세균의 편모 : 고도로 복잡한 초미세 구조가 우연히?

세균의 편모 : 고도로 복잡한 초미세 구조가 우연히? (Evolution of the Flagellum : And the Climbing of ‘Mt. Improbable’)

Sean D. Pitman, M.D.

설계된 모습

대부분의 현대 과학자들은 다양한 몸체, 장기, 기능들을 가지고 있는 모든 생물체들이 무작위적인 돌연변이(random mutation)와 자연선택(natural selection) 과정을 통하여 한 공통 조상(common ancestor)이 되는 생물체로부터 수억 수천만 년에 걸쳐서 진화했다고 생각하고 있다. 다른 지역의 생물들이 시간에 따라 변화되어지는 것에 대한(예를 들면, 서로 다른 지역에 사는 핀치새들 간의 차이) 다윈의 관찰과 기록은 이 개념을 대중화시키는 것을 도왔다. 그때 이후, 실제 변화되어지는 오늘날의 많은 예들 (사실 이것들은 한 종류 내에서 이루어지는 품종변화)과 함께, 지질주상도와 화석기록에 대한 해석은 진화론을 ‘하나의 이론 이상(more than a theory)’의 것으로 보이도록 하였다.

그러나 아직도, 그러한 무작위적인 과정이 어떤 복잡한 구조들을 만들 수 있는지에 관한 의문을 가지는 몇몇 사람들이 있다. 무작위적 돌연변이와 자연선택이 정말로 모든 생물체들의 놀라운 복잡성과 다양성을 만들 수 있었을까? 많은 사람들에게 자연 세계와 우주, 특히 살아있는 생물체들을 자세히 살펴볼 때 그 경이로움은 너무도 경탄스러워서, 그것들은 마치 매우 뛰어난, 마치 신과 같은 지성에 의해서 신중하게 제 위치에 존재하는 것처럼 나타나 보인다는 것이다. 편모모양 부품조립의 여러 단계를 연구하고 있는 한 연구팀의 프로그램 책임자인 케이키 남바(Keiichi Namba)의 관찰을 숙고해 보라 :

'그들 커다란 분자들의 막대한 수들이 마치 의도적으로 설계된 기계(purposefully designed machines)처럼 각각의 역할을 수행한다. 그리고 그 복잡한 네트워크 활동을 유지한다.” [12]

진화론자들의 주장은, 비록 웅대한 우주와 모든 살아있는 생명체들이 '설계된 모습(appearance of design)”을 가지고 있지만, 의도적인 통찰력이나 계획 등이 생명체들의 창조를 가리킨다고는 볼 수 없다'는 것이다.

진화론적 메커니즘

그러면 진화론적 메커니즘은 무엇인가? 아무런 생각이 없는, 그리고 어떤 목표도 없고, 목적도 없는, 지시되지 않은, 무작위적인 과정이 우리 주변의 모든 놀라운 경이로운 것들과 우리 자신을 정말로 만들 수 있었을까? 진화론은 오늘날 생물체들에서 보여지는 환상적으로 다양한 형태와 기능들은 오랜 세월에 걸친 작은 차이들과 변화들의 ‘작은 발걸음(baby steps)’들로 이루어진 것이라고 우리에게 말하고 있다. 분명히 작은 변화들이 오랜 세월에 걸쳐서 긍정적인 것으로 선택되어질 수 있었다면, 오늘날 우리 주변에 보이는 다양성과 기능적 복잡성은 마지막 결과를 가져올 때까지 점점 더 큰 변화를 축적시켰을 것이다.

유명한 영국 옥스퍼드 대학의 진화론자인 리처드 도킨스(Richard Dawkins)는 이 과정을 '불가능한 산 오르기(Climbing Mt. Improbable)”라고 설명했다. 그의 책에서 도킨스는, 맹목적인 우연함으로 오늘날 존재하는 복잡한 산을 오르는 것이 불가능할 것처럼 보이지만, 진화는 실제로는 순전히 무작위적인 우연한 과정이 아니라는 것이다. 진화는 무작위인 우연을 통해서, 좋을 수도 있고, 나쁠 수도 있으며, 중립적일 수 있는 작은 변화의 발걸음들을 만들어낸다는 것이다. 자연은 ‘적자생존(survival of the fittest)’이라고 알려진 한 과정을 통해서, 긍정적인 변화를 일으킨 개체를 선택하고, 부정적인 변화를 일으킨 개체를 제거한다는 것이다. 그래서 다음 세대에서는 유익한 변화를 일으킨 생물체들의 개체 집단이 더 많아지게 된다는 것이다. 이러한 방법으로, 유익한 변화들은 세대를 지나가면서 계속 축적되어서, 거대한 복잡성의 산도 작은 한 걸음 한 걸음으로 정복해질 수 있다는 것이다.

 

중립적 간격

이러한 말은 하나의 문제만을 제외하고는 그럴듯해 보이고, 어느 정도 설득력이 있는 것처럼 보인다. 자연이 어떤 변화를 긍정적으로 선택하기 위해서는, 그 변화는 이전보다 개선된 기능(function)을 나타내는 변화이어야 한다. 그러나 증명되고 있는 것처럼, 많은 돌연변이적 변화(한 생물체가 어떠한 모습으로 형성되어질지를 결정하는 DNA 유전암호에서의 변화)들은 생물체의 기능에는 어떠한 영향도 미치지 못한다. 그러한 변화들, 또는 돌연변이들은 기능적 선택성 면에서 '중립적(neutral)”이라고 불린다. 최근에 키무라(Motoo Kimura)는 '중립진화론(Neutral Theory of Evolution)”을 제안하기도 하였다.

하나의 중립적 차이는 같은 기능의 암호가 다른 방법으로 ‘철자화(spelling)’ 되어진 것과 같다. 이 다른 철자는 같은/동일한/동등한(세 단어를 사용했지만 같은 의미를 나타내는 것처럼) 결과를 만들어 낸다. 또는 중립적 차이는 동일하게 의미 없는 배열(동읽칸/돗일잔 사이의 차이처럼) 사이에 존재할 수 있다. 이 둘은 모두 어떤 상황에서 말해질 때, 동일하게 의미가 없다. 그러므로 어떤 주어진 환경에서 서로를 비교하여, 더 의미 있거나 더 유익한 '적합성(fitness)”을 가지지 않는다. 따라서 명백히 그들 사이에서의 선택은 동일하고/중립적이다 (즉 완전히 무작위적이다).

그러면 왜 이것이 진화에 있어서 하나의 문제점이 되는가? 자, 매우 낮은 수준의 기능적 복잡성(매우 짧은 유전 암호 배열순서를 가지는 기능)에서, 유익한 배열의 비율은 무익한 배열에 비해 꽤 높을 것이다. 따라서 하나의 유익한 배열과 다음 가까운 유익한 배열 사이에 중립적 차이들의 수는 비교적 소수이다.

예를 들어 cat - hat - bat - bad - big - dig - dog 라는 배열을 생각해 보자. 여기서 하나의 철자들의 변화가 의미가 있고 유익하다면, 고양이(cat)가 개(dog)로 진화한 것이 된다. 영어 철자 시스템에서 3개의 문자로 된 단어의 변화를 얻는 것은 쉽다. 왜냐하면, 3개로 된 문자(염기배열)에서 의미 있는 단어와 의미 없는 단어 사이의 비율은 단지 1/18 정도 되기 때문이다. 그러나 이 비율은 최소 염기배열의 길이가 증가함에 따라 극적으로(기하급수적으로) 감소한다. 예를 들어, 7개 문자로 된 염기배열에서 그 비율은 1/250,000 으로 줄어든다. 그리고 특별한 배열의 유익한 성질이 특별한 환경/상황에 관련이 있을 것인지는 고려조차 되지 않았다. 의미 있는 7개 문자 배열은 의미없는/무익한 배열이라는 커다란 구멍들 주변에 도로들을 가지고 상호 연결되어있는 가느다란 거미줄 같다.

그러나 그 비율의 기하급수적 감소는 명백하며, 그 의미는 분명해진다. 점점 더 복잡한 기능들로 갈수록, 그들을 위한 암호는 점점 더 많은 염기배열 순서를 요구하고, 의미 있는 배열과 의미 없는 배열 사이의 비율은 점점 더 작아져서, 유익한 배열 순서는 여러 독립되어진 섬들의 그룹처럼 섬들을 연결하는 수십 개의 다리들과 도로망들을 필요로 한다. 낮은 기능적 복잡성을 갖는 수준에서도, 이러한 과정은 다른 섬들로부터 유익한 배열의 작은 섬들을 고립시킨다. 시간에 따른 완전히 무작위적인 과정으로 무익한 배열의 간격을 뛰어넘는 것 외에 이들 작은 고립된 섬에 도착하는 방법은 전혀 없다.

기능적 복잡성의 사다리를 올라가면 갈수록, 이 간격은 기하급수적으로 점점 넓어지고 커져서, 수조 년의 시간이 있다하더라도 건널 수 없게 되는 것이다. 그러한 간격을 뛰어 넘을 때까지 자연선택은 아무런 일도 할 수 없다. 자연선택의 관여 없이, 이 간격을 건너는 것은 엄청난 양의 시간을 요구할 것이다. 왜냐하면 극히 드문 유익한 배열이 발견되기 전까지 쓸모없는 쓰레기 배열들은 무작위적으로 선별되어져야 하기 때문이다.

이러한 고도로 복잡한 구조들이 부글거리던 원시 스프에서 우연히 생겨날 수 있었을까? 이들은 원시적인 구조인가? 그리고 어떻게 이들 구조가 무작위적인 자연적인 과정을 통해서 유전물질 내에 암호화 될 수 있었으며, 어떻게 다음 세대로 전달될 수 있었단 말인가?

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출처 : Revolution against Evolution, 2006. 5.
URL : http://naturalselection.0catch.com/Files/Flagellum.html
번역자 : IT 사역위원회