<진화하는 생명의 나무(1)>
유전자 분야의 획기적인 발전 즉 생명체의 기원에 대한 정보가 축적되자 다윈이 그린 생명의 나무에 많은 학자들이 도전했다. 생명체의 신비를 가장 쉽게 이해할 수 있는 단서가 되기 때문이다.
장구한 생명체의 역사를 거슬러 올라간다.
생명의 기원을 연구하는 학자들은 지구에서 일단 생명체가 태어난 이후 몇 가지 중요한 4단계를 거쳐 궁극적으로 현재의 인간이라는 동물이 태어날 수 있었다고 설명한다. 이들 각 단계의 세부사항과 상대적 중요성, 정확한 순서는 아직까지 격렬한 논쟁의 대상이지만 유기물의 합성, 중합체 합성, 세포막 그리고 자기 복제 능력이다.
자기 복제 능력이 중요하다는 것은 일단 태어난 생명체는 반드시 죽는다는 것이다. 인간의 1세대를 과거처럼 대체로 20년으로 잡는다면 인간류가 지구상에 태어난 것을 700만 년(투마이로 계상)으로 볼 경우 350,000세대가 이어졌다는 것을 의미한다. 이는 350,000 세대 동안 중단없이 계속 이어졌다는 것을 의미한다.
여하튼 자기 복제가 이어지면서 비로소 진화에 의해 새로운 종으로 변형이 진행되었다. 그러므로 생명의 나무는 지구상에서 생명이 태어난 순간부터 현재의 생명체가 되는 과정을 비교적 알기 쉽게 파악해보자는 것이다. 즉 생명의 나무는 지금까지 지구에서 살고 있거나 멸종된 모든 생물종의 진화 계통을 간명하게 알려준다.
진화론을 도출한 찰스 다윈은 공통조상에서 종 분화를 거쳐 여러 종들이 갈라져 나오는 생물다양성을 설명하는 것이야말로 진화론을 쉽게 이해할 수 있다고 생각했다.
그런데 생물의 계통을 표시하기 위해 이런 나무를 그리기 시작한 것은 다윈이 처음이 아니다. 진화에 관련한 사람이 아니더라도 생명의 나무에 관심을 갖고 있는 사람이 많았기 때문이다.
1801년 프랑스 식물학자 오귀스탱 오지(Augustin Augie)가 식물의 계통도를 작성했다. 또한 장바티스트 라마르크도 『동물 철학』에서 동물의 계통수를 작성하였다. 그런데 라마르크의 계통수는 위에서 아래로 발전 단계를 나타낸 것으로 맨 위에 벌레를 놓고 맨 아래 포유류를 놓았다. 그러나 라마르크는 동물 사이에 공통 조상이 있다고 생각하지는 않았으며, 별개의 여러 계통이 단순한 것에서 복잡한 것으로 진화한 것이라 생각하였다.
미국의 지질학자 에드워드 히치콕은 1840년 자신의 『지질학 개론』에 고생물학에 기반한 생명의 나무를 삽입하였다. 히치콕의 계통수는 가로선으로 지질 연대를 구분하였다. 히치콕은 식물과 동물을 별도의 계통수로 구분하였고, 각 계통수 역시 하나의 공통 조상이 아닌 다양한 기원을 표기하였다.
찰스 다윈이 『종의 기원』을 출간하기 1년 전인 1858년, 하인리히 게오르그 브론은 진화계통수(進化系統樹, phylogenetic tree)를 표시한 가설을 발표하였다. 그러나 그는 진화의 작동 기제를 밝히지는 않았다.
그러나 다윈이 진화론을 발표한 후 학계에서 진화의 중요성을 인식하여 1884년 영국에서 출간된 『생물 자연사의 흔적』에서는 ‘식물과 동물의 발달 가설’을 설명하기 위한 계통수를 수록하였다. 이 계통수에서는 어류, 파충류, 조류가 각각 순차적으로 분기되고 포유류가 최종적으로 발달된 것으로 표기하고 있다. 진화라는 말은 언급하지 않았지만 진화가 이루어져 종의 분화가 이루어졌다는 것은 인정한 것이다.
찰스 다윈은 『종의 기원』 제4장 ‘자연선택’에서 종의 이름을 표기하지 않은 계통수를 제시하였다. 종들이 시간의 경과에 따라 더 많은 종들로 분화되는 것을 나타낸 이 계통수를 다음과 같이 설명했다.
‘처음에는 동일한 종 안의 작은 차이에서 출발한 분화는 세대를 거듭할수록 큰 차이를 나타내게 되며 결국 서로 다른 종으로 분화하게 된다.’
1872년 찰스 다윈은 생명의 나무에 대해 보다 진전된 자신의 생각을 정리했다.
‘친연 관계에 있는 모든 생물들은 하나의 나무로서 나타낼 수 있다고 확신한다. 잎이 달린 새로 돋은 가지로 현존 생물을 나타낼 수 있고, 이들은 멸종한 종들의 오래된 후손이다. 시대를 거듭할 수록 더 많은 가지들이 뻗어 나가고 가장 위에 현존하는 생물만이 나타나게 된다.’
근래 과학의 발전 특히 우주로의 진출로 인해 외계에 생명체가 있으리라는 것에 많은 사람들이 동조한다. 특히 화성에서 많은 물이 지하에 있을 것으로 알려지자 화성에 적어도 미생물은 존재할 것으로 생각한다. 열악한 경우라 하더라도 물이 있다면 생명체가 태어날 가능성이 많다는 것이다. 심지어는 과거 물이 있을 때 발달된 문명이 있었고 이들에 의해 지구에 생명체가 유입되었을 것으로 추정하기도 한다.
그럼에도 불구하고 현재까지의 과학 지식에 의하면 이 넓은 우주에서 지구에 유일한 생명체가 살고 있다고 이야기한다. 물이 있는 곳에 생명체가 있을 가능성은 있지만 적어도 지구와 같은 고등생물이 살아있다는 증거가 없다는 것이다.
그런데 다윈 시대와 달리 현대는 ‘생명의 나무’를 ‘분자계통학molecular phylogenetics'통해 접근한다. 분자계통학은 오늘날 살아 있는 생명체에 존재하는 분자들의 구성단위로부터 기나긴 생명의 역사 그리고 생명체들 간의 관계를 추적하는 것이다.
그 의문을 풀어줄 분자들은 DNA와 RNA는 물론 뉴클레오티드 염기와 아미노산 등이다. 이들이 생명의 역사와 우리를 포함한 모든 생명체의 과거를 간직하고 있기 때문이다.
근래 과거에는 전혀 알려지지 않았던 기이한 생명체가 등장한다. 오랫동안 박테리아의 일부로 설명되었던 ‘아르케이아(Archaea)’라 불리는 것인데 이것이 많은 학자들을 놀라게 하는 것은 ‘수평적 유전자 전달’이라는, 다소 생소한 유전적 변형 방식 때문이다.
아르케이아의 중요성은 오늘날 미생물들이 이제껏 과학이 묘사했던 것과 그 차원이 다르다는 사실뿐만 아니라, 원시생명의 역사 또한 매우 다를 수도 있다는 것을 유추시키기 때문이다. 특히 지금까지 유전자는 후손에게 수직으로만 전달되므로 다른 종으로 전달될 수 없다는 기존의 관념 또한 뒤바뀌게 된다. 이는 수평적 유전자 전달(HGT)이 광범위하게 일어난 현상이라는 사실에 기인한 것이다.
더욱 놀라운 것은 우리 인간이 바로 이런 미생물의 자손일 가능성이 높다는 것이다. 인간뿐만 아니라 모든 동식물, 균류, 핵 속에 DNA를 가진 세포들로 구성된 모든 고등생물도 적용될 수 있다는 것을 의미한다.
많은 학자들이 다윈에 의해 태어났다고 해도 과언이 아닌 진화는 우리가 알고 있는 것보다 훨씬 더 교묘하고 복잡하다는데 동의한다. 그러므로 생명의 나무 역시 더 복잡하게 얽혀 있다고 설명한다.
유전자가 아래 세대로만 흐르는 것이 아니라, 종의 경계를 넘고 더 큰 경계들을 가로질러 다른 계를 넘나들기도 한다는 것은 상당한 충격을 준다. 이는 어떤 것들이 예상조차 못 한 비영장류로부터 샛길을 따라 우리 영장류에 침입하기도 한다는 것을 의미한다. 수혈이나 감염으로 유전자 변형을 초래하는 ‘감염 유전’도 이의 한 방법이다.
학자들이 놀라는 것은 바로 이런 수평적 유전자 전달의 결과이다.
데이비드 쾀멘은 『진화를 묻다』에서 항생제 내성을 가진 박테리아가 미치는 수평적 유전자 전달이 상상할 수 없는 결과를 초래할 수 있다고 지적한다.
그는 한 예로 MRSA(메티실린 내성 포도구균)를 들었다. MRSA는 미국에서만 매년 11,000명 이상, 세계적으로는 더 많은 사상자를 내는 치명적인 세균인데 그것이 수평 유전을 통해 다른 종의 박테리아로부터 순식간에 모든 약물에 내성을 가진 유전자를 획득할 수도 있다는 것이다. 그 결과가 바로 슈퍼버그, 즉 다중 내성을 가진 죽지 않는 박테리아가 전 세계에 급속도로 퍼지는 이유다.
<두 생물계가 아니라 세 생물계>
1977년 일리노이주 어바나 대학교의 칼 워즈 박사는 그동안 알려진 두 생물계 외에 ‘제3계’를 구성할 ‘다른 형태의 생물체’를 발견했다고 발표했다.
그가 이와 같이 당당하게 주장한 것은 그동안의 생물학의 뿌리를 뒤흔들 만한 몇 가지 발견을 이루었기 때문이다. 그는 생물학의 기본 개념인 ‘생명의 나무’를 근본부터 바꾸어야 한다고 주장했다.
그러나 그의 발표도 사전 연구자들이 있었다.
1920년대 중반 영국의 프레데릭 그리피스는 폐렴을 연구하다가 박테리아에서 뜻밖의 현상을 발견했다. 무독성이던 한 종이 치명적인 다른 종으로 요술처럼 순식간에 변한 것이다.
그리피스가 발견한 현상은 1944년 뉴욕의 <록펠러연구소>에 근무하는 오즈월드 에이버리에 의해 박테리아의 형질을 갑자기 다른 것으로 바꾸어 버리는 ‘전환 요소’ 때문으로 알려졌다. 너무나 잘 알고 있는 디옥시리보핵산 바로 DNA다.
이후 조슈아 레더버그는 이를 ‘감염 유전’이라 명명하고 이러한 형질전환은 박테리아 세계에서 일상적이고 중요한 과정이라고 발표했다. 또한 추가 연구에서 그것이 박테리아만의 특성이 아니라는 사실도 알아냈다. 이를 확인해준 것이 매클린 톡의 연구로 옥수수 염색체가 한 자리에서 다른 자리로 튕겨 다니는 유전자로 그녀는 81세에 노벨상을 받는다.
여기에 린 마굴리스가 등장한다.
마굴리스는 대부분 학자들이 인정하지 않는 ‘세포 내 공생설’을 주장했다. 이 개념은 한마디로, 살아 있는 생명체와 그 안의 생명체들이 협력 관계로 통합되었다는 것이다. 그런데 그녀가 주장한 것은 큰 생명체들의 위장이나 코 안에 서식하는 작은 생명체들뿐만 아니라 세포들 내에 있는 세포들도 포함된다는 것이다.
좀 더 구체적으로 말하면 인간을 포함한 모든 동물, 식물, 균류와 같이 복잡하게 분화된 생명체 세포들은 포획된 박테리아들을 감싼 비박테리아 껍질들이 모여 있는 괴물 같은 것이라고 마굴리스는 주장했다. 그리고 그들 박테리아는 아주 오랜 시간에 걸쳐 세포기관으로 변형되었다는 것이다. 이 문제를 뒤에서 다시 다룬다.
<다윈의 B노트, 생명의 나무>
찰스 다윈은 'B'라고 이름 붙인 작은 비밀 노트에 그의 발칙한 아이디어들을 적기 시작했다.
그가 비글호를 타고 세계를 여행하고 돌아온 지 1년이 채 안되어서이다. 그의 생각은 단순했다. 살아 있는 생명체의 형태는 고정된 것이 아니라, 시간의 흐름에 따라 변화한다는 것이었다.
그는 케임브리지 시절 자신의 생물학 교수이자 친구였던 존 스티븐스 헨슬로에게 편지를 보냈다. 태평양의 화산섬 갈라파고스 군도에서 목격한 흉내지빠귀의 불가사의한 현상에 대해서였다. 이 새의 부리는 서식지에 따라 조금씩 다르게 생겼는데, 마치 한 종에서 여러 종으로 분화한 것 같았다.
다윈의 할아버지 에라스무스 다윈은 『주노비아』에서 모든 온혈동물이 '하나의 생명 줄기로부터 나왔고, 종착점 없이' 세대를 넘어 전달되는 방식으로 '계속 개선하는 능력'을 가지고 있다고 적었다. 다윈은 그의 노트에서 이를 이어 계속 자기의 질문을 적었다.
‘왜 생물의 수명은 짧은가?’
‘왜 생식이 그렇게 중요한가?’
‘생명체는 고립된 환경에서 왜 달라지는가?’
그의 질문은 끝이 없다.
‘각 종들은 변화를 겪는다. 그것은 진보를 의미하는가.’
‘고양이는 더 '나은' 고양이가 되는가, 아니면 그 특정 환경에서 번식하기에만 유일한 고양이가 되는가?’
‘번식에 성공한 모든 동물이 계속해서 위쪽으로 분기해 간다면, 옛 형태들이 사라지고 '다양한 유형으로 개선된 기관’을 가진 새로운 형태가 생겨나는 한계는 어디까지인가?‘
다윈은 이러한 질문을 토대로 다음과 같이 결론 내렸다.
‘유기체들을 하나의 나무로 표현할 수 있다.’
다윈의 탁월함은 이러한 나무의 여러 가지 중 모든 가지가 새로운 싹이 자랄 수 있지만, 개중에는 더 자라지 않고 사라지는 것도 있다는 것이다. 그것은 즉 멸종이었다. 당대의 통념과는 달리, 다윈은 '종의 죽음' 역시 당연한 일로 생각했다.
다윈은 1838년 11월. 드디어 진화론을 설명할 메커니즘 즉 세 개의 퍼즐로 생명의 나무의 맞추었다.
첫 번째 퍼즐은 유전의 연속성이다. 자손은 그 부모와 조부모를 닮는데, 세대를 거듭하면서 자리 잡은 안정적인 형질을 물려받는다는 것이다.
두 번째 퍼즐은 그와 반대로 변이가 발생한다는 것이다. 자식이 부모를 똑같이 닮지 않는다는 것으로 자신이 부모와 유사하지만 완전히 닮은 것은 아니다라는 것이다. 즉 부모와 똑같이 복제되지 않는다는 뜻으로 형제·자매도 서로 다르다.
세 번째 퍼즐은 종은 종족보존에 필요한 것 이상으로 개체를 번식한다는 것이다. 즉 과잉번식이다.
다윈은 이 세 개의 퍼즐을 하나로 엮을 수 있다고 생각했다.
선별적인 도태과정에 따라 유전형질의 점진적인 변형과 환경 적응으로 나타나는 변이이다. 이를 다윈은 자연선택(natural selection)으로 불렀다.
그러나 그는 이러한 내용을 곧바로 발표하지 않았다. 다윈은 자신이 준비하고 있는 진화론의 파급을 알고 있기 때문에 철저한 준비를 기본으로 했다. 한마디로 당대의 어떤 사람들로부터의 질문을 받으면 상상이 아니라 검증된 자료로 이들 질문을 격파해야 한다는 것이다.
잘 알려진 이야기이지만 1859년 11월 마침내 『종의 기원On the Origin of Species』을 출간한다. 앨프리드 러셀 월리스 때문이다.
윌리스는 아마존에서 4년, 말레이 군도에서 4년간 근무하면서 자연선택이라는 개념을 떠올렸다. 그의 아이디어는 다윈의 결론과 동일하다.
‘변이와 함께 과잉번식의 상태가 되면, 실패한 변이들은 도태하게 되고 적응한 변이는 유전될 것이다.’
1858년 2월 윌리스가 다윈에게 논문을 보냈고 이를 읽고 충격을 받은 다윈이 라이엘에게 이를 알리자 그는 공동 출간이라는 묘수를 제안한다. 라이엘은 다윈이 오래전부터 진화론에 대한 결론을 내리고 철저한 검증작업을 위해 논문 발표를 지연하고 있음을 잘 알고 있기 때문에 윌리스와 함께 공동 발표하는 형식을 취하게 한 것이다.
여하튼 1859년 다윈의 『종의 기원』이 발표되었고 이것이 당대를 온통 회오리로 몰아간 장본인이다. 다윈은 제4장 말미에서 생명의 나무에 대해 다음과 같이 적었다.
‘푸른 새싹이 돋아나는 잔가지들은 현존하는 종들을 나타낸다. 눈이 자라 새싹을 틔우고, 새싹이 잔가지가 되고, 그 잔가지 중 어떤 것은 힘차게 또 어떤 것은 약하게 자라고, 어떤 것은 번성하고 어떤 것은 죽어간다. 거대한 생명의 나무에 모든 세대가 깃들어 있다. 죽은 나뭇가지와 부러진 나뭇가지들이 땅 위에 쌓이고, 활발하게 뻗어나가는 아름다운 가지들이 온 나무를 뒤덮는다.’
이를 도면화하는 그림은 나무라기보다 도표에 가까운데 진화의 역사 속에서 위로 계속 뻗어나가고 분화되는 가상의 계통을 도식화한 것이었다. 다윈은 도표에서 수직 방향의 각 단계가 1,000세대의 유전을 상징한다고 설명했다. 11개의 주요 계통에서 출발했는데 그중 8개는 막다른 길 즉 멸종했다고 적었다.
한편 나머지 두 계통은 계속해서 분기했고 수평으로 퍼지면서 수직으로 올라갔다. 가지가 분기되며 가로로 퍼지는 것은 새롭게 진화한 형태들이 다른 환경에 적응했다는 것을 상징한다. 20세기 후반까지 생명의 나무는 생명의 역사를 적나라하게 보여주는 교과서라 볼 수 있다.
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