진화 ()
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내용 요약
목차
정의
한 집단의 유전자풀이 변화되어 기존의 집단과 상호 교류를 이루지 못하고 새로운 종으로 형성되어 가는 과정.
진화의 개념
소진화
같은 종 내의 작은 유전적 변화를 의미한다. 이는 한 개체군 내에서 유전자풀[즉, 그 개체군을 구성하는 모든 개체들의 대립유전자들이 모인 것]에 변화가 일어나는 것을 말한다. 이러한 소진화의 원인으로는 유전자부동, 유전자 흐름, 돌연변이, 자연선택 등이 있으며, 이들 각각은 유전적평형[하디-바인베르크 평형]에서 벗어나게 만든다. 즉, 하디-바인베르크 평형[P²[동형접합성 우성 대립유전자 빈도]+2pq[이형접합체 빈도]+q²[동형접합성 열성 대립유전자 빈도]=1]이 오랜 기간 유지되면, 유전자 빈도는 변하지 않으며 진화가 일어나지 않는다는 의미이다.
한 집단의 유전자풀에 변화가 일어나는 현상을 유전자부동이라고 한다. 유전자 흐름은 서로 다른 개체군 간에 유전자가 교환되면서 대립유전자의 빈도가 변화하는 현상이다. 이러한 유전적 평형의 변화는 여러 가지 기작에 의해 일어날 수 있다. 예를 들어 한 야생화 개체군에서 꿀벌이 흰색꽃[rr]을 더 선호한다면, 여러 세대에 걸쳐 우성인 적색꽃[RR 또는 Rr]은 감소하고, 열성인 흰색꽃 개체가 늘어나면서 개체군의 유전자풀에 변화가 생기게 된다. 즉, 자연스럽게 개체군이 소진화하는 과정이 일어나는 것이다.
대진화
새로운 종의 분화를 의미하며, A종이 B종으로 변형되는 비분기 진화와 A종이 B종이라는 새로운 종을 분화시키는 분기 진화가 있다. 종분화는 한 개체군의 유전자풀이 부모 종의 집단으로부터 나누어지는 것을 의미한다. 유전자부동과 자연선택에 의한 대립유전자빈도 변화는 생식적격리가 일어나는 이소적종분화와 동소적종분화가 일어나는 현상이다. 또 다른 예로는 과거 고생대의 판게아가 여러 대륙판으로 분리되면서 각각의 개체군이 독립적으로 진화하여 새로운 종이 형성된 경우를 들 수 있다. 이러한 현상들은 지리적격리와 환경적응이 종분화에 중요한 역할을 한다는 것을 보여 준다.
동지역성 종분화는 식물에서 자주 일어난다. 감수분열 과정에서 염색체가 분열하지 않는 배수체의 염색체 수를 만들어서, 같은 지역에 살면서도 염색체 수가 달라 새로운 종분화를 야기하는 경우이다. 또한, 이러한 배수체는 항상 단일 부모종으로부터만 발생하는 것이 아니며, 대부분의 배수체 종들은 두 부모종 간의 잡종화로 인해 형성되는 경우가 많다.
진화의 소스
돌연변이
한 생물체의 DNA에서 일어나는 변화이다. 돌연변이 대립유전자를 가진 개체들이 자연선택이나 유전적부동의 결과로 많은 자손을 생산하는 경우를 말한다. 돌연변이는 자연선택에 기여하는 유전적변이의 원천으로서 진화에 중요한 역할을 한다.
생식과 유전자재조합
생식에는 일반적으로 무성생식과 유성생식 방법이 있는데, 고등한 동식물로 갈수록 자손의 유전자다양성을 확보하기 위해 대부분 유성생식의 방법을 택하게 된다. 이 과정은 정소나 난소에 있는 생식원세포의 염색체가 감수분열을 거쳐 반수체인 정자나 난자를 만들어 내면서 유전자가 재조합되는 현상이다. 정자나 난자는 유전자가 새로이 조합되어 부모 세대와는 다른 유전자조합이 이루어지면서 대립형질의 빈도가 달라지게 된다. 유전자의 다양성을 가짐으로써 변화하는 환경에 적응하는 개체들의 생존율을 높이는 방향으로 진화하고 있다고 볼 수 있다.
진화의 기작
자연선택
유전적부동, 유전자 이동 및 돌연변이는 소진화의 원인이 되지만, 반드시 적응을 일으키는 것은 아니다. 자연선택의 과정을 통해 생물들은 환경에 적응하며, 이러한 적응진화를 통해 유전적변이가 차별적인 생식적 성공을 이루어 결국 유전자풀에 변화가 일어나게 된다. 찰스 다윈(Charles Darwin: 1809~1882)이 언급하였던 자연선택설은 세 가지로 요약할 수 있다. 첫째, 개체마다 변이가 있다. 둘째, 개체의 형질은 부모에게서 자식에게 전달된다. 셋째, 어떤 생존에 유리한 좋은 형질을 지닌 개체는 그 형질을 가지지 못한 다른 개체보다 더 많은 자손을 남긴다.
유전자부동
많은 종들이 넓게 분포하여 살고 있으나, 교배는 일반적으로 가까운 곳에 사는 개체들 간에서 이루어지게 된다. 간혹 지리적 장벽이 생기면 일부 생물들은 소수집단으로만 살아가게 되는데, 이로 인해 유전자의 원천이 희박해지고, 어떤 유전자는 점점 더 흔해지고 어떤 유전자는 점점 희박해져서 결국 사라지게 되는 현상을 유전자부동이라고 한다. 즉, 생물집단의 생식 과정에서 유전자의 무작위표집으로 나타나는 대립형질의 발현 빈도 변화를 의미한다. 유전적부동에 의해 지속적으로 변화하는 대립형질의 발현 빈도 변화가 진화의 주요 요인의 하나로 작용한다.
유전자 흐름
진화가 일어나지 않는 어떤 개체군의 유전자풀은 유전자평형이 유지되기 위해 다른 개체군과 완전히 격리되어야 한다. 하지만 대부분의 개체군은 완전히 격리되지 않기 때문에, 유전자 흐름을 통해 다른 개체군과 유전자를 교환하게 된다. 이로 인해 대립유전자의 획득이나 소실이 일어나면서 소진화를 일으키게 된다. 그런데 일반적으로 유전자의 흐름은 개체군들 사이의 유전적 차이를 줄여 주는 경향이 있어서, 결국 이웃하는 개체군들이 공통의 유전자풀을 갖게 되고, 이로 인해 새로운 종의 진화를 막을 수도 있다.
진화의 결과
적응
환경은 끊임없이 변화한다. 이러한 변화 속에서 생존할 수 있는 적합한 형질을 가진 개체들이 더 많이 살아남는다. 한 집단 내의 개체들은 다양한 유전자를 가지고 있기 때문에, 그중에서 환경에 잘 적응하는 형질이 발현된 개체들이 더 유리하게 되어 더 많은 자손을 남기게 된다.
공진화
서로 밀접한 상호 관계[예를 들어 포식과 피식 관계, 기생관계, 공생관계 등]를 지닌 종 간에 한쪽이 분화되어 감에 따라 상대 종도 함께 분화되는 과정이다.
공생
생존을 위해 특정 종과 밀접한 관계를 맺고 살아가는 관계를 말한다. 예를 들어, 꽃과 나비 또는 벌과의 관계처럼 서로에게 이익이 되는 경우를 상리공생이라고 하고, 기생충처럼 숙주에게서 영양분을 섭취하면서 한쪽만 이익을 얻는 관계를 기생관계라고 한다. 또한, 한쪽만 이익을 얻고 다른 쪽은 이익이나 해가 없는 경우를 편리공생이라고 부른다.
멸종
한 종이 지구상에서 살다가 절멸한 것을 멸종[Extinction]이라 부른다. 지구의 생물들은 다섯 차례의 대절멸을 겪었다. 첫 번째는 고생대 오르도비스기 후기[약 4억 4000만 년 전], 두 번째는 고생대 데본기 후기[약 3억 6500만 년 전], 세 번째는 고생대 페름기 후기[약 2억 2500만 년 전], 네 번째는 중생대 삼첩기 후기[약 2억 1000만 년 전], 다섯 번째는 중생대 백악기 후기[약 6500만 년 전]이다. 현재 여섯 번째 멸종 시대가 도래하였다고 하며, 이는 인간에 의한 멸종 위기로 불리고 있다.
진화의 역사
생명의 기원
찰스 다윈의 진화 이론이 발표되면서 많은 학자들이 이에 동조하며 지구상의 생명 태동에 관심을 갖게 되었다. 1924년에 러시아 화학자인 오파린(Oparin)이 ‘생명의 기원설’을 발표하였다. 그는, 처음에 지구상에 자연스럽게 생명체가 생겨났다는 가설을 세웠다. 그리고 이후에 생물속생설을 통해 생명의 기원을 설명하였다. 먼저, 원시지구의 대기는 수증기[H₂O], 암모니아[NH₃], 메탄[CH₄], 수소[H₂]로 이루어져 있었으며, 이들로부터 화학반응이 일어나 단순한 생체 화합물[유기화합물]이 형성되었다. 밀러가 1953년에 원시대기에 고압 전류를 방전시켜 아미노산이 합성되는 것을 증명한 것도 이와 관련된 실험이다. 이렇게 분자량이 작은 단량체들이 농도가 높아지면서 중합체를 형성하고, 농축 과정이 일어나면서 막[코아세르베이트 설]이 형성되었으며, 이로 인해 외부 환경과는 다른 농도의 물질들이 생기게 되었다. 내부 물질은 효소의 반응을 통해 핵산이 형성되고, 이를 바탕으로 단백질이 합성되면서 원시 생물계가 형성되었다. 점차 원핵세포가 생겨나고 원핵생물체로 진화하며, 이후 차츰 진핵생물체가 출현하게 된다는 것이 오파린의 생명의 기원설이다.
공통 조상
두 생물집단이 하나의 조상으로부터 분화되었다면, 이를 두 집단의 공통 조상이라고 한다. 찰스 다윈은 『종의 기원』[1859년]을 발표하면서, 모든 생물은 진화를 거슬러 올라가면 최초의 공통 조상에 이른다고 하였다. 헤켈은 “개체발생[Ontogeny]은 그 종의 계통발생[Phylogeny]을 반복한다”는 발생반복설을 주장하였다. 예를 들어 척추동물의 배(胚) 발생을 비교해 보면, 어류에서 포유류까지 배 발생 초기에는 매우 비슷한 모습들을 지니고 있다.
진화 이론의 역사, 사회문화적 반응
지구상의 생물은 불변한다는 인식, 즉 창조되었다는 생각은 중세기뿐만 아니라 다윈의 시대에도 지속되어 왔다. 분류학의 기초가 되었던 생물체에 학명이라는 이름을 처음으로 붙인 칼 린네(Carl Linnaeus: 17071778)도 지구상의 생물들은 불변하는 것이라고 생각하였다. 그러나 지구는 공전하고, 지구는 둥글며, 우주의 중심이 아니라는 생각이 널리 받아들여졌다. 또한, 지질 연구를 통해 지구의 역사가 매우 오래되었음을 알 수 있으며, 멸종한 생물들의 화석이 발견되면서 진화론이 많은 사람들로부터 인정받게 되었다. 진화론이 한창 논란이 되던 시절, 찰스 다윈의 가까운 친구였던 토마스 헨리 헉슬리[18251895]가, 자신을 원숭이의 후손이라고 비꼬는 반진화론자인 영국국교회 주교 새뮤얼 월버포스에게 “진실을 두려워하는 인간이 될 바엔 차라리 원숭이의 후손이 되겠다”라고 말한 일화는 유명하다.
최근에도 진화론이 아닌 종교적[기독교적] 창조론을 강조하는 단체들과 개인들이 많다. 그 대표적 사례로 미국은 1987년 미연방대법원에서, 창조론은 종교로서 공립학교에서 수업으로 가르칠 수 없다고 판결하였다. 2005년 미국 펜셀베니아 도버 지역의 교육위원회에서는 창조론 명칭 대신 지적설계론 명칭을 내세워 소송을 걸었다. 지적설계론이라는 초자연적 현상도 자연현상의 하나로 과학의 범위에 들어가기 때문에 공립학교 과학 수업에서 가르쳐야 한다는 것이었다. 미국 연방대법원은, 지적설계론은 과학이 아니라 창조론을 반박하기 위한 종교적 이론으로 종교와 국가 제도의 분리 원칙에 따라 과학 수업에 넣을 수 없다고 판결하였다.
다윈진화
이기적 유전자
리처드 도킨스는 진화를 유전자의 역사로 보면서, 생물체들은 자신이 지닌 유전자를 다음 세대에 전달하는 운반체의 역할을 한다고 하였다. 그는 동물의 사회적행동의 진화를 유전자의 측면에서 분석하고자 하였으며, 유전자는 자신의 유지와 번식을 위해 이기적이고 이타적인 행동을 할 수 있다고 설명하였다. 즉, 이러한 행동들은 모두 자신의 유전자를 남기기 위한 전략이라는 것이다.
기생충의 진화
기생충은 숙주로 알려진 다른 유기체의 외부 또는 내부에 기생하면서, 생존을 위해 숙주에 의존해 가며 살아가는 유기체이다. 따라서 숙주의 분화에 맞추어 진화해 가는 공진화의 대표적 분류군이다.
성선택과 성의 진화
생물체들은, 특히 동물의 경우는 암컷이 수컷을 선택하는 경우가 일반적이다. 이는 다음 세대에 더 좋은 유전형질을 물려주기 위해서이다. 수컷은 정자를 전달하는 역할에 초점이 맞추어져 있지만, 암컷은 생명이 발생하는 동안 영양분과 에너지를 공급받을 수 있기 때문에 더 신중하게 수컷을 선택한다. 따라서 일반적으로 수컷은 화려한 외모와 구애 행동을 발달시켜 암컷의 관심을 끌려고 노력한다.
번식 체제의 진화
유성생식을 하는 생물체는 자신이 지닌 유전자의 50%만을 다음 자손에게 전달한다. 그러나 사회성곤충인 개미나 벌은 여왕벌[여왕개미]만 번식의 기회를 갖고, 암컷인 일개미나 일벌은 번식의 기회를 갖지 않으며, 다만 친족의 보육이나 먹이 습득에만 집중하게 된다. 이러한 혈연 개체에 대한 이타 행동의 진화를 설명하는 이론이 바로 혈연선택설이다. 반배수성을 지닌 여왕벌[여왕개미]이 낳은 암컷[딸]은 모두 자매이기 때문에 혈연도가 75%[3/4]가 된다. 이는 자신의 딸을 키우는 것보다 자매를 키우는 것이 더 많은 유전자를 자손에게 전달할 수 있다는 의미이다.
참고문헌
단행본
캠벨, 리스, 시몬, 『교양인을 위한 캠벨 생명과학』(윤치영, 고상균 옮김, 월드사이언스, 2006)
리처드 도킨스, 『이기적 유전자』(홍영남 옮김, 을유문화사, 2002)
존 메이나드 스미스, 에올스 스자스마리, 『40억년 간의 시나리오』(한글동물학회 옮김, 전파과학사, 2001)
프란츠 부케티츠, 『(유전자인가, 문화인가)사회생물학 논쟁』(김영철 옮김, 사이언스북스, 1999)
에른스트 마이어, 『이것이 생물학이다』(최재천 외 옮김, 몸과 마음, 1997)
성기창 외, 『생물진화학』(형설출판사, 1995)
정용재, 『찰스 다윈: 인간 다윈과 다위니즘』(민음사, 1988)
집필자