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[바이오로고스 Common Questions] 24. 진화는 어떻게 오늘날 지구 생명체의 복잡성을 설명할까요?

by 과학과 신학의 대화 2021. 9. 9.

진화는 어떻게 오늘날 지구 생명체의 복잡성을 설명할까요?
How can evolution account for the complexity of life on Earth today?

 

 

 

상호 작용하는 부분을 많이 가진 복잡한 생물학적 구조는, 일견에는 마치 원래부터 현재의 형태로 만들어져서 모든 구성 요소가 완전히 형성되어 있고, 전혀 손상되지 않은 것처럼 보일지도 모릅니다. 생물학적 진화를 통해 단계적으로 발달해왔다는 것은 불가능해 보입니다. '다윈의 블랙박스'에서 마이클 베히는 자신과 더불어 다른 지적설계 지지자들이 사용하는 용어, '환원불가능한 복잡성'이라는 개념을 소개합니다.

 

 

서론

 

상호 작용하는 부분을 많이 가진 복잡한 생물학적 구조는, 일견에는 마치 원래부터 현재의 형태로 만들어져서 모든 구성 요소가 완전히 형성되어 있고, 전혀 손상되지 않은 것처럼 보일지도 모릅니다. 생물학적 진화를 통해 단계적으로 발달해왔다는 것은 불가능해 보입니다. '다윈의 블랙박스'에서 마이클 베히는 자신과 더불어 다른 지적설계 지지자들이 사용하는 용어, '환원불가능한 복잡성'이라는 개념을 소개합니다. 환원불가능하게 복잡한 시스템의 어떤 부분도 다른 부분과의 관계를 가지지 않고서는 어떤 분명한 기능을 못한다는 것입니다.

 

베히는 환원불가능하도록 복잡한 생물학적 구조의 일부는 모두 한꺼번에 출현하지 않는 한 쓸모가 없다고, 그리고 진화에는 이와 같은 복잡한 구조를 만드는 메커니즘이 없다고 주장합니다. 자연선택은 결과적으로 한 번에 한 단계씩 일어납니다. 게다가 자연선택은 예지력이 없습니다. 간단히 말해서, 변화가 보존되려면, 그 변화는 일반적으로 다음 세대까지 - 비록 아무리 작다 하더라도 - 추가 이익을 전달해줄 필요가 있는 것입니다. 베히가 지나치게 단순화시킨 면이 없지는 않습니다. 진화이론에 따르면 소규모 집단에서는 중립적인 변화가 - 심지어 약간 해로운 변화조차도 - 때로는 살아남을 것이라고 예측됩니다. 하지만 여전히 그는 일반적으로는 옳습니다. 예를 들면, 정교하게 복잡한 어느 시스템의 한 부분이 무작위적 변이로 그 기능을 잃어서 그 시스템이 작동할 수 없게 된다면 그 변이는 다음 세대로 전달될 수 없습니다. 그럼 진화 생물학자들이 복잡한 구조가 만들어졌던 방법에 대해 과연 무엇을 믿는지 점검해 보도록 하겠습니다.

 

 

겉으로 보이기만 "환원불가능하도록 복잡한" 시스템

 

스캇 길버트가 자신의 교과서 '발생 생물학' 제8판에서 보여주는 것처럼, 중이도를 이루는 상호 연결된 뼈들의 진화는, 점진적 변화와 자연선택의 순차적인 과정에 의해서 환원불가능하도록 복잡한 구조가 사실상 어떻게 생성될 수 있는지를 보여줍니다. 예를 들어, 물고기는 몸의 길이에 따라 뻗어있어 물속의 진동을 감지할 수 있도록 해주는 측선 시스템이라는 특별한 시스템을 가지고 있습니다. 물고기들은 또한 내이를 가지고 있는데, 이것은 균형을 위해 유용하며, 진동을 감지하는 측선 시스템을 보완해줍니다. 특정 수중 종이 육지로 이동함에 따라 필요했던 것은 물이 아닌 공기의 진동을 증폭시키는 방법이었기 때문에, 측선 시스템은 쓸모없게 되었습니다. 이전에는 두개골을 지탱하는 데 사용되었던 뼈가 등골이 되었습니다. 등골은 두개골을 지탱할 뿐 아니라, 또한 두개골과 턱을 통해 부분적으로 들어오는 소리 진동을 내이에 전달했습니다. 어떻게 우리는 그것이 같은 뼈임을 알 수 있을까요? 어류와 파충류의 발생학적 기원을 조사하면서 알 수 있습니다. 파충류에는 내이에 공기 진동을 전달하는 뼈가 하나밖에 없습니다. 바로 등골이지요.

 

우리는 약 2억 3천만 년 전 포유류가 기원했던 시기로부터 화석을 관찰함으로써, 또다른 두 개의  중이 뼈, 즉 침골과 추골의 기원을 추적할 수 있습니다. 그 시점까지 두 뼈 – 관절골과 방형골 - 는 턱의 경첩 역할을 했습니다. 그러나 연구자들은 그 두 뼈가 두 번째 기능을 수행했다고 믿습니다. 왜냐하면 그 두 뼈는 등골 아래에 인접하여 위치해 있어서, 등골에 소리 진동을 전달하는 것을 도왔을 가능성이 높기 때문입니다.

 

이제 특별히 흥미로운 이야기가 시작됩니다. 포유 동물이 기원할 즈음, 몇몇 종 – 어쩌면 많이, 왜냐하면 고생물학자들은 모든 전환 종이 화석 기록으로 보존되지 않을 것이라고 확신하기 때문에 - 은 턱에 이중 경첩을 가지고 있었습니다. 관절골과 방형골만이 경첩 역할을 했던 게 아닙니다. 또 다른 쌍의 뼈, 치골과 측두골, 역시 같은 역할을 담당했습니다. 그래서 소리를 전달했던 관절골과 방형골은 더 이상 턱 관절 역할을 할 필요가 없어졌습니다. 이 두 번째 기능은 동일한 일을 수행하는 다른 일련의 뼈가 있었기 때문에 중첩 기능이 되었던 것입니다.

 

그 중첩 기능 때문에, 턱의 관절골과 방형골은 자유롭게 중이의 침골과 추골이 될 수 있었습니다. 우리는 전환기의 기록을 가지고 있으며, 소위 환원불가능하도록 복잡한 구조를 가지게 된 기록을 가지고 있습니다. 애초에 한 기능을 위해 사용되었던 부분은 일정 기간 동안 두 기능을 위해 유용하게 사용되었습니다. 그런 다음, 다른 기능이 중첩되거나 불필요하게 되었을 때면 하나의 기능이 수정되었던 것입니다. 다른 말로 하자면, 애초에 한 가지 용도로 사용된 부분이 다른 용도를 위해 함께 선택되게 된 것입니다. 화석 기록을 통해 돌이켜보면, 우리는 중간 단계를 볼 수 있습니다.

 

 

박테리아 편모

 

'다윈의 블랙박스'에서 베히는 환원불가능할 정도로 복잡하다고 여겨지는 세 가지, 즉, 박테리아의 편모, 혈액 응고의 순차적 과정 및 면역계통에 중점을 둡니다. 이러한 시스템의 요소는 본질적으로 분자적이며, 따라서 진화 중간체는 기록되기가 다소 어렵습니다. 상호 작용하는 분자들은 두개골과 중이의 화석 뼈와 같은 역사적인 분석을 위해 보존되지 않습니다. 베히는 그의 책에서 생화학은 이들과 같이 상호 작용하는 복잡한 부분이 어떻게 생겨났는지에 대한 단서를 제공하지 않는다고 주장했으며, 그는 연구자들이  텅 빈 벽에 부딪혔다고 자신 있게 말했습니다.

 

'다윈의 블랙박스'가 쓰여진 이래로 20년이 지났습니다. 베히가 중점을 두었던 구조와 과정은 꽤 광범위하게 연구되었습니다. 비록 과거로 돌아가서 실제 어떤 일이 일어났는지 단계적으로 분석하는 것은 불가능하겠지만, 진화론적인 설명에 대한 많은 증거는 해를 거듭함에 따라 축적되어왔습니다. 우리가 다른 종을 비교할 때 보는 어떤 주어진 구조의 다양성은 그 구조가 어떻게 생겨났는지에 대해 많은 것을 말해줍니다.

 

예를 들어, 편모의 기저부를 이용하여 숙주에게 독소를 전달하는 많은 종의 박테리아가 존재합니다. 여러 박테리아 종들은 편모 조직의 어떤 일부를 자신들의 목적을 위해 사용합니다. Buchnera 속의 종은 공생관계에 있는 진딧물 세포의 보호된 환경 안에서 살고 있습니다. 이 박테리아는 따라서 편모가 필요하지 않습니다. 그러나 각각의 작은 Buchnera  세포에는 수백 개의 편모 기저부가 점점이 박혀있습니다.  

 

'Trends in Microbiology'라는 저널에 실린 최근 논문이 보여주는 것처럼, Buchnera 편모의 목적은 주위 환경 (즉, 박테리아가 사는 진딧물 세포)으로 단백질을 비롯한 여러 물질을 내보내는 통로의 역할을 하는 것입니다. 그래서 다양한 종류의 편모가 어떻게 발생했는지를 보여주기 위해 일련의 사건을 단계적으로 따라갈 수는 없지만, 우리는 그것이 어떻게 변화했고, 또 어떤 경우에는 완전히 새로운 기능을 수행했는지는 볼 수 있습니다. 원래 발생했던 것과 다른 목적을 위해 구조를 조정하는 것을 가리켜 "exaptation"라고 합니다. 이는 복잡성이 발생하는 한 가지 중요한 방법이 됩니다. 

 

그러나 이것이 전부는 아닙니다. 왜냐하면 복잡해지거나 새로운 기능을 수행하려면 개별 부품이 구조에 추가되어야만 하기 때문입니다. 그 부품들은 어디에서 온 것일까요? 최근 연구자들은 편모를 회전시키는 분자 모터의 핵심 단백질이 세포 안과 밖으로 마그네슘을 운반할 때 사용되는 또 다른 단백질과 아주 유사한 구조를 가지고 있음을 밝혀냈습니다. 두 단백질 분자는 거의 똑같은 방식으로 접히는 부분을 가지고 있으며, 아미노산의 순서를 분석한 결과 그 둘은 매우 비슷했습니다. 이는 복잡성을 구축하는 데 있어 두 번째 원리를 보여주는 것인데, 그것은 공동 옵션에 의해 수행됩니다. 하나의 용도로 사용되는 부품들이 두 번째 기능을 수행하도록 공동으로 선택되는 것입니다. 가끔은 한 부품을 만드는 지침이 복사된 동일한 유전자에 의해 인코딩됩니다. 그러한 일이 발생할 땐, 공동 선택이 특히 간단해집니다. 원래의 부품을 만들기 위한 지침 세트는 보존되고 복사된 지침 세트는 돌연변이와 자연선택을 통해 점진적으로 수정될 수 있으므로, 그 부품은 점점 더 향상된 모습으로 새로운 기능을 수행할 수 있게 됩니다. 이것은 복잡성을 다루는 세 번째 원리 (자연선택을 통한 적응)를 보여줍니다.

 

좀 더 분명히 말하자면, 환원불가능하게 복잡한 박테리아 편모는 결국에는 환원불가능하지 않은 것으로 드러난 셈입니다. 예를 들어, 편모의 기저부에 ATPase라는 단백질이 있는데, 이 단백질은 편모의 단위 물질인 플라젤린을 내부 코어를 통해 길고 속이 비어있는 튜브를 통과해서 편모의 길이를 자라나게 합니다. 그러나, 플라젤린은 이러한 ATPase 없이도 편모의 끝으로 수송될 수 있음이 밝혀졌습니다. 편모의 가장 중요한 부분 중 하나라고 여겨지던 단백질도 제거될 수 있다는 것입니다. 이는 복잡한 구조를 만드는 네 번째 원리 (중첩성)를 보여줍니다. 세포 내부에는, 종종 어떤 특정한 목적을 달성하기 위한 한 가지 이상의 방법이 존재합니다. 복잡한 구조를 가진 진화 "땜장이"에게는 특정 부품이 특정 단계에서 잉여가 될 , 가능성이 있는 것입니다. 시간이 지남에 따라, 이러한 중첩 메커니즘 중 하나가 더욱 전문화되고, 심지어 완벽하게 될 수도 있을 것입니다. 

 

 

The Eye

 

환원불가능한 복잡성의 예로써 종종 회자되는 또 다른 시스템은 눈입니다. 사람들은 종종 다음과 같이 묻습니다. "부분적으로 조립된 눈이 무슨 소용일까요?", "독수리 눈처럼 아주 우아한 구조의 자연선택 과정을 통한 창조를 가져올 수 있는 일련의 논리적인 단계가 있을까요?", "어쨌거나 무엇이 출발점이 될까요?"

 

동물계의 모든 빛 감지 장치는 비타민 A에서 유래한 단일 광에 민감한 분자인 레티날을 사용합니다. 레티날은 광자를 흡수할 때, 자신의 모양을 변화시킬 수 있습니다. 이 분자는 옵신이라고 알려진 단백질과 항상 복합체를 이루고 있습니다. 이 두 분자는 빛을 감지하기 위하여 함께 작동합니다.

 

생체리듬은 단세포 유기체를 포함하여 지구 상 모든 생물체에서 작동합니다. 아마도 가장 단순한 빛 탐지기가 빛을 탐지하는 데 사용된 분자 장치의 exaptation를 통해 생겨났을 것입니다. 그 가장 단순한 빛 탐지 분자 장치는 주광성(phototaxis)이 아니라 분자 시계 재설정에 사용되는 것이었습니다. 옵신의 기원조차 복잡성을 만드는 기본 원리인 공동선택을 통한 것입니다. 옵신은 생명의 역사를 통해 다양한 기능을 수행해온 G-단백질 수용체 중 하나입니다. 빛에 민감한 분자인 레티날과 결합할 때, G-단백질 수용체는 세포가 빛의 유무에 민감할 수 있도록 만듭니다. 우린 동물의 역사에서 다양한 눈의 중간체 추적을 가능하게 해 주었던 화석화된 전이를 가지고 있지 않지만, 중이를 다룰 때 했던 것처럼, 우리는 자연선택에 의해 점진적으로 진행되는 과정을 통해 정교한 눈이 어떻게 만들어졌는지를 종합할 수 있게 해주는 무수한 빛 감지장치를 동물계 안에서 가지고 있습니다. (라이언 그레고리의 훌륭한 논문에서 동물계에 존재하는 유망한 중간체에 대해서 더 많은 것들을 읽을 수 있습니다.)

 

만약 여러분이 눈의 발달을 자세히 탐구해보길 원한다면, exaptation, 공동선택, 점진적 적응 및 중첩의 예를 보시기 바랍니다. 예를 들어, 수정체의 진화는 공동선택과 중첩을 보여줍니다. 눈의 뒤쪽에서 빛을 받아들이는 세포 위의 이미지에 초점을 맞추는 데에는 두 가지 방법이 있습니다. 한 가지 방법은 독립 수정체를 통해서입니다. 다른 방법은 수정체 앞의 투명한 각막을 통해서입니다. 수정체는 선명한 초점의 이미지가 맺히게 하기 위해 구성된 단순히 투명하고 결정화된 단백질 분자입니다. 효과적인 수정체로 기능하기 위해 결정화될 수 있는 다양한 단백질들이 있습니다. 진화적 계통에 따라, alcohol dehydrogenase (에탄올을 분해하는 효소), glutathione S transferase 및 chaperone 단백질과 같은 효소를 비롯한 다양한 단백질이 이 목적을 위해 사용됩니다. 이것은 눈과 같은 복잡한 구조를 구축하는데 사용되는 땡질처방 (tinkering) 메커니즘의 일환으로써 함께 기능하는 공동선택과 중첩기능의 간단한 예입니다. 

 

동물문의 2/3는 일종의 감광장치를 가지고 있습니다. 이러한 모든 감광장치는 레티날과 옵신을 사용하지만, 구조상 차이가 있어서 우리는 진화적 기원의 차이를 추적할 수 있습니다. 사이몬 콘웨이 모리스는 2003년 그의 저서 'Life's Solution'에서 적어도 7가지 눈의 기원을 기술했는데, 이는 아주 유사한 결과를 보여주었습니다. 예를 들어, 오징어의 눈과 포유류의 눈은 놀랄 정도로 비슷한 방식으로 작동합니다. 그러나 발달과정 동안 두 눈이 만들어지는 방법은 매우 다릅니다. 구조의 차이는 배아가 발달하면서 몸이 구성되는 방법에 의해 제약을 받습니다. 눈에는 또한 어느 정도 임시적인 구조물이 존재한다는 사실을 알려주는 분명한 흔적도 있습니다. 눈은 완벽하지 않습니다. 눈은 사각지대를 가지며, 눈의 진화의 역사의 작동인 망막 박리, 녹내장 및 시력감퇴에 노출되어 있습니다. 

 

비록 우리는 포유동물의 중이에서처럼 보다 단순한 부품조립을 볼 수 있는, 화석화된 중간 형태의 눈을 가지고 있지 않지만, 동물계에서 수많은 눈의 구조들을 가지고 있습니다. 그중 어떤 것도 환원불가능하게 복잡해 보이지만, 사실은 exaptation, 공동선택, 점진적 적응 그리고 각 과정의 다양한 단계에서의 몇몇 중첩을 포함하는 일련의 과정을 통해 합쳐진 것입니다. 사실, 이러한 눈의 구조 자체가 중간 형태일 가능성이 있습니다. 길고 긴 시간이 흐르면 모든 것은 바뀌기 마련입니다. 이것은 자연선택의 과정을 통한 창조의 유산입니다.

 

 

 

  • 번역: 김영웅 박사(미국 City of Hope Staff Scientist, 과신대 정회원)
  • 감수: 강상훈 교수(미국 Eastern Illinois University 생물학과)
  • 원문: https://bit.ly/3hbKpMc

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