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진화생물학

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목차

1. 개요

진화생물학은 생명의 변화를 연구하는 학문으로, 과거와 현재의 생명체가 어떻게, 왜 달라졌는지를 설명한다. 핵심 개념으로는 진화는 발전이 아니며, 종의 개념, 자연 선택, 시간, 개체군, 그리고 모든 생물의 동등한 진화적 가치를 이해하는 것이 중요하다. 진화는 유전자 변이 축적, 환경 압력에 따른 선택, 오랜 시간 선택의 결과로 나타나며, 찰스 다윈의 자연 선택설 이후 1930-40년대 현대 종합을 거쳐 학문으로 자리 잡았다. 미생물학은 유전체학 발전과 세대 시간이 짧다는 점 때문에 진화 연구에 중요한 도구가 되었고, 현재는 분자 유전학, 컴퓨터 과학 등 다양한 분야와 융합하여 연구가 진행된다. 약물 내성은 진화의 중요한 예시로, HIV와 항생제 내성 등이 있다.

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진화생물학

2. 진화의 개념

생명의 변화를 포괄적으로 이르는 진화는 과거와 현재의 생명체가 어떻게 다른가를 설명하고 왜 달라졌는가를 설명하는 분야인 진화론에서 다룬다.

진화를 이해하기 위해서는 다음과 같은 핵심적인 내용을 먼저 짚고 넘어갈 필요가 있다.


  • '''종''' 개념: 분류학의 종(species) 개념은 상식적인 생물 분류 기준과 다르며, 불분명한 점이 있다.
  • '''자연선택''': 특정 자연환경에서 적합한 개체나 집단을 선택한다는 개념이다.
  • '''시간''': 진화는 시간이 지남에 따라 일어나는 현상이며, 인간이 이해하기에는 적절하지 못한 단위가 대부분이다.
  • '''개체군''': 진화는 개체 수준이 아닌 종 집단 수준에서 세대를 이어가며 일어난다.


과거에는 원시 생명체에서 복잡한 세포 생명체가 되는 과정, 단세포 생물에서 다세포 생물이 생겨나는 과정에 대한 의문이 있었으나, 현대에는 유전적 다양성 증가와 군체 형성 등으로 해결되었다.

일반적인 생물 진화 과정은 다음과 같다.

# 다양한 유전적 변이가 유전자 집단 내에 축적된다.

# 환경 변화로 인한 압력이 가해지는 과정에서, 유전적 변이에 의한 집단 내 선택이 이루어진다.

# 오랜 시간 동안 선택이 이루어진 결과, 유전자 집단의 유전적 변이가 원래 집단과 구분될 정도로 뚜렷하게 달라진다.

이 과정은 일반적으로 동일한 시간 단위 안에서 이루어지지 않으며, 급격한 외부 요인은 진화를 가속한다는 것이 화석을 통해 알려져 있다. (캄브리아기 생물 대폭발, 페름기 및 백악기 대멸종 등)

2. 1. 진화와 발전

진화(evolution)는 넓은 의미로 생명의 변화를 뜻한다. 과거와 현재의 생명체가 어떻게, 왜 달라졌는지를 설명하는 분야가 진화론이다.

진화를 이해하기 위한 핵심 내용은 다음과 같다.

  • 진화는 발전이 아니다: 생물이 진화했다는 것은 이전보다 '나아졌다(Progress)'는 의미가 아니다. 과거 조상과 달라졌지만, 기능이 추가되거나 삭제, 복잡해지거나 간단해지는 등 다양성의 방향으로 이루어진다. 진화를 진보와 혼동하는 것은 흔한 오해이다.
  • 자연 선택: 특정 환경에서 적합한 개체나 집단을 자연이 선택하는 것이다. 적합성은 주로 생존율과 번식율로 나타난다.
  • 종 개념의 명확화: 분류학의 종(species) 개념은 상식적인 생물 분류 기준과 다르며, 불분명한 점이 있다. 사자와 호랑이는 다른 종이지만 번식 능력 없는 새끼를 낳을 수 있고, 세인트버나드와 치와와는 같은 종이지만 크기 차이로 자연 상태에서 새끼를 낳기 어렵다.
  • 시간: 진화는 오랜 시간에 걸쳐 일어나는 현상이며, 5만 년은 진화에서 '매우 빠른' 시간 단위일 수 있다.
  • 개체군: 진화는 개체가 아닌 종 집단 수준에서 세대를 이어가며 일어난다. 개체는 사라져도 유전자 변이는 집단에 남는다.
  • 인류와 대장균: 인류가 대장균보다 발전한 것이 아니며, 다른 생명보다 우월한 생명이란 개념은 무의미하다.


과거에는 원시 생명체에서 복잡한 세포 생명체가 되는 과정, 단세포 생물에서 다세포 생물이 생겨나는 과정에 대한 의문이 있었으나, 현대에는 유전적 다양성 증가와 군체 형성 등으로 해결되었다.

일반적인 생물 진화 과정은 다음과 같다.

# 유전적 변이가 유전자 집단에 축적된다.

# 환경 변화로 인한 압력으로 집단 내 선택이 이루어진다.

# 오랜 시간 동안 유전자 집단이 원래 집단과 뚜렷하게 달라진다.

이 과정은 동일 시간 단위에서 이루어지지 않으며, 급격한 외부 요인은 진화를 가속한다. (캄브리아기 생물 대폭발, 페름기, 백악기 대멸종 등)

2. 2. 종(種)의 개념

종 개념은 생물을 분류하는 기준인데, 이 개념은 상당히 불분명하다. 과거에는 외부 형태를 기준으로 종을 나누었으나, 현재는 유전자를 기반으로 분류한다. 사자와 호랑이는 명백히 다른 종이지만 서로 간에 (생식능력이 없는) 새끼를 낳을 수 있다. 반면, 세인트버나드와 치와와는 같은 종이지만 크기 차이로 인해 자연 상태에서는 서로 간에 새끼를 낳을 수 없다.

2. 3. 자연선택

다양한 유전자를 가진 유전자 집단에서는 특정한 환경 아래에서 유리한 유전자와 그렇지 않은 유전자가 있을 수 있다. 만일 '유리한 유전자'가 그 유전자를 가진 개체의 생존 및 번식 능력에 영향을 줄 수 있다면, 다음 세대의 유전자 집단에는 '유리한 유전자'의 수가 더 많아질 것이다. 이때 '유리한 유전자'가 '자연선택(natural selection)'되었다고 말한다.

'유리한 유전자'는 단순히 자손을 많이 남기는 데 유리한가에 따라 결정된다. 개체에 해를 끼치는 유전자라도 자손을 남기는 데 유리하면 자연 선택에 유리하다.

이 개념은 멘델의 우열 개념과 함께 자주 오용되며, 라마르크의 용불용설 및 획득형질 유전설과는 다르다. 자연 선택은 무작위적 선택을 강조하지만, 용불용설은 의지에 따라 진화한다는 생각이다. 그러나 용불용설이 완전히 틀렸다고 보기는 어렵다. 용불용설, 완전히 틀린 건 아니다.

약물 내성은 진화의 중요한 예시이다. HIV가 약물이나 면역계에 내성을 갖는 것은 살아남은 개체와 그 자손의 자연 선택 때문이다. 면역계를 이겨낸 HIV는 번식하여 면역계에도 내성이 있는 자손을 낳는다. 항생제를 다 복용하지 않으면 세균이나 바이러스가 진화하여 내성을 갖게 된다. 바이러스는 사용 약물에 대해 내성을 가지므로, 치료가 어려워진다. 처방약을 모두 복용하는 것은 항생 물질 내성을 막는 중요한 단계이다. 만성 질환 환자는 약물 과다 사용 등으로 면역계가 약해져 질병이 더 강하게 진화할 수 있다. 암 환자는 면역계 기능 저하로 더 강력한 약이 필요하다.

2. 4. 돌연변이

유전자는 바뀔 수 있다. 이미 알려진 바와 같이 방사선, 화학물질, 단순한 복사 과정의 실수 등에 의해 유전자가 바뀔 수 있으며, 이러한 유전적 변이는 외부의 압력 - 선택압 - 이 가해지지 않는 한 유전자 집단 안에 계속 축적된다. 돌연변이는 해로울 수 있으며, 생명체는 이러한 돌연변이로부터 자신을 보호하기 위해 다양한 세포 내 복구 장치 및 발생 과정에서의 안전장치를 마련하고는 있으나, 확률적인 문제로 돌연변이는 계속 축적된다.

2. 5. 시간과 개체군

진화는 개체 수준이 아닌, 종 집단 수준에서 세대를 이어가며 일어나는 현상이다. 개체는 사라질 수 있으나, 유전자의 변이는 집단 속에 남게 된다. 진화는 시간이 지남에 따라 일어나는 현상이며, 이 '시간' 개념은 인간이 이해하기에는 적절하지 못한 단위가 대부분이다. 5만 년은 일반적으로 진화 또는 지질변이에서 '대단히 빠른' 시간 단위가 될 수 있다. 그럼에도 불구하고 사람이란 종이 겪는 5만 년과 한 사람의 뱃속에서 살아가는 대장균에게 숙주의 일생은 진화라는 관점에서 거의 동일한 기간이 될 수 있다.[15][16][17][18][19][20]

2. 6. 진화의 산물

진화는 생명의 변화를 포괄적으로 이르는 말이다. 과거와 현재의 생명체가 어떻게, 왜 달라졌는지를 설명하는 분야가 진화론이다.

진화를 이해하기 위한 핵심 내용은 다음과 같다.

  • 진화의 방향: 진화는 발전이 아닌 다양성을 향해 이루어진다. 생물이 이전보다 나아졌다는 의미가 아니며, 기능의 추가와 삭제, 복잡화와 단순화가 모두 일어난다. 진화를 진보와 혼동하거나, 생물이 진화를 선택한다고 생각하는 것은 오해이다. 자연이 특정 환경에 더 많은 후손을 남기는 유전자를 선택하는 것이 진화로 나타난다.
  • 종 개념: 생물을 나누는 기준인 종(species) 개념은 불분명하다. 과거에는 외부 형태를 기준으로 종을 나누었으나, 현재는 유전자를 기반으로 분류한다. 사자와 호랑이는 다른 종이지만 번식 능력 없는 새끼를 낳을 수 있고, 세인트버나드와 치와와는 같은 종이지만 크기 차이로 자연 상태에서 새끼를 낳을 수 없다.
  • 자연선택: 특정 환경에 적합한 개체나 집단을 자연이 선택한다는 개념이다. 적합성은 주로 생존율과 번식율로 표현된다.
  • 시간: 진화는 오랜 시간에 걸쳐 일어나는 현상이다. 5만 년은 진화에서 '대단히 빠른' 시간 단위일 수 있으며, 대장균에게 숙주의 일생은 사람의 5만 년과 진화적 관점에서 거의 동일한 기간일 수 있다.
  • 개체군: 진화는 개체가 아닌 종 집단 수준에서 세대를 이어가며 일어난다. 개체는 사라져도 유전자 변이는 집단에 남는다.
  • 진화적 산물: 인류와 대장균은 같은 수준의 진화적 산물이다. 다른 생명보다 우월한 생명이란 개념은 의미가 없다.


과거에는 원시 생명체에서 복잡한 세포 생명체가 되는 과정, 단세포 생물에서 다세포 생물이 생겨나는 과정에 대한 의문이 있었으나, 현대에는 유전적 다양성 증가와 군체 형성 등으로 해결되었다.

일반적인 생물 진화 과정은 다음과 같다.

  • 유전자 집단 내 다양한 유전적 변이 축적.
  • 환경 변화로 인한 압력 발생, 유전적 변이에 따른 집단 내 선택.
  • 오랜 시간 동안의 선택 결과, 유전자 집단의 유전적 변이가 원래 집단과 구분될 정도로 달라짐.


이 과정은 동일 시간 단위에서 이루어지지 않으며, 급격한 외부 요인은 진화를 가속한다. (캄브리아기 생물 대폭발, 페름기 및 백악기 대멸종 등)

진화생물학은 현대 진화 종합설에서 설명되지 않은 현상, 즉 종 분화, 유성 생식의 진화, 협력의 진화, 노화의 진화 및 진화 가능성 등을 설명하려 한다.[15][16][17][18][19][20]

진화 생물학자들은 "무슨 일이 언제 일어났는가?"라는 질문을 던진다. 고생물학 분야에서는 고생물학자이자 진화 생물학자인 토마스 할리데이와 안잘리 고스와미 등이 중생대와 신생대(2억 9900만 년 전~1만 2000년 전) 초기 포유류 진화를 연구했다.[21][22] 계통 분류학 및 계통 발생학도 이와 관련된 분야이다.

현대 진화 종합설은 유전자 분자적 기초가 알려지지 않았을 때 고안되었다. 오늘날 진화 생물학자들은 적응 및 종분화 같은 진화 현상의 유전자 구조를 결정하려 한다. 어떤 유전자가 관여하는지, 유전자 간 상호 의존성, 유전자 기능, 유전자 변화(예: 점 돌연변이 대 유전자 중복, 게놈 중복) 등을 연구한다. 쌍둥이 연구의 높은 유전성과 전장 유전체 연관 연구를 통해 유전자를 찾는 어려움을 조화시키려 한다.[23] 현대 진화 종합설은 진화에 기여하는 힘에 대한 합의는 있지만, 상대적 중요성에 대한 합의는 없다.[24]

3. 진화의 역사

진화(evolution)는 넓은 의미로 생명의 변화를 뜻한다. 과거와 현재의 생명체가 어떻게 다른지, 왜 달라졌는지를 설명하는 분야가 진화론이다.

진화를 이해하기 위해서는 다음과 같은 핵심 내용을 먼저 알아야 한다.


  • 진화는 발전이 아닌 다양성의 방향으로 이루어진다: 생물이 진화했다는 것은 이전보다 나아졌다는 뜻이 아니다. 과거 조상과는 달라졌지만, 기능이 추가되거나 삭제될 수도 있고, 복잡해지거나 간단해질 수도 있다. 진화를 진보와 혼동하는 것은 흔한 오해이다. 또 다른 오해는 '진화했다'라는 표현인데, 생물은 진화를 선택하지 않는다. 자연이 특정 환경에 더 많은 후손을 남기는 유전자를 선택하는 것이 진화로 나타나는 것이다. 즉, 자연이 주체이고 종은 객체이다. 따라서 '어떤 종이 어떻게 진화했다'는 말은 잘못된 표현이며, 한국어로는 '진화를 당했다'라고 해야 정확한 의미에 가깝다.
  • 종 개념을 명확히 한다: 분류학의 종(species) 개념은 상식적인 생물 분류 기준과는 다르며, 이 개념 또한 불분명하다는 것을 기억해야 한다. 과거에는 외부 형태가 종을 나누는 기준이었지만, 현재는 유전자를 기반으로 분류한다. 사자와 호랑이는 다른 종이지만 (생식능력이 없는) 새끼를 낳을 수 있고, 세인트버나드와 치와와는 같은 종이지만 크기 차이로 인해 자연상태에서는 새끼를 낳을 수 없다.
  • 자연선택: 특정 자연환경에 적합한 개체나 집단을 자연이 선택한다는 개념이다. 적합성은 주로 생존율과 번식율로 표현된다.
  • 시간: 진화는 시간이 지남에 따라 일어나는 현상이며, 이 '시간'은 인간이 이해하기 어려운 단위가 대부분이다. 5만 년은 진화에서 '매우 빠른' 시간 단위일 수 있지만, 사람의 5만 년과 대장균이 숙주의 일생 동안 겪는 시간은 진화 관점에서 거의 동일할 수 있다.
  • 개체군: 진화는 개체가 아닌 종 집단 수준에서 세대를 이어가며 일어나는 현상이다. 개체는 사라져도 유전자 변이는 집단 속에 남는다.
  • 인류와 대장균은 같은 수준의 진화적 산물이다: 대장균보다 발전한 것이 인류가 아니며, 다른 생명보다 우월한 생명이란 개념은 의미가 없다. 계통도에 상위와 하위는 없으며, 복잡하고 단순한 것은 있지만 복잡한 것이 단순한 것보다 나은 것도 아니고 그 반대도 아니다.


과거에는 원시생명체에서 복잡한 세포생명체가 되는 과정, 단세포 생물에서 다세포 생물이 생겨나는 과정에 대한 의문이 있었지만, 현대에는 유전적 다양성 증가와 군체 형성 등으로 해결되었다. 일반적으로 생물의 진화 과정은 다음과 같이 설명된다.

  • 다양한 유전적 변이가 유전자 집단 내에 축적된다.
  • 환경 변화로 인한 압력이 가해지는 과정에서 유전적 변이에 의한 집단 내 선택이 이루어진다.
  • 오랜 시간 동안 선택된 결과, 유전자 집단의 유전적 변이가 원래 집단과 구분될 정도로 달라진다.


이 과정은 같은 시간 단위 안에서 이루어지지 않으며, 급격한 외부 요인은 진화를 가속한다. (예: 캄브리아기 생물 대폭발, 페름기 및 백악기 대멸종)

3. 1. 진화 사상사

찰스 다윈과 알프레드 러셀 월리스가 자연 선택설을 제안한 1858년까지 진화생물학의 역사적 기원을 거슬러 올라갈 수 있다. 하지만, 전문적인 학문 분야로서 진화생물학은 1930년대에서 40년대 경 신다윈주의 성립의 결과로 시작되었다.[8] "진화생물학"이라는 명칭은 1950년대 에른스트 마이어가 세포학이나 생리학 등의 "기능생물학"과 대비하여 사용하기 위해 제안하였다. 그러나 진화생물학이라는 용어를 내건 학과가 많은 대학에 창설된 것은 1970년대에서 80년대가 되어서였다. 미국에서는 분자생물학, 세포생물학의 급속한 발전에 따라, 많은 대학이 생물학과를 분자·세포생물학과 생태학·진화생물학과로 분할 또는 재편했다. 과거의 고생물학과 동물학·식물학과는 후자에 통합되었다.

미생물학은 최근 진화생물학의 관련 분야로서 급속히 중요도를 높이고 있다. 미생물은 형태적 특징이 부족하고, 미생물학에서 종의 정의가 확정되지 않았기 때문에, 진화생물학에서 종래는 중시되지 않았다. 그러나 현재는 생리학적인 연구가 진전되고 있다는 점, 게놈 연구가 용이하다는 점, 세대가 짧다는 점 등으로 진화학의 중요한 도구가 되고 있다. 비슷한 점은 바이러스, 특히 박테리오파지의 진화에 대해서도 말할 수 있다.

많은 생물학자들이 진화 생물학의 현대적 학문 분야를 형성하는 데 기여했다. 테오도시우스 도브잔스키와 E. B. 포드는 실증적 연구 프로그램을 확립했다. 로널드 피셔, 세월 라이트, J. B. S. 홀데인은 탄탄한 이론적 틀을 만들었다. 에른스트 마이어는 계통학에서, 조지 게일로드 심슨은 고생물학에서, G. 레디야드 스테빈스는 식물학에서 현대 종합을 형성하는 데 기여했다. 제임스 크로우,[9] 리처드 르원틴,[10] 댄 하틀,[11] 마커스 펠드먼,[12][13] 및 브라이언 찰스워스[14]는 진화 생물학자들을 양성했다.

3. 2. 현대 진화 이론 (20세기)

찰스 다윈이 1859년 자연선택에 의한 진화 개념을 제안했지만, 진화생물학이 독립적인 학문 분야로 나타난 것은 1930년대와 1940년대 현대 종합 시기였다.[8] 1980년대에 들어서야 많은 대학들이 진화생물학 관련 학과를 갖추게 되었다.

미생물학은 미생물 생리학과 유전체학에 대한 이해가 높아지면서 진화생물학의 한 분야로 자리 잡았다. 세균과 박테리오파지 같은 바이러스는 세대 시간이 짧아 진화 연구에 유용하다.

테오도시우스 도브잔스키와 E. B. 포드는 진화생물학의 실증적 연구 프로그램을 확립했다. 로널드 피셔, 세월 라이트, J. B. S. 홀데인은 진화생물학의 이론적 토대를 만들었다. 에른스트 마이어는 계통학에서, 조지 게일로드 심슨은 고생물학에서, G. 레디야드 스테빈스는 식물학에서 현대 종합을 이루는 데 중요한 역할을 했다. 제임스 크로우,[9] 리처드 르원틴,[10] 댄 하틀,[11] 마커스 펠드먼,[12][13] 브라이언 찰스워스[14]는 진화 생물학자들을 양성했다.

4. 진화의 연구 분야

진화생물학 연구는 분자 유전학 및 컴퓨터 과학 등 다양한 분야의 아이디어를 통합하여 이루어진다. 현대 진화 종합설에서 충분히 설명되지 않았던 종 분화[15][16], 유성 생식의 진화[17][18], 협력의 진화, 노화의 진화[19], 진화 가능성[20] 등을 설명하려는 시도가 이루어지고 있다.

"무슨 일이 언제 일어났는가?"라는 질문에 답하기 위해 고생물학자 토마스 할리데이와 안잘리 고스와미는 중생대와 신생대(2억 9900만 년 전에서 1만 2000년 전 사이) 초기 포유류의 진화를 연구했다.[21][22] 이와 같이 진화의 과정을 탐구하는 분야에는 계통 분류학 및 계통 발생학이 있다.

현대 진화 종합설은 유전자의 분자적 기초가 알려지지 않았던 시기에 고안되었다. 오늘날 진화생물학자들은 적응, 종 분화와 같은 가시적인 진화 현상의 기저에 있는 유전자 구조를 밝히고자 한다. 어떤 유전자가 관여하는지, 유전자 간 상호작용은 어떠한지, 유전자의 기능은 무엇인지, 유전자에서 어떤 변화(점 돌연변이, 유전자 중복, 게놈 중복 등)가 일어나는지 등의 질문에 대한 답을 찾고 있다. 쌍둥이 연구에서 나타나는 높은 유전성과 전장 유전체 연관 연구를 통해 유전성을 담당하는 유전자를 찾는 데 어려움이 있다는 점을 조화시키려는 연구도 진행 중이다.[23] 현대 진화 종합설은 진화에 기여하는 요인에 대한 합의는 이루었지만, 그 상대적 중요성에 대해서는 합의를 보지 못했다.[24]

진화발생생물학은 발생 과정이 유기체의 현재 신체 구조 형성에 미치는 영향을 연구한다. 계통 발생 과정과 개체 발생의 유전자 조절에 대한 이해는 생물학의 발전에 기여한다. 발생 과정의 다양한 측면을 살펴보고 진화 계통수에서 특정 구조가 나타난 시점을 확인할 수 있다.[6][7]

진화생물학은 찰스 다윈과 알프레드 러셀 월리스의 자연 선택설 제안(1858년)에서 기원했지만, 1930~40년대 신다윈주의 성립과 함께 전문 학문 분야로 시작되었다. 1950년대 에른스트 마이어는 세포학, 생리학 등 "기능생물학"과 대비되는 개념으로 "진화생물학"이라는 용어를 제안했다. 1970~80년대에 이르러 많은 대학에 진화생물학과가 창설되었다. 미국에서는 분자생물학, 세포생물학의 발전과 함께 많은 대학의 생물학과가 분자·세포생물학과와 생태학·진화생물학과로 분리 또는 재편되었으며, 과거의 고생물학과, 동물학·식물학과는 생태학·진화생물학과에 통합되었다.

4. 1. 하위 분야

진화는 생물학의 중심적인 통합 개념이다. 생물학은 다양한 방식으로 나눌 수 있다. 한 가지 방법은 생물학적 조직의 수준에 따라 분자에서 세포, 개체에서 개체군까지 나누는 것이다. 또 다른 방법은 인식된 분류군에 따라 동물학, 식물학, 미생물학과 같이 나누는 것으로, 한때 생명의 주요 구분으로 여겨졌던 것을 반영한다. 세 번째 방법은 현장 생물학, 이론생물학, 실험 진화, 고생물학과 같은 접근 방식에 따르는 것이다. 이러한 대안적인 주제 구분 방식은 진화생물학과 결합되어 진화생태학과 진화발생학 같은 하위 분야를 만들어냈다.

더 최근에는 생물 과학과 응용 과학의 융합으로 진화 로봇공학, 공학,[1] 알고리즘,[2] 경제학,[3] 그리고 건축[4]과 같은 진화생물학의 확장 분야가 탄생했다. 진화의 기본적인 메커니즘은 새롭거나 해결하기 어려운 문제를 해결하기 위해 직접 또는 간접적으로 적용된다. 이러한 응용 분야에서 생성된 연구는 특히 컴퓨터 과학과 기계 공학 등의 공학 분야에서 진화 연구를 통해 발전에 기여한다.[5]

미생물학은 최근 진화생물학의 관련 분야로서 급속히 중요해지고 있다. 미생물은 형태적 특징이 부족하고, 미생물학에서 종의 정의가 확정되지 않았기 때문에, 진화생물학에서 종래에는 중시되지 않았다. 그러나 현재는 생리학적인 연구가 진전되고 있다는 점, 게놈 연구가 용이하다는 점, 세대가 짧다는 점 등에서 진화학의 중요한 도구가 되고 있다. 비슷한 점은 바이러스, 특히 박테리오파지의 진화에 대해서도 말할 수 있다.

4. 2. 응용 분야

진화는 생물학의 중심적인 통합 개념이지만, 생물학이라는 광대한 분야는 다양한 방식으로 나눌 수 있다. 생물의 계층에 따라 분자생물학, 세포생물학, 개체생물학, 집단생물학 등으로 분류할 수 있다. 또한 동물학, 식물학, 미생물학과 같은 분류는 전통적인 생물의 종류에 따른 것이다. 연구 접근 방식에 따라 현장 연구를 수행하는 필드 생물학, 실험실 연구를 하는 실험 생물학, 화석을 연구하는 고생물학, 그리고 각 분야의 지견을 정리하여 생물 전체에 공통된 원리를 규명하는 이론생물학 등으로 분류할 수 있다. 이러한 생물학 분류 방법을 진화에도 적용하여 진화생물학 역시 진화생태학이나 진화발생학과 같은 하위 분야로 나눌 수 있다.

최근에는 생명 과학과 다른 응용 과학을 조합하여 진화생물학 관련 영역에서도 새로운 분야가 탄생하고 있다. 예를 들어 진화로보틱스, 진화공학[1], 진화적 알고리즘[2], 진화경제학[3], 진화건축학[4] 등이 있다. 다른 방법으로는 해결하기 어려운 문제에 대해 새로운 설계 방법이나 문제 해결 방법을 만드는 데 진화의 기본 메커니즘이 간접적으로 응용되고 있다. 특히, 컴퓨터 과학이나 기계 공학 등의 공학 분야에서는 진화 연구를 활용하여 여러 돌파구가 얻어지고 있다[5].

5. 진화의 증거

진화는 생명의 변화를 포괄적으로 설명하는 분야이다. 과거와 현재의 생명체가 어떻게, 왜 달라졌는지를 설명한다. 진화를 이해하기 위한 핵심 개념은 다음과 같다.


  • 진화는 발전이 아니다: 진화는 생물이 이전보다 '나아지는' 것이 아니라, 다양성이 증가하는 방향으로 이루어진다. 기능이 추가되거나 삭제될 수 있고, 복잡해지거나 간단해질 수 있다. 진화를 진보와 혼동하는 것은 흔한 오해이다. 생물은 진화를 선택하는 것이 아니라, 자연이 특정 환경에 더 많은 후손을 남기는 유전자를 선택하는 것이다.
  • 종 개념의 이해: 생물학적 종 개념은 상식적인 분류 기준과 다를 수 있으며, 불분명한 경우도 있다. 과거에는 외부 형태를 기준으로 종을 나누었으나, 현재는 유전자를 기반으로 분류한다. 예를 들어, 사자와 호랑이는 다른 종이지만 번식 능력 없는 새끼를 낳을 수 있고, 세인트버나드와 치와와는 같은 종이지만 크기 차이로 인해 자연 상태에서 번식이 불가능하다.
  • 자연선택: 자연선택은 특정 환경에 적합한 개체나 집단을 선택하는 개념이다. 적합성은 주로 생존율과 번식율로 표현된다.
  • 시간: 진화는 오랜 시간에 걸쳐 일어나는 현상이며, 인간이 이해하기 어려운 시간 단위가 사용될 수 있다. 5만 년은 진화에서 '매우 빠른' 시간 단위일 수 있으며, 사람의 5만 년과 대장균이 숙주의 일생 동안 겪는 시간은 진화적 관점에서 거의 동일할 수 있다.
  • 개체군: 진화는 개체가 아닌 종 집단 수준에서 세대를 이어가며 일어난다. 개체는 사라져도 유전자 변이는 집단 내에 남는다.
  • 인류와 대장균은 동등한 진화적 산물: 인류가 대장균보다 발전한 것이 아니며, 다른 생명보다 우월한 생명은 없다. 계통도에서 상위와 하위는 없으며, 복잡한 것이 단순한 것보다 낫거나 그 반대도 아니다.


과거에는 원시 생명체에서 복잡한 세포 생명체가 형성되는 과정, 단세포 생물에서 다세포 생물이 생겨나는 과정 등이 의문점으로 남아 있었으나, 현대에는 유전적 다양성의 증가와 군체 형성 등으로 해결되었다.

일반적으로 생물의 진화 과정은 다음과 같이 설명된다.

  • 유전자 집단 내에 다양한 유전적 변이가 축적된다.
  • 환경 변화로 인한 압력으로 유전적 변이에 따른 선택이 이루어진다.
  • 오랜 시간 동안 선택이 지속되면서 유전자 집단 내 유전적 변이가 원래 집단과 구분될 정도로 달라진다.


이 과정은 동일한 시간 단위 내에서 이루어지지 않으며, 급격한 외부 요인은 진화를 가속화할 수 있다. (캄브리아기 생물 대폭발, 페름기 및 백악기 대멸종 등)

5. 1. 종 분화 (speciation)

종 분화는 돌연변이로 축적되는 유전자 집단 내의 유전적 다양성이 자연선택의 도움으로 세대가 지날수록 앞 세대와는 다르게 바뀌는 현상이다. 유전자 집단은 여러 요인으로 인해 서로 섞이지 못할 수 있으며, 이 경우 한 유전자 집단과 다른 유전자 집단 안의 유전적 변이는 서로 다른 방향으로 갈 가능성이 높다. 서로 다른 선택압이 가해진 두 유전자 집단은 충분한 시간이 흐른 후 다시 유전적으로 섞일 수 없게 되는데, 이를 '종 분화'라고 한다.[15][16]

5. 2. 유성 생식의 진화

20세기 현대 진화 종합설에서 제대로 설명되지 않은 현상을 설명하려는 진화 연구 분야에는 종 분화[15][16], 유성 생식의 진화[17][18], 협력의 진화, 노화의 진화[19] 및 진화 가능성이 포함된다.[20]

5. 3. 협력의 진화

진화생물학 연구는 분자 유전학, 컴퓨터 과학 등 다양한 분야의 아이디어를 통합하여 다양한 주제를 다룬다. 일부 진화 연구 분야에서는 현대 진화 종합설에서 제대로 설명되지 않은 현상을 설명하려고 시도한다. 여기에는 종 분화[15][16], 유성 생식의 진화[17][18], 협력의 진화, 노화의 진화[19], 진화 가능성[20] 등이 있다.

5. 4. 노화의 진화

진화생물학 연구는 분자 유전학, 컴퓨터 과학 등 다양한 분야의 아이디어를 통합한다. 일부 진화 연구 분야에서는 현대 진화 종합설에서 제대로 설명되지 않은 현상을 설명하려고 시도한다. 여기에는 종 분화[15][16], 유성 생식의 진화[17][18], 협력의 진화, 노화의 진화[19], 진화 가능성[20] 등이 포함된다.

5. 5. 진화 가능성

진화생물학 연구는 분자 유전학 및 컴퓨터 과학과 같은 다양한 분야의 아이디어를 통합한다. 일부 진화 연구 분야에서는 현대 진화 종합설에서 제대로 설명되지 않은 현상을 설명하려고 시도한다. 여기에는 종 분화[15][16], 유성 생식의 진화[17][18], 협력의 진화, 노화의 진화[19] 및 진화 가능성이 포함된다.[20]

6. 약물 내성

약물 내성에는 진화가 중요한 역할을 한다.

HIV가 약물이나 신체의 면역 시스템에 내성을 갖게 되는 것이나, 항생제 복용을 다 마치지 않아 세균이나 바이러스가 내성을 갖게 되는 것은 모두 자연 선택에 의한 진화의 예시이다. 처방약을 모두 복용하는 것은 항생 물질 내성을 방지하기 위한 중요한 단계이다. 만성 질환을 가진 환자는 약물 과다 사용이나 과도한 투여량으로 인해 환자의 면역계가 약해지고 질병이 진화하여 더 강해질 수 있기 때문에 항생 물질 내성의 위험이 더 높다.

6. 1. HIV의 약물 내성

약물 내성에는 진화가 중요한 역할을 한다.

HIV가 어떻게 약물이나 신체의 면역 시스템에 내성을 갖게 되는지를 예로 들 수 있다. HIV의 내성 변이는 살아남은 개체와 그 자손의 자연 선택에 의한 것이다. 면역계를 이겨낸 HIV는 번식하여 면역계에도 내성이 있는 자손을 낳는다. 적절한 약물이 없다면, 질병은 환자의 사망으로 이어질 수도 있지만, 신체가 일정 수의 약물에 저항력을 갖게 되면 적절한 약물을 찾는 것이 어려워진다. 항생제의 복용을 다 마치지 않는 것 또한, 세균이나 바이러스가 진화하여 체내에서 계속해서 내성을 갖는 예이다. 이처럼 바이러스는 사용 약물에 대해 내성을 갖게 되므로, 나중에 다른 질병이 발생하고 치료가 더욱 어려워진다. 처방약을 모두 복용하는 것은 항생 물질 내성을 방지하기 위한 중요한 단계이다. 또한, 만성 질환을 가진 환자는 다른 환자보다 항생 물질 내성의 위험이 높다. 이는 약물 과다 사용이나 과도한 투여량으로 인해 환자의 면역계가 약해지고 질병이 진화하여 더 강해질 수 있기 때문이다. 예를 들어, 암 환자는 면역계 기능이 저하되어 더 강력하고 강력한 투약량이 필요하다.

6. 2. 항생제 내성

약물 내성은 진화에서 중요한 역할을 한다.

HIV가 약물이나 신체의 면역 시스템에 내성을 갖게 되는 과정을 예로 들 수 있다. HIV의 내성 변이는 살아남은 개체와 그 자손의 자연 선택에 의한 것이다. 면역계를 이겨낸 HIV는 번식하여 면역계에도 내성이 있는 자손을 낳는다. 적절한 약물이 없다면, 질병은 환자의 사망으로 이어질 수 있지만, 신체가 일정 수의 약물에 저항력을 갖게 되면 적절한 약물을 찾는 것이 어려워진다. 항생제 복용을 다 마치지 않는 것 또한 세균이나 바이러스가 진화하여 체내에서 계속해서 내성을 갖는 한가지 예이다. 이처럼 바이러스는 사용 약물에 대해 내성을 갖게 되므로, 나중에 다른 질병이 발생하고 치료가 더욱 어려워진다. 처방약을 모두 복용하는 것은 항생 물질 내성을 방지하기 위한 중요한 단계이다. 또한, 만성 질환을 가진 환자는 다른 환자보다 항생 물질 내성의 위험이 높다. 이는 약물 과다 사용이나 과도한 투여량으로 인해 환자의 면역계가 약해지고 질병이 진화하여 더 강해질 수 있기 때문이다. 예를 들어, 암 환자는 면역계 기능이 저하되어 더 강력하고 많은 투약량이 필요하다.

참조

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[13] 웹사이트 The Academic Genealogy of Evolutionary Biology: Marcus Feldman http://academictree.[...]
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[21] 논문 Eutherians experienced elevated evolutionary rates in the immediate aftermath of the Cretaceous–Palaeogene mass extinction 2016-06-29
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