모두를 위한 생물학 강의

- 세포막은 수십억 년 동안이나 진화하지 않았다.
지금까지 설명한 것처럼 세포막은 화학반응 덩어리인 생물과 외부를 물속에서 분리해주는 데에 안성맞춤인 막이다. 게다가 세포를 살아가게 하기 위해서 여러 가지 문을 만들 수도 있는 매우 편리한 막이기도 하다. 이것만으로도 생물이 세포막을 분리막으로 사용하는 이유는 충분히 납득할 수 있다. 그러나 아무래도 이것 만은 아닌 듯하다. 세포막에는 이상한 점이 있다. 바로 세포막이 수십억 년 동안 거의 진화하지 않았다는 점이다. 그 근거는 현재 지구에 살고 있 는 모든 생물의 세포막이 인지질 이중층 구조로 되어 있다는 것 이다. 즉, 오늘날 모든 생물의 공통 조상이 살았던 그 오랜 옛날 부터 세포막의 기본 구조는 바뀌지 않았다. 인지질 이중층에 뛰어난 점이 있다고 생각할 수밖에 없다.
덧붙이자면 일부 세포막이 인지질 이중층을 사용하지 않는 경 우도 있다. 예를 들면 식물 세포에는 인지질 대신 당지질을 사용 하는 경우가 있다(당지질이라는 이름 그대로 당을 함유한 지질이 다). 이유는 정확히 모르지만, 인을 구하기 어려운 환경에서 당지질을 사용하면 인을 절약할 수 있기 때문이라는 의견도 있다.
- 고세균과 유사한 생물들 중의 일부는 2개의 인지질을 다리 끝으로 연결하는 테트라에테르 지질(tetraether lipid) 구 조를 사용하고 있다. 따라서 이 부분만은 지질층이 한 겹으로 되어 있다. 한 겹의 지질층은 해저의 열수 분출구와 같이 온도가 높은 환경에 적응한 산물이라고 설명되기도 한다. 온도가 높아지면 인지질의 열운동이 활발해져서 인지질끼리 연결되는 반데르발스 힘을 넘어서게 된다. 때문에 두 층의 인지질끼리의 강한 공유 결합 으로 연결된 테트라에테르 지질을 사용하게 되었다는 것이다. 그러나 온도가 높은 환경에 놓이지 않은 고세균 중에도 테트라에테르형 지질을 가진 개체가 있기 때문에 정확한 이유는 아직 밝혀지지 않고 있다. 그러나 이 테트라에테르 지질을 가진 세포막도 대부분은 통상적인 지질 이중층 구조로 되어 있다. 지질 이중층 의 일부가 한 겹일 뿐, 막 전체의 성질은 보통의 지질 이중층과 거 의 다르지 않은 것이다.
이처럼 모든 생물이 거의 모든 세포막에 인지질을 사용하고 있 다. 생물은 여러 장소에서 살기 때문에 그 환경에 적응한 다양한 세포막이 진화했다고 해도 이상하지는 않다. 그런데 생물은 고집 스럽게 인지질 이중층을 세포막으로 사용하고 있다. 생물을 외부 와 분리하면서 물질을 드나들게 하는, 이른바 닫혀 있으면서 열 려 있는 막으로서는 인지질 이중층이 안성맞춤인 것이다. 인지질 이중층은 생명 활동에 없어서는 안 될 토대였던 것이다
- 엽록체의 기원
식물의 광합성은 세포 속의 엽록체를 통해서 이루어진다. 엽록체는 원래 다른 생물이었던 남조류(세균)가 녹조(진핵생물)의 세포 속에 들어와서 공생을 시작하면서 이루어진 것으로 알려져 있다. 이후 녹조의 일부가 세포 내에 엽록체를 지닌 채 식물(진핵생물) 로 진화했다. 그래서 식물의 엽록체도 원래는 남조류였을 것으로 간주된다. 이 이야기는 아마 기본적으로는 맞겠지만, 오해를 받 는 경우도 많다. 만약 남조류가 식물의 선조인 진핵 세포(진핵생물의 세포)에 들어와서 공생을 시작한다면 어떤 일이 벌어질지 생각해보자. 진핵 세포 안에 있는 남조류는 단백질, 지질, 유전자(DNA) 등으로 구성되어 있다. 그러나 진핵 세포가 분열해서 다음 세대가 되면, 남조류의 단백질이나 지질의 총량은 줄어들 것이다.
그래도 남조류의 유전자가 있으면 진핵 세포 속에서 새롭게 남 조류의 단백질과 지질을 만들 수 있다. 그러면 남조류는 남조류 대로 살아가면서 공생을 이어갈 수 있다. | 다만 현재 남조류의 유전자 대부분은 남조류의 몸에서 나와 진 핵 세포의 핵 속으로 들어간 이후 진핵 세포의 유전자와 하나가 된다. 남조류에 남아 있는 것은 원래 DNA의 10분의 1 정도이다. 따라서 이제 남조류는 진핵 세포 밖으로 나가서는 살 수 없다. 그 러나 설령 핵 속에 있더라도 그것이 남조류의 유전자라면 남조류 는 진핵 세포 속에서 계속 살 수 있다.
여기까지는 좋다. 그러나 실제로 살펴보면 진핵 세포 안에 있는 남조류와 같은 것(즉 엽록체)을 만드는 유전자의 모두가 남조류 의 유전자는 아니다. 상당히 많은 유전자가 진핵 세포의 유전자 이고, 그것과는 별개로 남조류가 아닌 세균의 유전자도 꽤 있다.
인간의 경우 부모나 조부모가 외국인이라면 그 자녀나 손자를 혼혈이라고 한다. 그러고 보면 엽록체는 혼혈이다. 남조류의 순 수 자손만이 아니라 다른 세균이나 진핵생물의 유전자도 섞여 있 기 때문이다.
더구나 DNA를 데이터로 한 계통수를 통해서 볼 때에 엽록체의 주요 조상은 남조류가 아니라 남조류의 조상일 가능성도 있다.
- 똑같이 남조류라고 부르더라도 여러 종이 있고, 그 모든 공통 조상보다 더 오래 전에 나뉜 세균이 진핵 세포와 공생을 시작했는 지 모른다. 남조류도, 남조류의 조상도 비슷하다고 생각할 수 있 다. 그러나 남조류와 남조류의 조상은 다른 생물이다. 여러분의 조상은 물고기였지만 여러분은 물고기가 아니지 않은가. 여러분과 여러분의 조상은 다르다.
엽록체는 단순히 진핵생물과 남조류의 공생으로 이루어진 것 만이 아닌 듯하다. 여러 유전자들이 섞여 있는 이유는 정확히 밝 혀지지 않았다. 하나의 가능성은 유전자가 바이러스 등에 의해서 다른 종으로 이동하는, 수평 진화가 일어났을 수 있다는 것이다.
- 그렇다면 인류에게는 왜 엄니가 없을까? 엄니, 다시 말해서 큰 송곳니를 만들기 위해서는 작은 송곳니를 만드는 것보다 더 많은 에너지가 필요하다. 그만큼 많이 먹어야 한다. 따라서 만약 엄니를 사용하지 않는다면 송곳니가 작은 편이 에너지를 절약하기에 좋다. 그리고 진화 과정에서 송곳니는 작아질 것이다. 인류의 송곳니가 작아진 이유는 송곳니를 사용하지 않게 되었다는 데에 있을 것이다. 송곳니는 주로 무리 내의 다툼이 있을 때에 사용했기 때문에 인류는 서로를 죽이는 일이 거의 없어졌을 것이다. 즉 인류는 평화로운 생물인 것이다.
- 뼈를 도구로 사용하기 시작한 연대는 알 수 없지만, 석기 의 사용은 언제 시작되었는지 알 수 있다. 가장 오래된 석기는 약 330만 년 전의 것으로, 송곳니가 작아진 약 700만 년 전과는 연대 가 맞지 않는다. 다시 말해서 송곳니가 작아진 약 700만 년 전에 무기 같은 도구를 사용한 증거는 발견되지 않았다.
이상과 같이 “인류는 수백만 년 전부터 거칠고 난폭한 생물이 었다”는 설에는 근거가 없다. 엄니가 없어진 주요 원인은 역시 인 류끼리(주로 수컷끼리)의 싸움이 줄었기 때문으로 보아도 좋 것이다.
그렇다면 왜 인류 사이의 싸움이 온건해졌을까?
- 다부다처는 일부다처는 일부일처는 암컷은 자식을 키운다. 그러나 수컷의 육아 참여 여부는 경우에 따라서 다르다. 다시 말해서 일부일처인 사회가 구성되었을 때에 그 역할이 크게 달라지는 것 은 암컷이 아니라 수컷일 가능성이 높다. 따라서 여기에서는 수컷에 주목하겠다.
사족보행을 하는 유인원 무리를 생각해보자. 그 무리 속의 한 수컷에게 돌연변이가 일어나서 직립 이족보행을 하게 되었다. 직립 이족보행을 하는 수컷은 두 손을 이용해서 새끼에게 음식을 가져다줄 수 있다. 그러면 음식을 받은 새끼는 음식을 공급받지 못하는 새끼보다 살아남을 확률이 높아진다.
여기까지는 다부다처는 일부다처는 일부일처든 동일하다. 그런 데 앞으로가 다르다. 일부다처는 수컷이 적극적으로 육아에 참여하기 어렵다. 자식이 많아서 암컷에게 육아를 맡기기 때문이다. 그러니 일부다처는 제외하고 다부다처와 일부일처를 비교해보자.
- 다부다처 사회는 누가 자기 자식인지 알 수가 없다. 따라서 직 립 이족보행으로 음식을 운반해서 생존율을 높인 새끼가 자기 자 식일 수도 있고 자기 자식이 아닐 수도 있다. 다시 말해서 직립 이 족보행을 할 수도 있고 하지 않을 수도 있다. 따라서 직립 이족보 행은 늘어나지 않는다.
게다가 부모 입장에서 생각하면 직립 이족보행을 하지 않는 편 이 유리하다. 새끼에게 가져다주려고 음식을 찾아다니는 행동은 위험하다. 육식동물의 먹이가 될 확률이 높아진다. 그렇다면 직 립 이족보행을 하지 않는 편이 낫다. 오히려 음식을 새끼에게 운 반하지 않는 수컷이 생존할 확률이 높아지기 때문이다. 따라서 다부다처 사회에서는 직립 이족보행이 진화하지 않을 것이다.
- 일부일처 사회의 경우는 어떨까? 이때에는 짝을 이룬 암컷이 새끼를 낳으면 거의 자신의 자식이라고 보면 된다. 따라서 직립 이족보행으로 음식을 운반해서 생존율을 높여준 새끼는 대체로 자기 자식이며, 직립 이족보행이 유전된다. 따라서 직립 이족보 행을 하는 개체가 증가하게 된다.
아무래도 일부일처 사회를 이루면 직립 이족보행이 진화할 것 같다. 그러나 마지막으로 한 가지 잊지 말아야 할 것이 있다. 직립 이족보행에는 이동 속도가 느리다는 단점이 있다. 장점이 있어도 단점을 뛰어넘지 않으면 그 장점은 진화하지 못한다. 과연 장점이 그렇게나 클까?
- 아무리 좋은 특징이라고 해도 자손의 수를 늘리지 못하는 특징 은 자연선택으로 진화하지 못한다. 예를 들면 어려운 계산을 할 수 있다는 특징이 진화할지 어떨지는 미지수이다. 어려운 계산을 할 수 있는 것은 좋지만, 그것이 자손의 수와 관련이 있을까? 만 약 없다면 자연선택으로는 진화하지 못한다. | 이렇게 보면 “두 손이 자유로워서 식량을 운반할 수 있다”는 특 징은 꽤 진화하기 쉬운 특징임을 알 수 있다. 왜냐하면 자손의 수와 직결되기 때문이다. 자손의 수를 직접적으로 늘리는 특징에는 자연선택이 강하게 작용한다. 즉 일부일처 사회에서는 직립 이족 보행에 자연선택이 강하게 작용한다. 그 결과 직립 이족보행의 단점을 뛰어넘어 지구 역사상 처음으로 직립 이족보행을 하는 생물이 진화한 것이다.
송곳니가 작아진 이유에 대해서 “약 700만 년 전에 인류는 일부 일처 사회를 만들었다”는 가설을 세웠다. 이 가설을 검증하기 위 해서 이것이 직립 이족보행의 진화도 설명할 수 있을지를 검토했 다. 그 결과 이 가설을 통해서 직립 이족보행의 진화도 설명이 가 능하다는 것을 알게 되었다. 따라서 이 가설은 좀더 좋은 가설이 되었다.
솔직히 그렇게 강력한 가설은 아니다. 그러나 현시점에서는 이 것이 최선의 가설이라고 할 수 있다. 약 700만 년 전에 인류는 일 부일처 사회를 이루면서 직립 이족보행과 작은 송곳니를 진화시 켰을 것이다. 인류는 평화로운 생물인 것이다.
- 척추동물의 몸은 다량의 단백질로 이루어져 있으며, 오래된 단백질은 분해해서 몸 바깥으로 버린다. 단백질을 분해하는 과정에 서는 암모니아가 반드시 발생하게 된다.
암모니아는 해로운 물질이므로 몸 바깥으로 배출해야만 한다. 과거에는 이것이 크게 어려운 일이 아니었다. 바다와 강에서 사 는 어류였던 우리의 조상은 주위에 늘 물이 넘쳐났기 때문에, 암 모니아를 버리는 데에 필요한 물을 얼마든지 쓸 수 있었다.
그러나 육지에 오른 양서류는 그럴 수가 없었다. 육지에는 물이 적기 때문에 암모니아를 버리는 것이 쉽지 않았다. 그러나 암모니아는 독성이 있어서 몸속에 오래 둘 수도 없었다. 따라서 일단 암모니아를 요소(urea)로 만들도록 진화했다. 요소에도 독성이 없지는 않지만 암모니아보다는 약하기 때문에 어느 정도는 몸속에 쌓아둘 수 있다.
그럼에도 양서류는 물가에서 멀리 떨어져서 생활할 수 없다. 그 이유 중의 하나는 알의 껍질이 얇아서 금방 건조해진다는 데에 있다. 그래서 대부분의 개구리는 물속에 알을 낳는다. 물가를 떠나서 생활하기 위해서는, 다시 말해 육지 생활에 적응하기 위해 서는 알이 마르지 않도록 무엇인가 방법을 찾아야 한다.
그 방법을 진화시킨 알이 양막란(amniote egg)이다(가운데의 검 은 사각형), 양막란이란 간단히 말하면 얇은 막으로 만든 주머니 안에 물을 넣고, 그 안에 배아(발생 초기의 새끼)를 넣은 알이다. 주머니 속의 물에 새끼를 넣으면 새끼가 마르지 않는다. 나아가 알 바깥쪽에 껍질을 만들면 쉽게 마르지 않는다. 이 양막란을 진 화시킨 동물을 양막류라고 한다. 이들은 양막란을 진화시킴으로 써 물가에서 먼 곳에서도 살 수 있게 되었다. 초기의 이 양막류에서 파충류나 포유류가 진화했다(오해하기 쉬운데, 파충류에서 포유류가 진화한 것이 아니다). 그리고 파충류의 일부에서 조류가 진화했다.
파충류나 조류에 이르는 계통에서는 한층 더 육지 생활에 적합 한 특징이 진화했다. 요소를 요산(uric acid)으로 바꾸는 진화가 일어난 것이다(맨 위의 검은 사각형). 요산도 요소처럼 독성이 약하지만, 없지는 않다. 그러나 요산 은 물에 잘 녹지 않기 때문에 버릴 때에 물을 거의 사용하지 않아 도 된다는 장점이 있다. 육지에 사는 동물은 물을 구하기가 어렵다. 그래서 가능한 한 물은 버리고 싶어하지 않는다. 그럼에도 아깝게도 우리 인간은 소변을 보며 상당히 많은 물을 버린다. 반면 닭이나 도마뱀은 소변을 잘 보지 않는다. 닭이나 도마뱀이 개처럼 많은 양의 소변을 보는 모습을 본 사람은 없을 것이다. 그것은 요소를 요산으로 바 꾸는 능력을 진화시켰기 때문이다. 즉 포유류는 양서류보다 육지 생활에 잘 적응했지만, 파충류와 조류는 포유류보다도 육지 생활에 더 잘 적응한 것이다.
- 이처럼 복제 양을 탄생시키는 데에는 수정란을 사용하지 않는 다. 따라서 인간에게 적용해도 윤리적인 문제가 없을 것 같지만 유감스럽게도 그렇지 않다. 수정란을 사용하지 않는다는 점에서 는 괜찮을지 모르지만, 복제 인간을 만든다는 것이 더욱 큰 윤리 문제를 야기한다. 그러니 이 방법은 인간에게는 적용할 수 없다. 다만 이를 통해서 아주 유익한 정보를 얻을 수는 있었다. 포유류 도 체세포를 초기화, 즉 분화한 세포를 맨 처음의 미분화 상태(수 정란과 같은 상태)로 되돌릴 수 있다는 정보이다.
초기 미분화된 상태의 세포는 어떤 세포로든 분화하는 능력 이 있다. 예를 들면 수정란은 점점 분화를 거쳐서 여러 종류의 세포가 된다. 한편 특정 성격을 지닌 세포가 되어가는 과정에서 다른 세포가 될 수 있는 능력은 사라진다. 세포가 분화되어가는 원리 중의 하나는 DNA의 메틸화이다. 이는 DNA의 일부에 메틸기 (-CH3로 표시한다)가 결합해서 일정 유전자가 작동되지 않게 하 는 것이다.
모든 세포로 분화할 수 있는 ES 세포는 아직 분화되지 않은 미 분화 세포였다. 반면 돌리의 체세포는 이미 분화한 세포이다. 그 런데 복제 양이 태어났다는 것은 분화된 체세포의 핵이 미분화 상태로 돌아왔다는 것이다. 즉 초기화된 것이다.
- 체세포를 초기화한 iPS 세포
지금까지 몸속의 모든 세포로 분화할 수 있는 세포를 몇 차례 소 개했다. 이런 세포는 크게 두 가지로 나뉜다. 만능 세포(pluripotent cell)와 다능성 세포(multipotential cell)이다.
만능 세포는 태반(임산부와 태아를 잇는 기관)과 태아를 모두 만들 수 있는 세포이다. 그렇기 때문에 이 세포를 자궁에 넣으면 아이가 태어난다. 예로는 수정란과 복제 배아가 있다.
반면 다능성 세포는 (적어도 완전한) 태반을 만들 수 없으므로 자궁에 넣어도 아이가 생기지 않는다. 그러나 모든 종류의 세포 는 될 수 있다. 예로는 ES 세포나 앞으로 소개할 유도 만능 줄기 세포(induced pluripotent stem cells, 이하 iPS 세포)가 있다. iPS 세포는 2006년에 야마나카 신야와 다카하시 가즈토시가 만든 줄기세포이다. 체세포에 고작 네 가지 유전자를 도입함으 로써 세포를 초기화하는 데에 성공한 것이다(그림 19-4). 네 가지 유전자 중에는 ES 세포의 다능성 유지에 중요한 유전자도 포함 된다. iPS 세포는 과거 ES 세포나 복제 등의 연구에서 만들어진 줄기 세포이다. 그리고 이 네 가지 유전자의 조합을 바꿈으로써 한층 더 개량된 iPS 세포가 만들어지고 있다. iPS 세포는 지금까지의 줄기 세포에는 없던 편리함이 있다. 우 선 만들 때에 수정란을 사용하지 않기 때문에 윤리 문제를 야기 하지 않는다. 또 환자 자신의 체세포로 만들 수 있기 때문에 면역 에 따른 거부 반응이 적다. 더욱이 다능성 세포이므로 복제 인간 의 탄생과 같은 윤리 문제도 발생하지 않는다. 현재 iPS 세포는 재생 의료 분야에서 가장 많은 사람들의 기대를 모으고 있는 세포이다. 야마나카 신야는 iPS 세포를 만듦으로써 "동물의 분화한 세포가 다능 성 줄기 세포로 초기화할 수 있음을 발견한 공로를 인정 받아 2012년도 노벨 생리의학상을 수상했다.