[책] 리처드 도킨스의 진화론 강의-리처드 도킨스

 

도서 선정 계기

 

 데이터의 양과 통계적인 복잡함으로 인간이 파악하기 어려웠던 영역들이 머신러닝, 인공지능 등을 통해 서서히 점령당하고 있다. 제어 불가능한 난수의 영역을 분석하는 도구를 얻은 인간이 다음 정복의 대상으로 가져갈 분야는 인간 자신과 생물에 대한 탐구일 것이라 예상해본다. 신약제조, 게놈 분석 등 생명과 관련한 다양한 영역에 컴퓨터 공학을 적용한 인간은, 그동안 경우의 수가 너무 많아 이해하지 못했던 생명의 창조와 종의 다양성에 이 난수분석기들을 들이밀 것이다.

 

그리고 정부 지정 추천 도서는 좀 믿을만한 것 같다.

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1장. 생명체가 설계되었다는 환상은 어디에서 왔을까?

 

-생명체는 겉보기는 다를지언정, 모두 DNA로 구성되어 있다. 약 3,000만 가지 방식의 DNA의 변주이다.

 

-생물의 진화는 자연 선택에 과정의 축적이 더해져서 만들어진 것이다. 자연의 풍화에 의해 뾰족한 돌칼이 우연히 등장할 가능성은 있어도, 뾰족한 돌칼의 특성이 다음 세대로 전파되지는 않는다. 그러나 뾰족한 갈대가 나타나 생존에 유리하게 된다면, 이 특성은 세대를 거듭하여 전달되고 또 다른 종을 만들 수 있는 기회를 얻게 된다.

 

-생물의 학명

생물의 학명을 짓는 규칙은 속명-종명으로 작성한다는 것이다. 속명은 유일한 이름으로 작성하되, 종명은 다른 속끼리 중복될 수도 있다. 영어로 작성시에는 속명은 대문자로, 종명은 소문자로 적는다. Homo sapiens가 맞는 표현이다.

 

 

2장. 거미집으로 살펴본 자연선택의 작동 원리

-거미집을 만드는 원리

보통 거미가 거미집을 만드는 맨 처음 단계는 서로 다른 두 지점을 실로 연결하는 것이다. 그리고 다리의 중심지점에서 무게를 실어 V자 모양으로 만든다. 그 다음 V자의 꼭지점에서 아래 방향으로 줄을 내려 Y자형으로 만든다. 이렇게 하면 Y의 중심이 거미집이 중심이 된다. 이 중심점을 기준으로 방사형으로 뻗어나가는 방향을 세로줄, 세로줄간 연결하는 줄을 가로줄이라고 부른다. 거미는 방사형의 위치에 최단거리로 도달할 수 있고, 점착 성분이 없는 세로줄을 이용해서 이동한다. 추가로 V자를 만드는 단계에서 처음 거미줄의 길이가 부족한 경우, 거미는 일자로 된 거미줄에 다시 올라탄다. 그 다음 원래 거미줄을 먹어치우면서 꽁무니에서는 새로운 줄을 먹어치우는 속도보다 더 빨리 뽑아낸다. 이렇게 충분히 V자형이 될 수 있는 길이를 갖는 거미줄 다리를 만든다.

 

-거미줄을 자연선택의 작동원리 파악에 활용한 이유

물고기의 비늘, 늑대의 송곳니 등은 3차원 정보에 의존할 뿐아니라 복잡한 역학을 기초로 한다. 따라서 컴퓨터 모형화하기가 힘들다. 실제로 자연 선택은 수 세대를 걸쳐 일어나기 때문에, 성질이 급한 인간이 통제할 수 없는 영역이다. 그래서 컴퓨터 모형으로 세대가 거듭되도록 해야한다. 거미줄은 실제로도 거의 2차원에 가까운 모양이며 거미줄의 총 길이 및 면적, 2차원 구조 등 비교적 단순한 측면이 있다. 물론 거미줄에 요구되는 탄성, 인장 계수, 먹이를 거미줄로 전환하는데 필요한 비용 등 자연에서는 아무렇지도 않게 '계산'되는 요소들은 무시되거나, 해당 모형들을 설계하는 공학자들의 의도에 의해 가중치가 선택될 수밖에 없는 한계점도 존재한다.

 

 

3장. 진화, 불가능의 산을 오르다

 

-신이 그의 행동을 설명하지 않는 이유

책에서는 복잡한 세상을 설계한 신이 있다면, 신은 그만큼 전지전능하므로 그의 의도를 설명해야만 한다고 말한다. 반대로 신이 세상을 설계하지 않았고 다른 일도 하지 않았다면 신은 어떤 설명도 못할 것이라고 말한다. 나는 무신론자지만 이러한 설명에는 공감이 가지 않았다. 전지전능한 신일지언정 본인의 의도를 숨기고 싶을지도 모르는 것이 아닌가?

 

 

-다윈의 자연선택설

다윈은 생물이 진화해온 방식이 '우연'에 의한 작은 변화가 축적되어온 과정이라고 설명했다. '우연'에 기대서 설명한다는 점 때문에, 많은 오해와 논란을 낳았다. 대표적으로 효소는 아미노산의 서열과 3차원 구조에 따라 결정된다. 만약 효소를 이루는 아미노산이 100가지라면, 아미노산 하나당 경우의 수가 20개라고 가정했을 때 20^100 만큼의 경우의 수 중 단 한 가지 경우만이 효소가 될 수 있다. 종교학자들뿐 아니라 저명한 물리, 화학 과학자들도 이런 확률은 보잉 747 부품이 태풍이 우연히 휩쓸려서 들어갔다가, 나오면서 완벽한 비행기로 조립되어 나올 확률이라고 설명한다. 그래서 우연에 기대는 다윈의 자연선택설은 신뢰도가 떨어진다고 설명한다. 그러나 다윈의 자연선택설은 우연이 핵심이 아니라 과정의 축적이 핵심이다. 

 

-번식과 유전의 차이

들불은 번식은 가능하지만 유전이 되지는 않는다. 들에서 불꽃이 일어나면, 들불은 퍼지기 시작한다. 공기 중으로 튄 불똥은 다른 들에 퍼져서 새로운 들불로 번져나갈 수 있다. 그러나 들불이 퍼져나가면서 원래의 불에 비해 다른 특성을 갖지는 않는다. 물론 불의 모양이나 크기가 다를 수 있으나 이것은 바람의 세기, 풀이 마른 정도, 들의 상태 등 지역적인 차이인 것이지 들불 자체의 특성 차이가 아니다.

 

-> 컴퓨터 공학에서 트리 구조로 자료구조를 만들 때, 단순히 이어진 자료를 만든다면 번식이겠지만, 부모 자료의 특성을 이어받고, 각 객체가 특성을 발휘하도록 가중치 등을 조절하면 유전이 아닐까 생각했다. 인터넷에 보니 유전 연구를 위한 트리 자료 구조를 사용하는 분야도 있는 것 같다. 그러고보니 무성생식이 아니라면 부모도 2개 또는 그 이상인 구조가 되야할 수도 있겠다.

 

-부레

물고기는 부레의 부피를 조절하여 원하는 수심에서 활동할 수 있다(보통의 경골 어류). 그러나 상어는 부레가 없어 원하는 수심에 있으려면 끊임없이 헤엄쳐야한다. 경골어류와 상어의 진화적 기원이 다를 것이라는 추측을 해볼 수 있다.

 

-대돌연변이

앞서 다윈주의의 진화는 급격한 진화가 아니라 세대를 거쳐 축적되는 서서히 변화되는 과정의 축적이라고 했다. 그러나 저자는 갑작스레 많은 변형이 생겨나는 대돌연변이에 의한 진화도 분명히 있었을 것이라 추론한다. 생물의 배(태아)가 발생하는 시점에 유전자의 변이로 인해 기형이 발생한다는 점으로 보아 이런 진화도 있었을 것이라 추측하는 것이다. 보통 이런 급격한 진화는 이미 주어진 환경에 적응한 생물체에 비해 생존에 불리한 구조를 가졌을 확률이 높다. 뭔가 급격한 변화는 소수의 정답에 맞을 확률보다는 그보다 훨씬 많은 오답에 가까울 확률이 높기 때문이다. 그럼에도 불구하고 환경적 요소 등에 의해 일부 대돌연변이를 거친 개체가 살아남아 유전되었을 확률도 분명히 존재한다. 그리고 이런 변화는 '정도'의 급격함이 주를 이룬다. 눈알이 머리 안에 있는 구조는 원래 기능을 상실해야할 뿐 아니라 매우 복잡한 유전적 변화가 일어나야하기 때문에 일어날 확률이 적다. 그러나 코끼리의 길어진 코나, 기린의 길어진 목과 같이 '정도'가 변화하는 대돌연변이는 비교적 일어나기 쉬울 것이다.

 

 

4장. 날개는 어떻게 진화했을까?

 

-길이 요소

한 변의 길이가 10cm인 정육면체를 한변의 길이가 100cm인 정육면체에 채워넣을려면, 10 x 10 x 10 = 1000개의 정육면체가 필요하다. 이와 유사하게, 세상의 여러가지 힘들은 길이 요소에 따라 미시 세계냐, 거시 세계냐에 따라 그 위력이 달라진다. 표면장력은 1cm 길이의 표면을 파괴하는데 필요한 힘으로, 길이 l에 비례한다. 중력은 밀도와 연관이 있으므로 부피 단위인 l^3에 비례한다.

 

생명체들도 이런 물리적인 조건에 종속될 수밖에 없다. 보통 부피가 작은 곤충류들은 내부 장기 구조가 단순하다. 부피 대비 표면적이 넓어서 외부와의 물질 교환이 쉽게 이루어질 수 있기 때문이다. 길이가 100배 커지는 동물은 그 몸을 구성하기 위해서 100 x 100 x 100, 100만배 많은 세포가 필요하다. 부피가 큰 온혈 척추 동물은 부피 대비 표면적이 작기 때문에, 열 교환, 물질 교환 등을 위해 외부와의 접촉이 적은 상태에서 내부 장기 기관을 고도로 발전시키는 방식을 채택한다. 물론 외피를 주름지게 만들어서 부피 대비 표면적을 늘리는 동물들도 많지만 기본적으로는 내부에서 훨씬 더 효율적인 대사 처리가 요구된다.

 

이런 사실에 비추어봤을 때, 부피가 작은 동물들일수록 미시 세계의 법칙을 따라서 땅에 발을 붙이고 있는 것보다는 비행하는 것이 훨씬 쉬울 수 있다. 부피 대비 표면적이 넓으면 구조역학 보다는 유체역학의 지배를 받기가 쉽게 마련이다.

 

-> 생물의 진화는 부피 대비 표면적(길이의 세제곱 -> 제곱)의 오랜 시간동안의 진화인데 비해, 인간의 미시 세계에 대한 탐구는 부피 대비 길이(길이의 세제곱 -> 1승)의 짧은 시간 동안의 발전인 것 같다.

 

bbc 날치 영상

https://www.youtube.com/watch?v=bk7McNUjWgw 

 

 

5장. 눈은 어떻게 진화했을까?

 

-렌츠의 수차 영상

https://www.youtube.com/watch?v=ttMByh_eq30 

 

-불가능의 산을 오르는 눈

생물의 광세포는 망막 뒤쪽에 위치한 미토콘드리아층, 광자를 포획하는 색소 분자들이 들어있는 층으로 구성되어 있다. 인간의 광세포는 대략 91겹의(예를 들자면 91겹) 광자를 포획하는 층이 들어있다(아래 그림에서는 disc 부분). 이것은 쏟아지는 광자들을 최대한 잘 포획하기 위한 것이며 개수가 많을수록 광자를 포획하여 신경 신호로 전환할 확률이 높아진다. 중요한 것은 이 색소 분자층의 개수가 완만하다는 것이다. 만약 색소층이 45개가 있을땐 동작하다가, 44개가 되는 순간 동작하지 않는 식의 깎아지른 절벽과 같이 동작한다면 진화를 위해 불가능의 산을 오르는 과정의 축적을 설명하기가 어려울 것이다. 그러나 일반적인 상식이나 증거들 중에는 이러한 갑작스러운 단절을 의미하는 것이 없다. 그렇기 때문에 저자는 진화는 과정의 축적으로 이루어진 것이라고 표현하는 것이다.

참조1.의 그림

 

오목한 눈의 등장과 바늘구멍, 렌즈의 적용

가장 단순한 눈의 형태는 평면의 한쪽에 암막이 있는 형태일 것이다. 암막이 없는 투명한 광세포는 모든 방향에서 빛이 들어오기 때문에 어떤 방향에서 빛이 오는지 알 수 없기 때문이다. 방향성을 알기 위해 단순한 구조를 갖는 일부 애벌레 등은 머리를 흔드는 방식을 이용하여 빛을 피한다. 조금 더 진화된 구조는 우리의 눈과 같이 오목한 형태의 눈으로, 암막과 함께 오목한 형태로 되어있어 빛이 들어오는 방향을 감지할 수 있다.

 

오목한 눈이 있을지언정 빛은 모든 방향에서 들어오기 때문에 아래의 왼쪽 그림처럼 흐릿한 여러 상이 맺힐 뿐이다. 따라서 눈은 바늘구멍처럼 입구를 좁히는 방법을 택해왔다. 앵무조개 또는 고둥의 눈은 이렇게 입구가 좁아진 오목한 형태의 눈으로 되어있다.

 

이제 수정체가 등장할 차례다. 바늘 구멍이 너무 작으면 빛의 양이 부족해서 상이 잘 보이지 않게 된다. 게다가 빛의 회절도 일어난다. 그렇다고 구멍을 크게 만들면, 위 그림의 원리처럼 점점 더 상이 퍼져 보일 것이다. 생물은 이를 극복하기 위해서 오목한 안구의 공간을 유리질로 채우는 방식으로 진화했다. 안구에 물과 같이 투명한, 굴절률이 큰 물질을 넣으면 바늘구멍이 크더라도 빛이 굴절되어 들어오면서 하나의 상으로 맺히게 되는 것이다. 이런 유리질을 채우는 방식에서 진화된 형태가 수정체이다.

 

닐손과 펠거의 실험

Dan Nilsson과 Susanne Pelger라는 두 명의 스웨덴 생물학자는 컴퓨터 모형을 통해 수정체의 진화 과정을 추론하였다. 저자가 앞서 거미집의 발전 단계를 컴퓨터 모형으로 추정한 것처럼 두 학자는 가장 단순한 구조에서 시작하여 세대가 지나면서 유전되면 어떻게 변할지 그리고 우리가 현대에 보는 구형의 눈 구조가 되는데 얼마나 걸릴지 추산해보았다. 이들의 모형은 빛의 투과를 막기 위한 외벽 조직, 빛을 받아들이는 광세포 층, 내부를 채우는 투명한 물질로 만들어진 층의 3가지 특징을 가장 단순한 편평한 형태에서 출발하게 하였다. 이 구조가 어떻게 변하는 것이 빛을 가장 잘 받아들이고, 상을 잘 맺히게 하는지 시뮬레이션 해본 것이다. 컴퓨터에서 세대를 거듭하면서, 결과적으로 현대 생물들의 눈 구조와 같이 진화가 이루어진 것을 확인할 수 있었다.

 

또한 매우 비관적으로 생물들의 생존과 돌연변이 발생률, 변이 계수를 잡았음에도 불구하고 36만 4,000세대가 지나면 눈이 지금과 같은 형태가 될 것으로 예측하였다. 눈이 발달하지 못한 무척추동물이나 벌레 등에서 진화한 것으로 가정하면, 한 세대를 1년으로 잡더라도 36만 4,000년이 걸렸다는 이야기가 된다. 50만년으로 치더라도 이것은 지질학적 역사에서 보면 찰나의 순간에 가깝다. 인간이 매우 중요하게 생각하기 때문에 진화과정도 매우 어렵고 오랜 시간을 거쳤을거라는 추측과는 다른 결론이 나왔다. 눈도 거미줄처럼 매우 조금씩 진화를 거쳐 현재 단계에 도달했다고 가정했을 때, 그렇게 오랜 시간이 걸리지는 않은 것이다.

 

 

 

 8장. 모든 생물이 존재하는 이유

 

벌들은 자외선으로만 볼 수 있다. 특정 꽃은 자외선으로 볼때만 꽃의 중심부 색이 달리 보인다. 꽃과 벌은 서로를 이용하고, 지배받으면서 살아간다. 인간 중심의 관점과는 아무런 상관이 없다.

 

인간이 섭취하는 모든 식품의 약 30퍼센트는 벌이 꽃가루받이를 하는 식물에서 유래한다.

 

 

10장. 무화과나무와 벌의 전략게임

무화과(Fig) 나무와 무화과좀벌은 서로 기생하는 관계이다. 대부분의 꽃들과 벌들이 종류에 상관없이 수분작용을 돕고 꿀을 얻는 것과는 달리, 이들은 서로에게만 밀접하게 의존한다. 무화과나무는 무화과좀벌이 없으면 죽는다. 무화과좀벌의 암컷은 산란기가 되면 무화과의 매우 좁은 틈으로 날개나 더듬이 같은 불필요한 부분들이 떼어내지는 고통을 감내하면서 몸을 밀어넣는다. 그리고 무화과좀벌은 다른 무화과나무에서 가져온 꽃가루들을 무화과 내부의 꽃술에 조심히 내려놓으면서 수분 작용을 한다.

 

그러나 무화과와 무화과좀벌의 상생관계는 단순하지 않다. 오히려 너무 복잡해서 이해하기가 어렵고, 이 분야만 연구하는 생물학자들이 있을 정도이다. 자웅이주, 즉 암수가 구분된 무화과나무는 수술에서 꽃가루를 받아 암술에 전달해주는 무화과좀벌의 역할이 중요하다. 그런데 무화과좀벌은 일반적인 경우 수컷은 날개가 없고 무화과 안에서 평생을 보내면서 같은 무화과 안의 암컷과 짝짓기를 한다. 그리고 암컷은 날개가 있어, 다른 무화과를 돌아다니며 알을 낳는다. 여기서 모순이 발생하는데, 무화과의 입장에서는 무화과좀벌이 암나무에 알을 낳기를 원한다. 왜냐하면 꽃가루가 묻은 벌이 암나무의 암술에 도달해야만 무화과가 생식을 하여 무화과의 유전자가 퍼질 수 있기 때문이다. 그러나 무화과좀벌의 입장에서는 수나무에 알을 낳기를 원한다. 왜냐하면 수나무의 무화과 안에는 수술만 있는 것이 아니라 생식이 불가능한 '가짜 암술'이 있는데 이 가짜 암술에 꽃가루를 전달하면 무화과좀벌의 애벌레들의 먹이로 변하여 애벌레들이 살아갈 수 있는 환경이 조성되기 때문이다. 암나무의 무화과에 알을 낳으면 무화과의 생식은 도울지언정, 무화과좀벌의 유전자가 퍼지는 것은 불가능해지게 된다. 이런 모순을 극복하기 위해서 무화과는 암나무, 수나무가 거의 같은 형상을 갖는 의태 방식을 취하며, 무화과 좀벌은 암컷과 수컷의 성비를 적절히 배분하고 기다란 산란관을 갖는 등 여러 형태로 진화를 해왔다고 설명된다. 서로의 단기적인 이기적 유전자 전달 방식을 적절히 발현하고 이용하면서 무화과와 무화과좀벌은 공진화를 해왔다.

 

 

 

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참조

 

1. 이성진 교수의 망막이야기

 

http://www.retina.co.kr/story.html?jb_code=30&jb_idx=216&search_key=&search_keyword=&page=9&dep1=&dep2= 

망막이야기 - 이성진 교수의 망막이야기