진화적 압력
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1. 개요
진화적 압력은 생물 개체군이 환경 변화에 적응하도록 유도하는 선택 압력으로, 아미노산 선택, 항생제 내성, 인간의 활동 등 다양한 요인에 의해 발생한다. 항생제 내성은 세균이 항생제에 저항하도록 진화하는 현상이며, 말라리아가 유행하는 지역에서는 낫 모양 적혈구 빈혈증과 같은 유전적 형질이 선택될 수 있다. 또한, 농약과 살충제에 대한 저항성도 진화적 압력의 예시이며, 인간의 활동은 방울뱀의 행동 변화, 굴뚝새의 날개 형태 변화, 엘크의 행동 변화, 그리고 개의 가축화와 품종 다양성과 같은 진화적 변화를 유발할 수 있다.
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| 진화적 압력 | |
|---|---|
| 정의 | |
| 설명 | 어떤 개체군의 번식 성공률을 감소시키는 모든 원인 |
| 관련 정보 | |
| 관련 분야 | 진화생물학 |
2. 아미노산 선택압
효모에서 ''HIS4'' 유전자와 같은 아미노산 생합성 유전자를 아미노산 선택 압력 하에 두면, 진핵생물에서 두 개의 인접 유전자의 전사 공동 조절로 인해 인접 유전자의 발현이 증가하는 것으로 나타났다.[2]
항생제 내성은 자연선택의 한 예이다. 항생제를 사용하면 내성이 없는 세균은 죽지만, 생존한 세균은 내성 유전자를 다음 세대로 전달할 가능성이 있다(수직적 유전자 전달). 내성 유전자는 다른 종의 세균으로부터 받을 수도 있다(수평적 유전자 전달). 이 때문에 세대를 거듭할수록 항생제 내성이 증가한다. 항생제 오남용은 항생제 내성을 악화시킨다. 항생제를 세균성 질병이 아닌 질병 치료에 사용하거나, 처방된 기간이나 용량대로 사용하지 않으면 항생제 내성이 증가한다.[4] 항생제 내성은 집단 내 기존의 유전적 변이나 새로운 돌연변이로 인해 발생할 수 있다.
3. 항생제 내성
3. 1. 병원 내 감염
클로스트리디오이데스 디피실레(Clostridioides difficile)는 포유류의 장에 서식하는 그람 양성균으로, 병원 감염으로 인한 사망의 주요 원인 중 하나이다.[3] 항생제에 의해 공생적인 장내 미생물 군집이 파괴되면 병원균에 더 취약해진다. 항생제 내성의 빠른 진화는 내성 유전자에 막대한 선택 압력을 가하며, 붉은 여왕 가설에서 보듯 병원성 세균과 인간은 진화적 군비 경쟁을 벌인다. 빠르게 진화하는 세균의 병독성 인자와 현대 의학의 치료법 간의 경쟁은 진화 생물학자들이 병원성 세균의 내성 메커니즘을 이해해야 함을 의미한다. 특히, 질병이나 항생제 치료로 면역 체계가 손상된 입원 환자에게는 진화된 병독성 인자가 큰 위협이 된다. 클로스트리디오이데스 디피실레의 병독성 인자 중 항생제 내성에 크게 기여하는 것은 엔테로톡신 TcdA와 세포독소 TcdB이다.[5]
3. 1. 1. 클로스트리디오이데스 디피실레 감염 (CDI) 확산 방지
클로스트리디오이데스 디피실레의 독소는 불활성화시키기 어렵고 환경에서 제거하기 어려운 포자를 생성한다. 감염된 환자의 방에 최대 20주 동안 포자가 남아 있을 수 있는 병원에서 특히 그렇다.[6] 따라서 CDI(클로스트리디오이데스 디피실레 감염)의 빠른 확산 위협에 대처하려면 병원의 위생 실천을 통해 환경에서 포자를 제거해야 한다. ''미국 위장병학 저널''에 발표된 연구에 따르면 CDI의 확산을 제어하려면 건강 시설에서 장갑 사용, 손 위생, 일회용 체온계 및 환경 소독이 필요하다.[7] 이 병원균의 병독성은 놀랍고 CDI 발생을 제어하기 위해 병원에서 사용하는 위생 접근 방식에 근본적인 변화가 필요할 수 있다.
4. 인간의 말라리아 내성
말라리아원충은 인구 집단에 선택압을 가할 수 있다. 이러한 압력으로 말라리아가 주요 건강 문제인 지역에서는 낫 모양 적혈구 빈혈증을 유발하는 적혈구의 겸상 적혈구 헤모글로빈 유전자 돌연변이(Hb S)가 자연 선택되었다. 낫 모양 적혈구 빈혈증은 이 감염병에 대한 어느 정도의 저항성을 부여하기 때문이다.[8]
5. 제초제 및 살충제 내성
세균의 항생제 내성 발달과 마찬가지로, 농업 분야에서 흔히 사용되는 농업용 화학물질에 대한 저항성이 나타나기 시작했다.
배추흰나비의 Bt옥수수 내성, 쥐의 쥐약 내성, 아마란투스 팔머리의 글리포세이트 내성, 발트해 후쿠스 라디칸스에 대한 자세한 내용은 하위 문단을 참고하면 된다.
5. 1. 주요 사례
일반적으로 사용되는 농업용 화학물질에 대한 저항성은 세균의 항생제 내성 발달과 유사하게 나타나기 시작했다. 예를 들어, 미국에서는 오렌지 과수원에 서식하는 초파리가 초파리를 죽이는 데 사용되는 살충제 말라티온에 내성을 갖게 되었다는 연구 결과가 있다. DDT는 일부 지역에서 말라리아를 전염시키는 모기를 방제하는 데 더 이상 효과적이지 않아 질병의 재유행에 기여했다.배추흰나비의 Bt옥수수 내성, 쥐의 쥐약 내성, 아마란투스 팔머리의 글리포세이트 내성, 발트해 후쿠스 라디칸스에 대한 자세한 내용은 하위 문단을 참고하면 된다.
5. 1. 1. 배추흰나비의 Bt 옥수수 내성
미국 하와이와 일본에서는 배추흰나비가 Bt옥수수를 포함한 여러 상업용 작물에 사용되는 ''바실러스 투린기엔시스''에 대한 내성을 갖게 되었는데, 이는 바실러스 투린기엔시스가 대량으로 사용되기 시작한 지 약 3년 후였다.[9]5. 1. 2. 쥐의 쥐약 내성
영국 특정 지역의 쥐들은 쥐약에 대한 내성이 매우 강해져서, 일반적인 쥐보다 최대 5배 많은 양을 섭취해도 죽지 않는다.[9]5. 1. 3. 아마란투스 팔머리의 글리포세이트 내성
미국 남부에서는 목화 재배에 피해를 주는 잡초인 아마란투스 팔머리가 제초제 글리포세이트에 대한 광범위한 내성을 갖게 되었다.[9]5. 1. 4. 발트해 후쿠스 라디칸스 (Fucus radicans)
발트해의 염분 감소는 새로운 종의 갈색 해조류인 후쿠스 라디칸스의 출현을 유발했다.[9]6. 인간이 유발하는 진화적 압력
인간의 활동은 환경에 의도치 않은 변화를 일으켜 다양한 생물 종에게 진화적 압력을 가한다. 인간 활동으로 인해 특정 개체군에 부정적인 영향이 발생하면, 이 새로운 압력에 적응하지 못한 개체는 죽고, 더 잘 적응한 개체는 생존하여 번식한다. 이러한 과정이 여러 세대에 걸쳐 반복되면 개체군 전체가 인간이 유발한 압력에 적응하게 된다.[1] 예를 들어 도로 건설이나 사냥과 같은 활동은 생물에게 새로운 압력으로 작용한다.[10] 흰턱지빠귀와 엘크의 사례에서 이를 확인할 수 있다. 그러나 모든 인간 활동이 의도치 않게 진화적 압력을 유발하는 것은 아니다. 개의 가축화와 다양한 품종을 만들어낸 선발 번식은 인간이 의도적으로 진화에 영향을 준 사례이다.
6. 1. 방울뱀
인구 밀도가 높고 사람들의 통행이 많은 지역에서는 방울뱀이 방울 소리를 내지 않는다는 보고가 증가하고 있다. 이러한 현상은 일반적으로 사람들이 방울뱀을 발견하면 종종 죽이기 때문에 나타나는 선택적 압력 때문이라고 여겨진다.[11] 방울 소리를 내지 않는 뱀은 눈에 띌 가능성이 더 적어 생존하여 자신과 마찬가지로 방울 소리를 낼 가능성이 적은 자손을 낳는다.6. 2. 굴뚝새
네브래스카주에 서식하는 굴뚝새 개체군은 도로변에서 오랜 기간 서식한 후 날개의 형태가 변화하는 것을 보였다.[10] 30년 이상의 데이터를 수집한 연구원들은 살아있는 굴뚝새 개체군의 날개폭이 감소하는 것을 관찰했으며, 자동차에 치여 죽은 굴뚝새의 수도 감소한 것을 확인했다. 자동차에 치여 죽은 굴뚝새는 전체 개체군에 비해 날개폭이 더 컸다. 도로 이용량, 자동차 크기, 개체군 크기와 같은 교란 요인은 연구에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.6. 3. 엘크
인간에 의해 가해지는 진화적 압력은 엘크 개체군에서도 관찰된다.[12] 이러한 연구들은 형태학적 차이가 아닌 행동적 차이를 살펴본다. 더 빠르고 이동성이 좋은 수컷 엘크는 사냥꾼의 먹잇감이 될 가능성이 더 높다. 사냥꾼들은 활동적인 동물이 활동성이 낮은 동물보다 포식당할 가능성이 더 높은 환경을 조성한다.[4] 2년 이상 생존한 암컷 엘크는 해마다 활동량이 감소하며, 이는 생존 가능성이 더 높은 수줍은 암컷 엘크가 더 많이 남게 됨을 의미한다.[12] 별도의 연구에서도 암컷 엘크의 행동적 차이가 나타났는데, 나이 든 암컷은 이러한 선택에서 예상할 수 있는 소극적인 행동을 보였다.[13]6. 4. 개의 가축화
개는 가축화 이후 인간과 환경의 압력으로 인해 인간과 함께 진화해 왔다.[6] 인간과 늑대가 같은 지역을 공유하면서 공존을 위한 압력이 결국 가축화로 이어졌다. 인간으로부터의 진화적 압력은 가축을 보호하거나 사냥을 돕는 것과 같이 당시의 필요에 따라 많은 다른 품종을 탄생시켰다.[7] 사냥과 목축은 인간이 유익하다고 여기는 형질을 인위적으로 선택한 최초의 이유 중 두 가지였다.[8] 이러한 선택적 번식은 크기나 색깔과 같이 유형적으로 인간에게 유익하지 않더라도 인간이 원하는 특정 형질을 선택하는 것으로까지 확장된다.[9]6. 4. 1. 유전 질환
인간이 개를 가축화하면서, 개는 인간과 환경의 압력으로 인해 인간과 함께 진화해 왔다.[6] 이러한 인위적 선택의 의도하지 않은 결과는 가축화된 개들이 특정 품종에 따라 유전성 질병을 갖는 경향이 있다는 것이다.[14]참조
[1]
웹사이트
Natural selection
https://evolution.be[...]
2017-11-29
[2]
논문
Increased expression and secretion of recombinant hIFNγ through amino acid starvation-induced selective pressure on the adjacent HIS4 gene in Pichia pastoris
https://researchonli[...]
[3]
논문
''Clostridi'' ''difficile''—A continually evolving and problematic pathogen. Infections
[4]
논문
The Ecology of Fear: Optimal Foraging, Game Theory, and Trophic Interactions
1999
[5]
논문
Recurrent ''Clostridium difficile'' infections: The importance of the intestinal microbiota
[6]
논문
The genomics of selection in dogs and the parallel evolution between dogs and humans
2013-05-14
[7]
논문
Canine genetics comes of age
2000-03-01
[8]
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[11]
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2011-06-24
[12]
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2012-11-07
[13]
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2017-06-14
[14]
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2004-06-01
[15]
웹인용
Natural selection
https://evolution.be[...]
2017-11-29
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