유전과 진화의 상관관계

김은주 교사의 과학비타민

김은주 교사의 과학비타민/
[난이도-고2~고3]

“나는 관찰과 추론의 기쁨이 기술과 스포츠의 기쁨보다 훨씬 더 크다는 것을 깨달았다.”

이 말은 진화설로 유명한 다윈이 했던 말이다. 다윈은 원래 의대생이었으나, 마취 없이 수술하는 환자들의 고통을 지켜보는 것, 피가 튀는 수술실 현장을 못견뎌 했고, 오히려 딱정벌레 관찰 등 자연사에 더 관심이 많았다. 다윈은 우연히 세계를 항해할 수 있는 영국 군함에 탈 수 있는 기회를 가지게 된다. 그는 각국의 해안을 조사하면서 생물은 고정 불변한 존재가 아니라 다양한 환경에서 다양한 모습으로 적응해 살고 있다는 것을 알게 되었다. 하지만 다윈이 관찰로 알게 된 생물이 변화한다는 사실은, 자신이 속한 기독교적 세계관을 가진 사회에서 믿는 창조론과 너무나 상반되는 가치관을 내세우는 일이어서 논문으로 발표하는 것을 상당히 망설였다고 한다.

다윈의 진화이론이 나오기 전에 가장 우선적으로 창조론에 제기되었던 질문은 ‘생물의 종이 각각 독립적으로 창조되었다면 생물들 사이에서 흔히 볼 수 있는 형태적인 유사성은 어떻게 설명할 것인가’하는 점이었다. 많은 종의 생물들이 서로 너무 닮아 있고, 때로는 한 종과 다른 종의 중간 형태를 한 개체들도 수없이 발견되어서, 종과 종 사이의 형태적인 경계가 분명하지 않은 경우도 매우 많기 때문이다. 이 의문은 다윈의 진화론이 나오면서 외형이 유사한 종들은 공동의 조상으로부터 유래하였을 것이라는 착안에서 해결점을 찾게 되었다.

멘델은 생물 진화의 요인을 밝히는 결정적 계기가 된 유전학을 개척한 과학자이다. 관찰과 추론의 힘으로 새로운 영역을 개척한 그였지만, 그의 업적은 그가 죽은 뒤에서야 제대로 된 평가를 받았다. <한겨레> 자료 사진

오랜 논란 끝에 생물의 종은 오랜 시간에 걸쳐 환경에 적응하는 과정에서 변하게 되어 그 결과 지구상에 없었던 새로운 종이 나타나게 된다는 생물진화의 기본적인 틀은 지금까지 계승되면서 현대 생물학의 가장 핵심적인 기본내용이 되었다. 그러나 진화의 많은 학설들 중에서 진화의 메카니즘을 의문점 없이 확실하게 규명해주는 이론은 없었다.

생물 진화의 요인을 밝히게 된 계기는 엉뚱하게도 진화론과는 별로 관련이 없다고 생각했던 유전학이었다. 아이러니하게도 진화의 열쇠를 쥐고 있던 멘델은 다윈과 동시대에 살았고 ‘유전학’이라는 생물학의 새로운 영역을 개척했다. 그러나 그가 살고 있던 시대의 모든 생물학자들은 진화론에 관심을 기울이고 있었으므로 아무도 이 위대한 발견에 대해 주목하지 않았고 심지어는 멘델 자신조차도 그가 얼마나 중요한 발견을 했는지 모른 채 죽었다.

생물의 형태와 성질을 결정하는 것은 유전자이므로 한 종의 모든 생물이 지닌 유전자들의 집합을 ‘유전자 풀’이라 한다. 결국 생물이 달라진다는 진화의 개념은 유전자 풀이 달라진다는 것을 의미한다. ‘생물2’ 교과서에는 집단 유전 단원에 다음과 같은 실험이 소개되어 나오는데 이것은 바로 진화를 설명하기 위한 아주 중요한 개념이다.

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다음은 집단 유전에 관한 실험의 과정과 결과를 정리한 것이다. 이 내용을 읽고 제시된 물음에 답하시오.

* 준비물 : 모둠별로 검은색 바둑알 20개, 흰색 바둑알 80개, 상자 2개

* 과정

전체 바둑알을 PTC 미맹 유전자에 관한 모집단으로 하여 검은색 바둑알은 미맹 유전자(t)로, 흰색 바둑알은 정상 유전자(T)로 가정한다.

1. 모둠별로 검은색 바둑알 10개와 흰색 바둑알 40개를 ‘남자’로 표시된 상자에 넣고 같은 수의 바둑알을 ‘여자’로 표시된 상자에 넣고 잘 섞는다.

2. 조합별 이론적 확률은 계산하여 표에 기록한다.

3. 각 상자에서 바둑알을 하나씩 꺼내어 조합별로 배열한다.

4. 3의 과정을 상자가 빌 때까지 반복하여 실제 출현 빈도를 계산하여 결과를 표의 제 1세대 칸에 기록한다.

5. 바둑알을 처음과 같이 각 상자에 나누어 넣고 2와 3의 과정을 반복하여 결과를 아래 표의 제2세대 칸에 기록한다.

6. 실험의 결과

7. 정리

① 모집단에서 유전자 T와 t의 빈도 : 흰색 바둑알(T)은 전체 100개 중에 80개이므로 T의 빈도는 0.8이고 검은색 바둑알(t)은 전체 100개 중에 20개이므로 t의 빈도는 0.2이다.

② 유전자 T와 t의 빈도를 이용하여 TT, Tt, tt가 나타날 이론적인 확률 : TT가 나타날 확률은 p²이므로 0.64, Tt가 나타날 확률은 2pq이므로 0.32, tt가 나타날 확률은 q²이므로 0.04이다.

③ 1회와 2회의 실험 결과를 비교해 보면 이론적인 확률과는 약간 차이가 나고 있지만 1회의 결과나 2회의 결과는 비슷하다.

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<문제1> 이 실험 결과를 통해 알게 된 내용을 생물의 진화와 관련지어 서술하시오.

<예시답안>

위 실험의 결과를 보면 한 세대에 나타난 유전자의 빈도는 다음 세대로 넘어가더라도 변하지 않는다는 것을 알 수 있다. 제1세대, 제2세대 집단에서 T와 t의 빈도는 제1세대와 제2세대 모두 T와 t의 유전자 빈도는 약 0.8과 0.2로 모집단과 큰 차이가 없다. 이것은 집단 내 유전자 풀의 변화가 없고 자유롭고 무작위적인 교배가 일어나는 집단에서는 대를 거듭하더라도 유전자 빈도가 변하지 않는다는 ‘하디-바인베르크의 법칙’을 실험적으로 증명한 것이며 이 법칙은 멘델 집단, 즉 집단이 충분히 크고 이주와 격리가 없으며 돌연변이가 일어나지 않는 통제적 집단에서만 일어난다. 이런 일은 실제의 자연에서 일어나기 어려운 일이다. 하지만 하디-바인베르크의 법칙은 여전히 유용하다. 왜냐하면 자연상태에서는 하디-바인베르크 법칙이 지켜지지 않고 돌연변이, 자연선택, 이주와 격리, 유전적 부동 등으로 집단 내 유전자의 빈도 변화가 빈번하며, 이것은 곧 집단의 유전자 풀에 변화가 생겨 진화가 일어난다는 것을 의미하기 때문이다.

<문제2> 집단의 크기가 큰 경우와 적은 경우 중 어느 쪽이 더 진화의 속도가 빠를지 구체적인 예를 들어 설명하시오. 단, 진화의 의미를 유전자 풀의 변화라고 규정한다.

<예시 답안>

집단의 크기가 클수록 진화의 속도는 느려진다. 예를 들어 동전을 던져 앞면이 나오는 횟수를 측정한다고 가정해 보자. 10번을 던졌을 때 앞면이 9번 나왔다면 앞면이 나올 확률은 90%이다. 그러나 동전을 던지는 횟수를 1만 번으로 하면 앞면이 나오는 확률은 거의 50%가 된다. 동전을 던지는 횟수를 집단을 구성하는 개체수에 비유한다면 개체수가 많아 집단이 크면 유전자 빈도가 일정하여 평형을 이룰 가능성이 높다.

그러나 개체수가 적은 소집단에서는 유전자 빈도가 달라질 수 있다. 개체수가 큰 집단에서는 특정 사건이 집단에 미치는 영향이 적어 일반적으로 대립 유전자가 그 빈도에 비례해 다음 세대로 전달되지만, 매우 작은 집단에서는 특정 사건에 의해 대립 유전자의 빈도가 약간만 변해도 집단에 중대한 영향을 미칠 수 있으므로 진화의 속도가 빠르다고 할 수 있다.

김은주 금옥여고 생물교사