고등한 생물일수록 유성생식을 한다. 그러나 유성생식은 유전자를 반으로 가르고 짝을 찾기 위해 고생을 해야 하는 등 많은 비용이 든다. 그런데도 생물들이 유성생식을 고집하는 이유는 뭘까.
과학에서는 가장 쉬운 질문이 가장 대답하기 어려울 때가 많다. 성(sex)에 관한 문제도 바로 그런 것 중 하나다. 우리가 가장 관심있는 것 중 하나이면서도 실제로는 거의 아는 바가 없다. 가령 어린아이가 "남자가 뭐고 여자가 뭐야?"라고만 물어도 쉽게 대답할 말이 떠오르지 않는다. 더군다나 한참 호기심 많고 영특한 아이가 한발 더 나아가 "그게 왜 있어?" 혹은 "그런데 왜 남자하고 여자하고 둘뿐이야?"라고까지 묻게 되면 말문이 막혀버린다. 설혹 생물을 전공한 사람이라 할지라도 마찬가지다.
고등한 생물의 99.9%가 유성생식을 한다. 이렇게 많은 생물들이 유성생식을 하는 데는 그만한 이유가 있을 것이다. 또한 자연선택설에 따른다면 그 이유는 분명 좋은 것이어야 한다. 뭐가 좋을까? 고등학교만 졸업한 사람이라면 금방 얘기할 수 있다. 유성생식이 좋은 것은 변이가 생기기 때문이라고, 환경에 보다 잘 적응한 후손을 만들어낼 가능성이 많으니까 좋은 것 아니냐고. 맞는 말이다.
그러나 여기에 의문을 제기한 사람이 있다. 존 메이나드 스미스(John Maynarth Smith)라는 영국 서섹스 대학의 생물학 교수가 바로 그다. 그에 따르면 성이 새로운 개선된 후손을 만들기 때문에 좋다는 것은 집단선택설 냄새가 난다는 것이다.
집단선택설의 대표적인 예는 무시무시한 포식자가 주위에서 먹이를 구하려고 어슬렁거리는 것을 처음 본 피식자집단 동물 중 하나가 자신이 제일 두드러지게 되는 위험을 무릅쓰고 소리를 내어 경고음을 발하는 것이다. 그는 성이 다양한 변이를 만들기 때문에 좋은 것이라고 한다면, 그 종에는 변이가 생겨서 좋을지 모르겠으나 개체들 하나하나에는 어떤 좋은 점이 있느냐며 의아해 했다.
유성생식은 비싼 대가를 치른다
유성생식하는 과정을 생각해보자. 자신의 염색체 절반을 성세포(정자 혹은 난자)에 주게 된다. 그 결과 후손은 자신의 유전자의 절반만 가지게 된다. 반면에 클론을 형성하는 무성생식은 자신의 모든 유전자를 다음 세대에 몽땅 전달할 수 있다. 만약 자연선택이 자신의 유전자를 많이 가지고 있는 후손을 선호하면서 개체들에 작용한다고 가정해보면 성은 아무런 의미도 가지지 못하는 것이다. 제 정신이라면 누가 교미를 선택하겠는가!
무성생식인 클로닝은 상동염색체를 아무 생각없이 둘로 나눌 필요가 없으며 다시 완전한 하나의 개체를 이루기 위하여 합칠 필요도 없다. 단지 둘로 나뉘거나 출아(出芽)를 하면 된다. 더군다나 짝을 찾는데 시간을 낭비할 필요도 없다. 짝을 찾는데 들이는 시간과 에너지는 전부 먹거나 포식자로부터의 위험에서 벗어나는데 쓰여질 수 있는 소중한 시간이다.
그나마 수컷은 한결 낫다. 수컷이야 유전자만 기여하면 되지만 암컷은 더 큰 대가를 지불한다. 임신을 해야 하고 키워야 하는 것이다.
그러므로 성이 변이가 있어서 좋다는 것은 그 종에게는 좋을지 몰라도 그 구성원인 개체들에게는 전혀 이로울 게 없다. 성이 강요하는 희생은 집단선택설을 이용하면 설명할 수 있다. 명백히 두 개체의 유전자를 조합함으로써 유전적 변이가 만들어지면 그건 종 전체에게 틀림없이 득이 된다. 그러나 포식자가 나타났다는 걸 죽음을 무릅쓰고 알리는 동물처럼 성을 가지는 개체에겐 분명히 매우 불리해 보인다.
메이나드 스미스(Maynard Smith)는 저서 '성의 진화'(The evolution of sex)에서 거의 모든 페이지에 걸쳐 "이것이 그렇게 되리라고 생각하기는 매우 어렵다.…라 주장하는 데에는 매우 어려운 점이 있다"라는 식으로 이런 문제점을 지적했다.
이는 많은 젊은 과학자들이 진화생물학에 있어서 중요한 문제를 다시 생각게 하는 계기가 되었다. "왜 우리가 성 때문에 고통 받아야 하는가?" 이렇게 문제가 일단 부각되자 많은 젊은 과학자들이 진화에 노다지를 찾듯 몰려들었다.
캘리포니아 대학 수리유전학자 마이클 로즈(Michael Rose)는 세균접합을 원시적 성의 형태라고 생각한다. 접합은 한 세균에서 다른 세균으로 접합관이 자라서 서로 연결되면 이를 통하여 플라스미드 양성세균으로부터 음성세균으로 플라스미드가 이동하게 된다.
이 플라스미드는 자체의 목적이 오로지 증식에만 있는 조그만 DNA 조각인 전형적인 이기적인 유전자를 포함하여 가능하면 많은 숙주에 자신의 복제물이 많이 분포하도록 유도한다. 그 과정에서 원래 세균의 유전자 상에 위치하던 DNA조각이 플라스미드에 달라붙어서 다른 숙주로 들어갈 수 있다.
이렇게 되면 숙주는 우연히 들어온 다른 세균의 DNA로부터 이익을 얻을 수 있다. 로즈를 비롯한 몇몇 학자는 이런 이기적 DNA가 태초의 성의 형태를 설명할 수 있다고 주장해 왔다. 그들은 초기 단세포 생물에서 이기적 유전자는 한 개체에서 다른 개체로 여행하기 위하여 접합관을 만들지 않았다고 생각한다.
세균접합이 원시적 성이다?
즉 이기적 유전자는 수정 동안 정자와 난자가 결합하는 태초 형태로서 두 개체가 실제적으로 융합할 것을 강요했고 그 뒤 이 기생적 DNA는 개체군 전체가 성을 가지게 될 때까지 전염병처럼 퍼질 수 있었다는 것이다. 이런 식으로 성의 기원을 설명하는 가설을 '유전자 전달설'이라고 한다.
이와 경쟁하는 다른 가설은 미코드(Miched) 같은 사람이 주장한 DNA 회복설(DNA repair theory)이다. 그는 DNA가 정보를 전달하는 수단이므로, 성은 처음엔 메시지를 직접 받는 수단이었으며 변이를 만들기 보다는 오류수정 같은 것이 목적일 수 있다고 주장한다.
그는 1988년에 'DNA 회복을 위한 성'(Sex-for-DNA-repair)을 고초균(Bacillus subtilis)을 재료로 한 실험을 통해 증명했다. 고초균은 주위에 떠다니는 DNA를 삼켜서 자기 것으로 만드는 형질전환 성질을 가진다. 미코드는 이 미생물들이 환경 자극에 의해 야기된 DNA 결함을 치료하기 위해 외부에서 도입된 DNA를 사용할 수 있다고 생각했다. 그 증거로서 손상된 세균이 그렇지 않은 세균보다 훨씬 많은 DNA를 사용했고 보다 성공적으로 복제함을 보였다.
로즈는 이를 보고 죽은 세균과의 교미는 전혀 교미를 하지 않은 것보다 확실히 낫다고 코멘트했다.
그러나 로즈나 미코드가 변이의 중요성을 과소평가하는 것은 아니다. 그들이 말하고자 하는 것은 재조합-원시적 성-은 변이를 만들기 위해 존재했던 것이 아니라는 것이다. 즉 변이는 아주 유용한 것으로 판명된 성의 효과이고 원래 이유는 다른 데 있었으리라는 추측이다. 원시적 성에는 어떤 단기간의 이익이 있는 게 틀림없는데 그게 바로 DNA 회복이라는 것이다.
캐나다 브리티시 캠브리지대학의 생화학자 로즈마리 레디필드(Rosemary Redifield)의 견해는 아주 재미있다. 그녀는 물론 성의 기원에 관한 미코드의 견해에 동의하지만, 또한 세균이 형질전환 과정에서 보여주는 회복행위는 마구잡이식이라는 걸 주목했다. 그러면서 성의 선구가 되는 것 같은 이 DNA 흡입(형질전환)을 자극하는 것은 무엇인지에 대해 의문을 제기했다. 그녀의 생각으로는 생리적 욕구, 즉 배고픔이 자극제가 된다.
DNA 분자는 염기를 매달고 있는 당과 인산이 교대로 결합하여 이루어져 있다. 이 DNA가 분해되면 당과 염기가 된다. 그녀는 이런 DNA의 구성에 착안하여 DNA를 마치 우리가 어릴 때 먹었던 줄줄이 사탕같은 분자적 사탕이라고 간주했다. 따라서 그 메커니즘은 정확히 이해되지 않았다 할지라도, 세균이 배가 고프면 세포벽을 통해 스파게티를 빨아들일 수 있다는 것이다. 이렇게 DNA 과자를 먹게 되면 당을 얻기 위해 한가닥을 자유로이 떠다니게 내버려둔 채 우선 DNA두가닥 중 다른 한가닥을 먼저 소화시킨다. 이어서 두번째 가닥도 소화될 수 있다. 그러나 세균 자신의 DNA가닥과 짝을 이루게 되면 (특별히 손상된 부위), 원래의 DNA를 갈아치울 수 있다. 이때 방출된 손상 된 DNA는 소화된다. 그럴 듯한 이 시나리오의 각 단계는 이미 관찰되었다. 그러나 전체적인 이야기는 증명되어야 할 과제다.
성의 수수께끼는 아직 해결해야 할 것이 많이 있다. 처음 어떻게 성이 시작됐고 무엇이 그것을 가능하게 했는지에 대해, 누구나 아이디어를 가질 수 있다. 그러면 어떤 것이 가능하다는 사실이 실제로 그것이 일어난다는 걸 보증하지는 않는다.
성의 기원에 대한 구구한 해석
또 하나 성에 관한 질문이 있다. "왜 그렇게 많은 생물들이 성을 시도한 후 다시 무성생식으로 돌아가지 않고 성에 집착하는 것일까?", '어떤 힘이 성을 유지하는 것일까?"
언뜻 보면 무성생식은 결코 패퇴하지 않을 것처럼 보인다. 짝을 찾으려고 시간낭비를 할 필요도 없고 가치있는 유전자를 뒤죽박죽 섞을 위험도 없으며 보다 많은 복제품을 후손에게 전달할 수 있다. 그러나 무성생식형 생물은 가장 하등한 생명 형태에 널려 있는 반면, 보다 고등한 동물에선 희귀한 집단을 이루고 있다. 진화의 사다리에서 높이 올라가면 올라갈수록 무성생식하는 종은 줄어든다.
왜 더 많은 생물이 무성생식에 의한 클론으로 되돌아가지 않을까? 우리가 이제는 떨쳐 버릴 수 없도록 성의 조작에 너무 깊이 맡겨진 것은 아닐까?
실험 조작으로 한 부모에게서 염색체 전부를 받도록 고안된 쥐의 배가 발생과정에서 빨리 죽었다는 최근의 연구는, 성의 지속성의 일부분을 이런 측면으로 설명할 수 있다는 걸 제안한다. 부모의 성이 후손에게 어느 정도 없으면 안되는 영향을 남기는 것이다. 따라서 언제부터인가 수컷은 모두를 위해 필수불가결한 존재가 된 것 같다.
성은 크기나 모양과 같은 특징에서 변이를 만들어내고, 종이 환경적 충격에 유연하게 적응하도록 하므로 결국 이익이 된다는 게 초기의 설이었다. 그렇다면 적응을 잘하는 유성생식 생물은 생물들이 사는 곳 중 오지라고 할 수 있는 지역에서 더 많이 발견되고 클론은 살기 좋은 지역에서 거주해야 한다. 그러나 조사를 해보니 사실은 정반대였다.
클론은 생물이 살기 힘든 지역에서 우세한 경향이 있고 유성생식형은 환경적으로 안정된 지역에서 생태적 지위를 차지했다. 어찌된 일일까?
클론은 일반적으로 생물들이 살기 어려운 곳이나 짝을 찾는 게 사소한 일이 아닌 지역에서 번성한다. 이는 클론이 생명이 풍부한 지역, 종간 종내 경쟁이 치열한 안정된 생태계의 경기장에서는 비틀거리기 때문이다.
스티븐 켈리(Steven Kelly)는 워싱턴대학에서 한 잡초(Anthoxanibum adoratum)를 재료로 실험했다. 이 식물은 꺾꽂이용 가지에서 증식하는 클론형과 씨에서 자라는 유성생식형 두가지 형태가 모두 있다. 그는 이 두가지 형태의 4천여 그루 식물을 야외에 심어서 2년 이상 관찰하며 꽃의 수를 세어보았다. 결과는 성적으로 번식시킨 식물이 거의 1.5배 정도 꽃대가 더 많았다.
꽃의 수는 미래의 번식 규모의 수치로서 진화생물학의 적응도로 간주된다. 1.5배의 적응도라면 진화적으로 엄청난 이점을 가진다고 할 수 있다. 물론 자신의 유전자 절반을 포기하고 시도한 성에 투자한 비용을 뽑기에는 충분치 않지만 그래도 상당히 고무적인 것은 사실이다. 더군다나 클론은 빨리 죽는 경향이 있기 때문에 그 식물이 오래 살면 오래 살수록 격차는 더욱 커진다고 할 수 있다. 유성생식하는 식물에도 실질적인 단기이익이 있는 것이다.
환경변화에 적응키 위한 방책
켈리의 실험은 성이 이점을 제공한다는 유일한 기록이다. 그러나 왜 성이 이러한 강점을 보여주는지는 밝혀주지 못했다. 다만 켈리는 그의 유성생식 초본이 병을 일으키는 미생물에 의해 공격을 덜 받기 때문에 번성한다고 생각했다.
진화경쟁에서 살아남기 위해서 모든 생명체는 병원균을 극복하기 위해 애쓴다는 켈리의 육감은 많은 과학자들의 공감을 얻었다. 사실 병원균은 작지만 번식 속도와 수에 있어서는 강점을 가진다. 순식간에 번식하며, 숙주가 느린 번식시간표에 따라 움직일 때 수많은 돌연변이를 야기한다.
따라서 성에 의하여 부여되는 유전적 다양성이 적어도 숙주가 다양한 적들에 대항하여 싸울 기회를 주며 그것이 제공하는 작은 숨쉴 여지가 성을 투자한 보람이 있도록 만든다는 가정은 그럴 듯해 보인다. 그러나 문제는 그렇게 단순하지도 않다.
생물이 유전적으로 다른 생물집단을 만듦으로써 병원체를 혼동시키기 위해 성을 선택했다고 가정해보자. 그러면 동시에 바이러스 세균 기생생물같은 온갖 종류의 적들도 마찬가지로 그들과 함께 진화하고, 적들은 또한 숙주의 방어술을 계속하여 연구해왔기 때문에 집단을 감염시키는데 있어서도 아주 교활할 것이다.
따라서 병원체는 진화 과정상 일종의 면식이점(home-field advantage)을 보여줄 것이다. 이런 면식이점을 증명한다면 성이 진화상 병원체에 대항할 수 있는 이점을 가지기 때문에 유지된다고 말할 수 있다.
인디애나 대학의 생물학자 커티스 리블리(Curtis Lively)는 뉴질랜드 호수에서 살고 있는 담수산 달팽이(Patamopyrqus antipodarum)와 그 기생충(Microphallus)을 가지고 연구했다. 그는 만약 병원체와 숙주 사이에 진화적 군비경쟁이 발발한다면 이들 달팽이에서 기생충에 민감한 유전적 토대를 볼 수 있을 것이라고 추론했다.
이런 추론에 근거하여 그는 기생충이 극복할 수 없는 3백m 이상의 높은 산으로 분리된 두 호수에서 달팽이와 기생충을 얻었다. 이 달팽이를 같은 통 속에 넣고 일부 통은 한 호수의 기생충으로 감염시키고 나머지 통들은 다른 호수의 기생충으로 감염시켰다. 물론 각 호수의 달팽이는 껍데기의 차이로 식별이 가능했다.
결과는 예상대로 면식이점을 보여주었다. 그들은 함께 진화해온 달팽이는 쉽게 감염시켰다. 그러나 익숙지않은 유전형을 가진 다른 호수의 달팽이에게는 무력했다 이 사실은 다양한 후손을 낳는 것이 기생충 감염을 막을 수 있는 이익이 있음을 제안한다.
더욱이 이미 행해진 보다 일반적인 달팽이 조사에 따르면 기생충으로 심하게 감염된 호수에서는 다양한 인자형을 갖는 유성생식 달팽이가 클론의 숫자를 크게 앞지른 반면 거의 기생충이 없는 호수에서는 무성생식형이 집단에서 더 큰 부분을 차지했다. 확실히 보다 많은 기생충이 달팽이를 핍박하면 할수록 성에 대한 동기는 더욱 커졌다.
만약 세상에 병원체가 없다면 많은 종들에게서 무성생식형 클론이 우세할 수 있었을 것이다. 그러나 병균이 창궐하는 세상에서는 유성생식형이 지배적이다. 유전자를 섞음으로써 성은 드문 인자형을 가진 다양한 후손을 만들어낸다. 그것은 그들의 적보다 한발 더 앞서 나갈 수 있는 방책이 된다.
성의 부활적인 측면
19세기 후반에는 성의 이점이 무엇인가에 대한 한 설명으로 부활설(Rejuvenescence Theory)이 유행했다. 그 설을 옹호한 사람들은 짚신벌레와 같은 단세포생물 군체는 무성생식을 계속하면 노화하지만 주기적인 접합으로 생기를 되찾고 군체는 부활한다고 주장했다.
물론 지금 무성생식을 계속하게 되면 노화한다는 개념은 배격된 지 오래다. 그러나 바이즈만(Weismann)을 비롯한 많은 학자들에 의하여 공격당한 부활설의 중심 개념은 아직 살아 있다.
유성생식형이 병균에 강한 인자형을 가진 후손을 계속하여 만들어내고 손상받은 DNA가 성을 통하여 치유되며 성적으로 번식한 잡초의 꽃대가 1.5배 더 많다는 사실이 성의 부활적인 면을 보여주는 것이다.
"성은 시간을 소모하고 비능률적인 것일 수 있다. 그러나 그것은 가야만 하는 그런 길이다."
