d라이브러리

※ 다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 진화 발생생물학에서는 생물을 레고블록으로 끼워 맞춘 형태라고 생각한다오. 레고로 만든 모형들이 있을 때 공통으로 들어간 레고블록은 생물로 따지면 조상에게 물려받은 공통유전자에 해당하고, 각각에 들어간 독특한 레고블록이 바로 생물 종이 왜 서로 다른 모습을 나타내는지 결정짓는 유전자라고 할 수 있소. 예를 들어 인간을 비롯한 척추동물엔 무척추동물한테는 없는 턱이나 척추, 인 두라는 레고블록이 있는 셈이오.

이 레고블록이 요즘 학자들이 표현한다는 조절부위라는 것이라오. 조절부위의 변화가 발생의 차이를 만든다는 증거에는 이런 것들이 있소. 나비 날개에 점이 있고 없고를 결정하는 옐로우 유전자 조절부위, 민물과 바다에 사는 가시고기의 가시 구조 차이를 결정하는 Pitx1 유전자 조절부위 그리 고 박쥐의 긴 팔 발생에 관여하는 Prx1 유전자 조절부위 같은 것들이오.

그렇다면 하등동물에서 고등동물로의 진화는 어떻게 일어날 것 같소? 진화발생생물학자들은 그래서 복제라는 개념을 강조하오. 가령 척추동물은 무척추동물보다 유전자 수가 더 많은데, 이는 유전자 복제에 의한 것이라는 식이오. 발생학적으로는 유전자 수가 증가하면 이들 사이에서 다양한 상호작용이 생겨나고 이로부터 복잡한 즉 더 고등한 동물이 나오기 유리하오. 아메바 같은 단세포생물이 다세포생물로 진화할 때도 유전자복제가 대량으로 일어났다고 하오.

나는 이들 발견이 대단하다는 점을 인정하지 않을수 없소. 하지만 한편으론 이들이 나의 진화론에 얼마나 부합하는지 따져 보지 않을 수 없었다오. 사실 유전자 조절부위란 얘기를 들었을때 가장 먼저 내 머릿속에는 변이라는 단어가 떠올랐소. 내 진화론에 조절부위 이론을 넣어보면, 생물이 발생하고 진화하기 위해서는 결국 변화를 위한 돌연변이가 내재돼야 하고, 집단이 환경에 적응하면서 자연선택된 변이, 그 중에서도 우량 유전자가 집단에 퍼져야하오. 이게 적자생존 아니겠소.

그런데 유전자 조절부위를 발견한 것만으론 이것이 뒷받침되지 않소. 박쥐의 팔을 길게 만든다는 Prx1 유전자를 생쥐에 넣어 생쥐 앞다리가 길어졌다고 하더라도 이것이‘자연선택’돼 후손에게 퍼질 것이라고 어떻게 장담하겠소. 그래서 내놓은 해결책이 이런 것이오. 나비 날개의 안점을 보면 짧은 세대 동안에도 커지거나 아예 없어지기도 한다는 구려. 이런 예를 볼때 작고 숨겨진 변이들이 큰 진화적 변화를 일으킬 가능성을 배제할수 없다는 식이오. 다시 말해 작은 진화들이 생물 집단에존 재하다가 적절한 환경에 노출되면 동반 작용을 일으켜 거대한 진화를 일으킨다고 설명한다오.
- 과학동아 2009년 1월호‘유전자에서 찾는 21세기 진화법칙’

(나) 다윈의 저서인 종의 기원에서 특히 중요한 것은 진화를 자연선택으로 설명했다는 점이다. 다윈은 자연선택이 작용하려면 개체군에 반드시 유전적 변이가 존재해야 한다고 생각했다. 예를 들어 몸의 색깔이 다르고 교배가 가능한 개체들로 이루어진 단일 종의 딱정벌레집단이 있다고 하자. 눈에 잘 띄는 색깔을한 딱정벌레는 천적인 새에게 많이 잡아먹히게 되므로 개체수가 줄어드는 반면, 눈에 띄지 않는 색을 가진 딱정벌레는 살아남아 번식을 하므로 결국 원래의 그룹과 다른 딱정벌레그 룹이 생기게 될 것이다. 이는 자연선택에 의해 한 개체군의 색깔 비율이 결정됐음을 의미한다.
- 라이프 싸이언스‘생명과학’

(다) 지구 내부의 열분포를 조사해보면 맨틀 하부에서 지구 표면까지 뻗쳐있는 열기둥이 있는데, 이를‘플룸’이라 한다. 판구조론은 맨틀이 바다 위의 뗏목처럼 수동적으로 이동한다고 설명하지만 플룸구조론은 판 운동의 근본적인 원동력을 플룸의 운동으로 설명한다. 지구 중심에 가까운 곳에서 뜨거워진 플룸이 상승하면 대륙이 분리되고 해저에서는 해령이 만들어진다. 여기서 만들어진 해양판은 점차 식으면서 확대되다가 해구에서 다른판 아래로 밀려들어간다. 밀려들어간 해양판은 한 덩 어리의 차가운 플룸이 돼 아래로 떨어지는데, 이때 생긴 반발력으로 뜨거운 플룸이 다시 위로 솟는다. 플룸구조론은 맨틀의 대류를잘 설명하는 이론인 동시에 초대륙에 대한 중요한 의미를 갖는다. 지구의 진화과정 속에서 차가운 플룸이 대륙판을 끌어 모아 초대륙을 만들고, 뜨거운 플룸이 초대륙을 다시 쪼개는 일을 약 5억~7억년 주기로 되풀이한다는 주장이 가능하기 때문이다.
- 과학동아 2008년 2월호‘2억 5000만 년 뒤 초대륙이 다시 온다!’

(라) A kipuka is an area of land completely surrounded by one or more younger lava flows. A kipuka forms when lava flows on either side of a hill, ridge, or older lava dome as it moves downslope or spreads from its source. Older and more weathered than their surroundings, kipukas often appear to be like islands within a sea of lava flows. They are often cov­ered with soil and late ecological successional vegeta­tion that provide visual contrast as well as habitat for animals in an otherwise inhospitable environment.
-위키피디아‘Kipuka’

(마) 하와이는 지질학적으로 다음과 같은 특징이 있다.
① 하와이 제도는 하와이 섬에서 북서쪽을 향하여 여러개 의 섬이 일렬로 배열돼 있다.

② 하와이섬 중에서 활화산은 킬라우에아 화산, 마우나 로아 화산, 물속에 있는 로이히 화산뿐이다. 이러한 특징을 분석해 지구 과학자들은 하와이제도의 탄생을 다음과 같이 해석했다. 하와이섬 바로 아래의 연약권 속 에는 고정된 마그마 방(열점)이 있고 그 방에서 마그마가 분출된다. 이때 그 위를 해양판이 이동 하면 그림과 같이 일렬로 배열된 화산섬이 만들어 진다.

-고등학교 과학-대한교과서

1) 현재 하와이 제도에 존재하는 초파리의 종류는 발견된 것만 500종이 넘는다. 그러나 이들 모두는 사실한 종류의 초파리로부터 생겨난 자손들이다. 이렇게 판단할 수 있는 이유를 제시문을 바탕으로 설명하라. 또한 이 초파리들의 조상과 동일한 종류의 초파리가 섬에 살고 있다면 어떤 섬에 살고 있을지 추론하고 그렇게 판단한 이유를 설명하라.

2) 1)번 문제에서 하와이 제도에 사는 초파리의 종류는 섬의 수보다 훨씬 많다. 제시문을 바탕으로 분화된 초파리의 종류가 많은 이유를 설명하라.

3) 하와이 제도 초파리들 중에서 기원이 되는 종의 구애 행동이 가장 복잡하다고 가정해보자. 과연 구애행동으로 가장 오래된 초파리 종을 구별하는 것이 합당한지를 설명하라.

전문가 클리닉
1) 제시문에서 하와이 제도의 생성과정과 지리적인 특성을 통해 초파리가 하와이 제도에 퍼지게된 과정과 분화 과정을 추론해야 합니다.

2) 종의분화가 어떻게 일어나는지를 명확하게 이해하고 다양한 종의 분화가 일어날 수 있었던 하와이 제도의 특징을 찾아내야만 논제에 답할수있다.

3) 초파리 구애 행동의 복잡 정도가 번식에 어떤 영향을 미칠지 예상한다면 그 논리적 구조를 완성할 수 있습니다.

예시답안
1) 하와이 제도는 판의이 동과판 아래 열점의 활동 결과 생겨난 섬들이 열을 지어 모여 있는 지형이다. 이곳의 형성과정은 열점에서 생성된 마그마가 판의 얇은 부분을 뚫고 나오는 것으로부터 시작했다. 분출된 마그마에 의해 해산이 형성되고 이 해산은 바다 위로융기되면서 섬이 됐다. 섬은 아래에 있는 판이 이동하자 점차 열점으로부터 멀어졌는데 열점 위에서 는 최초의 섬을 만든 과정이 다시 일어나면서 새로운 섬이 형성된다.

따라서 하와이 제도 생성 초기에는 판의 이동 방향의 가장 위쪽의 섬인 그림의 카우아이섬만 존재했으므로 카우아이섬에 있던 초파리만 존재했을 것이다. 지금 하와이 제도에 있는 약 500종의 초파리는 카우아이섬의 초파리가 새로 만들어진 섬으로 유입된 후 세대를 거듭하면서 다른 종으로 진화된 결과라 볼 수 있다.

2) 다윈의 진화설에 따르면 진화는 자연선택에 의해서 일어난다. 자연선택이 작용하려면 환경의 변화가 있어야 하는데, 종의 분화 같은 자연선택은 환경의 격리가 있을 때 일어난다. 제시문(라)에서 소개된 키프카(kipuka) 또한 초파리의 분화를 일으킨 작동 원인이다. 하와이 제도의 키프카는 용암으로 둘러싸여 있기 때문에 이곳과 외부의 환경은 매우 다르다.

섬에서 분화 가능한 초파리 종의 수를 예상하기 위해 초파리가 없고 키프카가 하나인 섬A가 있다고 가정해보자. 첫 번째 분화 가능성은 섬A 에 유입된 α종의 초파리가 키프카로 유입되지 않고 섬 A의 환경에 적응한 다음 다른 종으로 분화되는 경우다. 이 초파리를 α와 구분하기 위해서 α′초파리라 부르자. 두 번째 분화 가능성은α종 의 초파리가 섬의 외부에서 곧바로 키프카로 들어와 적응해서 분화되는 경우이다. 이 때 분화된 초파리는α′종의 초파리와는 또 다른 종의 초파리가 되므로 이를α′라 하자. 세 번째는 키프카 외부 환경 즉, 섬 A에 적응된α′종의 초파리가 키프카로 유입돼 새로운 종으로 분화될 가능성이다. 이를α′종이라 하자. 결국 섬 A내부에 유입된 초파리로부터 분화 가능한 초파리 종은α′′, α, α′ 세 가지가 된다. 만일 섬에 더 많은 수의 키프카가 존재한다면 분화 가능한 초파리의 종의 수도 증가할 것이다. 하와이 제도에 존재하는 500종 이상의 초파리는 하와이의 지형적 특성, 즉 순차 적으로 형성된 섬과 환경의 격리를 만들어낸 키프카로 인해 생겨난 것이라고 볼 수 있다.

3) 카우아이섬에 한 종의 초파리 집단이 있는데 이들 중 수정한 상태의 암컷이 새로 생긴 오하우 섬으로 유입됐다고 가정해보자. 이 암컷은 많은 수의 자손을 만들어 오하우 섬에 카우아이섬의 초파리와 동일한 종의 작은 집단을 형성할 것이다. 집단의 크기는 카우아이섬의 집단에 비해 아주 작다. 그런데 이런 작은 집단에서 구애 행동에 대해서 복잡하고 정확한 구애 행동을 하는 수컷 초파리만을 선택하는 매우 까다로운 암컷집단 A와 상대적으로 구애 행동에 대해서 관대한 암컷집단 B가 있다고 가정하자. 이 경우 A집단과 B집단의 교배 가능한 수컷의 수를 비교한다면 B집단의 교배 가능한 수컷의 수가 A보다 더 많을 것이다. 이 결과 B집단은 A집단보다 번식 속도가 빠르므로 전체 집단에서 B집단의 크기는 커지게 된다. B집단의 빠른 성장은 B집단의 높은 돌연변이 확률을 유발하고, 이는 새로운 환경에 적응하는 유전 자의 조합에 유리하게 작용하므로 B가 자연선택을 받게될 것이다. 결국 섬에는 구애행위가 더 단순한 집단이 남게 되고 이러한 과정은 섬이 연속적으로 생겨나면서 반복됐을 것이다. 구애 행위가 가장 복잡한 초파리가 하와이 제도에서 식하는 초파리의 기원이 되는 종이라고 판단할 수 있다.