생명의 사슬 – 유전

세상의 모든 부모는 자신과 닮은 자식을 남기지만 신기하게도 부모와 자식이 완전히 똑같지는 않습니다. 이것이 생명의 다양성을 만드는 유전의 신비입니다. 그 옛날 사람들은 유전이 막연히 부모의 체액이 물감처럼 섞여서 자식에게 전달된다고 생각했습니다. 오스트리아의 수도사이자 유전학자인 그레고르 멘델은 가난한 농가에서 태어나 어렸을 때부터 좋은 농산물을 개발해 농민들의 열악한 생활을 개선하고 싶어해 수도사 생활을 하면서 틈틈히 새로운 품종을 개발했습니다. 그러다 완두콩 교배실험을 통해 유전의 법칙을 발견하고 뿐만 아니라 콩의 모양과 같은 형질을 결정하는 물질은 우성과 열성으로 나뉜다는 사실도 발견합니다. 둥근 완두와 주름진 완두를 교배하면 둘의 유전물질이 반반씩 자손에게 전달되는데 이때 첫번째 세대에서 나타나는 둥근 형질이 우성이고 열성은 사라지는게 아니라 두번째 세대에서 나타나는데 이때 우성과 열성의 비율은 3:1 입니다. 자손은 아버지 어머니가 각각 물려준 유전물질의 결합으로 만들어집니다. 하지만 두 개의 유전물질은 서로 영향을 주지 않습니다. 빨강과 파랑이 섞여 보라가 되는 것이 아니라, 빨강과 파랑이 독립적으로 유전되는 것입니다. 멘델이 발견한 유전의 법칙은 유전학사 최초의 결실이었습니다. 하지만 당시 그의 연구결과는 주목받지 못했습니다. 멘델의 연구는 1900년 달맞이꽃 교배실험을 하던 드 브리스에 의해 재조명을 받게 됩니다. 그는 달맞이꽃 교배 실험을 통해 우성과 열성이 3:1로 나타난다는 멘델의 법칙을 확인 했습니다. 20세기초 당시 과학자들은 현미경을 통해 비로소 눈에 보이지 않던 세포를 자세히 볼 수 있었습니다. 모든 생물의 기본단위인 세포, 세포는 세포질과 세포핵으로 구성되어 있습니다. 세포질에는 단백질을 만드는 리보솜등 많은 세포 기관들이 있고 세포핵 속엔 염색체가 들어있습니다. 과학자들은 세포가 분열할 때마다 나타나는 이 염색체가 유전물질이 아닌지 주목했습니다. 독일의 동물학자 테오도르 보베리는 성게의 세포분열 관찰을 통해 유전과 염색체의 관계를 연구해 세포가 분열할 때마다 동일한 염색체가 각 세포에 생긴다는 것을 발견했다. 뿐만 아니라 염색체의 수가 많거나 적은 변형된 세포들은 수정이 되어도 곧 죽고 만다는것을 알아 냅니다. 1920년 미국에서는 초파리를 이용해 염색체설을 사실로 입증하게 됩니다. 현대 유전학의 아버지 헌트 모건이 초파리 교배 실험을 통해 유전자가 염색체에 존재한다는 것을 증명하게 되는데 모건은 유전에 영향을 미치는 발현 형질과 염색체 사이에 상관관계가 있다는 것을 발견하게 됩니다.  세포속에 들어있는 붉은 실타래 모양의 염색체를 구성하는 DNA라는 물질이 유전의 실체라는 사실은 이후 과학자들에 의해 새롭게 밝혀집니다. 영국의 의사이며 유전학자인 프레데릭 그리피스는 폐렴 쌍구균 실험을 통해 DNA가 유전 물질이라는 사실을 최초로 발견했습니다. 생쥐를 이용해 폐렴 백신을 연구하던 중 죽은 쥐의 독성폐렴균에서 DNA를 추출해 독이 없는 폐렴균에 주입하자 바로 치명적인 폐렴균을 변하는것을 확인하게 됩니다. DNA가 생명 현상에 관여하는게 분명해졌습니다. 인간을 비롯한 모든 생명체의 기본단위인 세포속에는 핵이 들어있고 그 핵 속에 염색체가 들어있습니다. 바로 그 염색체를 구성하는 DNA가 마침내 유전의 실체로 확인된 것입니다. 1953년 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 DNA가 이중나선구조라는 사실을 발표하게 됩니다. 두가닥으로 나눠진 단순한 모양의 분자속에 DNA는 3가지 성분으로 이루어졌습니다. 인산과 당은 바깥쪽에서 뼈대를 이루고 염기는 안쪽에 위치하면서 쌍을 이뤄 존재합니다. 인산과 당, 염기들이 연결되어 DNA를 이루고 하나의 DNA는 이렇게 연결된 두 개의 가닥으로 이루어져 있는데 인산과 당, 염기 이 세가지 성분은 일정한 간격으로 결합하여 긴 가닥을 만드는데 이렇게 만들어진 두개의 가닥이 꼬이면서 이중나선구조를 만드는 것입니다. 왓슨과 크릭은 DNA모형을 완성하는 과정에서 이중 나선구조가 갖는 유전의 비밀을 찾아냅니다. 비밀은 염기의 순서와 결합에 있었었습니다. DNA상에는 4종류의 염기, 즉 아데닌, 티민, 시토신, 구아닌이 특정한 순서로 나열되 있는데 이들 염기가 결합할 때 반드시 아데닌은 티민과 시토신은 구아닌과 짝을 이뤄야 합니다. 바로 이 염기의 순서와 결합이 유전을 결정 짓습니다. 또 이중나선을 이루는 두가닥의 뼈대는 염기들의 수소 결합을 통해 약하게 결합되어 있기 때문에 어렵지 않게 분리되고 이 때 두가닥이 각각의 사본을 만들면 염기순서가 똑같은 DNA가 만들어 집니다. 세포가 분열할 때마다 똑같은 유전정보를 가진 또 하나의 세포가 만들어 지는것은 바로 이때문입니다. 여성과학자 로잘린드 프랭클린은 영국의 생물물리학자로 사람들의 침샘에서 DNA를 추출해 X선을 쬐어 DNA구조를 보여주는 사진을 찍게 되는데 이사진을 토대로 왓슨과 크릭이 이중나선구조를 밝혀냈다. 멘델에 의해 유전물질의 존재가 알려진지 80여년 만에 마침내 베일을 벗은 DNA의 구조였다. 

모든 생물은 수많은 세포들의 활동으로 살아갑니다. 각 세포의 기능과 성질은 그 세포가 가진 단백질에 의해 결정되는데 바로 이 단백질 합성에 대한 정보를 갖고 있는 것이 DNA입니다. DNA는 정보를 저장하고 그 정보를 다음 세대의 세포에 전달하는 일을 합니다. 정보를 전달할 때 RNA를 거치는데 DNA는 훼손되어서는 안 될 중요한 유전 정보를 가지고 있기 때문에 핵 밖으로 나가지 않고 대신 필요한 정보만 RNA에게 전달 하는데 정보를 전달받은 RNA가 핵의 구명을 빠져나와 리보솜으로 이동하면 리보솜이 DNA로부터 전달받은 RNA의 유전정보와 아미노산을 결합시켜 단백질을 만들기 시작합니다. RNA상에는 염기들이 특정한 순서로 놓여있는데 바로 이 순서가 유전정보 입니다. 리보솜은 이 정보에 따라 아미노산이라는 물질을 결합시키는데 아미노산은 단백질을 만드는 원료로 이들이 어떤 순서로 결합되느냐에 따라 단백질의 종류가 결정되고 이렇게 만들어진 단백질이 세포의 기능과 성질을 결정하는 것입니다. 2만에서 2만5천 종류의 다양한 단백질이 리보솜에서 만들어지는데 이들 단백질은 DNA가 전달하는 A, T, G, C 배열에 의해 결정되는 아미노산의 순서에 따라 결정됩니다. 인간을 비롯한 지구상의 모든 생명체는 이처럼 DNA라는 공통의 언어를 사용해 생명을 이어갑니다. 그럼에도 지구상에 다양한 생명체가 존재하는 것은 모든 생물이 서류 다른 유전정보를 가지고 있기 때문입니다. 암수구별이 있는 모든 생물은 정자와 난자, 즉 생식세포를 이용해 번식을 합니다. 정자와 난자의 결합으로 수정란이 만들어지고 이 수정란이 분화해 하나의 생명체로 완성되는 것입니다. 이것을 유성생식이라고 하는데 유성생식을 하는 생물들은 이같은 방식으로 다양한 개체를 만들고 그 중 일부가 환경 변화에 적응함으로써 상대적으로 생존에 더 유리할 수 있었습니다. 유성생식으로 인해 유전물질의 조합은 엄청나게 다양해 집니다. 일란성 쌍둥이를 제외하고 모든 사람이 서로 다른것은 바로 이 때문입니다. 그러나 유전 과정은 매우 복잡하기 때문에 아주 가끔 실수가 생기기도 합니다. 유전병은 자신은 물론 가족과 그 후손에게도 큰 고통을  안겨줍니다.  DNA에 저장된 유전정보는 RNA로 전달되 단백질을 만드는데 이때 종종 DNA를 복제하는 과정에서 염기순서가 일부 바뀌게되면 그와 쌍을 이루는 염기도 바뀌게 되고 염기순서가 바뀌면 비정상적인 단백질이 만들어져 기존에 없던 새로운 형질 즉, 돌연변이가 나타나는 것입니다. 돌연변이는 염색체 이상이나 방사능 같은 외부 요인에 의해 나타나기도 하는데 돌연변이가 꼭 생존에 불리한 것은 아닙니다. 돌연변이는 유전적 다양성을 이끈 진화의 한 과정인 것입니다.  유전에 대한 연구 결과는 생명에 대한 새로운 도전을 가능하게 했습니다. 복제기술은 농업분야와 식량생산의 개선, 동물 복지등에 유익할 것으로 생각합니다. 그리고 줄기세포 연구는 척수손상, 알츠하이머, 퇴행성 신경질환등 난치병치료에 유용 할 것입니다. 줄기세포란 다양한 세포로 분화되기 이전에 바로 그 모세포를 말하는 것으로 만약 질병이 줄기세포 단계의 유전적 기형 때문에 생긴다면 언젠가는 줄기세포에 있는 비정상 유전자를 찾아내 파킨슨병, 뇌종양 등의 난치병을 충분히 예방할 수 있게 될 것입니다. 난치병 치료의 대안으로 주목받는 줄기세포에 대한 희망은 생명 연장에 대한 인류의 오랜 꿈과 맞닿아 있습니다. 이제 인류는 인공 생명체라는 새로운 목표를 향해 나아가고 있습니다. 그 무한한 도전정신의 결실이 바로 과학입니다. 우리는 새로운 미래를 예측하고 거기에서 생존할 수 있는 방법을 예측합니다. 과학은 세상을 보는 눈이며 우리가 어떻게 살아가야 하는지에 대한 답을 줍니다. 인간과 세상에 대한 인류의 탐구가 계속되는 한 과학 혁명은 결코 끝나지 않을 것입니다.

생존의 위한 변화-진화

생태계의 모든 형태는 아무리 기괴하게 보일지라도 생존을 위해 싸우며 얻은 진화의 산물이다. 지구를 정복한 직립동물은 그중에서도 가장 특이하다.

35억 년 전 지구에서 태동한 최초의 생물체는 단세포였다. 하지만 생물 형태가 진화하고 원시 생물들이 출현하면서 어떤 형태를 취하는지에 따라 그 동물의 생사가 바뀌었다. 형태는 정체성을 결정하는 중요한 요소이다. 환경과의 상호작용과 다른 생물과의 관계에 영향을 주는 중대한 역할을 한다. 생물은 형태면에서 각양각색이라 하나씩 떼어놓고 보면 저마다 희한하고 신기한 모습을 갖고있다. 하지만 모두 생존을 위해 희한한 형태를 진화시켰고 상어는 그중에서도 역사가 가장 길다. 상어는 4억 년 전에 진화했는데 초기에는 형태가 다양했다. 그러나 날렵한 어뢰형 몸통과 낮게 위치한 턱을 갖게 되면서 강력한 포식자로 등극했고 성공적인 형태였기에 변화없이 지금까지 이어졌다. 인간을 비롯한 모든 생물은 심장이 뛸 때나 근육이 경련할 때 약한 전류를 방출한다. 상어는 머리 주변에 분포한 수백 개의 작고 검은 구멍으로 이러한 전류를 포착한다. 상어는 이러한 전자 수신기를 이용해 해저에서 위장 색을 띠거나 움직이지 않는 생물을 감지할 수 있다. 포식자인 상어는 공격에 적합합 형태로 진화했다. 수비하는 생물이라면 천적의 습격을 피하기 위해 다른 형태로 진화했을 것이다.흉내문어는 1990년대 인도네시아 연안에서 처음 발견되었다. 문어처럼 생겼지만 자신을 움직이는 다른 생물처럼 변화시킨다. 발을 몸 뒤에 붙이고 독을 지닌 가자미류인 각시서대처럼 헤엄치거나, 공격을 받으면 6개의 발을 구멍에 넣고 나머지 2개의 발을 들어 온 몸에 줄무늬가 있는 바다 독사로 변장하기도 하고 그 정도로 안 되면 독성을 지닌 쏠배감펭의 줄무늬 등지느러미처럼 발을 치켜세워서 무서운 물고기 행세를 한다. 지금까지 확인된 흉내문어의 변장은 15가지에 이르지만 아직 정확히 정체를 모르겠는 변장도 있다.5억 4천만 년 전에 시작된 캄크리아기에 생물의 형태가 폭발적으로 증가했다. 존재하지 않던 다양한 형태가 갑자기 쏟아져 나왔고 껍질처럼 전에 없던 기관이 등장했다. 껍질이 발달하도록 이끈 요인은 새롭고 치명적인 포식자의 진화였다. 공격을 이겨내려면 효율적인 방어수단을 발전시켜야 했다. 작은 포식자들을 단념시키는 단단한 껍질과 한 번에 삼켜버리려는 대형 포식자를 따돌릴 수 있는 빠른 속도를 지녔다. 빠른 속도를 가지지 못한 다른 생물들은 1억 5천만 년이 흐르는 사이 대부분 멸종하거나 새로운 형태로 진화했다. 상어와 같은 시대인 4억 년 전에 출현한 오징어는 껍질 없이 맨몸으로 성장했다. 단단한 연골 척추로 바닷속을 힘차게 헤엄칠 수 있다. 몸이 굉장히 유연해 바위틈이나 굴속을 헤집고 다니기 좋아서 아무도 노리지 않았던 곳에서 사냥할 수 있었다. 오징어는 껍질이 없어서 눈앞에서 몸을 숨기는 뛰어난 재주를 발달시켰다. 오징어는 어떤 배경에서도 거기에 맞게 변장하는 선천적인 능력이 있다. 오징어는 뇌 신호에 따라 피부가 바뀐다. 오징어와 모든 문어류의 피부는 색깔을 표현하는 세포가 두 겹으로 덮여 있다. 빛의 각도에 따라 무지개처럼 다양한 빛을 내는 성질이 있다. 헤엄을 치면서 눈을 통해 비춰지는 빛의 변화를 뇌고 감지하고 신경계에 전기적인 신호를 보낸다. 색소세포가 빛에 따라 변하면 최상층의 세포층이 색소를 조합해 유사한 색깔을 표현한다. 전자식 피부 조직은 천적을 두 가지 방법으로 속인다. 주위 환경과 비슷하게 변장하거나 오징어의 형태를 알아볼 수 없도록 위장한다.2억년 위 오징어의 친척뻘로 껍질을 포기하고 전자식 피부로 위장하는 방식을 택한 생물이 바로 문어이다. 문어는 오징어와 달리 뼈가 하나도 없고 근육만으로 이뤄져있다. 지구에서 가장 유연한 신체 형태다. 액체처럼 자유자재로 변형시킬 수 있고 발을 몸에 붙이면 모양이 완전히 달라진다. 무엇보다 신기한 피부를 가졌는데 고해상도의 화질처럼 미세한 조정이 가능할 뿐 아니라 형태를 바꿔 작은 돌기나 가시가 돋게 만들어서 돌 조각이나 산호, 암초를 흉내낸다. 문어는 천적을 피하고 먹잇감을 ㅣ몰래 뒤쫓기 위해 은신한다.

지구의 생명은 바다에서 시작했지만 생태계가 진출할 무대는 무궁무진했다. 어류와 유사한 생물이 육지로 올라온 것은 4억 년 전의 일이다. 생존확률을 높이려면 형태의 진화가 필수였다. 틱타알릭은 얕은 물에 사는 큰 물고기라는 뜻이다. 3억 7,500만 년 전 틱타알릭이 갯벌을 기어오르면서 지구 생태계의 모습에 영구적인 변화가 생겼다. 이 생물로부터 인간의 손발과 목, 손목이 진화했다. 틱타알릭이 진화해 인간 등 지금 알려진 모든 육지 척추동물이 생겼다. 오랜 세월이 흐르며 틱타알릭에 처음 나타난 원시 형태의 사지는 파충류와 조류, 양서류와 인간을 포함한 포유류로 진화했다. 포유류의 신체는 다양하게 변화해 생존이란 하나의 목표를 위해 수천 가지로 변형되는 양상을 띠었다.인간을 포함한 포유류는 1억2,500만 년 전 진화했다. 전반적인 신체 형태는 변함없이 유지됐다. 포유류는 기본적인 골격 구조가 모두 비슷한데 척추, 앞발, 뒷발이 달렸고 머리와 꼬리가 달렸다. 포유류의 전반적인 형태는 유사하지만 다양한 변이가 존재하고 독특하거나 의아한 형태도 자주 눈에 띈다. 육지 생물은 특이한 형태로 꾸준히 진화했고 몇몇 종은 다시 물로 돌아가는 길을 택했다. 육지에 적합한 기관을 물에 적합하도록 수백만 년에 걸쳐 개조했다. 생태계의 복귀다. 바다로 돌아간 최초의 포유류는 현생 오리너구리의 조상이다. 조류가 아니지만 새처럼 큰 부리를 가졌고 발목에 달린 기묘한 발톱으로 독액을 분사한다. 골반 뼈 바깥으로 이상한 뼈가 튀어나왔고 털이 촘촘하게 난 정말 신기하게 생긴 동물이다. 오리너구리는 환경에서 살아남기 위해 완전히 환골탈태한 생물이다. 주둥이는 하천의 진흙바닥에서 먹이를 찾는 데 사용되고 물갈퀴가 달린 발로 헤엄을 친다. 촘촘한 털은 헤엄칠 때 방수 효과를 낸다. 용도가 불확실 하면 자연선택에 의해 퇴화했을 조직이었다.1억 9천만 년 전의 머나먼 조상으로부터 진화한 포유류는 지구 곳곳에 퍼지면서 환경에 맞게 변화했다. 그러나 현대에 살아있는 포유류 5,000종 중에서 파키케투스처럼 극단적인 변화를 겪은 생물은 없을 것이다. 개와 쥐를 섞어놓은듯안 외모이지만 유전자상으로는 하마에 가까운 이 육지 동물은 5천만 년 전에 바다로 향하면서 새로운 습성과 새로운 형태를 발전시켰다. 앞발과 뒷발로 땅 위를 걸어 다니던 동물이 터전을 옮겨 수중에서 보내는 시간이 길어지며 앞발과 뒷발의 필요성도 점점 사라졌다. 앞발은 지느러미로 진화하고 뒷발은 사라졌다. 이 생물은 수백만 년의 진화를 거쳐 고래가 됐다. 바다를 무대로 덩치를 키웠지만 여전히 포유류의 근간을 유지한다. 현생 고래는 항온 포유류 동물로 폐로 호흡하고 거대한 유선을 이용해 새끼에게 젖을 먹이는데다 털까지 자란다. 고래는 바다를 집으로 삼았지만 대부분의 포유류는 지상에 남았고 몸의 형태를 환경에 맞게 꾸준히 진화시켰다.여러 요인이 복잡하게 결합해 형태를 규정했다. 수천만 년 동안 생물의 형태는 융성과 쇠퇴를 반복했다. 아무리 기괴해도 성능만 뛰어나면 번성할 수 있다. 이상한 목, 신기한 귀, 털이 나지 않는 피부. 이것이 바로 인간의 형태다. 지구 생태계는 35억 년간 활발하게 성장했다. 생물의 형태는 다양한 요인에 의해 결정된다. 인간의 독특한 형태도 진화적인 요구에 따른 결과다. 인간은 아주 독특하고 차별성 있는 형태를 지녔다. 어떤 생물도 쫓아올 수 없다. 인간의 조상이 직립이라는 습성을 갖게 되면서 인간의 형태가 대폭 변화했다고 주장한다. 인간이 직립보행한 기간은 최소 450~500만년이다. 원시인류는 손으로 식량을 운반하고 젖을 먹이기 위해 직립하게 되었다. 손이 자유로워지면서 도구 개발이 시작됐고 식량의 조리가 시작되고 영양공급이 개선되면서 뇌가 커졌다. 덕분에 인간은 세계 각지로 퍼져 나갔다. 단지 직립했다는 이유만으로 척추를 기점으로 신체의 형태가 바뀌었다. 보행이라는 생체역학을 수용하기 우해 척추는 수백만 년에 걸쳐 4회 굽은 형태로 변했다. 길고 굽은 척추, 엉덩이 폭보다 가까워진 무릎, 원통형의 가슴은 지금도 완전히 정복되지 않은 직립보행에 맞추기 위해 1백만 년에 걸쳐 다듬은 형태다. 인간이 직립보행을 위해 형태를 변화시켰던 것처럼 티렉스 같은 공룡은 두발로 움직였던 동물이고 현재는 공룡의 후예인 육상생활을 하는 조류가 있다. 시속 105킬로까지 달릴 수 있지만 날지 못하는 타조는 가장 빨리 달리는 새로 길고 튼튼한 다리로 육식동물인 사자를 앞지른다. 홍학은 늪에서 두발로 서서 먹이를 찾기 때문에 털에 물을 묻히지 않는다. 포유류 중에는 인간처럼 두 발로 걷는 캥거루가 있다. 티렉스처럼 튼튼한 뒷발과 짧은 앞발, 두툼한 꼬리를 지녔다. 천천히 움직일때는 앞발과 뒷발, 꼬리를 동시에 사용한다. 하지만 빨리 뛸때는 뒷다리를 튕겨 높이 점프한다. 뒷다리의 탄력 좋은 힘줄이 점프 동작을 좌우하기 때문에 캥거루의 이동에는 많은 열량이 소모되지 않는다. 호주의 오지에서 넓은 지역을 횡단하며 사는 데 필수적인 요소인 것이다. 캥거루는 식량이 떨어졌을 때 100킬로 정도를 돌아다녀야 먹이를 구할 수 있다. 캥거루가 주변 환경에 적합한 형태로 진화 못했다면 멸종을 맞았을 것이다. 호주의 오지에서 바다와 하늘까지 모든 생물이 진화를 통해 고유의 형태를 형성했다. 수백만 년의 변화를 통해 다리와 머리, 껍질 등 생존의 필수요소를 얻었다. 지구 생태계의 나이가 40억년에 가까워지고 있지만 생물의 형태는 계속 진화할 것이다.

생존을 위한 변화

동물의 왕국에 기거하는 수백만 종의 생물 중 95퍼센트 이상이 시각이라는 특성을 공유하고 있다. 동물마다 눈이 있지만 세상을 보는 시각은 종류마다 제각기 다르다. 동물의 눈은 생활방식이 다르기 때문에 외관, 크기, 배치 형태가 모두 다르고 다양하다.

조류는 동물 중에서도 가장 날카로운 눈을 지녔다. 높은 곳을 날면서 사냥감을 찾으려면 시력이 월등해야 한다. 특히 맹금류는 가장 진화한 눈을 가졌는데 독수리는 1.6킬로 밖에서 먹이를 추적할 수 있다. 시속 320킬로로 급강하하는 순간에도 표적의 위치를 정확히 포착한다. 독수리가 사냥에 성공하는 것은 눈의 해부학적 구조 덕이다. 보통은 눈이 클수록 시력이 좋은데 독수리의 눈은 매우 크다. 독수리의 체중은 인간보다 45킬로나 적지만 눈의 중량은 인간과 동일하다. 더구나 인간 안구의 뒷면에 평방밀리당 20만개의 빛 감지 세포가 있는데 독수리는 100만 개로 해상도가 5배나 높다. 또한 인간에 비해 수정체가 더 평평하고 망막과의 거리도 멀다. 그 결과 먼 거리를 망원경처럼 또렷이 보고 인간 시력의 3배 배율로 먹잇감을 확대해 볼 수 있다.이렇게 놀라운 눈을 가질 수 있었던 원동력은 바로 진화다. 진화는 임의적이고 미세한 유전자 변화로 이루어진다. DNA가 다른 세대로 전달되며 변이라는 작은 오류가 발생하는데 이 변이가 악영향을 끼치기도 하지만 때로는 새로운 기회를 창출하기도 한다. 생존력과 번식력을 향상시키는 변이를 통해 자연선택의 혜택을 얻고 적응할 수 없는 종은 사라지게 되는 것이다. 종의 99퍼센트가 긴 세월을 거치며 멸종됐다. 살아남은 종은 변이에 의해 개성적이 특질을 소유하게 됐다. 독수리는 생태계 최강의 눈을 가진 동물로 진화했지만 긴 세월에 걸쳐 진화된 눈을 갖게 된 동물 중 하나일 뿐이다. 지구에 존재하는 각종 동물이 전부 자신의 조상에게서 눈을 물려받은 건 아니다. 눈은 계통에 따라 여러 차례 진화했다. 종은 완전히 달라도 눈을 형성하는 동일한 유전자를 통해 진화를 거듭했다. 파리와 오징어, 인간 등이 다 그렇다.6억년전 지구의 바다는 고요했다. 거대한 포식자와 싸울일도 없었고 공격태세를 갖춘 생물도 없었다. 해양 생태계는 단순했다. 동물은 소형과 극소형의 2종류로 나뉘었다. 무장하지 않은 연약한 몸으로 느리게 움직일 뿐이었다. 그러나 그때 시각이 극도로 발달한 생물군이 하나 있었는데 지금의 해파리와 같은 계통의 생물이었다. 해파리는 해부학적 구조가 가장 단순한 동물이다. 골격과 심장, 뇌가 없이 신경조직으로 이루어졌지만 생존에 필수적인 기관을 갖고 있다. 밑면에 검은 점으로 원형을 이루고 빛을 감지하는 안점이라는 기관이다. 해파리의 시력은 인간과 다르다. 우리는 형상을 잘 포착하지만 해파리는 훨씬 흐릿한 세상을 보면서 살고있다. 종해파리는 단순한 시각으로 빛에 반응하면서 5억년이 넘는 시간동안 먹이를 찾고 천적을 피했다.형상을 볼 수 없는 여러 동물이 색의 차이를 인식하고 빛의 파장에 따라 다르게 반응했던 것이다.

캄브리아기가 시작되던 5억4,400만 년 전 생태계의 지각변동이 진행되었다. 초기의 생물은 단순하고 수동적인 성격으로 조류에 따라 흘러 다니거나 해저에 붙어 지냈다. 그러나 5천만 년 동안 많은 변화가 잇었다. 생태계는 폭발적인 변화를 겪었다. 수천가지의 신종 생물이 등장했는데 공룡, 코끼리, 인간의 선조인 해양생물도 출현했다. 이전까지는 지구에 동물이 거의 없었는데 2,3천만년 사이의 화석에 모든 주요 동물군이 등장해 다양화 되기 시작했다. 캄브리아기 생물은 기존 생물보다 컸고 기동성이 개선됐으며, 무엇보다 전투에 쓸 무기가 강화되었다. 턱, 갈고리발톱, 방어구는 물론 가장 중요한 눈이 뚜렷한 형태를 갖게 되었다.캄브리아기 폭발 이전에는 복잡한구조의 눈이 없었다. 화석에서 발견된 가장 오래된 눈은 삼엽충이라는 절지동물에게서 발견된 겹눈이었다. 머리위에 2개의 원형 기관이 달려있고 작은 원형 구조가 여러 줄 있는데 수정체가 여러 개 모인 눈이다. 삼엽충의 눈은 생태계의 치열한 무기경쟁을 뜻하는 가장 오래된 산물이다. 시력은 먹이를 찾고 포식자를 피하는데 가장 큰 역할을 한다. 눈이 진화하지 않았다면 캄브리아기에 늘어난 종이 많지 않았을 것이다. 삼엽충의 눈은 암석으로 이루어져 있었다. 삼엽충은 이 광물을 흡수해 자신의 껍질만큼이나 단단한 눈을 만들었다. 삼엽충은 이 눈으로 생존의 우위를 획득했다. 겹눈을 통해 사냥감을 뒤쫓거나 죽은 먹잇감을 찾아낸는 게 훨씬 수월해져 삼엽충은 3억 년 동안 분화를 거치며 생존하게 되었다. 그 후 대멸종을 겪으며 종 전체가 지구에서 사라졌지만 다른 절지동물은 살아남았다.겹눈의 성능을 한 차원 높인 생물이 바로 곤충이다. 육지에 가장 많은 생물 형태가 곤충인데 현생 종류만 따져도 100만이 넘고 모두 겹눈을 가졌다. 곤충은 4억년 전부터 진화하기 시작했다. 그들 중에서도 가장 진화한 잠자리는 눈 하나에 무려 2만9천개의 낱눈이 모여있어 움직임을 감지하는 성능이 강화된다.초점을 잡는 능력은 떨어지지만 처리 속도는 탁월해서 인간보다 5배나 빨리 물체를 해상한다. 곤충이 번성하면서 겹눈은 생태계에서 가장 지배적인 눈 구조가 됐다.캄브리아기 폭발에선 척추동물의 시각기관도 등장했다. 지구 생물중에 인간과 유사한 눈을 가진 동물이 다수 존재한다. 사실 척추동물의 시각기관은 한 종류로 이루어져 있는데 부드러운 세포로 이루어진 척추동물의 눈은 단안렌즈 카메라와 유사하다. 척추동물의 공통조상은 한 벌레와 유사한 원시동물이었다. 바다속을 훝는 이 동물의 눈을 형성하는 유전자는 척추동물 눈의 모든 계통으로 유전됐다. 물고기에서 상어를 거쳐 얕은 바다에서 헤엄치다가 육지라는 미지의 땅으로 시선을 돌린 양서류로 전달되었다. 이후 육식공룡이 등장하고 1억6천 만년동안 생태계를 지배하면서 먹어치운 사냥감의 뼈를 지구 각지에 화석으로 남겼다.

공룡은 사냥감을 사냥하기에 적합한 눈을 갖게 될 때까지 꾸준히 진화했다. 그리고 먹이동물은 공격자를 피하기에 적합한 시각으로 진화했다. 포식자의 눈은 조준을 위해 점점 간격을 좁혔지만 먹이감의 눈은 점점 더 측면으로 이동했다. 360도를 볼 수 있는 토끼의 시야가 극단적인 예다. 토끼의 눈은 점점 놋이 그리고 측면으로 이동했고, 어떤 각도에서 접근하는 위험이든 감지할 수 있다. 생존을 위협하는 적과 공생하기위해 포유류는 민첩하지 않으면 안되었다. 이 작은 동물들은 미개척 분야인 야간 시간대에 적응했고 어둠 속에서도 잘 볼 수 있는 야간 시력을 키워갔다. 현대 포유류의 많은 종류가 좋은 야간 시력을 가졌다. 주행성 동물과 야행성 동물의 눈은 각막의 크기가 다르다. 주행성 원숭이는 빛을 많이 수집할 필요가 없어 각막이 매우 작다. 야행성 여우원숭이는 각막이 굉장이 넓어서 안구의 전면을 거의 다 덮고있다. 감도와 정확성을 겸비한 시각이 필요하기 때문에 눈의 크기를 계속해서 키울 수 밖에 없었던 것이다. 대형 고양잇과 포유류는 빛나는 눈을 가지고 있다. 이들이 가지고 있는 휘막은 사냥감이 잘 보이도록 하는 동시에 야간 활동을 하는 다른 포식자를 위협하는 용도로 사용된다. 이들은 인간에게필요한 빛의 6분의1만 있어도 물체를 볼 수 있다.반면에 인간의 눈은 같은 포유류면서도 밤에 물체를 뚜렷이 보기 힘들다. 3천만년 전 인간의 조상이 야행성을 버리고 낮을 택했기 때문이다. 낮시간에 활동하기 시작하면서 이전에는 못봤던 세계를 볼 수 있는 눈으로 진화했다. 지금인간의 눈은 230만 가지의 색깔을 컴퓨터를 능가하는 속도로 정확히 판독할 줄 안다. 인간은 색상 판독력이 낮아도 살 수 있는 다른 동물보다 월등한 색각을 지녔다. 그리고 영장류는 양안시라는 중요한 적응 형태를 얻었다. 두 눈이 같은 방향으로 향하면 거리 지각력이 생겨 영장류엑 손과 눈의 협응력을 부여하게 된 것이다. 양안시를 얻기 위해 희생된 요소도 있었다. 시야 범위가 축소된 것이다. 동물 대부분은 두개골 측면에 눈이 달려 이를통해 360도 볼 수 있는데 영장류가 이 특질을 포기한 순간부터 맹금류의 위협이 시작되었다. 위기에 처한 영장류는 서로에게 의지하는 법을 배웠다. 천적에 맞서고자 무리생활을 택한 것이다. 이를 통해 안전을 희생하지 않고도 발달한 양안시의 장점을 유지했다. 이들은 협력을 통해 적을 감시하는 과정에서 뇌가 커지고 지능이 발달하는 부수 효과를 얻었다. 시각적 정보를 이해 할 필요성이 높아지면서 지능이 발달했다. 적을 피하기 위해 무리생활을 하면서 뇌의 크기를 키워간 급속한 변화를 통해 인간의 시조가 된 영장류가 독특한 특질을 갖추게 된 것이다.

진화의 시작 – 공룡 대 포유류 [거대공룡의 시대]

한때 지구전체를 쥐고 흔들었던 생명체, 그것은 바로 공룡이다. 그 어마어마한 크기로 이 땅의 모든 생명체 위에 군림했다. 우리 포유류는 공룡과 같은 시대에 지구상에 출현했고 거대한 공룡과 1억5천만년이라는 시간동안 목숨을 건 사투를 벌였다. 공룡은 그 크기로 포유류를 압도했다. 포유류가 어떻게 거대한 적에 대항해서 싸우고 기나긴 공룡시대를 꿰뚫고 살아남았을까?

현재 지구에는 60억의 인간이 살고있다. 인간은 보통 포유류로 통하는 짐승형의 동물로 개와 고양이도 포유류에 속하고 사자나 기린같은 야생동물 역시 포유류에 속한다. 포유류의 일반적인 특징은 커다란 머리와 유사한 번식 시스템이다. 오늘날 각 포유동물의 조상을 추적해 올라가면 단 하나의 공통적인 조상을 만나게 된다.뉴 멕시코의 붉은 지층은 그 역사가 2억만년전까지 거슬러 올라간다. 이곳에서 원시 포유류의 화석이 발견되었는데 아델로바실레우스의 뼛조각이었다. 크기가 채 1센티미터도 되지 않지만, 이 화석은 포유류의 역사가 2억만년전부터 시작되었다는 것을 보여주는 매우 중요한 증거물이다. 이 화석의 동물은 쥐보다 크지 않앗을 것으로 추정된다. 2억2천만년전 지구는 늪지동물의 세상이었다. 매우 큰 동물들이 우글거리는 세상에서 포유류의 조상 아델로바실레우스는 생태계 틈바구니에 숨어 간신히 목숨을 보존하고있는 신세였다. 아마도 곤충을 먹고 살았을 것으로 추정된다. 아델로바실레우스는 공룡의 괴롭힘 속에 살고 있었을 것이다.공룡중 가장 오래된 코엘로피시스는 뒷다리 2개로 똑바로 서서 걸어다니는 파충류였다. 두발 공룡은 민첩하게 움직이는 것이 가능했고 이는 그들에게 엄청난 강점이었다. 공룡과 포유류 두 종은 거의 같은 시기에 출현했고 1억년도 넘게 진화 경쟁을 치렀다. 공룡은 처음 나타난 그 순간부터 1미터도 넘는 엄청나게 큰 동물이었다. 공룡이 나타나면서부터 우리 포유류에게는 기나긴 고난의 역사가 시작되었다. 1억5천만년전에 살았던 라오레스테스라는 쥐라기의 포유동물이 출현하고 수년이 지난시점 살았던 생명체로 크기는 15센티 정도로 추정된다. 크기나 모양면에서 아델로바실레우스와 거의 흡사하다. 막강한 적 공룡이 지구를 휘어잡고 있었기에 무려 7천만년이 지났지만 포유류의 모습은 거의 바뀌지 않았던 것이다. 공룡은 진화의 측면에서 놀라운 성공을 거두고 있었다. 공룡의 등은 뾰족하고 날카로운 뼈로 무장했고, 발톱과 꼬리도 예리하게 변했다. 7천만년간 공룡은 거대하고 기괴한 동물로 진화했고 이미 포유류를 압도하기 시작한 것이다.

미국에서 6년간 이어진 발굴작업으로 발견한 1미터가 넘는 거대한 뼈는 길이가 33미터에 달하는 슈퍼사우루스로 이 지구상에 살았던 가장 큰 동물 중 하나였다. 무게는 40톤으로 코끼리 8마리를 합한 것과 같은 천하무적이었다. 본래 초식공룡으로 하루 500킬로그램이나 되는 식물을 먹어치웠다. 슈퍼사우루스의 어마어마한 덩치를 고려할 때 이들의 수명은 최소100년에서 200년 이상까지도 살았을것으로 보고있다. 포유류와 공룡이 출현하고 7천만년이 흐른시점 그 당시 세계는 장수를 누리는 거대한 공룡이 완전히 장악하고 있었다. 중생대에 번생했던 식물은 영양분이 많지않은 침엽수와 양치류로 먹이에 영양분이 적으니 엄청난 양을 먹어야했고, 그에 따라 공룡의 덩치도 커진 것이다. 식물에는 소화가 되지않는 섬유소같은 성분이 다량 함유되어 필수적인 영양성분을 섭취하기위해 초식공룡은 더 큰 소화기관을 필요로 하게 되었고 소화기관이 커지자 소화기관을 감싸기 위해 몸집이 더욱 커졌다.우리의 먼 조상 라우레리테스는 몸집이 작아 오래살지 못할 운명이었다. 하지만 결코 멸종되지 않았고 세대에서 세대로 삶의 사슬을 이어갔으며 그 결과 오늘의 우리가 있게 되었다. 지난 7천만년동안 포유류는 몸집은 거의 같은 크기를 유지하고 있었으나 내부에서는 혁신적인 진화를 이뤄냈다. 1억5천만년전 지구는 거대한 공룡들이 활개를 치던 곳이었다. 라우레리테스가 살아남기 위해서는 포식공룡들의 눈에 띄지않는 안전한 은신처가 필요했고 이들은 밤에 움직이기 시작했다. 공룡은 밤 동안은 잠을 잤다. 밤은 공룡으로부터 자유로운 세계였다. 귀 구조의 변화는 밤의 세계를 돌아다니는데 꼭 필요했을 것이다. 낮에 활동하는 주행성 동물은 시작에 의존해 움직이지만 빛이 없는 밤에는 그럴 수 없었다. 밤의 세계로 들어가기 위해서는 청각을 예리하게 발달시켜야 했다. 이러한 예민한 청각 덕분에 포유류는 척추동물 사상 처음으로 밤에도 활동할 수 있게 되었다. 각기 다른 소리를 구분할 수 있는 고도의 능력은 귀 뿐만이 아니라 뇌의 진화에도 큰 영향을 미쳤다. 진화로 인해 뇌가 커지면서 뇌가 필요로하는 영양분을 충당하기위해 열량이 높은 곤충은 매우 중요한 영양 공급원이었다. 포유류는 뇌가 필요한 영양을 공급하기에도 급급했을 것이고 그런 상태에서 몸집을 키우기란 어려웠을 것이다. 그래서 우리 포유류 조상은 짧은 삶을 살 수 밖에 없었다. 공룡과의 수명의 차이는 절대로 좁혀질 수 없는 것이었다. 하지만 다시 돌이켜보면 이들의 짧은 수명은 공룡을 대적하는 가장 큰 장점이기도 했다. 포유류는 수명이 짧아 새끼를 빨리 낳아야했다. 진화의 관점에서 보면 슈퍼사우루스가 100년을 사는동안 포유류는 50세대를 배출하게 되었다. 포유류는 잦은 번식을 통해 환경변화에 적응하고 개체의 다양화를 촉진할 수 있었고, 이것이 미래의 성공의 발판이 된 것이다.레페노마무스는 50센티미터의 포유류 화석이다. 이 화석의 위에는 공룡의 이가 들어있었다. 1억2천5백만년전 레페노마무스는 주행성이었을거라고 추정된다. 아마도 큰 덩치를 유지하기 위해 낮의 세계로 돌아왔을것이다. 그리고 초식공룡과 싸워 공룡을 잡아먹었을 것이다. 레페노마무스는 포유류가 공룡과 싸우는 과정에서 진화했을 거라는 새로운 가설을 증명했다.라우레리테스이후 나타난 포유류의 다양한 이 화석의 모양새는 당시 여러종류의 포유류가 살았다는 사실을 보여준다. 공룡시대에 걸쳐 포유류는 비록 같은 크기로 남아있엇지만 각각 다른 종으로 다양하게 분화하는데 성공한 것이다. 이것이 잛은 수명을 대신해 포유류가 발전시킨 생존전략이었다. 거대한 공룡이 한가로이 번영을 누리는 사이 포유류는 짧은 삶과 죽음의 순환을 반복했고 마침내 인간으로 이끈 진화의 길이 활짝 열렸다. 공룡이 멸망한 뒤 포유류의 몸집은 더 커졌고 그에따라 더 긴 수명을 누릴 수 있게 되었다. 또 세대가 빠르게 교차되면서 이들의 뇌의 크기도 점차 커졌다.오늘날 포유류 조상이 이루어낸 진화로 가장 큰 혜택을 누리고 있는것은 바로 우리 인간이다. 우리는 생각을 하고 또 기뻐할 줄도 안다. 이것은 모두 포유류가 공룡시대를 견뎌내며 발달시킨 커다란 뇌 덕분이다. 우리가 생각을 할 수 있는 것 역시 수십, 수백억의 삶이 이어달리기를 끊임없이 이어온 덕분이다.