진화론 훑어보기
글ㅣ윤세진
생물교육학 박사 , 숙명여대 강사
(전) 고등학교 생물 교사
***
다음 내용 중에서 진화 용어에 대한 설명과 고대와 중세의 내용을 제외하고 나머지 부분은 고등학교 생명과학 II 수업 시간에 학생들이 배우는 내용들을 요약, 정리한 것이다. 일반 사람들이 생각하는 것보다 상당히 심화된 내용을 다루고 있으며, 이를 배우는 학생들은 기본적으로 생물 진화 내용은 과학적인 내용이며 당연히 일어난 것으로 받아들이고 있다.
서론
지구상에는 다양한 생물이 살아가고 있다. 우리 주위는 물론이고 우리가 가보지 않은 먼 곳, 볼 수 없는 곳에도 생물이 살고 있다. 또한, 이 생물들은 생태계의 일부를 구성하고 있으며, 알게 모르게 우리 생활에 영향을 끼치고 있다. 이렇게 지구에 살고 있는 수많은 생물을 바라보면서 자연스럽게 드는 질문은 ‘이 생물들은 어디서 왔으며, 어떻게 이런 다양한 생물들이 존재할 수 있을까?’ 하는 것이다. 고대로부터 현대까지 많은 철학자나 과학자들이 이 질문에 대답하기 위해 끊임없는 노력을 경주해왔다. 생물학에서 이 질문에 대한 답을 찾기 위한 분야는 생명의 기원과 다양성에 대한 연구를 하는 진화 부분이다.
‘진화’란
진화는 생명의 기원과 변화에 대해 연구하는 영역으로, 생물체들이 가지는 다양한 특징을 관찰, 비교하고, 이 특징들을 어떻게 가지게 되었는지 그 기원을 추적하는 일을 하고 있다. 여기서 진화라는 용어를 명확히 할 필요가 있다. 진화(進化)에서 진은 한자로 나아갈 진(進)이며, 영어 evolution 역시 개인 생명체의 성장과 발달의 의미를 갖는 라틴어에서 유래하여, 진화를 진보, 발전의 의미를 포함하는 것으로 받아들이기 쉽다. 그러나 생물학에서 진화는 진보, 발전의 의미가 아닌 변화를 의미한다. 이 때문에 진화론을 대표하는 찰스 다윈조차도 종의 기원 초판에 ‘진화’라는 용어를 사용하기보다는 ‘변화를 동반한 혈통(Decent with modification)’이라는 용어를 사용하였다.1) 결론적으로 진화론은 생물의 변화를 설명하는 체계이지 생물의 진보나 발전을 설명하는 것은 아니다.
* 찰스 다윈이 '생명의 역사는 기존의 종으로부터 새로운 종이 가지를 쳐온 과정'이라는 개념을 설명하기 위해 그린 '생명의 나무' 그림 @http://darwin-online.org.uk
고대와 중세의 진화론
생물 진화와 관련된 언급은 고대 그리스에도 존재하였다. 아낙시만드로스는 생물이 물에서 시작되어 점차 육상으로 올라 갔다고 주장하였고, 엠페도클레스는 생명체가 원소 조합으로 형성되었고, 생물의 형태는 적응의 결과로 보았다. 로마시대의 루크레티우스도 모든 생물 발생의 가장 큰 특징은 생식 과정이며 동식물 모든 종은 자연법칙과 변화 과정을 보여주는 모델이라고 주장하였다. 중세 유럽에서는 진화 관련된 언급이 없었으며, 대신 이슬람의 여러 철학자와 과학자들에 의해 고대 진화적 사고를 수용하고 발전시켰다. 특히 생물학자인 알 자히즈의 경우에는 생존경쟁, 적자생존 등과 유사한 개념을 제시하기도 하였다.2)
다윈의 진화론
17세기에 과학 혁명이 일어난 이후에도 생물학은 대체로 박물학 수준에 머물고 있었다. 18세기에 이르러 피에르루이 모페르튀가 진화에 대한 과학적 개념을 제시하였고, 다윈의 할아버지인 에라스무스 다윈이 진화를 주장하기에 이르렀다. 프랑스의 뷔퐁은 생물은 시간이 흐르면서 변화한다고 주장하였다. 다윈 이전에 진화를 설명하는 진화론으로 가장 유명했던 것은 프랑스의 장바티스트 라마르크가 제안한 용불용설에 의한 종의 변화였다. 라마르크는 화석을 조사한 결과 변한 종과 변화하지 않은 종을 알게 되면서, ‘종이 여러 세대를 거쳐 새로운 환경에 적응함으로써 변화한다’라고 생각하였다. 라마르크는 모든 생물의 기관은 사용하면 발달하고 사용하지 않으면 퇴화하며, 살아가는 동안 환경에 적응된 형질(획득형질)은 자손에게 유전된다는 용불용설을 주장하였다. 그러나 획득형질에 의한 진화는 옳지 않은 것으로 판명되었다.
라마르크 진화론: 기린은 원래 목이 짧았으나 높은 곳에 있는 잎을 따먹기 위해 목을 길게 늘였고 그 결과 목이 긴 쪽으로 진화하였다.
과학적인 진화론은 찰스 다윈에 의해 제시되었다. 다윈은 1831~1835년까지 5년간 비글호를 타고 세계 일주를 하면서 다양한 곳에서 화석과 생물들을 관찰하였고, 특히 갈라파고스 제도에 서식하던 다양한 핀치새들이 먹이에 따라 부리 모양이 다르다는 것을 발견하였다. 이러한 관찰 사실과 라이엘의 ‘지질학 원리’와 맬서스의 ‘인구론’의 영향을 받아 진화론을 제시하게 되었다. 다윈은 1858년에 알프레드 윌리스와 함께 린네 학회의 동물 학회지에 진화론을 발표하였고,3) 이어 1859년에 ‘종의 기원’을 출간하였다. 다윈의 진화론은 ‘자연선택’에 의한 진화론으로 잘 알려져 있으며, 다윈의 이론은 자연에서 관찰할 수 있는 생물의 진화 현상의 메커니즘을 가장 잘 설명한 것으로 인정받고 있다. 자연선택에 의한 진화론을 간략하게 살펴보면 다음과 같이 요약할 수 있다.
생명체는 한 종 내에서도 다양한 변이를 가지고 있으며, 이 변이는 후손으로 전달된다. 한편, 모든 생명체는 실제로 살아남을 수 있는 것보다 더 많은 수의 자손을 낳는다. 따라서 자손들 사이에서 경쟁이 일어나는데, 환경에 적합한 변이를 가진 개체가 더 많이 살아남아 자손을 많이 남기게 된다. 이러한 상황이 오랜 기간 지속되면 환경에 적합한 형질을 가진 개체로부터 새로운 종이 나타날 수 있다.
다윈 진화론: 목이 짧은 기린과 긴 기린이 있었는데, 목이 긴 기린이 높은 곳에 있는 잎을 먹기에 유리하기 때문에 환경에 적응하였고 결국 목이 긴 기린으로 진화하였다.
다윈의 진화론은 자연선택 외에도 공통 조상, 점진적 진화, 개체군적 분화 등도 함께 이야기된다.4) 한편, 다윈은 자신의 진화론에서 변이의 유전에 대한 원리를 제대로 설명할 수 없어서 어쩔 수 없이 범생설(pangenesis)5)을 차용하여 잘못된 것으로 판명된 라마르크의 획득형질 유전으로 설명한다. 이는 다윈 당시에 유전 원리가 아직 밝혀지지 않았기 때문이었는데, 이후 멘델과 그 후예들에 의해 유전 원리가 밝혀지고, 에른스트 마이어, 줄리안 헉슬리 등에 의해 자연 선택에 기초를 둔 진화와 유전학이 종합적으로 설명되면서 이 문제가 해결되었다.6)
진화와 유전학이 종합적으로 설명된 현대 종합설에 의하면 생물의 특정 개체군에는 돌연변이와 교배에 의한 유전자 재조합으로 자연적인 변이가 생기며, 이 변이는 개체의 표현 형질에 영향을 준다. 만약, 어떤 유전적 변이가 발생한 개체가 생존과 생식능력을 성공적으로 증진시킨다면 자연 선택에 의해 다음 세대에 그 유전 형질을 더 많이 퍼뜨리게 된다. 이러한 변이가 오랫동안 축적되면 자연 선택과 격리에 의해 종 분화가 일어나게 되는 것이다.
현대의 진화 – 유전자풀의 변화 
현대 진화 생물학에서 진화는 개체군에서 유전적 특성이 변하는 것을 의미한다. 한 개체에서 특정 형질을 결정하는 유전자는 염색체에 대립 유전자 한 쌍으로 존재하며, 대립유전자 구성의 차이는 개체들 사이의 형질 차이로 나타난다. 특정한 시기에 한 개체군에 속한 모든 개체가 가지고 있는 대립 유전자 전체를 유전자풀이라고 한다. 유전자 풀은 개체군의 유전적인 특성을 결정한다. 따라서 진화는 한 개체군에서 대립 유전자의 종류와 빈도가 변하는 것을 뜻한다. 유전자풀의 변화는 돌연변이, 자연선택, 유전적 부동, 유전자 흐름 등에 의해 일어난다.7)
돌연변이는 DNA 염기 서열에 변화가 생겨 새로운 대립 유전자가 나타나는 현상이다.
돌연변이에 의한 유전자풀의 변화: 부모 세대에서 돌연변이에 의해 A에서 B로 바뀐 대립유전자가 자손 세대로 전달되었다.
자연선택은 집단 내 개체 사이에 특정 형질을 가진 개체가 다른 개체보다 생존과 번식에 유리하여 다음 세대에 더 많은 유전자를 남기면, 집단의 유전자풀이 변화한다.
자연 선택에 의한 유전자풀의 변화: 부모 세대에서 대립유전자 A를 가진 개체가 유리하게 선택되어 자손 세대에서 대립유전자 A의 빈도가 높아진다.
유전적 부동은 작은 크기의 집단에서 부모의 대립 유전자 중 하나가 자손에게 무작위로 전달되면서 세대와 세대 사이의 대립 유전자 빈도가 예측할 수 없는 방향으로 변화하는 것이다. 여기에는 병목 효과8)와 창시자 효과9)가 있다.
유전적 부동에 의한 유전자풀의 변화: 부모 세대가 만들어 낸 많은 배우자 중 일부만이 무작위로 선택되어 자손 세대에 전달된다.
유전자 흐름은 분리된 두 집단 사이에서 개체의 이주나 배우자의 이동 등이 일어나 두 집단의 유전자풀이 섞이는 현상을 유전자 흐름이라고 한다. 유전자 흐름을 통해 집단에 없던 새로운 대립 유전자가 들어오는 경우 유전자풀이 변화하거나, 장벽에 의해 격리된 집단에 장벽이 제거되면 유전자 흐름이 일어나 하나의 큰 집단이 될 수 있다.
유전자 흐름에 의한 유전자풀의 변화: 유전자 흐름은 두 집단 사이의 유전자풀의 차이를 줄여 준다.
진화의 증거
생물의 진화는 오랜 세월에 걸쳐 아주 조금씩 일어나기 때문에, 진화가 일어나는 것을 사람들이 인식하는 것이 매우 어렵다. 찰스 다윈의 경우에도 자신이 관찰한 화석들과 여러 생물들, 당시 영국 사회에서 유행하던 비둘기 품종 개량에서 볼 수 있었던 사람들의 인위 선택을 바탕으로 자연선택 원리를 제시하였지만, 직접적인 실험적인 결과를 제시하지는 못했다. 그러나 이후에 많은 화석의 발굴과, 해부학적, 발생학적, 생화학적, 생물지리학적, 분자진화학적 증거들을 바탕으로 다윈이 제시한 자연선택에 의한 진화가 명백하게 일어난다는 것이 증명되었다. 특히, 그랜트 부부는 1973년부터 40년간 갈라파고스 제도에 머물면서 다윈이 관찰했던 핀치새를 관찰하면서 다윈이 제시한 자연선택에 의한 진화가 일어나는 것을 직접 확인하였다.10)
생명의 기원과 생물의 다양성
생명의 기원과 그로부터 현생 생명체까지의 진화 과정은 다음과 같다. 45억 년 전에 지구가 탄생한 이후에 38억 년 전 경에 최초의 생명체가 나타난 것으로 추정한다. 최초의 생명체 출현은 오파린의 환원성 대기 성분으로부터 진화가 일어났다는 화학적 진화 가설이 지배적이었으나, 최근에는 원시 지구의 대기 성분이 질소와 이산화 탄소 및 수증기가 주성분이었고 이를 바탕으로 심해 열수구에서 생성된 유기물로부터 원시 세포가 발생했을 것이라는 가설이 더 설득력을 얻고 있다.
이렇게 탄생한 최초의 원시 세포는 인지질 막으로 둘러싸여 있으며, 자기 복제가 가능하고, 간단한 물질대사가 일어났을 것으로 추정된다. 막 구조는 코아세르베이트, 마이크로스피어, 리포솜 등의 구조 등을 통해 설명한다. 막 구조가 중요한 이유는 세포 내부와 외부를 구분 짓고, 선택적 투과성과 물질 출입을 조절하는 생명활동에 필수적인 기능을 수행하기 때문이다. 원시 세포는 유전 물질을 가지고 지속적인 자기 복제가 가능한 체제를 갖추었으며, 다양한 효소들을 가지고 물질과 에너지를 이용할 수 있게 되면서 최초의 원시 생명체로 진화했을 것이다.
38억 년 전에 탄생한 최초의 생명체는 세포 구조가 간단한 단세포 원핵생물이었다. 이 단세포 원핵생물은 주변에 있는 유기물을 흡수하여 살아가는 종속 영양 생물이면서, 산소가 없는 환경이어서 무산소 호흡 생물이었다. 이로부터 35억 년 전에 남세균과 같은 광합성 생물이 출현하여 독립영양 생물이 등장하게 된다. 광합성 생물은 대기 중에 산소를 방출하여 산소 농도를 증가, 축적 시켰고 이를 바탕으로 산소 호흡 생물이 출현하였다. 산소는 오존층을 형성하여 생물이 바다에서 육지로 올라올 수 있는 토대를 마련하였다.
약 21억 년 전에는 단세포 원핵생물은 산소 호흡을 하던 세균, 광합성 세균 등과 공생관계를 통해 단세포 진핵생물이 탄생하게 되었다. 이 세포내 공생설은 미토콘드리아나 엽록체가 독자적인 DNA와 리보솜을 가지고 있으며, 이 DNA와 리보솜이 원핵세포의 것과 유사한 증거들로 뒷받침되고 있다.
약 15억 년 전에는 여러 개의 세포로 이루어진 다세포 생물이 처음으로 출현하였다. 다세포 생물은 처음에는 군체로 생활하다가 군체를 이루고 있는 각 세포들의 역할과 기능이 분업화되었고, 어느 시점에 독자적인 생활과 번식이 불가능하게 되면서 다세포 생물로 통합되었다.
약 5억 4천만 년 전 고생대 캄브리아기에 폭발적으로 해양 생물이 출현하였고, 약 4억 5천만 년 전부터 생물이 육지에 정착하기 시작하였다. 이후 중생대와 신생대를 거치면서 멸종과 번성이 반복되면서 현재 다양한 생물상을 형성하게 되었다.
진화론을 가르쳤던 고등학교 교사로서..
이러한 진화론의 내용을 학교에서 가르쳤던 교사로서 내가 경험한 학교의 상황을 얘기하고 싶다. 먼저 학교에서 진화론을 가르치면서 느낀 것은 학생들이 그리스도인이든 아니든 간에 고등학교에서 생명과학을 공부하는 경우에는 진화론을 과학의 일부로 당연하게 받아들이고 있다는 것이다. 정규 공립학교에서는 그리스도인 학생들이 교회에서 어떤 내용을 접했느냐와 무관하게 진화론을 과학의 이론으로, 생명과학의 기본 이론으로 가르치고 배운다. 진화론이 과학인지 아닌지 혹은 맞는지 틀리는지에 대한 질문은 나오지 않는다.
다음으로 학생들은 과학적 소양을 배우는 것을 통해 과학 지식이 가지고 있는 잠정성과 그 한계에 대한 부분도 배우고 있다. 과학이 자연의 사실들을 관찰(관측) 하고, 가설을 세우고, 실험을 통해 검증하고, 그로부터 이론을 만들어 자연을 체계적으로 설명하려고 한다는 것을 알게 된다. 즉, 과학은 자연 현상을 설명하려고 하지 그에 대한 가치판단을 하려고 하는 것은 아니라는 것을 알게 되는 것이다.
한편으로, 생명과학에 관심 있는 학생들이 많이 읽는 책으로 과학적 무신론자인 도킨스의 ‘이기적 유전자'라는 책이 있다. 내용을 살펴보면, 고등학생 수준에서는 쉽게 이해하기 어려운 내용들이 많은데도 불구하고, 생명과학에 관심 있는 학생들에게는 그야말로 그 분야의 ‘바이블’이다. 이 책을 읽으면서 무신론으로 자기 입장을 정하는 경우의 학생도 보았다. 안타까운 것은 이를 대치할 수 있는 생명과학 분야의 신앙을 가진 과학자의 책이 아직은 없다는 것이다.
@Unsplash, James Coleman
진화론은 생물 세계의 변화를 설명하기 위해 체계적으로 검증된 과학 이론이다. 과학 이론은 가치중립적인 것이기 때문에 진화론을 배운다고 무신론자가 되는 것이 아니다. 오히려 진화론을 통해 생명의 다양성이 이루어지게 된 방법을 알게 되어 하나님의 창조의 다양성과 지금도 우리와 함께 하신다는 사실을 깨닫게 되어 우리 신앙이 더 풍성해지는 것이다. 과학 기술의 시대인 현대에 진화론을 배척하는 것이야말로 비과학적이라는 비난을 받게 되고 오히려 신앙을 갖는데 방해가 될 수 있다. 진화론은 생명 세계를 창조하시고 지금도 창조하고 계시는 하나님의 능력과 은혜를 알 수 있는 중요한 과학 이론이다.
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1) Darwin, Charles(1859). On the origin of species by means of natural selection or the preservation of favoured races in the struggle for life.(1st. ed), London: John Murray.
2) https://ko.wikipedia.org/wiki/진화
3) Darwin, Charles; Wallace, Alfred Russel (1858). "On the Tendency of Species to Form Varieties; and on the Perpetuation of Varieties and Species by Natural Means of Selection". Zoological Journal of the Linnean Society. 3 (9): 46–62.
4) Mayr, Ernst(2005). 생물학의 고유성은 어디에 있는가?(박정희 역). 철학과 현실사(Original work published 2004).
5) 신체의 모든 부분들은 작은 입자들인 제뮬(gemmule)이 분비되는데, 이들이 생식샘으로 이동하여 수정란과 다음 세대에 기여한다. 이 이론은 용불용설에서 제안된 것처럼 생물체의 일생 동안 신체 변화가 유전될 것이라는 것을 암시했다(출처: https://ko.wikipedia.org/wiki/유전학의_역사).
6) Huxley, Julian(1942). Evolution: The Modern Synthesis, Allen and Unwin.
7) 이하 유전자풀의 변화와 관련된 그림은 오현선 외5명(2018). 고등학교 생명과학 II. (주)미래엔. 5장 생물의 진화와 다양성 부분을 참고하였다.
8) 병목 효과 : 질병, 자연재해 등에 의해 집단의 크기가 급격히 작아져서 유전자풀의 변화가 나타나는 경우
9) 창시자 효과: 원래 집단을 구성하는 개체 중 일부 개체들이 모여 새로운 집단을 형성할 때 유전자풀의 변화가 나타나는 경우
10) Peter R. Grant; B. Rosemary Grant((2017). 다윈의 핀치(엄상미 역). (Original work published 2008)
진화론 훑어보기
글ㅣ윤세진
생물교육학 박사 , 숙명여대 강사
(전) 고등학교 생물 교사
***
다음 내용 중에서 진화 용어에 대한 설명과 고대와 중세의 내용을 제외하고 나머지 부분은 고등학교 생명과학 II 수업 시간에 학생들이 배우는 내용들을 요약, 정리한 것이다. 일반 사람들이 생각하는 것보다 상당히 심화된 내용을 다루고 있으며, 이를 배우는 학생들은 기본적으로 생물 진화 내용은 과학적인 내용이며 당연히 일어난 것으로 받아들이고 있다.
서론
‘진화’란
* 찰스 다윈이 '생명의 역사는 기존의 종으로부터 새로운 종이 가지를 쳐온 과정'이라는 개념을 설명하기 위해 그린 '생명의 나무' 그림 @http://darwin-online.org.uk
고대와 중세의 진화론
생물 진화와 관련된 언급은 고대 그리스에도 존재하였다. 아낙시만드로스는 생물이 물에서 시작되어 점차 육상으로 올라 갔다고 주장하였고, 엠페도클레스는 생명체가 원소 조합으로 형성되었고, 생물의 형태는 적응의 결과로 보았다. 로마시대의 루크레티우스도 모든 생물 발생의 가장 큰 특징은 생식 과정이며 동식물 모든 종은 자연법칙과 변화 과정을 보여주는 모델이라고 주장하였다. 중세 유럽에서는 진화 관련된 언급이 없었으며, 대신 이슬람의 여러 철학자와 과학자들에 의해 고대 진화적 사고를 수용하고 발전시켰다. 특히 생물학자인 알 자히즈의 경우에는 생존경쟁, 적자생존 등과 유사한 개념을 제시하기도 하였다.2)
다윈의 진화론
17세기에 과학 혁명이 일어난 이후에도 생물학은 대체로 박물학 수준에 머물고 있었다. 18세기에 이르러 피에르루이 모페르튀가 진화에 대한 과학적 개념을 제시하였고, 다윈의 할아버지인 에라스무스 다윈이 진화를 주장하기에 이르렀다. 프랑스의 뷔퐁은 생물은 시간이 흐르면서 변화한다고 주장하였다. 다윈 이전에 진화를 설명하는 진화론으로 가장 유명했던 것은 프랑스의 장바티스트 라마르크가 제안한 용불용설에 의한 종의 변화였다. 라마르크는 화석을 조사한 결과 변한 종과 변화하지 않은 종을 알게 되면서, ‘종이 여러 세대를 거쳐 새로운 환경에 적응함으로써 변화한다’라고 생각하였다. 라마르크는 모든 생물의 기관은 사용하면 발달하고 사용하지 않으면 퇴화하며, 살아가는 동안 환경에 적응된 형질(획득형질)은 자손에게 유전된다는 용불용설을 주장하였다. 그러나 획득형질에 의한 진화는 옳지 않은 것으로 판명되었다.
라마르크 진화론: 기린은 원래 목이 짧았으나 높은 곳에 있는 잎을 따먹기 위해 목을 길게 늘였고 그 결과 목이 긴 쪽으로 진화하였다.
과학적인 진화론은 찰스 다윈에 의해 제시되었다. 다윈은 1831~1835년까지 5년간 비글호를 타고 세계 일주를 하면서 다양한 곳에서 화석과 생물들을 관찰하였고, 특히 갈라파고스 제도에 서식하던 다양한 핀치새들이 먹이에 따라 부리 모양이 다르다는 것을 발견하였다. 이러한 관찰 사실과 라이엘의 ‘지질학 원리’와 맬서스의 ‘인구론’의 영향을 받아 진화론을 제시하게 되었다. 다윈은 1858년에 알프레드 윌리스와 함께 린네 학회의 동물 학회지에 진화론을 발표하였고,3) 이어 1859년에 ‘종의 기원’을 출간하였다. 다윈의 진화론은 ‘자연선택’에 의한 진화론으로 잘 알려져 있으며, 다윈의 이론은 자연에서 관찰할 수 있는 생물의 진화 현상의 메커니즘을 가장 잘 설명한 것으로 인정받고 있다. 자연선택에 의한 진화론을 간략하게 살펴보면 다음과 같이 요약할 수 있다.
생명체는 한 종 내에서도 다양한 변이를 가지고 있으며, 이 변이는 후손으로 전달된다. 한편, 모든 생명체는 실제로 살아남을 수 있는 것보다 더 많은 수의 자손을 낳는다. 따라서 자손들 사이에서 경쟁이 일어나는데, 환경에 적합한 변이를 가진 개체가 더 많이 살아남아 자손을 많이 남기게 된다. 이러한 상황이 오랜 기간 지속되면 환경에 적합한 형질을 가진 개체로부터 새로운 종이 나타날 수 있다.
다윈 진화론: 목이 짧은 기린과 긴 기린이 있었는데, 목이 긴 기린이 높은 곳에 있는 잎을 먹기에 유리하기 때문에 환경에 적응하였고 결국 목이 긴 기린으로 진화하였다.
다윈의 진화론은 자연선택 외에도 공통 조상, 점진적 진화, 개체군적 분화 등도 함께 이야기된다.4) 한편, 다윈은 자신의 진화론에서 변이의 유전에 대한 원리를 제대로 설명할 수 없어서 어쩔 수 없이 범생설(pangenesis)5)을 차용하여 잘못된 것으로 판명된 라마르크의 획득형질 유전으로 설명한다. 이는 다윈 당시에 유전 원리가 아직 밝혀지지 않았기 때문이었는데, 이후 멘델과 그 후예들에 의해 유전 원리가 밝혀지고, 에른스트 마이어, 줄리안 헉슬리 등에 의해 자연 선택에 기초를 둔 진화와 유전학이 종합적으로 설명되면서 이 문제가 해결되었다.6)
진화와 유전학이 종합적으로 설명된 현대 종합설에 의하면 생물의 특정 개체군에는 돌연변이와 교배에 의한 유전자 재조합으로 자연적인 변이가 생기며, 이 변이는 개체의 표현 형질에 영향을 준다. 만약, 어떤 유전적 변이가 발생한 개체가 생존과 생식능력을 성공적으로 증진시킨다면 자연 선택에 의해 다음 세대에 그 유전 형질을 더 많이 퍼뜨리게 된다. 이러한 변이가 오랫동안 축적되면 자연 선택과 격리에 의해 종 분화가 일어나게 되는 것이다.
현대의 진화 – 유전자풀의 변화
현대 진화 생물학에서 진화는 개체군에서 유전적 특성이 변하는 것을 의미한다. 한 개체에서 특정 형질을 결정하는 유전자는 염색체에 대립 유전자 한 쌍으로 존재하며, 대립유전자 구성의 차이는 개체들 사이의 형질 차이로 나타난다. 특정한 시기에 한 개체군에 속한 모든 개체가 가지고 있는 대립 유전자 전체를 유전자풀이라고 한다. 유전자 풀은 개체군의 유전적인 특성을 결정한다. 따라서 진화는 한 개체군에서 대립 유전자의 종류와 빈도가 변하는 것을 뜻한다. 유전자풀의 변화는 돌연변이, 자연선택, 유전적 부동, 유전자 흐름 등에 의해 일어난다.7)
돌연변이는 DNA 염기 서열에 변화가 생겨 새로운 대립 유전자가 나타나는 현상이다.
돌연변이에 의한 유전자풀의 변화: 부모 세대에서 돌연변이에 의해 A에서 B로 바뀐 대립유전자가 자손 세대로 전달되었다.
자연선택은 집단 내 개체 사이에 특정 형질을 가진 개체가 다른 개체보다 생존과 번식에 유리하여 다음 세대에 더 많은 유전자를 남기면, 집단의 유전자풀이 변화한다.
자연 선택에 의한 유전자풀의 변화: 부모 세대에서 대립유전자 A를 가진 개체가 유리하게 선택되어 자손 세대에서 대립유전자 A의 빈도가 높아진다.
유전적 부동은 작은 크기의 집단에서 부모의 대립 유전자 중 하나가 자손에게 무작위로 전달되면서 세대와 세대 사이의 대립 유전자 빈도가 예측할 수 없는 방향으로 변화하는 것이다. 여기에는 병목 효과8)와 창시자 효과9)가 있다.
유전적 부동에 의한 유전자풀의 변화: 부모 세대가 만들어 낸 많은 배우자 중 일부만이 무작위로 선택되어 자손 세대에 전달된다.
유전자 흐름은 분리된 두 집단 사이에서 개체의 이주나 배우자의 이동 등이 일어나 두 집단의 유전자풀이 섞이는 현상을 유전자 흐름이라고 한다. 유전자 흐름을 통해 집단에 없던 새로운 대립 유전자가 들어오는 경우 유전자풀이 변화하거나, 장벽에 의해 격리된 집단에 장벽이 제거되면 유전자 흐름이 일어나 하나의 큰 집단이 될 수 있다.
유전자 흐름에 의한 유전자풀의 변화: 유전자 흐름은 두 집단 사이의 유전자풀의 차이를 줄여 준다.
진화의 증거
생물의 진화는 오랜 세월에 걸쳐 아주 조금씩 일어나기 때문에, 진화가 일어나는 것을 사람들이 인식하는 것이 매우 어렵다. 찰스 다윈의 경우에도 자신이 관찰한 화석들과 여러 생물들, 당시 영국 사회에서 유행하던 비둘기 품종 개량에서 볼 수 있었던 사람들의 인위 선택을 바탕으로 자연선택 원리를 제시하였지만, 직접적인 실험적인 결과를 제시하지는 못했다. 그러나 이후에 많은 화석의 발굴과, 해부학적, 발생학적, 생화학적, 생물지리학적, 분자진화학적 증거들을 바탕으로 다윈이 제시한 자연선택에 의한 진화가 명백하게 일어난다는 것이 증명되었다. 특히, 그랜트 부부는 1973년부터 40년간 갈라파고스 제도에 머물면서 다윈이 관찰했던 핀치새를 관찰하면서 다윈이 제시한 자연선택에 의한 진화가 일어나는 것을 직접 확인하였다.10)
생명의 기원과 생물의 다양성
생명의 기원과 그로부터 현생 생명체까지의 진화 과정은 다음과 같다. 45억 년 전에 지구가 탄생한 이후에 38억 년 전 경에 최초의 생명체가 나타난 것으로 추정한다. 최초의 생명체 출현은 오파린의 환원성 대기 성분으로부터 진화가 일어났다는 화학적 진화 가설이 지배적이었으나, 최근에는 원시 지구의 대기 성분이 질소와 이산화 탄소 및 수증기가 주성분이었고 이를 바탕으로 심해 열수구에서 생성된 유기물로부터 원시 세포가 발생했을 것이라는 가설이 더 설득력을 얻고 있다.
이렇게 탄생한 최초의 원시 세포는 인지질 막으로 둘러싸여 있으며, 자기 복제가 가능하고, 간단한 물질대사가 일어났을 것으로 추정된다. 막 구조는 코아세르베이트, 마이크로스피어, 리포솜 등의 구조 등을 통해 설명한다. 막 구조가 중요한 이유는 세포 내부와 외부를 구분 짓고, 선택적 투과성과 물질 출입을 조절하는 생명활동에 필수적인 기능을 수행하기 때문이다. 원시 세포는 유전 물질을 가지고 지속적인 자기 복제가 가능한 체제를 갖추었으며, 다양한 효소들을 가지고 물질과 에너지를 이용할 수 있게 되면서 최초의 원시 생명체로 진화했을 것이다.
38억 년 전에 탄생한 최초의 생명체는 세포 구조가 간단한 단세포 원핵생물이었다. 이 단세포 원핵생물은 주변에 있는 유기물을 흡수하여 살아가는 종속 영양 생물이면서, 산소가 없는 환경이어서 무산소 호흡 생물이었다. 이로부터 35억 년 전에 남세균과 같은 광합성 생물이 출현하여 독립영양 생물이 등장하게 된다. 광합성 생물은 대기 중에 산소를 방출하여 산소 농도를 증가, 축적 시켰고 이를 바탕으로 산소 호흡 생물이 출현하였다. 산소는 오존층을 형성하여 생물이 바다에서 육지로 올라올 수 있는 토대를 마련하였다.
약 21억 년 전에는 단세포 원핵생물은 산소 호흡을 하던 세균, 광합성 세균 등과 공생관계를 통해 단세포 진핵생물이 탄생하게 되었다. 이 세포내 공생설은 미토콘드리아나 엽록체가 독자적인 DNA와 리보솜을 가지고 있으며, 이 DNA와 리보솜이 원핵세포의 것과 유사한 증거들로 뒷받침되고 있다.
약 15억 년 전에는 여러 개의 세포로 이루어진 다세포 생물이 처음으로 출현하였다. 다세포 생물은 처음에는 군체로 생활하다가 군체를 이루고 있는 각 세포들의 역할과 기능이 분업화되었고, 어느 시점에 독자적인 생활과 번식이 불가능하게 되면서 다세포 생물로 통합되었다.
약 5억 4천만 년 전 고생대 캄브리아기에 폭발적으로 해양 생물이 출현하였고, 약 4억 5천만 년 전부터 생물이 육지에 정착하기 시작하였다. 이후 중생대와 신생대를 거치면서 멸종과 번성이 반복되면서 현재 다양한 생물상을 형성하게 되었다.
진화론을 가르쳤던 고등학교 교사로서..
이러한 진화론의 내용을 학교에서 가르쳤던 교사로서 내가 경험한 학교의 상황을 얘기하고 싶다. 먼저 학교에서 진화론을 가르치면서 느낀 것은 학생들이 그리스도인이든 아니든 간에 고등학교에서 생명과학을 공부하는 경우에는 진화론을 과학의 일부로 당연하게 받아들이고 있다는 것이다. 정규 공립학교에서는 그리스도인 학생들이 교회에서 어떤 내용을 접했느냐와 무관하게 진화론을 과학의 이론으로, 생명과학의 기본 이론으로 가르치고 배운다. 진화론이 과학인지 아닌지 혹은 맞는지 틀리는지에 대한 질문은 나오지 않는다.
다음으로 학생들은 과학적 소양을 배우는 것을 통해 과학 지식이 가지고 있는 잠정성과 그 한계에 대한 부분도 배우고 있다. 과학이 자연의 사실들을 관찰(관측) 하고, 가설을 세우고, 실험을 통해 검증하고, 그로부터 이론을 만들어 자연을 체계적으로 설명하려고 한다는 것을 알게 된다. 즉, 과학은 자연 현상을 설명하려고 하지 그에 대한 가치판단을 하려고 하는 것은 아니라는 것을 알게 되는 것이다.
한편으로, 생명과학에 관심 있는 학생들이 많이 읽는 책으로 과학적 무신론자인 도킨스의 ‘이기적 유전자'라는 책이 있다. 내용을 살펴보면, 고등학생 수준에서는 쉽게 이해하기 어려운 내용들이 많은데도 불구하고, 생명과학에 관심 있는 학생들에게는 그야말로 그 분야의 ‘바이블’이다. 이 책을 읽으면서 무신론으로 자기 입장을 정하는 경우의 학생도 보았다. 안타까운 것은 이를 대치할 수 있는 생명과학 분야의 신앙을 가진 과학자의 책이 아직은 없다는 것이다.
@Unsplash, James Coleman
진화론은 생물 세계의 변화를 설명하기 위해 체계적으로 검증된 과학 이론이다. 과학 이론은 가치중립적인 것이기 때문에 진화론을 배운다고 무신론자가 되는 것이 아니다. 오히려 진화론을 통해 생명의 다양성이 이루어지게 된 방법을 알게 되어 하나님의 창조의 다양성과 지금도 우리와 함께 하신다는 사실을 깨닫게 되어 우리 신앙이 더 풍성해지는 것이다. 과학 기술의 시대인 현대에 진화론을 배척하는 것이야말로 비과학적이라는 비난을 받게 되고 오히려 신앙을 갖는데 방해가 될 수 있다. 진화론은 생명 세계를 창조하시고 지금도 창조하고 계시는 하나님의 능력과 은혜를 알 수 있는 중요한 과학 이론이다.
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1) Darwin, Charles(1859). On the origin of species by means of natural selection or the preservation of favoured races in the struggle for life.(1st. ed), London: John Murray.
2) https://ko.wikipedia.org/wiki/진화
3) Darwin, Charles; Wallace, Alfred Russel (1858). "On the Tendency of Species to Form Varieties; and on the Perpetuation of Varieties and Species by Natural Means of Selection". Zoological Journal of the Linnean Society. 3 (9): 46–62.
4) Mayr, Ernst(2005). 생물학의 고유성은 어디에 있는가?(박정희 역). 철학과 현실사(Original work published 2004).
5) 신체의 모든 부분들은 작은 입자들인 제뮬(gemmule)이 분비되는데, 이들이 생식샘으로 이동하여 수정란과 다음 세대에 기여한다. 이 이론은 용불용설에서 제안된 것처럼 생물체의 일생 동안 신체 변화가 유전될 것이라는 것을 암시했다(출처: https://ko.wikipedia.org/wiki/유전학의_역사).
6) Huxley, Julian(1942). Evolution: The Modern Synthesis, Allen and Unwin.
7) 이하 유전자풀의 변화와 관련된 그림은 오현선 외5명(2018). 고등학교 생명과학 II. (주)미래엔. 5장 생물의 진화와 다양성 부분을 참고하였다.
8) 병목 효과 : 질병, 자연재해 등에 의해 집단의 크기가 급격히 작아져서 유전자풀의 변화가 나타나는 경우
9) 창시자 효과: 원래 집단을 구성하는 개체 중 일부 개체들이 모여 새로운 집단을 형성할 때 유전자풀의 변화가 나타나는 경우
10) Peter R. Grant; B. Rosemary Grant((2017). 다윈의 핀치(엄상미 역). (Original work published 2008)