궁극의 생명 Life :생명의 기원과 진화, 그리고 최첨단 생명과학/존 브록만 엮음

[ischoi]

생명과학의 황금기를 이끌어온 석학 21인이 들려주는
생명의 기원과 진화, 그리고 궁극적 생명의 실체
이 책의 대표 저자로, 『이기적 유전자』 『눈 먼 시계공』 등 20~21세기를 대표하는 과학 고전을 집필해온 진화생물학자 리처드 도킨스는 이 책을 통해 범우주적인 차원에서 생명체의 고유한 특성이 무엇인지에 관해 자신의 견해를 펼친다. 그는 지구를 비롯해, 지구 너머 우주 어느 곳에 생명체가 존재한다면, 그것은 분명 ‘다윈주의적 생명체’일 것이라고 주장한다. 그는 생명이라는 고도로 복잡한 현상이 물리법칙으로부터 기원할 방법은 단 하나일 것이라고 예측하는데, 여기서 핵심은 자기 자신을 복제할 능력을 지닌 유전자(DNA) 혹은 그와 동등한 무언가가 존재하는 것이다. 이 유전자는 높은 신뢰도로 복제되지만 그 과정에서 약간의 오류가 일어남으로써, 서로 다른 생존확률을 지닌 유전자들이 생겨나게 된다. 그리고 그런 유전자들 중에 주어진 환경 안에서 경쟁하고 적응한 것, 즉 자연선택 과정을 통해 선택된 것만이 살아남는다. 그런 까닭에 도킨스는 생명체는 결국 유전자를 전달하기 위한 일종의‘통로’로 볼 수 있으며, 생명체의 논의는 결국 ‘유전자’ 중심으로 이루어져야 한다고 강조한다. 도킨스는 생명이 지니는 고도의 복잡성을 설명하기 위해 진화 가능성을 비약적으로 높이는 ‘진화 가능성의 진화’, 소위 ‘대돌연변이’에 대해서도 언급한다. 그는 우리가 일반적으로 알고 있는 진화, 즉 서서히, 점진적 / 누적적으로 일어나는 진화뿐만 아니라 지극히 드물게(1억 년에 한 번꼴로 일어날 만큼 드물게) 일어나면서 생명체에 근본적인 변화를 일으키는 대돌연변이가 더욱 새롭고 정교한 형태의 생명을 가능하게 하는 주춧돌임을 설명한다. 예컨대 척추동물, 절지동물 등은 본래 마디 하나 없는 단순한 몸을 지녔다가 ‘체절(體節)’이라는 대돌연변이가 발생하자, 복잡 미묘하게 진화할 가능성이 대폭 증가했다. 몸의 체절을 형성할 기구 하나를 우연히 얻게 되자, 이런 기구를 토대로 다른 체절을 만들고 몸집이 불어나는 것이 수월해졌기 때문이다(마치 기차가 열차칸을 늘리듯이 지네는 비슷한 체절을 여러 마디 지닌다). 신체의 대칭을 담당하는 유전자, 성(性) 등등도 진화 가능성을 도약시킨 대돌연변이의 사례다.
그러나 한편 현존하는 최고의 물리학자이자 통섭적 과학 연구의 대가로 손꼽히는 프리먼 다이슨, 현대적 진화론의 설계자로 유명한 에른스트 마이어는 ‘진화와 자연선택’의 핵심이자 표적이 ‘유전자’라는 도킨스의 이론을 반박하며 흥미로운 논쟁을 이끌어낸다. 도킨스는 ‘생명’을 주제로 한 엣지 대담에서 프리먼 다이슨이 다윈적 진화와 자연선택이 ‘종(種)’차원에서 진행됐다고 한 해석은 “학생 같은 대실수”라고 지적한다. 그리고 다윈 진화는 종 차원의 생존 경쟁이 아니라 종 내의 생존 경쟁, 즉 유전자 풀 내에서 유전자들 사이에 경쟁이 일어나는 것이라며 다이슨의 견해에 강력하게 반박한다. 한편 다이슨은 종은 일단 확립되면 거의 진화하지 않으며, 진화에서의 큰 도약은 주로 종분화 사건 때 일어난다며 도킨의 견해에 대응한다. 또 한편으로, 에른스트 마이어는 진화생물학에 헌신한 자신의 연구 활동을 소개하는 글에서 진화와 자연선택의 표적은 유전자가 아니라 ‘개체’ 중심으로 일어난다고 강조하며, 유전자 중심의 도킨스의 견해를 반박한다.
동물들의 사회적 행동을 생물학적으로 연구하는 분야인 사회생물학의 창시자이며, 이제 대중에 널리 사용되는 단어인 ‘통섭(consilience)’개념을 제창한 생물학자 에드워드 윌슨은 사회생물학의 과거와 현재를 비롯해, 생물학 전반에 남겨진 과제에 대해 이야기하며 현대 생물학에 대한 우리의 이해 범위를 넓혀준다. 그는 특히 생물종 다양성을 보전하고 이해하는 일이 현 인류에게 얼마나 중요한 과제인지를 강조한다. 그리고 아직 알려지지 않은 채 미지로 남아 있는 지구 생물(지구 생물의 90퍼센트로 추정될 만큼 많다) 종을 분류 / 분석하는 프로젝트인 ‘모든 종 계획’의 추진 상황부터, 생물종 다양성을 보전하면서도 개발도상국 지역주민들의 경제생활 향상을 도모하는 프로젝트의 현실적인 접근법 등에 대해 이야기한다.
하버드대 생명과학 교수 대니얼 리버먼은 다른 동물에 비해 인류가 극도로 정교하게 진화된 것은 단순히 뇌 때문만이 아니라‘뇌와 근육의 협업’에 의한 결과물이라고 이야기한다. 인간은 포유동물 중에서도 유독 힘이 약하고(인간은 같은 영장류인 침팬지에 비해 힘이 2~5배 약하다) 달리기도 형편없이 느리다. 그러나 장거리를 달리고 장거리를 걷는 지구력 운동선수로서는 뛰어난 능력을 보인다. 즉, 인간은 에너지원을 찾아 장거리를 끈기 있게 달리는 사냥꾼으로 진화한 것이다. 실질적으로 인간의 뇌 크기는 사냥과 달리기가 출현한 뒤에야 비로소 커지기 시작했다고 한다. 인간은 달릴 때 머리를 고정시킬 수 있는 특수한 메커니즘을 진화시키며 현재와 같은 몸을 갖게 되었다. 머리가 앞으로 쏠리는 관성을 제어하기 위한 팔의 길이와 움직임, 다른 영장류에 비해 근육이 적은 상체(인간은 나무를 타는 대신 달리기를 선택했다)와 유난히 큰 코(공기 수분과 온기 제어에 최적화되어 있다) 등등 다양한 진화적 장치가 마련되었다. 리버먼 교수는 인류 질병의 근원인 비만 위기 등이 에너지원을 찾아 움직이는 장거리 운동선수로서의 진화적 흐름을 무시하고 ‘편안함’만 찾으려는 자본주의에서 기원한다고 이야기한다. 심지어 ‘평발’도 그런 예다. 신발은 발의 근육이 더 이상 아치를 지탱하지 않아도 되게 해주기 때문에, 발이 온종일 승강기를 타는 것과 비슷한 효과를 내는 방식으로 발 근육을 위축시킨다. 그 결과, 케냐에서 맨발로 생활하는 마을의 사람들은 평발이 없다시피 한 반면, 미국인의 25퍼센트가 아치가 눌린 평발이 되었다고 리버먼 교수는 전한다.
한편 막스플랑크 진화인류학연구소 유전학 분과장으로, 세계 최초로 네안데르탈인의 미토콘드리아 DNA 염기 서열 분석에 성공한 스테반 페보는 네안데르탈인의 유전체 정보 분석을 통해, 이들이 인류와 어떻게 유전적 정보를 주고받았는지에 대해 이야기한다. 하버드대학의 진화생물학 교수인 데이비드 헤이그는 유전체 각인(DNA에 모계쪽에서 유래한 것인지, 부계에서 유래한 것인지를 알리는 각인이 새겨짐으로써, 그에 따라 각각 다른 유전자 발현 양상을 보이는 것)으로 인해, 한 개체 내에서도 유전자들 사이에 갈등과 대립 벌어질 수 있음을 이야기하며, 심지어 아름답고 긍정적으로 보이는 모체와 태아 사이에서도 유전적 갈등과 체내 신호 교란전이 벌어질 수 있다는 사실을 알려준다.


합성생명, 바이오에너지, 생물테러, 맞춤아기…
생명과학의 현재와 미래에 대한 최전방의 논의
최초로 인간 유전체 지도를 완성하고 민간 부문 생명공학 연구의 최전방에서 일해온 크레이그 벤터, 양자컴퓨터 공학자인 세스 로이드, 물리학 석학 프리먼 다이슨, 하버드 의대 유전학교수 조지 처치, 하버드대 천문학교수이자 생명기원연구소장 디미타르 사셀로프는 ‘생명’을 다룬 엣지 특별 대담에서 생명의 기원과 진화, 그리고 유전공학의 현재와 미래에 대해 논의한다. 그중에서도 인공적 생명 진화를 주도하고 있는 벤터의 이야기는 독자들의 이목을 집중시킨다. 그가 직접 생명공학 기업 및 연구소를 세우고 진행하는 과제들은 생명과학의 현주소를 보여주는 동시에, 그 위험성과 가능성에 대한 논의를 촉발시킨다. 벤터는“인류가 수십억 톤의 석유와 석탄을 태우는 과정에서 대기로 이산화탄소를 뿜어내 환경과 공기를 오염시키고 있는 것이 가장 중요한 현안”이라고 보고, 미생물 유전체를 설계해 기존의 연료를 대체할 에너지원인 바이오연료를 만들기 위한 연구들을 소개한다.그리고 천연두, 에볼라 바이러스 등 생물테러와 관련된 유전자 연구가 어떻게 진행되어왔는지, 이런 연구에 있어서 왜 폐쇄성보다는 개방성이 더 중요한지를 이야기한다. 그는 예컨대, 천연두를 훨씬 더 위험하게 변형하려는 비밀연구에 엄청난 자금을 지원한 나라가 미국과 구 소련이며, 천연두 유전체 공개를 하지 않았다면, 이들 나라만 그 정보를 독점할 뿐, 그것을 추적하고 이해하고 더 나은 백신을 만들려는 공동의 시도 같은 것은 없었을 것이라고 말한다. 또한 기존 생명체의 복제가 아니라‘무(無)’로부터 생명체를 만드는 합성생물학의 연구 진행 상황을 이야기하며, 생명과학 최전선의 논의를 흥미진진하게 펼친다. 벤터의 생명공학 중심 논의와 더불어 천문학, 이론물리학, 양자컴퓨터공학 등 다양한 분야의 과학 석학들이 자기 분야에서 바라보는 생명체의 기원, 진화, 미래의 가능성에 대해 이야기하며, 생명에 관한 논의를 풍성하고 흥미롭게 만든다. ‘어린아이들도 간단한 키트로 생명체를 만지작거릴 수 있는 시대가 온다면, 어디까지 그 한계가 설정될 것인가’ ‘유전체 정보나 연구가 오픈소스로 공개된다면, 유전적 사생활 보호는 가능한가’ 등등 미래 사회의 생명 문제에 대해서도 다양한 견해를 풀어내고 있다.
유전체학과 생명학의 현재와 미래에 대한 논의는 MIT 로봇공학 교수 로드니 브룩스, 『특이점이 온다』라는 저서로 유명한 미래학자 레이커즈 와일, 크레이그 벤터가 함께한 대담에서 한층 더 깊게 다루어지고 있다. 레이 커즈와일은 “궁극적으로 우리는 단지 맞춤 아기가 아니라 맞춤 아기 세대를 맞이하게 될 것”이며, 우리가 컴퓨터의 활용 한계를 미처 예상하지 못했듯이 생물학적 “정보 처리 과정에 개입해 재프로그래밍할 수 있는 도구들” 역시 진화해 “생물학에 난공불락의 한계 따위는 없을 것”이라고, “텔로미어(염색체 말단의 염기서열로, 세포 분열이 이뤄질수록 이 부분의 길이가 점점 짧아져 마침내 세포 복제가 멈추어 죽게 된다고 밝혀짐으로써 노화와 수명을 결정하는 원인으로 추정된다) 때문에 인간이 120세 이상은 살 수 없다는 수명의 한계도 공학을 통해 극복할 것”이라고 과감한 견해를 펼친다. 한편 벤터는 유전자 돌연변이 연구를 통한 암 연구, 조류독감이나 사스(SARS) 등의 유행병에 대한 바이러스 유전자 추적연구 등의 진행 상황에 대해 이야기한다. 그리고 뇌의 기능적 이해를 비롯해, 당뇨 등 현대의 주요 질병을 연구하기 위해서는 줄기세포 연구가 꼭 필요하다고 강조하며 생명공학 전반의 화두와 그 가능성에 대해 이야기를 펼친다.
반면 유니버시티 칼리지 런던 인간유전학 교수이자, 달팽이 연구의 대가인 스티브 존스는 유전체 서열 분석이 실제로 많은 질문들에 답을 하지 못하고, 질문을 제기하는 데 더 주력하고 있다며, 유전학이 의학에 응용되기까지는 사람들의 희망보다 더 오랜 시간이 걸릴 것이라고 얘기하며 다른 시각으로 생명과학의 미래를 전망한다.
임페리얼 칼리지 런던의 진화발생학 교수이자, 저서 『돌연변이』로 유명한 아먼드 마리 르로이는 유전체 돌연변이에 숨겨진 과학적 의미를 알아본다. 즉, 돌연변이로 인해 나타나는 증후군이나 증상을 알아봄으로써, 그와 관련 유전자가 기본적으로 무슨 일을 하며 기관과 조직 발생에 어떻게 기여하는지 역으로 살펴보는 것이다. 일례로, 희귀 증후군 중 하나인 ‘진행성 골화섬유형성이상(FOP)’이라는 병은 유전적 돌연변이에 의해 나타나는데, 타박상이나 상처를 입을 때마다 그 자리에 피부나 살이 재생되지 않고, 뼈가 자라나는 질환이다. 그렇게 해서 나이를 먹을수록 전신에 점점 뼈가 쌓이고 더 이상 움직이지 못하는 지경에 이르게 된다. 설령 새로 돋아난 뼈를 잘라내더라도 그 부위가 아물며 더 많은 뼈가 형성되는 악순환이 일어난다. 이 증후군은 아기의 뼈 형성에 관여하는 단백질 유전자가 정상 상황에서처럼 어느 순간 그 기능을 끄지 않고, 계속 발현되어 뼈 형성 단백질이 계속 생산되기 때문에 일어나는 것으로 추정된다. 이 돌연변이는 뼈의 형성에서 단백질 유전자가 어떻게 관여하는지에 대해 무언가를 말해주는 실마리가 된다. 아먼드 마리 르로이는 이런 식으로 밝혀진 신체 조직과 기관의 발생학적 지식을 토대로 하는 조직공학 분야의 새로운 가능성에 대해서도 이야기한다.
가령 발생학적 지식을 토대로 세포를 시험관에 넣어 배양하고, 조직이나 기관을 형성시킴으로써 사고나 질병으로 잃은 신체조직의 일부, 즉 연골, 피부, 유방 등을 얻는 조직공학 연구의 활성화에 기여할 수 있는 것이다. 한편, 1980년에 DNA 복제와 서열 분석을 가능하게 한 중합효소연쇄반응(PCR)을 발명해 노벨화학상을 받은 캐리 멀리스는 내성의 위험이 있는 항생제를 대신해 인간 면역계를 향상시키기 위한 자신의 생화학 연구의 진행상황을 소상히 들려준다.
생명에 관한 논의는 날이 갈수록 첨예해지고 있지만, 너무 광범위하고 복잡한 주제인 까닭에 대부분의 독자들이 피상적이거나 파편적인 지식을 토대로, 혹은 어느 한쪽 관점에 치우쳐 이 문제를 바라보기 쉽다. 이 책의 백미는 ‘깊이와 넓이’를 모두 아우르며 균형감각 있는 생명 관련 지식과 통찰을 제공한다는 것이다. 진화생물학, 유전학, 정보과학, 생명공학, 화학, 이론물리학 등 다양한 분야에서 활동하는 세계적 석학들이 서로 다른 관점에서 생명을 연구한 결과를 설명하고, 때로는 성숙한 논쟁을 통해 생명 관련 이슈들을 풀어내는 과정을 보며 독자들은 생명에 관해 더 깊이 있게, 통섭적으로 사고할 수 있는 기회를 갖게 될 것이다.

P.30
우주의 다른 곳에 생명이 있는지 여부는 아무도 알지 못합니다. 나는 아마 있을 것이라고 생각해요. 우주에 있는 별의 수는 1022개에 달하는데, 별마다 대개 행성을 지니고 있을 겁니다. 이런 환경에서 지적 생명체가 오직 인간만 존재한다면 그것이야말로 아주 놀라운 일일 테죠. …… 나는 순수 물리학의 입장에서 납이 복잡한 생명이라는 금으로 전환될 방법은 하나밖에 없으며, 차등 복제자 생존, 즉 가장 일반적인 의미의 다윈주의가 바로 그것이라고 봅니다. 그래서 나는 우주의 다른 어딘가에서 생명이 발견된다면, 그것은 다윈주의적 생명일 것이라고 장담합니다. 그 생명은 DNA와 비슷한 무언가를 토대로 할 겁니다. 아마 DNA는 아니겠지만, DNA가 하듯이 엄청난 다양성을 빚어낼 수 있는 고도의 신뢰성을 갖춘, 자기 복제하는 암호 체계라는 의미에서 DNA와 비슷한 무언가일 겁니다.
P.42
자연선택의 산물들, 예컨대 손, 간, 심장, 콩팥 등등은 대부분 60~70년간 아무 탈 없이 제기능을 하도록 놀라울 만큼 잘 만들어졌어요. 그런데 임신은 왜 그렇게 많은 문제를 일으키는 것일까요?
임신은 본질적으로 번식을 위한 것이므로, 인간 생리 가운데 자연선택을 통해 완벽하게 다듬어진 부분일 것이라고 생각할 수도 있습니다. 그런데 심장의 기능과 임신 때 벌어지는 일 사이에는 진화적으로 한 가지 중요한 차이가 있어요. 심장의 기능에 작용하는 선택의 힘을 살펴보면, 진화적 갈등이 전혀 없습니다. …… 하지만 트리버스가 지적한 부모-자식 갈등 때문에 엄마와 태아의 관
계에서는 선택 힘들이 충돌해요. 자식은 엄마로부터 좀 더 자원을 취하는 쪽으로 선택을 받는 반면, 엄마는 자식의 요구 중 일부를 거부하는 쪽으로 선택을 받습니다.
P.116
아마 우리가 학명을 붙여 알고 있는 식물, 동물, 미생물 종은 지구에 존재하는 생물의 10퍼센트에 불과하며, 그것들조차도 가장 초보적인 수준에서 알고 있을 뿐입니다. …… 우리는 지구의 생물다양성을 탐사하는 일에 나서야만 해요. 나는 ‘모든 종 계획(All-Species Project)’이라는 사업을 추진해왔어요. …… 지구에 존재하는 생물의 90퍼센트를 알지 못한다면, 그것들을 거의 다 알아내는 것이 우리에게 어떤 의미가 있을까요? 이 계획을 뒷받침하는 압도적인 논리들이 있습니다. 그것은 우리가 처음으로 세계의 모든 세균들을 알게 된다는 의미입니다. 우리는 질병을 일으킬 수 있는 생물들뿐 아니라 생태계의 기본 요소인 세균들, 생태계 토대의 대부분을 차지하는 원시적이지만 기초적인 생물들을 이해하게 될 겁니다. 현재 우리는 생물들의 대다수가 무엇을 하고 있는지조차 알지 못하지요. 지구의 모든 종을 목록으로 작성한 뒤에는 엄청난 지식창고를 지니게 될 것이고, 그 창고로부터 작물의 형질 전환과 새로운 약물 개발에 쓰일 유전자도 찾아낼 수 있을 겁니다.
P.155
프리먼 다이슨: 하지만 천연두 유전체가 공개된 것은 불행한 일입니다. 그것이 발표되지 않았다면 세계는 훨씬 더 안전했을 거예요. …… 벤터: 천연두를 훨씬 더 위험하게 만드는 식으로 변형을 시도하는 비밀 연구에 믿어지지 않을 만큼 엄청나게 지원한 두 나라가 있었어요. 미국과 구 소련이지요. 오픈소스가 아니었다면 오로지 두 나라만 그 정보에 접근할 수 있었을 겁니다. 그랬다면 그것을 추적하고, 이해하고, 더 나은 백신을 만들려는 시도 같은 것은 전혀 없었겠지요. 유전체 공개가 진정한 위협 요인이라면요. 그리고 합성생물학 쪽에서 보자면, 그 위험도는 아주 낮아요. DNA는 감염성을 띠지 않으니까요. 사람들이 남을 겁주기 위해 즐겨 쓰는 방법은 가상의 위협입니다. 실제로는 위험하지 않은 것을 가지고 말이에요.
P.165
우리는 연간 100킬로그램의 물질을 화성과 교환합니다. 생체 물질과 생물학적 정보도 교환하고 있는 셈이지요. 나는 화성에서 생명이 발견되는 것은 시간문제라고 봐요. 필연적인 일이라고 할 수 있지요. 그 생물이 화성에서 기원했을지, 지구에서 기원했을지 우리는 알지 못합니다. 겹치는 공통점이 있긴 하겠지요. 하지만 우리가 지구의 유전자 목록을 알지 못한다면, 알 수 없을 겁니다. 그리고 우리는 그 목록을 이제야 겨우 작성하기 시작했어요. 이렇게 진화적 측면, 생명의 기원이라는 측면과 얽혀 있기 때문에 이 문제는 더 흥미로워집니다.
P.382
현재 아주 많은 사람들이 줄기세포 연구에서 손을 뗀 상태입니다. 아예 접은 사람도 많고, 연구를 계속하러 다른 나라로 떠나야 했던 과학자들도 많아요. 그 연구에 지원되었을 수도 있을 많은 돈이 다른 곳으로 돌려졌고요. 뇌가 어떻게 배선되는지 이해하고자 한다면, 줄기세포 연구가 아마 가장 중요한 분야일 겁니다. 줄기세포가 어떻게 작동하는지 이해하지 못한다면, 단세포 생물 이외의 복잡한 생물은 결코 이해할 수 없을 테니까요.
P.412
흥미로운 점은 사람들이 기술의 기하급수적 발전이 무엇을 의미하는지 제대로 알아차리지 못하는 것 같다는 겁니다. 인간 유전체 서열이 전혀 알려지지 않은 상태에서 전체가 다 알려지기까지 걸린 기간은 10년에 불과합니다. 유전체를 만드는 분야에서도 같은 일이 일어나고 있어요. 그리고 우리에게 모이는 부품, 즉 표준 생물학적 부품은 해마다 2배씩 늘어나고 있어요. 유전공학을 하고 싶어 하는 10대 청소년의 수도 마찬가지로 늘어나고 있습니다. 해마다 2배씩 늘어나지요. 어떻게 하면 이렇게 기하급수적으로 늘어나는 사람들이 건설적이고 책임 있는 방식으로 활동하는 세상을 만들 수 있을까요?

우주에 관한 기이한 일은 우리가 생명의 기원보다 우주의 기원을 더 잘 이해하고 있다는 것입니다. 그것은 단순한 체계입니다. 우리는 그 일이 137억 년 전에 처음 일어났고 이어서 다른 일이 일어났다는 식으로, 이 일 저 일이 일어난 순서를 콕 찍어 말할 수 있어요. 하지만 생명을 출범시킨 첫 화학반응 집합 쪽을 보자면 그것이 무엇이었는지조차 모릅니다.
기본적으로 우리는 지구에서 생명을 탄생시킨 실제 환경을 결코 파악할 수 없을지도 몰라요. 환경이 파괴되었을 수도 있고, 아무런 기록도 남지 않았는데 조건이 바뀌었을 수도 있으니까요. 하지만 다른 곳에서 실험을 통해 찾아낼 기회는 얼마든지 있어요. 생명을 생성하는 데 관여한 일반 원리들을 찾아내는 실험 같은 것 등 말이예요.

생명, 얼마나 놀라운 개념인가!