, 암모니아 등이었던 대기가 청남세균류(시아노박테리아)의 활동으로 산소 환경으로 변화함. 그 후 서로 다른 생물들의 상호 작용으로 생물권이 고도로 균형 잡힌 상태를 지속하고 있어서, ‘가이아 가설’이 제안됨.

- 복제 등장 문제 : 복제에 필수적인 역할을 담당하는 분자는 DNA다. 왜 DNA가 선택되었는지에 대한 만족할만한 이론은 없다. DNA 세계 이전에 RNA가 지배했을 것이고, 이미 단백질 합성이 일어났을 것이다. 지구는 38억년전에 이미 생명에게 적합한 환경이 되었으나 3억년 후인 35억년전의 화석이 생명의 최초 흔적이다.

생물 다양성의 출현

35억년전 최초 생명의 흔적은 세균(원핵생물)의 화석이고, 그후 10억년 동안 원핵생물만 존재했다. 최초의 진핵생물은 고생물과 진정생물이 공생하고 그 다음 두 공생생물이 키메라를 형성하여 생겨났다(그림3.2). 그래서 진핵생물은 고세균과 진정세균의 형질을 모두 갖고 있다. 린 마굴리스는 하나의 단순한 원생생물에서 다섯 가지 세균의 유전체가 확인된다고 주장했다. 진핵생물의 등장은 생명의 역사에서 가장 중요한 사건이다.

현재도 매우 풍부한 원핵생물이 존재한다. 지구상의 원핵생물의 생물량(유기물량, 건조중량, 탄소량)이 모든 진핵생물의 생물량을 넘어선다고 한다.

진핵생물 : 고세균과 진정세균이 공생하다가 키메라를 형성해 최초의 진핵생물이 발생함. 이 진핵세포는 다양한 공생생물을 세포소기관으로 흡수했는데, 그 중 중요한 것은 미토콘드리아와 엽록체다. 미토콘드리아는 홍색세균의 한 아문에서 유래했고, 엽록체는 남세균에서 유래했다.

원생생물 : 단세포 진핵생물, 가장 오래된 화석은 17억년전, 진핵생물 대사의 부산물인 지질(스테란 sterane)의 흔적이 27억년 전 암석에서 발견됨. 그래서 추론으로 27억년전에 원생생물이 탄생했다고 봄.

다세포성 : 다세포성의 형태는 기본적으로 단세포 분류군 사이에도 널리 퍼져있다. 세균조차도 이따금씩 한데 뭉쳐서 거대한 세포덩어리를 이룬다.

최초의 동물에서 좌우대칭 동물까지 (그림3.3)

체강(Coelom) : 체강(體腔)은 다세포 생물의 몸 속에 있는 빈 공간이고, 혈액 등의 액체가 있다. 가장 먼저 나타난 좌우 대칭 동물은 온몸이 부드러운 조직으로 이루어져 있었고, 대양의 바닥이나 바다의 다른 부분을 기어 다니며 살았다.

선구동물과 후구동물 (박스3.2)

동물진화의 연대기 : 처음에는 모든 생명이 바다에 살았다. 최초의 육상 식물이 나타난 시기는 4억 5천만년전이고, 최초의 종자식물은 트라이아스기로 2억년 전이다.

다세포동물의 기원, 캄브리아기 대폭발 : 캄브리아기인 5억4천3백만년전의 화석 기록에 골격을 가진 동물 문 대부분이 한꺼번에 발견됨.

부드러운 몸을 가진 동물들이 그 때 갑자기 골격화되어 그런 것일 수도 있음. 화석기록에 따르면 현존하는 모든 동물의 문은 캄브리아기 초기의 약 1천만년 동안에 생겨난 것으로 보이고, 그 이후에는 어떤 새로운 구조 유형도 나타나지 않은 것으로 보인다.

식물의 진화 : 최초의 유관속식물이 발견된 시기는 실루리아기(419.2–443.8 Mya)이다.

척추동물의 기원 : 원생생물의 한 집단인 깃털편모충류가 가장 단순한 동물인 해면동물을 낳았고, 이로부터 이배엽성 강장동물(자포동물, 유즐동물)이 생겨났다. 이들은 삼배엽성 좌우대칭 동물을 탄생시켰고, 선구동물과 후구동물로 나누어졌다. 척삭동물 가운데 가장 오래된 것 중 현존하는 창고기(amphioxus)는 아가미틈과 배쪽에 척삭이 있어서 척삭동물문으로 분류되고, 여과식자(filter feeder)이지만, 최초의 척추동물은 포식자였을 것으로 추측됨.

조류의 기원 : 최초 조류 화석은 시조새 화석이고, 쥐라기 후기(1억 4,500만년전) 지층에서 발견됨. 조치류 유래 이론에 따르면 조류는 2억년전 트라이아스기 말에 지배 파충류로부터 진화했다. 한편 공룡 유래 이론에서는 백악기 말기(8천만년~1억1천만년전)의 수각류 파충류에서 진화했다고 본다 (그림3.5 박스3.3)

다윈의 공통 유래 이론은 모든 생물이 하나의 조상에서 유래했다고 가정한다. 이론적으로는 모든 화석 집단 또는 현존하는 모든 생물 집단의 조상을 아우르는 계통을 수립할 수 있다.

실러캔스의 화석은 6천만년전의 것이라서 실러캔스가 6천만년전에 멸종했다고 생각했는데, 현재 살아있는 실러캔스가 발견됨.

 4. 진화는 왜, 어떻게 일어나는가?

 1940년대에 이르러 ‘진화의 종합’이라는 합의가 이루어짐. 다윈의 공통 유래 이론은 종의 기원 이후 과학계에 즉시 수용되었으나, 다른 이론은 본질주의와 궁극 원인론 때문에 장기간 수용되지 못함.

 - 유형론적 사고(본질주의) : 겉보기에는 다양한 자연현상들은 각 부류(class)로 구분되고, 각 부류는 정의(본질 essence)로 구분할 수 있으며, 종 역시 그러한 부류 가운데 하나라고 생각함.

본질주의에 대해 다윈은 개체군적 사고로 반박함. 즉, 부류의 경우와 달리 개체군 안에서 각각의 구성원들은 다른 구성원들과 모두 다르다. 따라서 본질은 없다.

본질주의적 사고는 도약 진화 이론을 수용하고, 반면 개체군적 사고는 점진주의를 수용하는 경향이 있다.

- 목적론 : 생명의 세계가 더 완전한 상태로 향해 나아가는 경향이 있다는 생각. 다윈은 목적론을 거부하고 기계적(물리-화학적) 법칙의 지배를 받는다고 생각함.

 진화의 주체는 무엇일까?

본질주의에 기초한 진화 이론 vs. 개체군적 사고

A. 본질주의에 기초한 이론

1. 변환주의 : 돌연변이나 도약에 의해 새로운 종이나 유형이 생성되어 진화가 발생.

2. 변형주의 : 기존 종이나 유형이 환경의 직접적인 영향 또는 명확한 목표 또는 획득 형질의 대물림에 의해 새로운 종이나 유형으로 변형되어 진화가 발생

B. 개체군적 사고에 기초한 이론

3. 변이(다윈주의적) 진화 : 새로운 유전적 변이가 계속 생성되고, 성선택 및 자연선택 등의 과정을 통해 개체군 또는 종이 변화해서 진화가 발생.

- 칸트가 목적론을 채택했다는 사실은 19세기 독일 진화론자들의 사고에 지대한 영향을 미쳤다.

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