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1. 진화는 생명과학의 핵심주제이다.
생명의 특성은 다양성과 통일성이다. 화석과 생물들 사이에 발견되는 유사성에서부터 공통된 대사과정과 유전물질인 dna분자의 보편성에 이르기까지 다양한 여러 증거들이 생명의 공통된 특성을 가리키고 있다. 생명의 놀라운 다양성은 지금 여러분 주면에서도 펼쳐지고 있으며 동물원과 자연의 쇼, 그리고 자연사 박물관에서 기록되고 있다. 이러한 생명의 다양성과 통일성에 대한 과락적 설명은 지구의 생명체들을 가장 초기의 형태에서붜 오늘날 현존하는 다양한 생물들로 변화시켜 온 과정의 진화이다.
다윈의 진화이론: 생명이 역사는 화석에 기록되어 있는 것처럼 수십 억년 동안에 일어난 지구의 변화와 지구에 서식하고 있는 진화하는 수많은 생명들에 관한 이야기이다. 생명의 진화적 관점은 1859년 11월, 지금 까지 출판된 책들 중에서 가장 유명하고 가장 많은 논쟁을 불러일으켰던 "다윈의 자연선택에 의한 종의 기원에 관하여"가 출판되었을 때 극적인 조명을 받았다.
방금 여러분이 배운 진화라는 과학적 과정에 대해 다윈의 책은 어떻게 서술했을까? 젊은 시절의 다윈은 그의 생각에 지대한 영향을 미친 중요한 관찰을 하게 된다. 다윈은 5년 동안 세계를 항해하면서 외딴 갈라파고스군도에서부터 브라질 열대우림의 안데스산맥 꼭대기까지 매우 다양한 지역의 동식물들과 하석들을 모으고 기록했다. 다윈은 생물들이 그들이 살고 있는 다양한 서식처에 잘 맞는 다양한 적응형태를 하고 있다는 사실에 특히 충격을 받았다. 항해를 마치고 영국으로 돌아온 다윈은 그의 책을 펴내기 전, 그의 생각을 다듬기 위해서 관찰과 실험을 계속하고 다른 과락자들과 의견을 교환하면서 20년의 시간을 더 보냈다. 다윈의 "종의 기원"에서 제안한 중요한 두 가지 업적 중에 첫 번째는 오늘날 현존해 있는 생물 종들은 고대의 조상 생물 종으로부터 유래했다는 것이다. 다윈은 이러한 과정을 "변이의 유전"이라고 불렀는데, 이것은 생명의 통일성과 다양성에 대해 모두 설명할 수 있는 매우 통찰력 있는 문구이다. 세 종류의 새들은 모두 날개, 부리, 발, 깃털로 구성된 공통된 "새"의 체형을 가지고 있는데 이 구조들은 새들 각자의 독특한 생활방식에 매우 특화되어 있다. 다윈의 두 번째 업적은 진화의 기작을 제안한 것이다. 다윈은 두 가지 관찰에서 출발하여 두 가지 추론을 이끌어내서 자연선택이라는 진화의 기작을 제안하였다.
생명수: 각자 자신의 가계도를 가지고 있는 것처럼 오늘날 지구의 각 생물 종들도 각자의 가계의 역사를 지닌다. 생물 종들은 오래전 생명의 나뭇가지에서 뻗어 나온 조상 종들을 지나서 시간이 흐르면서 점점 더 멀리 뻗어나가는 하나의 작은 가지이다. 예를 들어, 화석기록은 약 3,000만 년 전에는 너귀판다, 너구리, 족제비가 공통조상을 가지고 있었다는 사실을 말해준다. 좀 더 시간을 뒤로 더 거슬러 올라가 보면 이들과 곰은 약 4,000만 년 전에 살았던 공통조상을 가지고 있다. 모든 포유류는 털이 있고 젖을 분비하는 젖샘이 있다. 만일 모든 포유류가 같은 조상으로부터 기원되었다면, 우리 모두에게서 그러한 비슷한 특성을 기대할 수 있을 것이다. 포유류의 공통조상은 약 2억 년 전에 등장했다는 것을 여러 증거들이 말해주고 있다. 너구리판다 가계도의 일부를 추적해 보면 진화적 유연관계를 나타내는 다이어그램은 일반적으로 자이언트판다, 너구리판다, 너구리는 각각 다른 과에 속한다. 너구리판다는 이제 너구리판다과에서 유일하게 생존한 생물 종이다. 자연선택에 의한 진화이론은 화석기록, 실험, 실제 작용 중인 자연선택에 대한 관찰들, 점점 증가하는 dna비교기록과 같은 여러 계통의 증거들에 의해 지지되고 있다. 진화는 우리가 생물학에 대해 알고 있으며 지금까지 배워온 모든 지식을 이해할 수 있게 해주는 핵심주제이다. 우리는 이 책 전체에서 진화과정과 진화결과와 연관된 많은 예들을 만나게 될 것이다. 생물학의 핵심 주제로써 진화를 강조하기 위해서 각 장마다 진화와 연관된 절을 포함하였다.
2. 진화는 매일의 일상생활과 연관되어 있다.
이제 생명체가 생존과 번식에 어 유리한 특성을 가지고 있을 때 그러한 적응적인 형질을 선택하는 과정인 자연선택이 진화의 주도니 기작이라는 것을 배웠다. 동식물을 선택적으로 번식시켜서 인간은 진화의 대리인이 될 수 있다. 농작물, 가축, 애완동물은 인위선택에 의해 그들의 야생조상들과 거의 닮지 않게 되었다. 수백만 년 동안 인간은 생물들을 선택적으로 번식시키면서 생물 종들을 변형시켜 왔다. 최근 생명과학자들은 우리 농작물들과 가까운 친척들이나 심지어 완전히 연관이 없는 생물 종들 주에서 더 나은 형질의 유전자를 확인하고 유전자 조작기술을 사용하여 개량된 농산물을 생산할 수 있다. 예를 들어, 가뭄에 잘 견디고 성장이 빠르고 영양이 증가된 형지르이 유전자를 벼에 도입하였다. 그러나 인간은 의도하지 않게 진화애 영양을 미칠 수 있다. 생물의 서식처가 사라지고 기후의 변화에 의해 생물 종이 사라지는 것을 볼 수 있다. 실제로 과학자들은 현재의 멸종속도가 화석기록에서 나타나는 전형적인 비율의 100~1,000배일 것으로 추정한다. 우리의 행동은 생물종들의 진화적 변화를 가속시키고 있다. 예를 들어, 항생제와 살충제의 광범위한 사용은 박테리아의 항생제 내성과 곤충의 살충제 저항성이 진화하는 결과를 가져왔다. 진화이론이 전 지구와 연관된 문제에 대해서 어떻게 도움을 줄 수 있을까? 진화론은 우리가 항생제나 살충제를 사용할 때 좀 더 현명하게 판단하도록 도와줄 수 있으며, 자연보존을 위한 계획을 세울 때에도 도움을 줄 수 있다. 또한 진화론은 독감 바이러스나 hiv의 빠른 진화를 밝혀내고 이에 대한 백신이나 약을 개발하는 데에도 도움을 줄 수 있다. 매우 연관성이 높은 생물에서 공유된 유전자를 확인하고 그러한 유전자들의 기능에 대한 연구는 암이나 다른 질명에 대한 새로운 지식을 알려주고 이를 통해서 새로운 의학적 치료를 끌어낼 수 있다. 진화에 대한 이해는 우리에게 이익이 되는 많은 결과들을 생산해 낼 수 있다.
3. 생명은 정보의 흐름에 의존한다.
생식, 성장, 발생, 내부조절, 환경에 대한 반응과 같은 생명의 과정은 모두 정보의 전달과 사용에 의존한다. dna에 저장된 유전정보는 생물 개채의 구조와 기능을 결정한다. 그러나 그러한 특성들은 자극과 정보, 그리고 개체의 유전정보와 다른 여러 종류의 정보들의 통합된 흐름은 생명에 필수적이다.
유전정보:dna는 한 세대에서 다음 세대로 전달되는 유전정보이며 세포의 모든 기능에 대한 총괄적인 지시를 제공한다. 정보를 지시하고 전달하는 능력을 dna구졸로 어떻게 설명할 수 있을까? 각 dna분자는 두 가닥의 긴 사슬이 이중나선 구조로 감겨 있다. 각 가닥들은 뉴클레오타이드라는 부르는 4종류의 화학구조물로 이루어져 있다. 세포는 분열하기 전에 dna를 복제한다. 두 가닥의 dna가 풀린 뒤 분리된 각각의 가닥에 상보적인 새로운 가닥을 조립하여 만든 두 세트의 dna 정보는 같다. 따라서 각각의 새로운 세포는 부모세포의 dna완전한 세트를 갖는다. 부모로부터 물려받은 dna를 가지고 있는 하나의 세포에서 시작하였다. 세포는 분열할 때마다 복제해서 궁극적으로 몸 전체를 구성하고 있는 수십 조 개의 세포들로 복제본을 전달한다. dna가 세포의 정보를 지시하는 방식은 알파벳 글자를 특정한 의미를 지닌 정확한 순서로 배열하는 방식과 비슷하다. 예를 들어 rat이라는 단어는 설치류의 이미지를 상기시킨다. tar과 art는 같은 글자를 포함하고 있지만 매우 다른 사물을 의미한다. 우리는 이러한 네 가지의 뉴클레오타이드를 우전의 알파벳으로 생각할 수 있다. 전형적으로는 수백 개 또는 수천 개의 글자로 이루어진, 4종류의 화락글자의 특정한 서열은 유전자라고 부르는 유전의 단위로 정확한 유전정보를 지시한다. 대부분의 유전자에서 뉴클레오타이드 서열은 하나의 단백질을 만드는 청사진을 제고하고 단백질들은 세포를 만들고 유지하고 세포의 활동들을 수행하는 주전선수들이다. 유전자에 포함되어 있는 지시사항에 의한 단백질을 만드는 과정은 정보의 연속적인 흐름을 포함한다. 유전정보는 먼저 중간의 분자인 rna로 전사되고 세포에 있는 단백질 공장으로 정보를 운반한다. 그곳에서 뉴클레오타이드 서열은 단백질을 구성하고 있는 구조물인 아미노산 사슬로 번역된다. 일단 완성되면, 사슬은 독특한 형태와 기능을 가진 특정한 단백질을 형성한다. 이러한 과정을 유전자 발현이라고 한다. 모든 다양한 생물은 dna에 저장되머 있는 정보를 단백질로 해독하기 위해 반드시 유전암호라는 공통된 화학언어를 사용한다. 이 공통된 언어는 모든 살아 있는 생물이 연관되어 있다는 강력한 증거 중 하나이다. 이러한 보편적인 유전암호는 일 부 생물에서만 정상적으로 발견되는 단백질을 특정세포에서 생산할 수 있도록 하는 유전공학적 조작을 가능하게 한다. 따라서 당뇨병 치료에 사용하는 사람 인슐린의 유전자를 박테리아 세포에 넣어서 생산할 수 있다.