과학관 전시주제 심층해설

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구분
과학관 전시주제 심층해설
주제
국립과천과학관 전시주제 심층해설
참여전문위원
이영일
장소
국립과천과학관
작성일
2016-08-14
내용

 

전시주제해설 강의 교안

. 유전자와 변이

DNA의 가장 중요한 점은 부모와 자식 간의 세대를 이어준다는 것입니다. 생명체가 진화를 거듭하여 유전물질이 오늘날 내 몸으로 전달되었고, 지구상에 생명체가 사라지지 않는 한 계속 전달될 것입니다. 지구상의 모든 생명체들이 DNA를 유전물질로 받아들인 공통조상으로부터 나왔다는 것은 DNA 속의 유전암호를 풀어가는 방법이 기본적으로 동일하다는 것에서 알 수 있습니다. 유전암호는 세 개의 염기서열이 하나의 아미노산을 암호화 하고 있는데 이 때 사용하는 암호는 세균과 사람에서 모두 같습니다.

DNA의 또 다른 놀라운 능력은 한 개의 세포로 이루어진 수정란이 세포분열을 통해 세포의 수가 증가하며, 처음에는 다양한 세포로 될 수 있는 운명을 가진 세포들이 유전자의 작용을 통해 결정 및 분화 과정을 거쳐 구조와 기능이 다른 세포들로 변하게 되는 것에서 찾을 수 있습니다. 이러한 분화된 세포들이 조직을 이루고 기관 및 기관계를 형성하여 하나의 완전한 기능을 하는 생명체를 형성하게 됩니다. 이러한 과정은 오로지 배아 자체에 있는 유전정보를 이용하여 발생을 한 결과로, 이러한 유전자에 의한 발생 과정은 모든 동물에서 관찰되며, 식물이나 세균에서도 생식과 발생 과정이 유전자의 작용을 통해서 일어나게 됩니다.

DNA가 진화적으로 매우 중요한 또 다른 이유는 변이의 원천을 제공해 준다는 것입니다. DNA의 염기서열이 바뀌거나 염색체의 구조나 수가 변함으로 인해 새로운 변이가 만들어지고 이러한 변이들이 환경의 변화에 따른 자연선택을 통해 살아남거나 죽는 과정이 일어나게 됩다. 그 과정이 오랜 시간 동안 반복되면, 유전자 풀이 변하고 기존 그룹과는 생식이 불가능한 새로운 종으로의 분화가 일어나게 됩니다.

 

1. DNA는 무엇이며 구조와 기능을 알아보겠습니다..

 

중점 해설 포인트

생물의 유전물질인 DNA는 부모와 자손 세대를 이어주고, 변이의 원천을 제공하는 등 진화의 핵심물질입니다. 세포의 DNA는 간기에 복제되고, 분열기에 염색체 형태로 세포분열을 하여, 딸세포에 똑같이 나뉘어 전달됩니다. 각 시기마다 세포 안의 핵에 DNA가 어떤 모습으로 들어있고, 어떤 일을 할까요? 세포부터 염색체, 뉴클레오솜, DNA 이중나선, 뉴클레오티드까지 점차 확대되는 모형과 영상, 그리고 실제 DNA를 통해 생물의 유전정보를 간직하고 있는 DNA의 구조와 기능을 살펴봅시다.

 

상세한 핵심개념

원핵세포에는 핵이 없으며, DNA가 히스톤과 결합하여 존재하지 않고 특정 지역에 박혀 있는 형태로 존재하고 있는 반면에 진핵세포에서는 DNA가 히스톤과 결합하여 염색체의 형태로 핵 속에 존재하고 있습니다. 염색체의 가장 기본 단위는 뉴클레오솜으로 히스톤 8분자가 모여 옥타머를 형성하고, DNA가 그 주변을 감싼 형태로 존재합니다. DNA 이중나선의 직경은 2nm이지만 뉴클레오솜 주변에 감기면서 응축을 시작하면 직경이 11nm 30nm 300nm 700nm 1,400nm (세포분열 중기)가 됩니다. 핵 속의 좁은 공간에서 존재하기 위해 DNA는 히스톤과 복합체를 형성하여 응축된 상태로 있어야 합니다. 세포분열이 일어나면 점점 더 응축된 형태가 되어 체세포분열 중기에 가장 응축된 형태로 존재합니다. 세포분열이 끝나고 간기로 들어가면 응축된 염색체가 일정 부분 풀린 염색질 형태로 존재하게 됩니다.

 

-간기: DNA가 단백질과 결합하여 실모양의 염색사 형성

-분열기-전기: 염색체 형성 시작

-분열기-중기: 염색체가 중앙에 배열

-분열기-후기: 염색체가 양쪽 극으로 이동

-분열기-말기: 두 개의 세포로 나누어짐

 

왓슨과 크릭은 1953년에 DNA가 이중나선 구조로 되어있다는 것을 규명하여 1962년에 노벨상을 받았습니다. DNA를 구성하는 기본 단위는 뉴클레오타이드이며, A, T, G, C4 종류가 있습니다. GC와 삼중수소결합을 하며, AT는 이중수소결합을 합니다. 이 때 G는 반드시 C, A는 반드시 T와 결합합니다. 이러한 상보적인 결합은 GC는 거의 같은 농도로 존재하며, AT도 거의 같은 농도로 존재한다는 샤가프의 염기조성 비율 연구로부터 밝혀졌습니다. DNA가 한 바퀴 돈 길이는 3.4nm가 되며, 바퀴 당 10개의 뉴클레오타이드가 있기 때문에 뉴클레오타이드 간 간격은 0.34nm 떨어져 있습니다. 직경은 2.0nm이며, 2개의 나선은 반대 방향으로 달립니다. , 한 가닥은 5‘3’으로, 다른 한 가닥은 반대 방향 위치에서 5‘3’으로 달리게 됩니다.

DNA는 복제를 통해 자신의 DNA를 자손에게 물려줄 수 있기 때문에 복제 기작에 대한 이해는 매우 중요합니다. 왓슨과 크릭은 이중나선 구조를 만들었을 당시에 이미 이 구조로부터 DNA가 복제되는 기작을 예측할 수 있었고, 메셀슨과 스탈은 질소 동위원소를 이용하여 DNA가 반복적으로 합성된다는 것을 보여주었습니다. , 부모 DNA 한 가닥을 주형으로 하여 새로운 가닥이 합성된다는 것입니다. 진핵세포의 DNA는 선형 DNA로 복제가 하나의 복제 원점에서 진행되는 것이 아니라 여러 지점에서 동시에 시작되어 양 방향으로 진행되며, 반드시 5’에서 3‘쪽으로 합성됩니다. 방향성의 문제 때문에 한 쪽은 연속적으로, 다른 한 쪽은 불연속으로 합성됩니다. 불연속으로 합성되는 곳에서는 짧은 DNA 가닥 즉, 오카자키절편이 만들어진 후 연결되게 됩니다. DNA 복제 과정에는 다양한 효소가 관여합니다. 먼저 DNA 이중나선이 헬리케이즈(Helicase)에 의해서 풀리며 단일 가닥이 되면 단일가닥결합 단백질(ssDNA binding protein)이 붙어 안정화시킨다. 이 때 DNA가 풀어지면 반대쪽에서는 나선이 꼬이게 되는데 DNA topoisomerase가 이를 풀어줍니다. DNA 중합효소에 의한 DNA 합성은 데옥시리보오즈의 3’-OH가 자유스럽게 존재해야 새로운 뉴클레오타이드를 붙일 수 있습니다. 이것은 primerase에 의해 합성된 프라이머가 제공해 줍니다. 프라이머는 RNADNA 중합효소에 의해 제거되고 DNA 뉴클레오타이드로 채워집니다. 오카자키 절편끼리는 연결효소(DNA ligase)에 의해서 이어집니다. DNA 복제가 끝나게 되면 5‘쪽이 짧아지는 현상이 발생하는데 이것이 방치되면 DNA가 복제과정에서 지속적으로 DNA 끝이 짧아져 유전자 작용에 이상이 오게 되므로 이러한 문제는 텔로머레이즈(telomerase)가 텔로미어(telomere)를 합성하여 해결합니다.

DNA상의 유전정보는 RNA 중합효소의 작용을 통해 RNA로 전달되며, 리보솜에 의해 단백질이 만들어지는데 이를 중심원리(central dogma)라고 합니다. DNARNA의 기본 단위 혹은 언어는 뉴클레오타이드이며, 단백질의 기본 단위 혹은 언어는 아미노산입니다. 따라서 다른 언어를 이해하기 위해서는 번역이 필요하게 되는데, 이 때 유전자 내의 세 개의 염기서열이 하나의 아미노산에 대한 암호로 작용합니다.

 

2. 작은 유전변이차이로 나타나는 큰 변화

중점 해설 포인트

DNA에 담긴 생명 정보가 생명 활동에 이용되기 위해서는 복제, 전사, 번역 등의 특별한 과정을 거쳐야 합니다. 그런데 이 과정 중에 변이가 생기면 어떻게 될까요? 사람의 헤모글로빈을 예로 들어 DNA에 돌연변이가 생기면 어떤 일이 일어나는지 함께 알아봅시다.

 

상세한 핵심개념

적혈구는 가운데가 오목한 원반모양이고, 직경이 약 7~8정도이며 산소 운반을 위한 헤모글로빈을 포함하고 있는 혈액세포입니다. 보통 100~120일 동안 온 몸을 순환하면서 산소를 운반하는 역할을 합니다. 일반적으로 하나의 적혈구 안에 300만 개 정도 들어있는 헤모글로빈은 4개의 철 원자(Fe)를 가지고 있으며, 여기에 산소 분자가 결합한 형태로 혈관을 따라 이동하면서 사람의 온 몸에 산소를 운반합니다. 산소가 풍부한 곳에서는 산소와 결합하고, 산소가 부족한 곳에서는 산소를 떼어내는 특성을 가지고 있어서 폐에서 공급받은 산소를 신체 말단부위에 전달할 수 있습니다.

그런데 헤모글로빈을 구성하는 유전자의 염기서열 중 하나의 염기에 변이가 생기면, 이를 통해 만들어지는 아미노산 서열에도 변이가 생겨서 정상과 다른 형태의 겸형적혈구가 만들어지게 됩니다. 겸형적혈구는 찌그러진 낫모양을 하고 있어서 산소와 결합해있지 않을 때 적혈구끼리 엉겨 붙어 혈액순환을 방해하며, 적혈구가 쉽게 파괴되기도 하여 심각한 빈혈이나 모세혈관 괴사 등을 일으킵니다.

1957년에 인그람(Ingram, V. M., 1924~2006)은 겸형적혈구 빈혈증에 대해 연구하던 중 헤모글로빈을 구성하는 두 사슬 가운데 β사슬의 6번째 아미노산인 글루탐산이 발린으로 바뀐 사실을 알아냈습니다. 이를 통해 인그람은 유전자에 돌연변이가 생기면 폴리펩타이드를 구성하는 아미노산 서열에 변화가 생기고, 폴리펩타이드의 아미노산 서열을 결정하는 것은 유전자라는 것을 알아냈습니다. 결과적으로 유전자는 폴리펩타이드를 합성하고, 합성된 폴리펩타이드가 생물체의 다양한 구조와 기능을 수행하게 함으로써 형질이 표현되는 것입니다.

유전자의 이상은 염기서열에 변화를 가져오는 것으로 염기의 치환, 결실, 삽입, 중복, 불균등교차 등 다양한 형태로 나타날 수 있다. 염색체 수준에서 살펴보면 염색체의 결실, 삽입, 역위, 전좌 등 염색체 구조의 이상과 염색체의 수의 이상을 들 수 있다.

 

3. 피부색소 돌연변이유전자

중점 해설 포인트

제브라피쉬(학명: Danio rerio)의 줄무늬는 피부 멜라닌 색소 유전자와 관계됩니다. 사람도 이와 유사한 유전자를 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다. 만약 이 유전자의 발현 과정에 변이가 생기면 어떻게 될까요?

 

상세한 핵심개념

제브라피쉬는 몸에 얼룩 줄무늬가 있어서 붙여진 이름입니다. 제브라피쉬는 피부의 멜라닌 세포에 관여하는 유전자를 가지고 있어서 이 유전자의 발현을 통해 줄무늬가 나타나게 됩니다. 하지만 그 유전자의 발현 과정에 변이가 생기면 줄무늬는 옅어지거나 사라지기도 합니다. 이러한 변이는 멜라닌 색소 세포 유전자에 생기기도 하고, 유전자의 발현 과정에 관여하는 효소 유전자에 나타나기도 합니다. 타이로시네이스(tyrosinase)멜라닌 색소 세포 유전자의 발현에 관여하는 효소로, 제브라피쉬와 쥐, 사람의 타이로시네이스는 서로 유사한 아미노산 서열로 이루어져 있습니다. 즉 제브라피쉬와 사람의 유전자 사이에 종간 유사성이 나타나며, 이러한 변이 역시 사람에게도 나타날 수 있습니다. 최근 제브라피쉬의 연구에서 발견된 golden 돌연변이는 색소 발현에 변화를 가져온 돌연변이로, 현생 인류 중 백인종의 약 1/3이 이러한 유전자 돌연변이를 가지고 있음이 밝혀졌습니다. 이를 통해 과학자들은 이 유전자의 변이로 인해 유럽인들의 조상이 밝은 색의 피부를 갖게 되었다는 것을 알아냈습니다.

 

배경

돌연변이는 변이를 증가시키는 매우 중요한 요인입니다. 집단 내에 변이가 증가하고 생식적 격리가 일어나며 환경에 의해 이러한 변이들이 선택이 된다면 종분화의 과정으로 이어질 수도 있습니다. 따라서 돌연변이가 바로 진화의 원인이라고 보기 보다는 변이를 증가시킴으로서 선택을 받을 수 있는 기초를 제공하는 측면에서 볼 때 필수조건이라고 할 수 있습니다.

그렇다면 사람을 기준으로 볼 때 돌연변이는 어떤 속도로 일어나고 있을까요? 반수체 인간 유전체는 3.2 x 109bp로 되어 있으며, 돌연변이율은 세대 당 4.8 x 10-8/bp로 일어나는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 접합자들은 약 300개의 새로운 돌연변이를 가지게 될 것입니다. 사람 유전체의 약 2.5%만이 기능적인 단백질을 암호화하고 있다고 생각하면, 새로운 돌연변이들 중 약 7개의 유전자로부터 표현형적 특징이 나타날 것으로 생각됩니다. 만약 대한민국 인구인 5천만 명을 고려하면 상당수의 유전자에서 돌연변이적인 특징을 보여줄 수 있으며 전 인류를 고려하면 엄청난 숫자로 증가합니다. 또한 수많은 세대를 고려하면 이러한 돌연변이의 축적은 큰 숫자로 늘어날 것입니다. 보통 돌연변이는 해로운 효과가 있기 때문에 동형접자들은 죽게 될 것입니. 사람과 침팬지는 약 700만 년 전에 분기되었는데 이 시점으로부터 각각 약 1%의 유전체 변화가 예상되므로 두 동물 사이에는 약 2%의 유전체 차이를 예상할 수 있습니다. 하지만 실제 두 동물은 유전체의 98.6%가 같기 때문에 일부 돌연변이는 발생에 이상을 주어 선택되지 못한 것으로 추측할 수 있습니다.

 

4. 초파리 w유전자의 다양한 돌연변이

중점 해설 포인트

빨간 눈을 가지고 우리 주변에서 함께 살아가고 있는 초파리는 사람보다 적은 수의 유전자를 가지고 있으면서도 돌연변이의 종류는 다양해서 생물 연구에 많이 이용되는 생물입니다. 대립유전자의 변이로 인해 다양한 눈 색깔을 가지게 된 초파리를 만나볼까요?

 

상세한 핵심개념

초파리는 모건(Tomas Morgan)에 의하여 실험재료로 처음 도입되어 유전학 연구의 재료로 이용되면서 유전학의 발전에 많은 기여를 하였습니다. 또한 축적된 유전학적인 기술을 이용하여 발생에 관여하는 유전자를 대규모로 발견하면서부터 발생의 기작을 연구하는데도 많은 공헌을 하였습니다. 전통적으로 초파리 유전자의 이름은 그 유전자가 돌연변이가 되었을 때의 형질을 바탕으로 정해지게 됩니다. white 유전자도 이와 마찬가지로 돌연변이가 되었을 때 눈이 하얗게 되기 때문에 ‘white(w)’ 라는 이름을 갖게 되었습니다.

w 유전자는 초파리 눈의 색소를 만드는 과정에 관여합니다. 따라서 정상적인 white 유전자를 가지고 있는 야생형은 빨간 눈을 가지고 있고, 이러한 기능에 문제가 생긴 돌연변이들은 다른 눈 색을 가지고 있습니다. 처음 발견되었던 w 유전자 돌연변이는 색소를 만드는 기능에 손실이 생겨 하얀색 눈을 가진 초파리였습니다.

대립유전자는 보통 염색체의 같은 위치에 존재하지만 형태에 여러 가지 변형이 일어나면서 차이가 발생한 유전자들을 총칭하는 것으로 이해할 수 있습니다. 대립유전자들은 어떻게 변형되는가에 따라서 유전자의 기능도 다르게 변화합니다.

초파리에서 대립유전자의 표현은 보통 위 첨자를 활용합니다. 예를 들어, w 유전자의 대립유전자인 wa, wbf, wcf 등은 모두 w 유전자의 돌연변이 형태이지만 w 유전자의 염기서열 상에서 변화가 일어난 지역이 모두 다르게 나타납니다. 이러한 첨자는 변화가 발견된 순서 또는 표현형 상의 특징에 따라서 이름이 지어집니다. 지금까지 알려진 w 유전자의 대립유전자로는 약 1000여 가지가 존재합니다. 전시된 것은 총 5종의 초파리로, 정상인 야생형(WT), w1, wa, wbf, wcf 돌연변이 초파리입니다. w1 돌연변이는 transposable element의 삽입으로 인해 자연적으로 발생한 기능상실돌연변이로, 흰 눈의 표현형을 가집니다. wa 돌연변이 또한 trasnposable element의 삽입으로 인해 자연적으로 발생한 돌연변이로, 이름의 aapricot의 약자입니다. 표현형은 주황색 눈을 나타냅니다. wbf 돌연변이는 trasnposable element의 삽입과 x-ray 조사로 5‘UTR 지역에 변이가 생긴 돌연변이로, bfbuff의 약자입니다. 이 돌연변이는 연한 주황색 눈을 가집니다. wcf 돌연변이는 x-ray 조사로 인해 49번째 류신이 아르기닌으로 변화하고 589번째 글라이신이 글루탐산으로 변화한 점 돌연변이로, cfcoffee의 약자입니다. 이 돌연변이는 연한 갈색의 눈을 표현형으로 가집니다.

 

배경

1928년 뮬러는 초파리에 X-ray를 조사하여 대규모로 돌연변이를 유발함으로써 X-ray의 위험성을 알려주었으며, 동시에 돌연변이를 만들어내는 방법을 제공해 주었습니다. 돌연변이는 X-ray 뿐만 아니라 많은 화학물질, 방사성 동위원소, 자외선 등의 돌연변이 유발물질들에 의해 생길 수도 있습니다. X-ray는 염색체 수준에서의 비교적 큰 범위에서 돌연변이를 유발하며, 일부 화학물질들은 염기의 치환 정도의 범위에서 돌연변이를 유발하기도 합니다.

 

5. 유전자에 담긴 공통조상의 증거

중점 해설 포인트

쥐는 사람과 같이 등쪽에 척추를 가지고 있는 대표적인 척추동물 포유류입이고, 뱀은 척추동물 파충류입니다. 쥐와 뱀은 겉모습은 매우 다르게 진화했지만, 몸의 체형을 결정하는 데 관여하는 같은 유전자를 가지고 있습니다. 어떻게 알 수 있었을까요?

 

상세한 핵심개념

발생에 관여하는 유전자 중에는 마스터 조절 유전자가 있으며, 이들은 다른 유전자 발현을 조절하여 몸의 각 부위의 정체성 즉, 구조를 결정하는데 핵심적인 역할을 합니다. 이러한 종류의 유전자에 돌연변이가 생기면 그 영향력은 매우 크게 나타납니다. 과학자들은 공통조상으로부터 유래한 혹스(Hox) 유전자가 대부분의 동물에서 거의 동일하게 보존되어 있다는 것을 밝혀냈습니다. 혹스 유전자는 발생 조절의 핵심 유전자로, 동물의 신체 패턴을 결정합니다. 혹스 유전자는 초파리에서 처음 발견된 이후 사람을 포함하는 포유동물에서도 발견되었습니다. 초파리는 14개의 체절을 가지므로 혹스 유전자는 한 개의 유전자가 아니라 여러 개의 유전자로 이루어진 유전자 집단을 이루고 있습니다. 초파리의 혹스 유전자는 하나의 염색체 위에 나란히 배열되어 있으며, 이러한 배열 순서는 포유류에서도 그대로 보존되어 있습니다.

쥐의 혹스 유전자 중에서도 혹스6 유전자는 흉부에서 갈비뼈를 생성하게 하고, 혹스10 유전자는 복부에서 갈비뼈 생성을 억제합니다. 혹스6 유전자를 복부에서 발현하게 하면 어떻게 될까요? 쥐와는 달리 뱀의 혹스6 유전자는 쥐에 비해 몸통의 훨씬 넓은 영역에 걸쳐 발현되어 거의 몸 전체에서 갈비뼈가 발생되도록 합니다. 그러나 두 동물에서 모두 혹스6 유전자는 갈비뼈 생성을 촉진하는 같은 기능을 나타냅니다. 이러한 혹스 유전자는 무척추동물인 초파리에서도 공통적으로 나타납니다. 초파리의 혹스 유전자 중에서도 몸의 가슴 앞쪽 체절에 관여하는 유전자는 안테나다리 유전자(Antp)입니다. 초파리의 다리는 원래 가슴체절에서 발생하여 양쪽으로 나타나지만, 안테나다리 유전자에 돌연변이가 생기면 초파리의 안테나 부위에 다리가 형성되는 것을 관찰할 수 있습니다.

6. DNA와 진화

중점 해설 포인트

생물의 DNA 염기서열을 비교분석하면 어떤 동물이 다른 동물과 더 가깝거나 먼 관계에 있는지를 밝혀낼 수 있습니다. 염기서열이 비슷할수록 진화적으로 가까운 관계에 있다고 할 수 있습니다.

 

상세한 핵심개념

다양한 동물들을 어떻게 분류할 수 있을까요? 생김새로 구별할 수도 있고, 울음소리나 사는 곳으로 구별할 수도 있을 것입니다. 과거에는 주로 형태적인 특징을 이용하여 생물의 유연관계를 파악하였습니다. 현대에 이르러서는 발달된 분자생물학적 기법을 이용하여 동물들의 DNA를 비교분석하여 분류하고 있습니다.

DNA 염기 서열을 알아보기 위해서는 몇 가지 단계가 필요합니다. 먼저 세포 안에 있는 DNA를 추출해야 합니다. 생물의 생체시료를 마이크로튜브 속에 묻혀 준 후 시약을 담은 마이크로튜브를 원심분리기에 넣고 돌려줍니다. 이때 원심분리기의 무게 균형을 맞춰주는 것이 중요합니다. 시약처리 후 차가운 100% 에탄올을 첨가하면 DNA가 추출됩니다. 추출한 DNA는 미량이므로, 증폭하여 염기서열을 분석에 이용합니다. 이를 PCR이라고 합니다. PCR 기기 속에 추출한 DNA에 시료가 담긴 튜브를 넣고 PCR을 진행합니다. PCRDNA의 변성, 프라이머 결합, DNA 합성의 세 단계로 진행이 됩니다. 합성된 DNA 조각을 DNA 염기서열 분석 기계에 넣고 작동을 시켜 주면 DNA 염기서열을 알 수 있습니다. 어떤 원리로 DNA 염기서열을 분석할 수 있는 것일까요? 대표적으로 생어의 다이데옥시법이 있습니다. 마이크로튜브에 dNTP와 형광 표지된 ddNTP를 넣어준 후 DNA 복제를 시켜 전기영동하고, 형광 검출기를 통해 관찰하면 각기 다른 색으로 표시된 DNA 조각 말단의 형광 표지를 읽을 수 있습니다. 이를 순서대로 읽으면 분석하고자 하는 DNA 가닥에 상보적인 염기 서열을 알 수 있습니다. DNA 염기가 특정한 염기들과만 짝을 이룬다는 원리를 이용한 것입니다.

이러한 방법을 통해 화면에 주어진 동물들의 유선세포에서 추출한 DNA 염기서열을 분석한 결과를 비교해 볼 수 있습니다. 고래는 바다에서 생활하는 대표적인 포유류입니다. 그러나 대부분의 포유 동물은 육상에서 살아갑니다. 그렇다면 고래와 진화적으로 가장 가까운 포유류 동물은 무엇일까요? 화면의 다양한 동물과의 비교를 실행해 보면, 고래와 진화적으로 가장 가까운 동물은 염기서열의 95%가 일치하는 하마라는 것을 알 수 있습니다.

 

. 성과 유전적 조합

 

성의 출현은 변이의 증가와 매우 밀접한 관계가 있으며, 지구상에서 종의 다양성이 폭발적으로 증가하는데 중요한 역할을 하였습니다. 지구상에 처음 출현한 생물은 단세포 생물로 성의 분화가 없었기에 만일 돌연변이가 없었다면 지구상의 생물은 최초의 단세포생물로 존재했어야 합니다. 12억 년 전 성이 출현하면서 생식세포를 만들어내는 과정이 도입되었습니다. 진핵세포는 두 벌의 유전체를 갖고, 부와 모는 각각 한 벌씩 자손에게 전달함으로서 유전자가 섞이게 됩니다. , 자손이 만들어지는 과정에서 변이가 증가하게 됩니다. 변이는 진화가 이루어지기 위한 필수적인 요소를 제공합니다. 환경의 변화에 따라 그 환경에 잘 적응할 수 있는 변이가 존재하면 멸종하지 않고 환경에 적응하는 새로운 유전자 풀을 갖는 집단이 존재하게 되고, 궁극적으로 종분화의 길로 갈 수 있을 것입니다. 유전자의 교환을 통한 변이의 증가 현상은 진핵세포에서만 일어나는 것이 아니고 박테리아에서도 서로간의 접합이나 형질전환, 혹은 바이러스를 통해 유전자를 교환하는 현상이 나타납니다. , 유전자의 교환을 통한 변이는 모든 생명체에 나타나는 공통된 현상이며, 진핵세포에서 좀 더 고등한 생물로 갈수록 유전자의 교환 기작이 정교하게 발달하게 된 것입니다.

 

1. 무성생식

 

중점 해설 포인트

성이 없는 생물들은 무성생식을 통해 번식합니다. 무성생식은 유전정보를 그대로 복제합니다. 무성생식을 통해 나타나는 자손들은 어떤 유전정보를 가지게 될까요?

 

상세한 핵심개념

무성생식을 하는 원핵생물들은 자신과 유전적으로 동일한 자손을 만듭니다. 무성생식에서는 배우자가 합쳐지지 않고 자신의 모든 유전자의 복사본을 자손에게 전달하므로, 하나의 개체가 유일한 부이자 모가 됩니다. 자손의 유전체는 사실상 어버이 유전체의 복사본입니다. 무성생식하는 개체는 유전적으로 동일한 개체의 집단인 클론을 만드는데, 이것은 매우 간단하고도 효과적인 방식입니다. 세균 혹은 아메바의 이분법적 분열, 효모의 출아, 불가사리의 재생을 통한 개체 형성, 식물의 꺾꽂이 등 다양한 방법이 이에 해당합니다.

무성생식은 환경이 좋은 상태에서는 유성생식보다 매우 빠른 속도로 자손의 수를 늘려갈 수 있습니다. 하지만 무성생식은 환경의 변화에 따라 전멸의 가능성을 가지는 치명적인 단점이 있습니다.

 

2. 유성생식

중점 해설 포인트

성을 가지고 있는 진핵생물들은 유성생식을 통해 자손에게 유전정보를 전달합니다. 유성생식을 위해서는 부모가 모두 필요합니다. 부모는 자기가 가진 유전 정보의 절반만 담은 생식세포를 만들고, 암수의 생식세포가 결합하여 온전한 한 세트가 자손에게 전달됩니다. 이 과정에서 수많은 다양한 조합이 일어날 수 있습니다. 이 다양한 조합은 어떤 장점을 가지고 있을까요?

 

상세한 핵심개념

유성생식은 기본적으로 정자와 난자가 만나 수정 과정을 거쳐 자손을 만드는 과정입니다. 종에 따라서는 한 생명체에서 정자와 난자가 만들어지는 경우도 있지만 사람을 포함한 많은 생명체에서는 암컷과 수컷이라는 분리된 개체에서 각각 생식세포가 만들어집니다. 이렇게 만들어진 생식세포들은 체내 혹은 체외 수정을 거쳐 발생하게 됩니다.

무성생식은 분열을 통해 동일한 자손을 만드는 것이지만, 유성생식은 정자와 난자를 만들어 수정 과정을 통해 자손을 만듭니다. 무성생식은 짝을 찾는 수고를 할 필요가 없지만, 유성생식은 에너지를 들여 짝을 찾는 수고를 해야 하고, 매우 정교하고 복잡한 감수분열 과정을 거쳐서 생식세포를 만들어야 합니다. 어떤 장점이 있기에 이러한 방법이 선택되었을까요?

가장 큰 장점은 유성생식을 통해서 유전자의 교환이 가능해 유전적인 다양성이 증가한다는 것입니다. , 변이가 증가함으로서 진화의 중요한 요소를 제공해 줄 수 있습니다. 변이는 환경에 의해서 선택을 받게 되는 진화의 매우 중요한 필요조건입니다. 그렇다면 어느 정도의 다양성이 가능해질 수 있을까요? 사람을 예로 들어보면, 우선 생식세포를 만들 때 염색체의 조합을 통해 상상을 초월할 정도의 다양성이 나오게 됩니다. 사람은 23쌍의 염색체를 가지고 있는데, 23쌍으로부터 23개의 염색체 한 세트를 갖는 생식세포가 만들어집니다. 그렇다면 23쌍으로 몇 가지의 생식세포 염색체 세트(23)가 나올 수 있을까요? 정자의 경우 223 = 8,388,608이 되며 마찬가지로 난자도 223 = 8,388,608가 됩니다. 그렇다면 정자와 난자가 만나면 이 다양성은 얼마나 더 복잡해질까요? 223 x 223 = 246 이라는 다양한 종류가 나오게 됩니다. 이것이 의미하는 것은 나와 내 형제자매가 유전적으로 같을 확률은 1/246 이라는 것을 의미합니다.

염색체의 조합만이 유전자의 다양성을 증가시키는 것이 아니라 여기에 유전자의 재조합이 더 작용하여 그 다양성은 더욱 증가하게 됩니다. 이것은 생식세포를 만들 때 제1감수분열 전기에 염색체의 재조합이 일어나기 때문입니다. 이 시기에 복제된 상동염색체가 접합을 하고 상동염색체 간에 염색체를 물리적으로 교환하게 됩니다. 또한 생식세포가 만들어질 때 일어나는 유전자의 복제 과정에서 돌연변이가 일어날 수 있으며, 이후 정자와 난자가 만나 접합자(2n)이 만들어질 때 유전적 변이가 약 300개 지역에서 일어나는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 부모로부터 받은 유전자임에도 부모와 자손 간에 차이가 있게 됩니다. 결국 유성생식으로 염색체 조합 및 유전자 재조합이 일어나 결국 진화에 필요한 원재료인 변이가 만들어짐으로 인해 지구상에 다양한 생명체가 큰 폭으로 증가할 수 있는 기초가 형성되었던 것입니다.

 

배경

사람은 23쌍의 염색체를 갖습니다. 여성은 22쌍의 상염색체와 XX 성염색체를, 남성은 22쌍의 상염색체와 XY 성염색체를 갖습니다. 따라서 남녀 사이에서 성염색체에서 큰 차이가 있다는 것을 알 수 있습니다. 각 염색체는 1번 염색체 2, 2번 염색체 2개 등 쌍으로 존재하기 때문에(이를 상동염색체라 함) 특정 단백질을 암호화하고 있는 유전자는 상동염색체에 각각 하나씩 2개의 복사본이 있습니다. 이러한 한 쌍의 염색체는 감수분열을 통해 그 수가 반으로 줄어들어 23개가 자손에게 전달됩니다. , 염색체가 전달되지만 실은 그 속에 있는 유전자가 자식에게 전달되는 것입니다. 엄마로부터는 22개의 상염색체와 X 염색체가, 아빠로부터는 22개의 상염색체와 Y 염색체 혹은 22개의 상염색체와 X 염색체가 전달됩니다.

 

3. 성선택

중점 해설 포인트

무성생식은 하나의 개체만으로도 많은 수의 자손이 만들어질 수 있지만, 유성생식은 암수 두 개체가 만나야만 자손이 생길 수 있습니다.여기 암컷을 만나기 위해 집게다리를 열심히 뽐내는 수컷 농게들이 있습니다. 성선택을 받기 위해 이들이 하는 노력은 어느 정도일까요?

 

상세한 핵심개념

유성생식을 위해서는 암수 생식세포가 필요하기 때문에 암수 개체들은 에너지를 들여 짝을 찾는 수고를 해야 합니다. 이 과정에서 선호하는 배우자를 선택하기 위한 성선택 과정이 일어납니다. 암컷 농게와 수컷 농게는 서로 다른 생김새를 가지고 있습니다. 수컷 농게의 한 쪽 집게발은 유난히 커다랗습니다. 농게는 이 집게발을 어디에 사용할까요?

수컷 농게는 집게발을 눈 위로 높이 들고 암컷에게 신호를 보내거나 다른 수컷과 싸울 때, 그리고 진흙성을 쌓는데 집게발을 이용합니다. 짝짓기 철이 되면 암컷 농게는 수컷의 집게발은 큰지, 얼마나 높이 들고 많이 흔드는지, 살기 좋고 숨기 좋은 집과 진흙성을 가지고 있는지 등을 보고 수컷을 신중하게 선택합니다. 암컷에게 선택받기 위해 수컷 농게는 자기 몸무게의 1/3이나 되는 집게발을 높이 들고 춤을 춥니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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