➑ 생물의 진화

진화는 어떻게 일어나는 것일까?

요즘에는 강아지나 고양이뿐 아니라 고슴도치, 뱀, 도롱뇽, 거미 등 다양한 반려동물을 키우는 사람들이 늘고 있습니다. 꼭 반려동물을 키우지 않더라도 동물원에 가면 사자, 기린, 원숭이처럼 생김새가 전혀 다른 다양한 동물들을 만날 수 있습니다. 그런데 놀랍게도 과학자들은 사람을 비롯한 이 모든 동물들이 사실은 하나의 공통 조상에서 비롯되었다고 말합니다.

“원숭이가 사람의 조상이다”라는 말은 누구나 한 번쯤 들어봤을 것입니다. 설령 원숭이처럼 우리와 닮은 동물에서 사람이 진화했다는 것을 받아들인다고 해도, 물 속에서 아가미로 숨을 쉬는 물고기까지 우리와 같은 뿌리를 가졌다고 하면 믿어지시나요?

그런데 이 믿기 어려운 일이 아주 오랜 시간을 거치며 실제로 일어났음을 보여주는 증거들이 있습니다. 첫 번째는 화석 기록입니다. 지층 속에서 발견되는 화석들을 보면 오래된 지층에서 발견되는 화석일수록 단순한 구조를 가지고 있고 새로 형성된 지층에서 발견되는 화석일수록 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 또한 과거에 살았던 동물이 현존하는 동물로 진화하는 과정을 보여주는 중간 단계의 생물 화석이 발견되기도 합니다. 두 번째는 상동 기관입니다. 예를 들어 사람의 팔, 새의 날개, 고래의 지느러미는 겉모습이 전혀 다르지만 내부 뼈의 구조가 같습니다. 공통 조상에서 시작된 생물들이 서로 다른 환경에 적응하며 변화했음을 보여주는 흔적입니다. 세 번째는 DNA와 단백질과 같은 분자 수준의 유사성입니다. 사람과 침팬지는 DNA 염기서열의 98% 이상이 같다는 사실이 밝혀지기도 했습니다. 이렇게 유사한 분자들을 공유하고 있다는 것은 결국 서로 다른 두 생물 종이 과거에는 공통 조상을 가지고 있었음을 의미합니다.

그렇다면 진화는 어떻게 일어나는 것일까요? 진화의 원리를 이해하기 위해서는 생물의 다양성을 살펴 볼 필요가 있습니다. 서로 다른 종의 생물이 서로 다른 특성을 지니는 것은 당연합니다. 그렇다면 같은 종의 생물들은 모두 똑같을까요? 그렇지 않습니다. 동일 종 안에서도 개체마다 조금씩 다른 특징이 나타납니다. 이렇게 동일한 종의 개체들 사이에서 나타나는 형질의 차이를 변이라고 합니다. 개체마다 서로 다른 유전자를 가지며, 가지고 있는 유전자의 차이에 따라 합성되는 단백질의 종류와 양이 달라지고, 이는 다양한 형질의 차이로 나타납니다. 돌연변이는 개체들 사이의 유전자 차이를 만들어내는 중요한 원동력 중 하나입니다. 돌연변이가 일어나면 부모에게 없던 새로운 유전자가 생기고, 이것이 자손에게 전달되면 새로운 형질이 나타날 수 있습니다.

또한 유성생식을 하는 종들은 생식 과정 자체에서 변이가 생깁니다. 한 개체가 생식세포를 만들 때 그 개체가 가지는 모든 유전자가 그대로 담기는 것이 아니라, 선택된 일부 유전자만이 담깁니다. 그 결과 한 개체는 다양한 조합의 생식세포를 만들 수 있습니다. 예를 들어 사람은 23쌍의 염색체를 가지고 있으므로, 교차나 돌연변이를 고려하지 않아도 약 840만(2²³) 가지의 서로 다른 유전적 조합을 가진 생식세포를 형성할 수 있습니다. 실제로는 교차나 돌연변이가 일어나기 때문에 가능한 조합은 훨씬 더 많아집니다. 게다가 새로운 개체는 암수 생식세포가 무작위로 수정해 만들어지므로, 부모 한 쌍에서 태어날 수 있는 자손의 유전적 조합은 무려 70조(2⁴⁶) 가지 이상에 달합니다.

이처럼 다양한 개체들은 주어진 환경에 적응하는 능력에 차이를 나타냅니다. 그리고 환경에 더 잘 적응한 개체들은 그렇지 못한 개체들보다 더 오랫동안 살아남아 더 많은 자손을 남길 수 있습니다. 이를 자연선택이라고 합니다.

19세기 영국에서 활동하던 생물학자, 찰스 다윈은 ‘종의 기원’에서 자연선택을 바탕으로 한 진화론을 처음으로 주장했습니다. 그는 젊은 시절 비글호를 타고 세계를 탐험하며 다양한 생물을 관찰했습니다. 특히 갈라파고스 제도에서 섬마다 부리 모양이 다른 피치새들이 서식하고 있는 것을 발견하고, 환경에 따라 그 환경에 적응하기 유리한 형질을 가진 개체가 살아남아 자손을 남긴다는 생각에 이르게 되었습니다. 이러한 생각을 토대로 발표한 ‘자연선택설’은 당시 쉽게 받아들여지지 않았습니다. 당시에는 유전의 원리가 밝혀지지 않아, 동일한 종 안에서 다양한 변이가 어떻게 생기고, 부모의 형질이 자손에게 어떻게 전달되는지 명확히 설명할 수 없었기 때문입니다. 그러나 이후 유전자의 발견과 분자생물학의 발달로 이러한 의문이 풀리면서, 오늘날에는 자연선택이 진화를 설명하는 가장 중요한 원리로 널리 받아들여지고 있습니다.

자연선택은 이론에 그치지 않고 실제 사례로도 확인됩니다. 대표적인 예가 항생제 내성 세균입니다. 세균 집단 안에는 우연히 항생제에 강한 변이를 가진 개체가 존재하는데, 항생제를 사용하면 대부분의 세균은 죽고 내성을 가진 세균만 살아남아 증식합니다. 그 결과 시간이 지나면서 내성 세균이 집단의 대부분을 차지하게 됩니다. 실제로 항생제로 치료가 가능했던 일부 질병의 치료 과정에서 항생제 내성 세균에 의해 치료가 어려워지는 사례가 보고되고 있습니다. 따라서 오늘날 의학계에서는 꼭 필요할 때만 항생제를 사용하고, 감기와 같은 바이러스성 질병에는 항생제 사용을 자제하도록 권장되고 있습니다.

또 다른 흥미로운 예로 말라리아와 낫모양적혈구빈혈증에 관련된 사례가 있습니다. 헤모글로빈 유전자 돌연변이에 의해 나타나는 낫모양적혈구는 정상 적혈구에 비해 산소 운반 능력이 떨어집니다. 따라서 보통은 낫모양적혈구를 가진 사람들이 생존에 불리해, 이 형질은 드물게 나타납니다. 그런데 말라리아가 많이 발생하는 지역에서는 상황이 달라집니다. 말라리아의 원인인 말라리아원충은 사람의 적혈구에 기생하는데, 낫모양적혈구에서는 증식하기 어렵습니다. 그 결과 낫모양적혈구를 가진 사람들은 말라리아에 걸릴 위험이 낮아지고, 다른 지역에 비해 낫모양적혈구 빈혈증을 가진 사람들이 더 높은 빈도로 나타납니다. 이처럼 같은 형질이라도 주어진 환경에 따라 생존에 유리하기도 하고 불리하기도 하며, 환경이 변화하면 자연선택을 받는 유전자도 달라질 수 있습니다.

지구 환경은 과거에도 끊임없이 변해 왔고 지금도 계속 변하고 있습니다. 미래의 지구 환경을 정확히 예측할 수 없지만, 분명한 것은 변이가 존재하는 한, 환경에 알맞은 유전자가 선택되어 생명은 계속 이어질 것이라는 사실입니다. 따라서 앞으로 우리가 어떤 방향으로 진화할지, 또 얼마나 새롭고 신비로운 생명체가 등장할지는 누구도 단언할 수 없습니다.

통합과학 개념 실전 탐구

Q.다음은 생물의 진화에 대한 설명이다. 옳은 설명에는 ‘○’를, 옳지 않은 설명에는 ‘×’를 표시하시오.

① 서로 다른 종의 새의 부리 모양이 다른 것은 변이의 예이다. (○, ×)
② 변이는 주로 개체가 가진 유전자의 차이로 나타난다. (○, ×)
③ 유성생식 과정에서 일어나는 생식세포의 다양한 조합은 변이의 원이에 해당한다. (○, ×)
④ 집단 내에서 자연선택된 형질의 유전자 비율은 감소한다. (○, ×)
⑤ 인간의 활동이 자연선택에 영향을 줄 수 있다. (○, ×)
⑥ 진화는 항상 일정한 방향으로 일어난다. (○, ×)
⑦ 생물이 진화하는 과정에서 새로운 종이 생겨나기도 하고, 있던 종이 사라지기도 한다. (○, ×)

A.×, ○, ○, ×, ○, ×, ○

해설(1) 변이는 같은 종의 개체 사이에서 나타나는 형질 차이이므로 서로 다른 종의 형질 차이는 변이에 해당하지 않는다.
(2) 개체가 가진 유전자의 차이에 따라 함성되는 단백질의 종류와 양이 달라지고, 그에 따라 형질의 차이 즉 변이가 나타난다.
(3) 유성생식 과정에서 유전자 조합이 다양한 생식세포를 형성하고, 암수 생식세포가 무작위로 수정하여 형질이 다양한 자손이 나타난다.
(4) 집단 내에서 자연선택된 형질의 유전자 비율은 증가한다.
(5) 인간의 특정 활동에 의해 환경이 변화하면 자연선택에 영향을 줄 수 있다.
(6) 환경이 변화하면 자연선택되는 형질이 달라지므로 환경 변화에 따라 진화의 방향도 변화할 수 있다.
(7) 여러 세대에 걸쳐서 자연선택이 일어나면 새로운 종이 생겨나거나 있던 종이 사라질 수 있다.

Q.그림은 아프리카에서 낫모양적혈구 유전자 빈도와 말라리아가 많이 발생하는 지역을 나타낸 것이다.

(1) 낫모양적혈구빈혈증은 다음 세대에 유전되지 않는다. (○, ×)
(2) 낫모양적혈구빈혈증 환자는 정상인에 비해 말라리아에 걸릴 확률이 높다. (○, ×)
(3) 말라리아가 많이 발생하는 지역에서는 낫모양적혈구 유전자가 생존에 유리하게 작용한다. (○, ×)
(4) 환경에 따라 자연선택되는 변이가 달라질 수 있다. (○, ×)

A.×, ×, ○, ○

해설(1) 낫모양적혈구빈혈증은 헤모글로빈 유전자 돌연변이로 인해 발생하므로 다음 세대에 유전될 수 있다.
(2) 말라리아를 일으키는 말라리아원충은 낫모양적혈구에서 증식이 어려워 낫모양적혈구를 가진 사람들은 말라리아에 잘 걸리지 않는다.
(3) 일반적으로 낫모양적혈구 유전자는 정상적인 산소 운반이 어려워 생존에 불리하지만, 말라리아가 많이 발생하는 지역에서는 낫모양적혈구를 가진 사람이 생존에 더 유리하다.
(4) 환경에 따라 환경에 유리한 변이가 달라지므로 자연선택되는 변이가 달라질 수 있다.

① 진화학자가 번역한 ‘종의 기원’ 자연 선택 이론은 왜 ‘혁명’이 됐을까(기사클릭)

과학동아 2019년 9월호

해설: 이 글을 통해 자연선택 이론이 어떻게 시작되어 체계화되었는지 알 수 있으며, ‘생명의 나무’ 개념을 통해 모든 생명체가 공통 조상에서 갈라져 나온 우열이 없는 존재라는 관점이 제시되었음을 이해할 수 있습니다.

② 진화 고속으로 일어난다(기사클릭)

과학동아 2005년 2월호

해설: 진화는 자연선택, 성선택, 잡종화(유전자 흐름) 등 다양한 메커니즘으로 일어나며, 발생 과정과 유전적 조절이 변이에 어떤 영향을 주는지도 알 수 있다. 또한 인간의 활동이 다른 종의 진화 방향에 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다.

③ 1957년 조지 윌리엄스 교수의 자연선택 담은 노화진화이론(기사클릭)

과학동아 2008년 7월호

해설: 노화가 생존율과 생식할 수 있는 능력을 바탕으로 한 자연선택의 결과라고 설명하는 ‘노화에 대한 진화이론’을 소개하고 있는 글입니다. 번식에는 이롭지만 나이가 들면 해가 되는 다면발현 유전자가 자연선택되어 노화가 일어난다는 사례는 자연선택의 작동 원리를 이해하는 데 중요한 예시가 됩니다.