진화의 원리

진화는 대부분 수천~수백만 년에 걸쳐 일어나서 처음부터 끝까지 지켜볼 수 없다. 그런데도 과학자들은 어떻게 생물이 진화해 왔다고 확신할까? 서로 다른 방법으로 얻은 증거들이 같은 결론을 가리키는지 따라가 보자.

1과거를 직접 보여 주는 화석

화석은 지층의 순서와 방사성 연대 측정으로 시대를 알 수 있어, 생물의 모습이 시간에 따라 어떻게 바뀌었는지 보여 준다. 그 가운데서도 두 무리의 특징을 함께 가진 전이 화석이 큰 단서가 된다.

약 3억 7500만 년 전(데본기 후기)의 틱타알릭은 물고기처럼 비늘과 지느러미, 아가미가 있지만, 지느러미 속에 어깨, 팔꿈치, 손목에 해당하는 뼈가 있고 머리를 돌릴 수 있는 목이 있다. 연구진은 '어류와 네발 동물 사이의 생물이라면 이 무렵의 얕은 물가 퇴적층에 있을 것'이라고 예측하고 캐나다 북극 엘즈미어섬의 그 시대 지층을 찾아가 2004년에 발견했다. 즉 진화 이론이 예측을 하고, 그 예측이 맞은 사례이다.

고래의 조상 화석도 비슷한 이야기를 들려준다. 약 5000만 년 전의 파키케투스는 네 다리로 걷는 육상 포유류였지만, 귀뼈 구조가 오늘날 고래와 같다. 그보다 조금 뒤의 암불로케투스는 짧고 튼튼한 다리로 물가를 걷고 헤엄친 '걷는 고래'였고, 이후 뒷다리가 작아진 바실로사우루스 같은 고래가 나타난다. 이 화석들의 발목뼈 모양은 고래가 하마, 소와 같은 우제류와 가깝다는 분자 증거와도 들어맞는다.

2몸 구조에 남은 흔적, 비교 해부학과 발생학

사람의 팔, 고양이의 앞다리, 박쥐의 날개, 고래의 가슴지느러미는 하는 일이 다르지만 위팔뼈 1개, 아래팔뼈 2개, 손목뼈, 손가락뼈라는 같은 뼈대로 되어 있다. 기원이 같아 구조가 같은 이런 기관을 상동 기관이라고 한다. 반대로 새의 날개와 곤충의 날개처럼 하는 일은 같지만 기원이 다른 기관은 상사 기관으로, 비슷한 환경에 적응한 결과이다. 또 사람의 꼬리뼈와 귀를 움직이는 근육, 고래와 비단뱀 몸속의 작은 뒷다리뼈 흔적처럼 기능이 거의 없어진 기관은 흔적 기관이라 하며, 조상에게는 쓸모 있던 구조가 남은 것이다.

척추동물의 배아는 발생 초기에 서로 닮았다. 사람, 닭, 물고기의 배아 모두 목 부분에 인두 주머니(아가미 틈과 관련된 구조)와 꼬리를 가진다. 그런데 물고기에서는 이 구조가 아가미가 되고, 사람에서는 턱, 귀, 목의 여러 구조로 바뀐다. 공통 조상에게서 물려받은 발생 과정이 남아 있기 때문이다.

3DNA와 단백질의 차이 세기

모든 생물은 DNA와 같은 유전 암호를 쓰고, 공통 조상에서 갈라진 지 오래될수록 돌연변이가 많이 쌓여 서열 차이가 커진다. 세포 호흡에 쓰이는 단백질 시토크롬 c(아미노산 약 104개)를 사람과 비교하면 차이 나는 아미노산 수는 침팬지 0개, 붉은털원숭이 1개, 말 12개, 닭 13개, 참치 21개, 효모 약 45개이다. 이 순서는 해부학으로 짐작한 친척 관계와 같다. 또 사람과 침팬지의 DNA 염기 서열은 단일 염기 치환으로 따지면 약 1.2% 다르다.

4어디에 어떤 생물이 사는가

다윈은 갈라파고스 제도의 핀치와 흉내지빠귀가 섬마다 조금씩 다르면서도, 환경이 비슷한 다른 대륙의 새가 아니라 가까운 남아메리카 대륙의 새를 닮았다는 데 주목했다. 대륙에서 건너온 조상이 섬마다 다른 환경에 적응하며 갈라졌다고 보면 설명된다. 오스트레일리아에 유대류가 많은 것도 대륙이 일찍 떨어져 나와 따로 진화했기 때문이다.

5진화를 지금 직접 관찰하기

리처드 렌스키 연구팀은 1988년 같은 조상에서 나온 대장균 집단 12개를 포도당이 적은 배지에서 키우기 시작했다(장기 진화 실험). 날마다 1%를 새 배지로 옮겨 하루에 약 6.6세대가 지나고, 500세대마다 일부를 얼려 두어 '살아 있는 화석 기록'을 만든다. 약 31,500세대쯤, 한 집단에서 산소가 있을 때 시트르산을 먹이로 쓰는 능력(대장균에서는 매우 드문 형질)이 나타났다. 그런데 얼려 둔 조상을 되살려 다시 키워 보니, 이 능력은 그보다 앞서 쌓인 다른 돌연변이가 있어야 나타날 수 있었다. 실험은 7만 세대를 넘어 지금도 이어지고 있다.

현장에서도 진화를 볼 수 있다. 피터 그랜트와 로즈메리 그랜트 부부는 1973년부터 갈라파고스의 대프니메이저섬에서 거의 모든 핀치의 부리를 재고 가계를 기록했다. 1977년 가뭄으로 작은 씨앗이 줄자 크고 단단한 씨앗을 깰 수 있는 부리 깊은 중간땅핀치가 더 많이 살아남았고, 다음 세대의 평균 부리 깊이가 커졌다. 몇십 년 동안의 관찰에서 부리 크기는 환경에 따라 커지기도 작아지기도 했다.

6방법 비교

판단한 가지 증거만으로는 진화를 확정하기 어렵다. 진화 이론이 믿을 만한 까닭은 화석, 해부, 발생, 분자, 분포, 실험이라는 서로 독립적인 방법이 같은 계통 관계를 가리키기 때문이다. 한편 '개체 발생은 계통 발생을 반복한다'는 헤켈의 주장과 그가 그린 배아 그림은 닮은 점을 과장한 것으로 밝혀졌으니, 발생학 증거는 '초기 배아가 일부 구조를 공유한다'는 정도로 이해해야 한다. 또 '화석에 빈틈이 있으니 진화는 틀렸다'는 주장은 화석이 드물게 만들어진다는 점과 다른 증거들을 무시한 것이다.