사물의 풍경

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아미 맥스멘: 오늘의 에세이-진화≠복잡성

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2014. 3. 9.

 

진화는 복잡성의 사다리를 타고 오르지 않는다

Evolution, You're Drunk: DNA studies topple the ladder of complexity

 

―― 아미 맥스멘(Amy Maxmen)

 

아메바는 아주 작은 멍청한 덩어리이고, 그래서 과학자들은 아메바가 아인슈타인보다 200배 더 많은 DNA를 함유하고 있다는 점을 알게 되어 깜짝 놀랐다. 아메바는 단 하나의 세포로 이루어져 있기 때문에 연구자들은 아메바가 인간보다 유전학적으로 더 단순할 것이라고 추측했다. 게다가 아메바는 인간보다 시간적으로 훨씬 더 거슬러 올라가며, 그리고 단순성은 원시적 존재자들의 속성으로 간주된다. 그것은 결코 이해되지 않았다. 

 

자연의 방향성, 즉 단순한 것에서 복잡한 것으로의 구배(gradient)라는 관념은 자연을 퓌시스―성장을 의미한다―라고 불렀던 그리스인들에서 시작되었다. 찰스 다윈이 모든 동물은 단일한 공통 조상의 후예라고 주장한 후에 그 관념은 유기체의 일생 동안의 변화에서 진화적 시간 동안의 변화로 미묘하게 확장되었다. 그의 동시대인들이 진화적 생명의 나무들을 그렸을 때 그들은 복잡성의 증가를 가정했다. 벌레는 동물 진화에 있어서 초기에 생성되었다. 더 복잡한 구조를 갖춘 생명체들은 나중에 생성되었다. 그 다음 세기 동안 생물학자들은 진화 나무들을 개조하였지만, 일반적으로 단순한 유기체들이 여전히 복잡한 유기체들에 선행했다.

 

초기 동물 진화에 관한 교과서 시나리오를 생각하자. 그것은 본질적으로 다음과 같이 전개된다. 6억년 이상 전에 단세포 유기체들이 서로 둘러붙어 소통할 수 있는 능력을 획득하였으며, 그 결과로 형성된 군체들로부터 최초의 다세포 동물들이 출현했다. 오늘날의 해면동물, 즉 내장, 뇌 또는 조직 층이 없는 해저의 고착성 동물은 이런 생명체들 가운데 일부의 직접적인 후예이다. 그 다음에 일부 초기 동물들이 자체 세포들을 별개의 조직 층들로 조직하였는데, 일부 세포들은 산경 세포, 근육 세포 그리고 다른 유형들의 세포를 형성하였다. 더 나중에 일부 동물들은 그들의 후손들이 갖추게 되는 다리와 발톱에 대한 기반으로서 사용된, 연쇄적으로 반복되는 분절들을 발달시켰다. 그 다음에 척추를 갖춘 동물이 진화한 다음에 척추 골로 둘러싸인 척추를 갖춘 동물이 진화했다. 생명의 나무에서 분리된 최근의 가지는 인간이라는 꽃을 피웠다.

 

이 시나리오에 대한 과학자들의 믿음은 일 세기 동안 비교적 변하지 않은 채로 유지되었다. 그것은 유기체의 발생 동안 관찰되는 성장을 반영하며, 그리고 진화적 시간에 걸쳐 관측되었다. 고생물학자들은 이런 배치를 뒷받침하는 화석들을 발견하였으며, 게다가 그들은 동물 계보 내 복잡성의 증가를 정량화하였다. 예를 들면, 암모나이트로 불리는 멸종된 연체동물―달팽이 같은 형태에서 앵무조개까지―의 껍질들에 나타난 물결 무늬, 즉 봉합선에 대한 분석은 그것들의 설계가 1억8백만 년 동안 8배 복잡해졌다는 점을 보여준다.

 

2000년대 초에 빠르고, 정확하며, 저렴한 DNA 염기 서열 분석 기술이 등장하기 이전에 생물학자들은 유전자가 진화에 있어서 복잡성의 증가에 대한 더 많은 증거를 제공할 것이라고 추정했다. 캔사스 주 도로시의 오두막 청사진이 에멜랄드 시티 청사진보다 덜 복잡할 것과 꼭 마찬가지로, 단순한 초기 유기체들은 복잡한 유기체들보다 유전자 수가 더 적을 것이라고 그들은 예측했다. 그런데 복잡성의 증가에 대한 그들의 추정은 깨지기 시작했다. 먼저 깨진 것은 복잡성이 표현되는 방식에 대한 느슨한 정의였다. 결국 아메바는 거대한 유전체를 지니고 있었다. 이제 DNA 분석들이 진화 나무들을 재배열하고 있는데, 그것들은 과학자들이 단순성과 복잡성 사이에 구상했던 화살이 사실상 토네이도에 갖힌 풍향계처럼 회전한다는 점을 시사한다.

 

유전체 크기가 단순성과 복잡성이라는 관념들에 들어맞지 않게 된 후에 연구자들은 대신에 유전자 수―단백질들을 암호화하는 유전체들의 부분들을 구성하는 유전자들―가 그것들을 반영할 것이라고 가정했다. 몇 년 동안 그것은 거의 올바른 듯 보였다. 인간은 약 22,000개의 유전자를 갖는 반면에 아노펠레스 감비아이(Anopheles gambiae)라는 모기는 약 14,000개의 유전자를 갖는다. 그 후 2007년에, 한 국제 연구 집단이 근육, 머리, 후미 그리고 뇌가 없는 해양 생명체인 식물 같은 말미잘의 유전체 염기 서열을 분석했다. 놀랍게도 말미잘은 곤충보다 더 많은 유전자를 지니고 있었는데, 인간은 보유하고 있지만 파리는 보유하고 있지 않은 몇몇 유전자들도 포함되었다. 훨씬 더 당혹스러운 일은, 말미잘은 약 5억6천만 년 전에 파리와 인간보다 먼저 진화했다는 점이다. 그것은 동물들은 애초에 유전학적으로 복잡했었을지도 모른다는 점을 의미한다. "제가 더 젊었을 때, 그리고 우리가 더 적게 알고 있었을 때, 우리는 유기체들이 수백 만 년에 걸쳐 유전자들을 획득하며 초기 동물들은 유전학적으로 매우 단순하다고 생각했습니다." 유기체들 사이에서 단백질 염기 서열을 비교하는 최초의 기법들 가운데 일부를 개발한 버지니아 대학의 계산생물학자 빌 피어슨(Bill Pearson)이 말했다. "이제 우리는 덜 그렇게 생각합니다." 그는 덧붙였다.

 

게다가 분자 분석들은 다른 일을 수행했다. 그것들은 진화 나무들에서 가지들의 순서를 재배열했다. 생물학자들은 유기체들이 서로 얼마나 비슷하게 보이는지에 기반을 둔 나무들을 밀어내고, DNA와 단백질 염기 서열의 유사성에 기반을 둔 새로운 나무들을 작성했다. 그 결과는 복잡한 신체 부위들이 여러 번 진화했으며 상실되기도 했다는 점을 시사했다. 한 연구는 날개가 달린 조상을 둔 날개 없는 대벌레에서 날개가 달린 대벌레가 진화했다는 점을 밝혔다. 다른 한 분석은 편형동물―길이가 1/4인치이고 먹고 배설하는 구멍이 하나뿐인―로 불리는 대단히 단순한 동물이 별개의 입과 항문을 지닌 조상에서 진화했다는 점을 시사했다. 생물학자들의 시간의 화살은 앞으로 뒤로 다시 앞으로 방향을 바꾸었다.

 

2013년 말에 동물의 진화 나무는 뿌리가 흔들렸다. [...] 진화심리학자 조지프 리안(Joseph Ryan)이 이끄는 연구 집단은 근육, 신경 그리고 원시적 뇌가 있으며 생물 발광을 나타내는 빗해파리의 일종인 므네미옵시스 레이디(Mnemiopsis leidyi)의 유전체를 분석하였으며, 그리고 그 동물이 그런 특징들 모두를 결여하고 있는 단순한 해면동물보다 먼저 생성되었을지도 모른다는 점을 밝혔다.

 

빗해파리가 해면동물보다 앞서 진화되었다면, 해면동물은 빗해파리와 해면동물을 묶는 조상이 보유하고 있었던 복잡성을 상실했었을지도 모른다. 또는 그 조상―살아 있는 모든 동물들의 조상―은 뇌와 근육을 구성할 수 있는 유전자들을 지니고 있었지만, 그런 부분들을 형성하지 못했고, 해면동물도 형성하지 못했다. 이것이 참이라면, 다른 동물들에 독립적으로 빗해파리는 물려받은 유전체를 전개하여 뇌, 신경계 그리고 근육을 구성했다. 이런 가능성를 뒷받침하는 어떤 증거가 존재한다. 독특한 일단의 유전자들이 빗해파리 근육의 기반을 이루는 듯 보인다.

 

두 가설 모두 유기체들이 점점 더 복잡해지도록 진화한다는 시나리오에 반한다. 한 가설에 따르면, 복잡한 신경계와 근육이 해면동물에서 상실된다. 나머지 가설에 따르면, 해면동물은 복잡한 특징들에 대한 유전적 역량을 지니고 있었지만 단순한 상태에 머물렀던 반면에, 더 원시적인 집단인 빗해파리는 먹이를 추적하는 데 도움이 되는 뇌와 근육을 획득했다. 게다가 신경계―신경세포, 시냅스 그리고 신경전달 분자들을 포함하는―와 뇌 같은 복잡한 부위들이 개별적으로 여러 번 진화할 수 있었을 것이라는 생각은 부위들이 한 번에 하나씩 획득되기 때문에 진화생물학자들을 당혹스럽게 만든다. 별개의 계보들에서 동일한 진전이 두 번 발생할 가능성은 거의 있을 법하지 않다. 또는 생물학자들은 그렇게 생각한다. "전통적 견해들은 신경계에 대한 우리의 의존에 근거를 두고 있습니다." 리안이 말한다. "우리는 신경계가 세상에서 가장 위대한 것이라고 생각하고, 그래서 그것을 어떻게 상실할 수 있었을까 생각합니다." 그가 말한다. "또는 그것이 세상에서 가장 위대한 것인데, 그것이 어떻게 두 번 발생할 수 있었을까 생각합니다."

 

빗해파리를 나무의 바닥에 두면, 진화는 갑자기 복잡성을 향한 행진이 아니라 종잡을 수 없는 산책인 듯 보인다. 이것은 새로운 생각이 아니다. 1996년으로 되돌아가면, 진화생물학자 스티븐 제이 굴드는 진화란 주정뱅이의 보행과 같다고 상정했다. 유기체들은 수백 만 년에 걸쳐 더 단순해질 확률과 더 복잡해질 확률이 같다―주정뱅이가 길의 왼쪽 끝에 있는 도랑에 빠질 수도 있는 것과 꼭 마찬가지로, 때때로 그것들이 얼마나 단순해질 수 있을지에 대한 하한선이 존재할지라도―고 그는 말했다. 한 인터넷 밈도 진화의 비틀거림에서 비롯되는 기이한 것들을 찬양한다. "진화 집에 가세요, 당신은 취했어요"라는 밈은 정말 잘 생존하게 된 최적이 아닌 특질들을 갖춘 유기체들을 다룬다.

 

신체들을 더 단순하게 또는 더 복잡하게 만드는 것은 돌연변이들이고, 그래서 그것들이 자연스럽게 이 상태를 저 상태보다 더 자주 초래하는지 여부를 이해하기 위해 핀란드 헬싱키 대학의 진화생물학자 유카 예른발(Jukka Jernvall)은 이빨에 대해 실험했다. 화석 기록에 따르면, 포유류의 이빨은 이백 만 년 전에 작고 뾰족한 칼 모양에서 융기와 홈을 지닌 더 복잡한 모양으로 바뀌었다. "[포유류의] 존재의 전반부 동안 이빨은 꽤 단순했습니다." 예른발이 말한다. "그후 이빨은 난잡해졌습니다."

 

예른발의 연구 집단은 쥐의 이빨 형성에 관여하는 유전자들의 돌연변이들을 유발하였으며, 그런 돌연변이들 대부분이 이빨을 평소보다 더 단순하게 만든다는 점을 알아내었다. 더 복잡한 이빨을 형성하기 위해서는 다중의 분자적 변화를 한꺼번에 유발해야 했다. 그 결과는 복잡성의 감소가 복잡성의 증가보다 틀림없이 더 쉽게 진화한다는 점을 시사한다. 환경으로부터의 압력이 존재하지 않는다면, 이빨은 여전히 단순한 형태로 남아 있었을 것이다. 이빨이 그렇지 않았다는 사실은 복잡한 이빨을 갖춘 포유류들이 상당히 유리했다는 점을 의미한다. 예른발은 이런 포유류들이 뾰족한 이빨을 갖춘 자매들이 으깰 수 없었던 개화 식물들을 먹었다고 추정한다. "이빨 복잡성은 식습관을 통해서 생태학적으로 추동되었습니다." 그가 말한다.

 

예른발의 연구는 이빨 모양의 복잡성이 어떻게 진화할 수 있는지 증명하지만, 척추뼈의 수, 지능의 변화 또는 유전자들의 수 같은 포유류 특징들에 있어서의 다른 추세들에 대해서는 말하지 못한다. 어떤 주어진 유기체의 경우에 특징들의 수 자체가 복잡성을 파악하기 어려운 형언할 수 없는 특질로 만든다고 듀크 대학의 진화생물학자 댄 맥쉬어(Dan McShea)는 말한다. 껍질 설계와 이빨 융기는 본질적으로 복잡성에 대한 완전한 반영물인 것이 아니라, 그저 연구하기가 용이했을 뿐이다. 게다가 사람들은 흔히 인간을 꼭대기에 두는 것으로 복잡성을 정의하기를 선택한다고 그가 말한다. 그 대신에 복잡성이 유기체를 성공적으로 생존할 수 있게 하는 특징들로 정의된다면, 시아노박테리아가 정점의 층위에 있을 것이라고 그가 말하는데, 시아노박테리아는 35억 년 동안 번성한 반면에 포유류의 많은 계보들은 그 시기의 일부가 지나는 동안 멸종해 버렸기 때문이다. 맥쉬어는 경고한다. "이런 방향성에 대한 인상은 환영일 것이다."

 

유기체들이 더 단순해진다고 말할 때마다 사람들이 깜짝 놀란다는 사실은 진화 과정보다 인간의 마음이 세계를 구성하는 방식에 관해 더 많은 것을 말해줄 것이다.  시간이 흐름에 따라 역전되거나 정체 상태에 있는 것이 아니라 복잡성이 증가한다고 생각할 때 사람들은 더 편안하다. 이런 이유 때문에 물리학자 션 캐럴은 인간을 "끔찍한 시간적 우월주의자"라고 부르는데, 인간들은 거리가 과거에서 미래로 한 방향으로 나아가기를 필사적으로 바라기 때문이다. 초기 동물 진화에 관한 교과서 시나리오들이 옳을지도 모르지만, 그것들은 시간적 우월주의자들에 의해 구축된 가설로 간주해야 한다. 새로운 데이터가 재배열을 시사하면, 결론이 아무리 당혹스럽게 보일지라도 반드시 고려되어야 한다.

 

여전히 논란이 많은 빗해파리 연구 과제에 참여했던 브라운 대학의 진화생물학자 캐시 던(Casey Dunn)은 이제 복잡성의 증가에 관한 모든 관념들을 의심한다. 그 대신에 그는, 환경은 그것이 단순하든, 복잡하든, 또는 명백히 추악하든 간에 당면한 난제를 처리하는 것이라면 어떤 형태든지 선택한다고 말한다. 40억 년 동안 존재해온 어머니 자연은 더 날렵한 판본들을 끊임없이 설계한 스티브 잡스처럼 작동하지 않는다. 퇴화, 즉 복잡한 것에서 단순한 것으로의 역전이 자주 일어나는지 물으면 던은 확실하다고 대답한다. 그는 이렇게 덧붙인다. "그런데 저는 그것을 퇴화라고 부르지 않을 것입니다. 저는 그것을 진화라고 부를 것입니다."