1668년에 '기무라 모토오(1924~1994)' 박사는 '분자 진화의 중립설'을 발표했다. '분자 진화의 중립설(Neutral Theory of Molecular Evolution)'은 줄여서 '중립 진화론(Neutral Theory)' 또는 '중립설(Neutral Theory)'이라고 부르기도 하는데, 그 내용은 다음과 같다. 단백질 등 눈에 보이지 않는 생체 고분자 수준에서는 생존에 유리하지도 불리하지도 않은 돌연변이가 일어나고, 그중에 운이 좋아서 우연히 종 속에 퍼지는 것이 있다. 마침내 그것이 종의 성질의 되어 분자의 진화가 일어난다. '기무라 모토오' 박사는 생물 종의 게놈에서 나타나는 돌연변이의 대다수는 개체의 생존과 재생산에 이익을 가져다주지도 않고 그렇다고 불리한 것도 아닌 '중립적'인 것으로 본 것이다. 이것은 1930년대에 발전한 '집단 유전학(Population Genetics)'의 수학 이론과 1960년대에 꽃 핀 '분자생물학(Molecular Biology)'을 합쳐서 만든 결과이다.
'중립설(Neutral Theory)'이 발표되자, 세계의 진화 유전학자들과 대가를 비롯한 모든 연구자들이 반대했다. 분자 수준에서도 '자연 선택'은 반드시 작용하며, 생존에 유리하지도 불리하지도 않은 돌연변이는 있을 수 없다는 것이었다. 그런데 최근에 유전자의 본체인 DNA 수준에서의 돌연변이 연구가 이루어져서 '중립설'에 유리한 증거가 차츰 발견되면서, 이단으로 받아들여졌던 '중립설'도 점차 받아들여지고 있다.
0. 목차
- 다윈의 진화론
- 진화 메커니즘에 대한 생각은 시대의 과학과 더불어 바뀐다.
- '분자생물학'은 어떻게 '중립설'로 이어졌는가?
- 유전자의 진화에는 중립설의 증거가 많이 있다.
- 환경 변화에 의해, '중립의 돌연변이'도 중립이 아니게 된다.
1. 다윈의 진화론
'찰스 로버트 다윈(Charles Robert Darwin)'은 진화가 사실임을 증명하기 위해, 막대한 관찰을 통해 얻은 증거를 통해서 사람들에게 납득시켰다. 현대에는 진화가 기정사실로 여겨지지만, 100년 이상 전의 유럽에서 이를 납득시키는 당치 않는 일이었다. 생물이 현재처럼 처음부터 존재한 것이 아니고, 오랜 세월에 걸쳐 변화해 지금의 모습이 되었다는 '진화의 사고방식'은, 신이 최초에 만물을 창조했다는 '기독교의 사고방식'과 완전히 반대되는 것이었다. 그러나 다윈은 일반 사람들이 어떻게 생각하든, 과학자들은 납득시켜 진화를 과학의 세계로 가지고 왔다.
다윈은 그 메커니즘으로 '유전하는 변이'와 '자연 선택(Natural Selection)'을 들었다. 그리고 '생물에 생긴 작은 유전하는 변이' 가운데 생존에 유리한 것만 '자연 선택'으로 남아, 종으로 퍼져서 축적되고 큰 변이가 일어난다고 설명했다. 이 생각은 지금도 '눈에 보이는 생물의 모양', 이른바 '표현 형질 수준의 진화'에서는 지지되고 있다.
2. 진화 메커니즘에 대한 생각은 시대의 과학과 더불어 바뀐다.
과학이 발달하면, 하나의 과학적인 현상에 접근하는 방법도 다양해진다. 그 결과, 처음에 생각했던 만큼 그 현상이 단순한 것이 아니라 다양한 면을 가졌음이 밝혀졌다. 완전한 해결을 위해 새로운 접근 방법이 생각되는 것은 과학의 여러 분야에서 보이는 현상이다. 진화의 연구도 예외는 아니다. 다윈의 '자연 선택(Natural Selection)'이 한때 부정되었던 일로 그러한 하나의 예고, '중립설'이 부정된 것도 하나의 예라고 할 수 있다. 그래서 먼저 '다윈'에서부터 '중립설'에 이르기까지 과학이 진화를 어떻게 파악해 왔는지를 먼저 살펴보자.
'찰스 다윈'은 유전적인 변이가 어떻게 일어나 자손에게 전해지는가를 자세히 알지 못했다. '그레고어 멘델'의 '유전 법칙'이 발표된 것은 '종의 기원'이 나오고 나서 6년 후이지만, 당시에는 그다지 주목받지 못했다. 그러다 20세기에 들어서 유전 법칙이 인정되었으며, 그리하여 마침내 '유전학(Genetics)'이 출발했다.
2-1. 매우 작은 돌연변이가 있음이 밝혀졌다.
'그레고어 멘델'의 업적을 재발견한 사람 중 하나인 '휘호 더 프리스(Hugo de Vries, 1848~1935)' 큰달맞이꽃을 재배해, 갑자기 부모와 전혀 다른 것이 나타나고 그것이 유전된다는 사실을 발견했다. 큰달맞이꽃의 돌연변이는 진화의 근원인 유전자의 돌연변이는 아니고, 염색체의 이상에 의한 것임이 나중에 밝혀졌다. 그러나 '갑자기 불연속으로 일어나는 유전자 변이'가 있으며, 그것이 진화의 토대가 된다는 사실을 주목한 '휘호 더 프리스'의 업적은 크다. 유전자의 돌연변이는 1920년대에 들어서 확실해졌다. '휘호 더 더프리스'를 비롯해 초기의 유전학자들이 다룬 대상은 '완두콩의 키', '콩의 색깔' 차이 등 매우 뚜렷한 차이가 나타나는 '유전하는 변이'였다. 그래서 '유전하는 변이'는 차이가 커서, 다윈이 생각한 작은 유전적 변이는 없다고 했다. 따라서 '휘호 더 더프리스' 등이 제창한 '큰 차이를 만드는 돌연변이에 의해 갑자기 진화가 일어나 새로운 종이 생긴다는 설'이 정당하다고 받아들여졌다.
그러나 1920년대 이후 초파리의 유전 연구가 진행됨에 따라, 매우 작은 돌연변이가 있음이 밝혀졌다. 예컨대 '몸의 크기'나 '눈의 색깔'이 미세하게 다른 것이다. 작은 유전적 변이가 있음을 알게 되자, 다시 다윈의 '자연선택설'이 주목받게 되었다.
2-2. '자연선택설'이 진화론의 주류가 되었다.
동시에 그 무렵에 시작된 집단유전학도 강력하게 '자연선택설'을 추진하게 되었다. '집단유전학(Population Genetics)'은 돌연변이를 만든 유전자가 생물 집단 속에서 어떻게 행동하는지를 연구하는 학문이다. '이론'과 '실험'의 두 분야가 있으며, '이론'에서는 하나의 개체에 생긴 돌연변이가 생물 집단 속에서 어떻게 퍼져 축적되어서, 집단의 성질이 되는지 또는 사라져버리는지를 수학적으로 연구한다. 이 수학 이론을 '자연 선택' 위해서, 각각 유리한 정도가 다른 돌연변이에 적용했다. 그러자 유리한 정도가 작은 돌연변이가 '자연 선택'에 의해 집단에 축적되어, 집단의 새로운 성질이 된다.'는 사실이 확인되었다. 이로써 다윈의 '자연 선택설'은 진화론의 주류가 되었다.
2-3. 신 다윈설
한편, 집단유전학의 수학 이론에서는, 돌연변이가 일어난 처음에는 그 돌연변이를 일으킨 유전자가 집단 속에서 불어나는지 줄어드는지는 우연에 좌우된다는 사실이 알려졌다. 즉, 그 유전자가 수정에 관여하는지는 우연에 의해 불어나는지 줄어나는지가 결정된다.
집단 속에서 돌연변이를 일으킨 유전자의 비율이 우연에 의해 늘어나거나 줄어드는 것을 '유전적 부동(Genetic Drift)'이라고 한다. 이 작용은 큰 집단에서는 약하다. 그렇기 때문에 생존하기에 유리하거나 불리한 돌연변이의 경우, 자연 선택의 작용에 의해 '유전적 부동'에 눌려서 거의 효과가 없다. 그러나 '중립의 돌연변이(생존에 유리하지도 불리하지도 않은 돌연변이)'의 경우에는 집단의 크기와 관계없이 큰 효과가 있다. '중립의 돌연변이'를 일으킨 유전자의 대부분은 집단에서 사라져버리겠지만, 운이 좋은 것은 우연히 집단 전체에 퍼져서 집단의 성질이 되는 경우가 생긴다.
집단 유전학자들도 '중립의 돌연변이'에 의한 효과를 생각했지만, 중립의 돌연변이를 일으키는 유전자 등은 거의 있을 수 없다고 생각했다. 그리고 실제로도 '중립 돌연변이'에 적합한 예도 발견되지 않았다. 이렇게 해서 '유전적 부동'은 진화의 메커니즘에서 제외되고, 다윈 이상으로 '자연 선택'을 중요시한 '자연 선택 만능주의'라고 할 수 있는 진화론이 성행하게 되었다. 이것을 '진화의 종합설' 또는 '신다윈설(Neo-Darwinism)'이라고 한다. '기무라 모토오' 박사가 '분자 진화의 중립설'을 발표한 것은 이 신다윈설 최전성기 때의 일이었다. 그리고 '기무라 모토오' 박사도 분자 진화의 데이터를 얻기 전까지는 '신다윈설'을 믿었다고 한다.
3. '분자생물학'은 어떻게 '중립설'로 이어졌는가?
1950년대부터 시작된 '분자생물학(Molecular Biology)'은 우선 유전자의 구조를 밝혀냈다. 그 뒤에는 유전자의 본체인 DNA의 염기 배열이 아미노산을 정하고, 그 아미노산에서 단백질이 만들어지는 메커니즘도 밝혀냈다. 또 유전자의 암호도 완전히 밝혀졌다.
3-1. 유전자와 아미노산 수준에서 '진화'가 연구되기 시작했다.
나아가 1960년대에는 단백질 아미노산의 배열을 다른 종과 비교해 진화 연구를 하려는 시도가 시작되었다. '각각의 동물 사이에 다른 단백질 아미노산의 개수'는 '갈라진 이후의 시간'이 길수로 커지므로, 이를 '분자 시계(Molecular Clock)'로 이용할 수 있다. 예컨대 헤모글로빈은 혈액 속에서 산소를 운반하는 역할을 하며, 2개의 '알파 사슬(α chain)'과 2개의 '베타 사슬(β chain)'로 되어 있다. '알파 사슬'은 인간과 말에서 141개의 아미노산으로 되어 있다. 그중 인간과 말에서 서로 다른 아미노산의 수는 18개이다. 그리고 말과 인간이 공통의 선조에서 갈라진 시기는 약 8000만 년 전이라는 사실이 고생물 연구로 밝혀져 있다. 마찬가지로 잉어와 인간의 '알파 사슬'의 아미노산은 71개가 다르고, 공통의 선조에서 갈라진 때는 3억 5000만 년 전~4억 년 전이다.
이처럼 '종 사이에 다른 아미노산의 개수'와 종이 갈라지고 나서의 시간' 사이에 상관관계가 있음을 밝히고, 여러 가지 단백질에 관해 아미노산의 배열을 비교하는 연구가 이어졌다. 이로써 다윈 이후 약 100년 동안 눈에 보이는 표현 형질만을 통해서만 연구되고 논의되었던 '진화'가, 유전자의 구조와 직접 대응하는 아미노산의 배열 수준에서 논의되기에 이르렀다.
3-2. 전기영동법
1960년대에는 '전기영동법'이라는 분자 수준의 연구에서 또하나의 중요한 발견이 있었다. 바로 '전기영동법(Electrophoresis)'은 단백질의 작은 차이를 검출하는 방법이다. '전기영동법'으로 효소 단백질을 조사한 결과, 같은 종에서 하나의 효소 단백질에 놀랄 정도로 많은 조그만 차이가 있음을 발견하였다. 대부분의 효소 단백질에는 2~3종의 형태가 있었다. 단백질은 아미노산으로 만들어지 아미노산은 유전자의 염기에 대응하므로, 모든 유전자에는 다른 형태가 있다는 사실을 의미한다.
종래의 표현 형질을 통해 그려졌던 유전자의 모습에서는, 유전자의 대부분은 모든 사람이 같으며 부분적으로 조금씩 차이가 있고, 그것에 의해 눈이 큰지 작은지 등의 개인차를 만든다고 생각되었다. 이 견해에서는 하나의 효소 단백질에 여러 가지 형태가 있다는 설명이 사용되었다.
3-3. 2년에 1회 바뀌는 DNA 염기에서 중립성이 생겨났다.
사람과 말의 헤모글로빈의 '알파 사슬'이 141개 가운데 18개가 다르며, 사람과 말이 800만 년 전에 갈라졌다는 것은, 아미노산이 약 700만 년에 1개의 비율로 변화한 셈이 된다. 이것을 DNA의 염기로 생각하면, 1개의 아미노산은 3개의 염기에 대응해 만들어지므로, 432개 염기 중 어느 1개가 700만 년에 1개 바뀌는 셈이다. 한편, 사람을 비롯한 포유류 유전의 바탕이 되는 염기의 수는 약 30억 개이다. 423개에서 700만 년에 1개의 염기가 바뀐다면, 30억 개의 염기에서는 약 2년에 1개의 비율로 염기가 바뀌게 된다. 이 수치는 헤모글로빈의 '알파 사슬'에서만이 아니라 다른 단백질에서도 유도된다.
유전자의 구조가 바뀌지 않았던 시대에는, 표현 형질 수준의 변화에 자연 선택을 적용해 고찰한 '약 300세대에 1개의 비율로 새로운 유전자가 종 속에 축적된다.'라는 생각이 주류였다. 그렇다면 1세대가 3년인 포유동물이라고 하면, 약 1000년 걸려서 1개 바뀌는 셈이다. 거기에 비해 2년에 1회라는 값은 놀랄만한 값이었다.
3-4. 중립설을 발표하다.
그래서 '기무라 모토오(1924~1994)' 박사는 '집단유전학'의 수학 이론을 2년에 1회라는 분자생물학의 결과에 적용해, 어떻게 해서 그와 같은 일이 일어나고 있는지를 연구해 보았다. 즉, 2년에 1회라는 변화가 생기는 경우에는 생물 집단 속에서 어느 정도의 비율로 돌연변이가 일어나며, 어느 정도의 세기로 자연 선택이 작용하고 있는지를 조사해 본 것이다. 그러나 진화 과정에서 새로운 돌연변이가 모두 '자연 선택'에 의해 축적되었되어 왔다고 하면, 큰 모순이 생겼다. 그것은 몇 만이라는 자손을 만들고, 그중 하나가 살아남는다는 매우 강한 '자연 선택'을 필요로 했기 때문이다. 이것은 물고기라면 모르지만 포유류에서는 불가능하다. 그러나 자연 선택뿐만 아니라, 생존에 유리하지도 불리하지도 않은 '중립의 돌연변이'를 일으키는 유전자를 상정하고, 그것이 '유전적 부동'으로 집단 내에 퍼져 감을 생각하면, 1년에 1회도 모순 없이 일어난다는 사실이 계산상 정확해졌다.
그래서 '기무라 모토오' 박사는 '대부분의 분자 수준에서의 돌연변이는 '중립의 돌연변이'이며, 우연에 의해 집단으로 퍼져서 집단의 성질이 된다.'고 생각했다. 그리고 이 내용을 1968년에 영국의 과학 잡지에 발표했다. '중립설'은 격렬한 비판을 받았다. 처음에는 '기무라 모토오' 박사도 선택 만능의 '신다윈설'을 믿고 연구를 계속 해왔다고 한다. 하지만 이론적 필연으로써, 어떻게 하더라도 '중립설'을 주장하지 않을 수가 없었다.
'중립설'은 효소 단백질의 개체차도 무리 없이 설명할 수 있다. 이와 같은 차이는, 오히려 중립인 돌연변이를 만든 유전자가 우연히 집단 속에 100% 퍼져 나가지 않고, 집단 속에서 떠돌고 있는 상태라고 할 수 있다. 그 뒤 운이 좋으면 퍼져서 집단의 성질이 되지만, 운이 나쁘면 사라져 버린다. '중립설'에서는 '효소 단백질에 여러 가지 형태가 있는 것'은 분자 진화의 한 단면을 보고 있는 셈이 된다.
4. 유전자의 진화에 나타나는 중립설의 증거
'중립설'은 격렬한 비판을 받았지만, '분자생물학'의 새로운 발전에 의해 유리한 증거가 여러 가지 발견되었다.
최초의 강력한 증거는, 분자에도 기능적으로 중요한 부분과 그렇지 않은 부분이 있으며, 중요한 부분의 진화는 느리지만 중요하지 않은 부분의 진화는 빠르다는 것이다. 예컨대, 헤모글로빈의 '알파 사슬'이나 '베타 사슬'에는 '헴 포켓(산소를 잡아넣은 부분)'에 닿는 곳의 진화는 느리지만, 헤모글로빈 분자의 표면으로 오는 곳의 진화는 빠르다. 중요한 부분에서 일어나는 돌연변이는 생존에 관계가 깊으므로 자연 선택에 중립이 되기 어렵고, 오히려 대부분의 유해해서 자연 선택에 의해 제거되며 따라서 진화가 느리다. 한편, 중요하지 않은 부분은 돌연변이가 일어나도 생존과는 별로 관계가 없으며, 대부분 중립이 되어 '유전적 부동'에 의해 진화가 진행되리라 생각된다.
또한 DNA 수준에서도 증거가 발견되었다. 하나의 아미노산을 결정하는 '코돈(3개의 염기 배열)'의 3번째 염기를 다른 염기로 바꾸어도, 많은 경우 대응하는 아미노산은 바뀌지 않음이 밝혀졌다. 그리고 이 3번째 염기의 진화도 빠르다. 그 밖에 고등 생물의 DNA는 그 대부분이 읽혀서 단백질이 만들어지는 것이 아니라, '인코돈(번역되지 않는 부분)'이 있음도 밝혀졌다. 이 부분의 진화도 빠르다. 또 단백질을 만드는 기능을 갖지 않은 '위유전자(죽은 유전자)'도 발견되었으나, 이 유전자의 진화 역시 매우 빠르다. '코돈의 3번째 염기', '인코돈', '위유전자'에 생기는 돌연변이는 생존과 별 관계가 없이므로, 대부분이 중립이 되어 우연히 종 속에 축적되어 왔으리라 생각된다.
5. 환경 변화에 의해, '중립의 돌연변이'도 중립이 아니게 된다.
'분자 진화'와 '유전자 진화'의 '중립설'은 결코 '자연 선택(Natural Selection)'을 부정하는 것은 아니다. 생존하는 데 불리한 돌연변이를 가진 개체가 죽거나 자손을 남기지 않은 것 등에 의해 집단에서 제거되는 이른바 '음의 자연 선택'은, 분자나 유전자의 중요한 부분에 생기는 돌연변이에 관해서는 상당히 작용하고 있으리라 생각된다. 따라서 이와 같은 부분의 진화는 느려진다. 그러나 생존에 유리한 돌연변이를 가진 개체가 많이 살아남아, 같은 유전자를 가진 다수의 자손을 남기고 늘어나는 이른바 '양의 자연선택'에 관해서는 대단히 드문 일이라고 생각된다. 약간 '중립이었던 돌연변이'가 환경의 변화에 의해, 간혹 생존에 유리하거나 불리한 것이 되는 경우도 많은 것으로 생각된다. 중립은 절대적인 것이 아니라, 어디까지나 상대적인 것이다.