• MOOC(Massive Open Online Course)는 언제 어디서나 누구나 願하는 講義를 無料로 들을 수 있는 온라인 公開講座 서비스다.
• 2012年 美國에서 첫선을 보였고, 韓國에선 2015年 10月 ‘K-MOOC’로 誕生했다
• (國家平生敎育振興院 K-MOOC 홈페이지 : www.kmooc.kr).
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‘DNA로 살펴본 生物의 進化’는 DNA 證據로 살펴본 生物의 多樣性과 進化에 對한 講座다. 種間의 遺傳子 差異에 依해 다양한 종들이 어떻게 環境에 適應하고 生活方式을 변화시켰는지에 對해 알려준다.
分子 水準에서 生命現象을 만들어내는 生體 네트워크의 進化를 一般人도 알기 쉽게 풀어내고 있는 點이 妙味다.
講演 內容의 一部(1月 中旬부터 進行되는 13週 講演 中 1週次)를 紙面에 옮긴다.



分子進化學은 生命의 多樣性에 對해서 工夫하는 學問입니다. 우리는 地球上에 있는 다양한 種(species)의 生物들이 어떻게 생겨났고 變化했는지에 對해 關心이 많지만 實際로는 잘 모릅니다. 이番 講義에서는 生物들의 ‘DNA 證據’를 바탕으로 다양한 종들이 어떻게 多樣性을 가지게 되고, 우리 周邊에서 發見되며, 自然과 더불어 살아가는지에 對해서 工夫하겠습니다.

分子進化學에서 다루는 主題를 크게 보면 다음과 같습니다. 먼저 특정한 種(species)李 變化(change)를 겪게 될 때 이 變化가 다른 種에서 나타나는 것인지 或은 같은 種 內에서 일어나는 變異(variation)인지에 對한 差異點을 다룰 것입니다.

우리는 進化 過程에서 變化를 일으키는 要素는 DNA의 變化라고 믿고 있습니다. 進化라 하면 여러분에게 어떠한 뜻으로 다가오나요. 常識的으로 鎭火는 歷史라고 理解할 수 있습니다. 우리가 歷史를 배우는 理由는 過去에 일어난 일(event)들을 알고 그 일들을 土臺로 未來를 豫測하고 對備하기 위해서입니다. 마찬가지로 生物學에서는 分子進化學이 歷史와 같은 役割을 할 수 있다고 봅니다.



生物의 多樣性, 機能과 環境을 다루는 學問은 많습니다. 生態學, 生理學, 生化學 等의 科目들이 그 例입니다. 그中에서도 分子進化學은 各 種의 進化를 통해서 겪은 變化들이 實際 生物의 分化에 어떠한 機能을 했고 어떻게 종들의 差異點을 만들어냈는지에 對해 다룹니다.

사람의 特徵을 만드는 DNA

사람들이 分子進化學을 알고 싶어 하는 理由는 여러 가지일 겁니다. 제가 分子進化學에 關心을 가지게 된 理由는 다음과 같습니다. ‘사람은 어떻게 사람답게 됐을까.’ ‘사람을 다른 種의 生物들과 區分을 짓는 것은 무엇일까.’

이러한 궁금症은 于先 사람들의 行動(behavior), 思考能力 또는 사람들이 가지는 特徵을 통해 풀어갈 수 있을 겁니다. 分子進化學에서는 여러 種의 DNA 序列(sequence), 卽 게놈(genome)을 比較함으로써 어떤 DNA가 사람의 어떤 特徵을 만들어내게 됐는지를 살펴봅니다.

以前에는 動物의 크기, 壽命, 먹는 飮食이나 適應하는 環境에 對한 分類 水準에서 그쳤지만 이제는 이러한 項目들을 DNA 水準에서 理解하게 됐고 이를 통해 未來를 對備하는 方法도 알 수 있습니다.

例를 들어 一般的인 壽命보다 더 오래 사는 動物이나 사람이 어떤 DNA 證據들을 가지고 있는지 알게 되면 生命現象이나 老化, 삶을 理解하는 데 利用할 수 있을 것입니다. 이런 內容들이 蓄積되면 이를 利用해 未來의 疾病을 對備할 수 있습니다. DNA 水準에서 疾病의 原因을 알게 되면 該當 疾病에 걸릴 사람과 걸리지 않을 사람을 區別할 수 있고, 걸릴 사람들은 藥물 療法이나 生活 方式들의 變化를 통해 疾病에 對備할 수 있게 됩니다.

分子進化에서 다루는 또 다른 큰 主題 中 하나는 高等生物, 何等生物입니다. 예전에는 이러한 分類를 使用했지만, 요즘에는 사람들이 이러한 定義 代身 ‘單純(simple)韓 生物, 複雜(complex)韓 生物’이라는 分類를 씁니다.

흔히 複雜한 生物이 環境에 適應을 더 잘하고 더 發展했으며 高騰하다고 생각합니다. 分子進化學에서는 이를 다른 方式으로 接近합니다. 遺傳子의 多樣性이 增加하고 複雜性이 增加하면 종이 여러 가지 環境에 適應하는 데 도움이 될 수 있지만 한便으로는 이러한 DNA를 다 維持(maintain)하고 그 機能을 發揮하는 데 弱點이 따를 수도 있기 때문입니다.

또 遺傳子가 複雜하고 많이 있는 것보다 單純한 數의 遺傳子를 가지고 있는 종이 特定 環境에 더 適應을 잘할 수도 있습니다. 火山이나 매우 추운 環境에서 發見되는 極限性 生物들을 보면 그 環境에 適應하기 위해 오히려 不必要한 遺傳子들을 없애는 境遇가 있습니다. 그래서 單純한 生物이 複雜한 生物로 進化했다기보다 自然系의 여러 가지 條件에 가장 적합한 形態를 만들기 爲해서 鎭火했다고 보는 것이 맞습니다.

眞正한 삶의 模樣은 무엇일까

우리가 삶(life)을 얘기할 때 그것의 模樣(form)에 對해 言及하면 普通 삶의 겉모습에 焦點을 맞추게 됩니다. 例를 들어 이 動物은 크기가 크다 或은 작다, 또는 이 動物은 날아다닌다, 걸어다닌다 等 該當 動物들의 겉모습에 中心을 둡니다. 하지만 겉모습이 아닌 ‘眞正한 삶의 模樣(form)’은 무엇을 말하는 것일까요.

例를 하나 들어보겠습니다. 다윈(Darwin)李 비글(Beagle)이라는 배를 타고 6年 동안 旅行을 했습니다. 그는 마다가스카르 섬에 가서 다양한 形態의 새 부리를 觀察하면서 그 새들이 어떻게 環境, 먹이, 習性에 對해서 變하게 됐는지 말하면서 進化를 論했습니다.

그런데 그 배가 6年間 航海를 하면서 風浪을 만나거나 오랜 時間이 지나서 木材나 돛 等을 繼續 바꿔야 했습니다. 들르는 港口마다 木材나 돛을 바꾸다 보니 結局 배의 大部分을 바꿨습니다. 甚至於 倍 表面에 바른 페인트가 낡아 다시 漆을 하면서 ‘비글’이라는 이름까지 새로 써 그 배가 다시 港口에 到着했습니다.

여기서 質問입니다. 이 배가 처음 배와 같은 배일까요. 아니면 材料를 바꾸었기 때문에 다른 배라고 할 수 있을까요. 어떤 사람들은 材料가 完全히 바뀌었기 때문에 이 배가 다른 배라고 말하는 反面 어떤 사람들은 같은 設計圖에 基盤을 두고 만들었고 模樣도 같고 이름도 ‘비글’로 같기 때문에 같은 배라고 말합니다.

事實 같은 設計圖를 통해서 만든 固有한 배이기 때문에 그 배는 같은 배라고 생각하는 것이 맞습니다. 그러면 사람과 같은 生命體는 어떨까요. 우리가 父母님의 DNA를 利用해 태어나 繼續 成長하며 每日 무언가를 먹습니다. 그리고 우리가 每日 먹은 飮食이 몸의 構成成分을 만들어 냅니다. 우리가 炭水化物, 脂肪, 蛋白質을 攝取하면 炭水化物은 에너지源으로 쓰이고 地方, 蛋白質들이 우리 몸을 構成합니다. 그리고 우리 몸을 構成하는 物質이 빠르면 2~3個月 느리면 1年 內에 完全히 바뀌게(exchange) 됩니다. 어떤 사람이 10年, 20年 그리고 30年 동안 살게 되면 ‘어렸을 때의 나’와 ‘現在의 나’는 完全히 다른 構成 物質로 돼 있다고 할 수 있습니다.

그렇다면 저는 다른 사람이 되는 건가요. 아니죠. 저는 같은 이름이 있고 저에게 ‘正體性(identity)을 附與하는 건 제가 가지는 物質(material)李 아닌 제가 가진 情報라고 볼 수 있습니다. 제가 말하는 것, 제가 생각하는 것, 제 이름 等 삶을 만드는 온갖 것은 情報라고 볼 수 있습니다.

遺傳子型과 表現型

그래서 分子進化學은 實際로 生物 종들의 形態學(morphology)에 焦點을 두는 것이 아니라 그 生命體를 만드는 情報 卽 遺傳情報(genetic information)에 焦點을 두는 것입니다. 이 遺傳 情報가 다음 世代로 傳達되고 複製되는 것이 그 生物 種의 特徵을 만드는 데 가장 重要한 要素라고 할 수 있습니다. 우리는 分子進化學을 통해 DNA 水準의 證據를 어떻게 比較하고, 그 證據들의 差異點을 어떻게 分析하고, 實際 DNA 水準에서 생긴 變化가 個體의 表現型(phenotype)에 어떠한 影響을 주었는지를 理解할 수 있습니다.

사람들은 다양한 特徵을 갖고 있습니다. 사람만이 가진 特徵을 理解하기 위해 사람과 靈長類를 자주 比較합니다. 現在는 사람의 게놈 프로젝트뿐만 아니라 침팬지 게놈 프로젝트, 오랑우탄 게놈 프로젝트도 完了됐습니다. 分析 結果 사람과 靈長類는 DNA에서 相當히 가까운 距離에 있습니다.

DNA를 比較하면 어떤 遺傳子가 變化를 겪었는지 理解할 수 있겠죠. 그래서 앞서 했던 質問인 ‘사람이 어떻게 해서 사람답게 됐는가’ ‘어떤 特徵이 사람을 사람으로 만드는가’에 對한 硏究가 요즘 많이 進行되고 있습니다. 이것은 宏壯히 오랜 期間   이뤄진 일이기도 합니다.

사람과 靈長類를 區分 짓는 特徵에는 어떤 것들이 있을까요. 一旦 눈에 보이는 가장 큰 特徵은 皮膚에 털이 없다는 點입니다. 그래서 우리가 사람을 ‘털 없는 원숭이’라고 부르죠. 그 外에도 宏壯히 많은 特徵을 갖고 있죠. 一旦 靈長類에 비하면 사람의 腦가 더 커졌다는 事實도 알 수 있습니다. 卽, 사람은 靈長類와 腦의 크기가 달라졌고, 그리고 몸에 있는 털 數가 줄어들었습니다. 分子進化學을 통해 어떤 遺傳子가 이런 特徵에 寄與했는지를 알 수 있겠죠

어떤 것이 삶에 有利할까

먼저 質問을 하겠습니다. ‘털이 없어졌다’ ‘털이 많이 있다’ 中 어느 쪽이 삶에 유리할까요. 우리는 單純히 ‘털이 없으면 춥잖아’라고 해서 털이 있는 것이 추운 地方에서 유리하다고  생각합니다. 그렇지만 사람들은 털이 없어도 動物을 사냥해 그들의 털을 뺏어 코트를 만들어 입고 다니죠. ‘털이 없어져서 不利할 수도 있겠지만 털이 없어 생긴 利得도 있었구나’라고 생각할 수 있겠죠.

‘털이 없어졌다’는 特徵을 통해 첫 番째로 類推할 수 있는 點은 바로 ‘다양한 環境에 適應할 수 있는 機會가 생겼다’는 것입니다. 이를 쉽게 말해 體溫調節(thermoregulation)이라고 합니다. 털이 없으면 땀을 흘리는데 훨씬 유리합니다. 그리고 땀을 흘리면 氣化熱을 뺏기기 때문에 體溫 調節을 하게 되죠.

아프리카 獅子는 가젤을 잡을 때 바로 달려들어 잡을 수 있을 것 같지만 재빨리 뛰다가도 어느 距離 以上 뛰면 멈춥니다. 왜 그럴까요. 理由는 무엇일까요. 體溫이 繼續 올라가서 結局 죽을 수도 있기 때문입니다. 그래서 털이 있는 짐승들은 사냥을 할 때 쫓아가는 距離가 일정한 水準에 머물러 있습니다.

하지만 사람들이 사냥할 때에는 事情이 달라집니다. 獅子보다 더 빨리 뛰지 못해도 끈질기게 쫓아가죠. 그리고 暫時 쉬었다가 體溫을 식히고 다시 쫓아가는 過程을 反復해 結局은 사냥감을 잡습니다. 그래서 ‘體溫調節을 쉽게 하는 面에서 털이 없는 것이 유리했기 때문에 그 形質이 우리한테 남았다’고 볼 수 있습니다.

또 다른 例를 들어 봅시다. 動物園 원숭이들은 恒常 서로의 털을 고르고 있습니다. 털 속에 寄生蟲이나 벌레가 많이 살고 있어서 이것들을 서로 잡아주는 것이 親密感의 標示가 되기도 합니다.

하지만 사람은 털이 없기 때문에 寄生蟲이나 벌레가 우리 몸에 머물 時間이 적죠. 그렇기 때문에 ‘疾病에 對한 露出이 원숭이에 비해 적어졌고 그래서 털이 없어지게 된 것이 사람에게 좀 더 유리했다’고 볼 수 있을 겁니다. 

人種 差異는 어디에서 오나

이 밖에 사람이 갖는 特徵 中 눈에 띄는 것이 하나 더 있죠. 바로 人種에 따라 皮膚色이 다른 點입니다. 아프리카 사람들은 皮膚色이 매우 검고 北유럽 사람들은 皮膚色이 매우 하얗죠. 

그런데 이런 差異가 어디서 나오는지 調査해 보니까 ‘멜라토사인이라 하는 MC1R이라는 遺傳子가 사람마다 다르다’ 그리고 ‘그 遺傳子에 있는 突然變異가 다르다’는 事實을 알게 됐습니다. 例를 들어 아프리카에 사는 사람들은 우리가 알고 있는 ‘MC1R 遺傳子’에 突然變異가 거의 發見되지 않습니다. 正常 作動하는 멜라닌 色素들이 다양한 紫外線 露出을 막아줌으로써 皮膚癌의 發生 確率을 줄이고 또 이것에 適應했기 때문에 皮膚가 까만 사람들이 햇빛이 많은 赤道 地方에 살고 있다고 理解할 수 있습니다.

反對로 北유럽에서는 햇빛에 露出될 機會가 매우 적죠. 이런 境遇에는 皮膚를 保護할 必要가 없기 때문에 멜라닌 色素에 어떤 突然變異들이 생기더라도 그것들이 ‘relaxed selection’ 卽, 그냥 保存됩니다. 그럼으로써 ‘北유럽 사람들 가운데 突然變異가 생긴 MC1R 遺傳子들이 많이 發見되고 그래서 皮膚色이 하얗다’라고 理解할 수 있습니다.

또 北유럽에서는 햇빛에 露出될 確率이나 時間이 매우 적죠. 하얀 皮膚는 햇빛이 皮膚에 닿으면 비타민 D를 合成하는 데 매우 좋은 役割을 하게 됩니다. 萬若 皮膚가 까만 사람이 그 地方에 살면 햇빛에 露出되는 時間이 매우 적은 데다 멜라닌 色素들이 햇빛에 對한 露出을 막아 비타민을 生成하게 되는 確率이 낮아지겠죠.

反對로 MC1R 遺傳子에 突然變異가 생겨서 皮膚가 하얗게 되고 色素가 햇빛을 막지 못하면 ‘우리 몸이 좀 더 많은 비타민을 生成할 수 있는 利得’을 줍니다. 이런 點 때문에 皮膚가 하얀 사람들이 北유럽에 살게 됐다는 것을 알 수 있습니다.

사람과 靈長類의 게놈 시퀀싱(Sequencing)을 하기 前에는 單純히 ‘사람이 좀 더 다양한 思考를 하고 다양한 機能을 갖기 때문에 遺傳子가 더 많을 것이다’라고 생각했습니다. 하지만 게놈 시퀀싱이 모두 된 다음 比較해보니까 오히려 사람이 다른 類人猿에 비해 遺傳子가 非活性되거나 或은 除去돼 더 적어진 境遇도 發見됩니다.

털을 만드는 遺傳子의 境遇에는 遺傳子의 非活性 或은 除去 過程을 통해 어떤 利點을 갖기 때문에 사람이 遺傳子가 더 줄어들어도 새로운 形質을 만들어내고 그게 環境에 適應하는 데 유리했다고 볼 수도 있습니다. 이를 통해 但只 遺傳子의 數字가 그 表現型이나 어떤 種의 特徵을 결정짓는 것은 아니고 實際로 그 遺傳子들이 어떤 式으로 機能을 發揮하고 어떤 式으로 相互作用을 하는지가 훨씬 重要하다는 것을 알 수 있습니다.