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21년간 3500쌍의 기록… 세계 최대 英‘쌍둥이 연구소’ 일란성 쌍둥이의 비밀 파헤치다


영국에 사는 60대의 바버라와 크리스틴 올리버는 일란성 쌍둥이다. 이들은 1990년대 초반 다른 수십 쌍의 쌍둥이들과 함께 런던 킹스칼리지에 새로 설립된 한 연구소를 찾았다. 쌍둥이들은 연구소에서 피를 뽑고, 골밀도를 계산하고 폐기능을 평가받았다. 엑스레이 촬영과 전신 자기공명영상(MRI), 세심한 심리테스트도 이어졌다. 이들의 신체에 대한 모든 것은 이런 식으로 매년 한 번씩 기록됐다. 다음 달 21주년을 맞는 세계 최대의 이 '쌍둥이 연구소'에는 지금까지 3500쌍의 쌍둥이, 7000명에 대한 기록이 차곡차곡 쌓이고 있다.



어린아이들은 누구에게나 쉽게 주목받는다. 귀엽다거나 예쁘다는 찬사가(설사 그렇게 생각하지 않더라도) 끊이지 않는다. 하지만 가장 큰 관심을 받는 것은 단연 쌍둥이다. 쌍둥이는 생물학과 의학을 연구하는 학자들에게 있어서는 '축복받은 연구대상'이기도 하다. 1900대 중반 '유전자'(DNA)가 발견된 이후 학자들은 유전자의 신비를 밝히는 것이 곧 생명의 신비를 밝히는 일이라고 생각했다. 하지만 이에 대한 가장 큰 반박이 바로 '쌍둥이', 특히 '일란성 쌍둥이'였다. 하나의 배아가 둘로 나뉘어 자란 일란성 쌍둥이는 모든 유전자가 정확히 일치한다. 만약 유전자가 생명의 모든 것을 설명한다면, 이들은 겉으로 보이는 신체조건이 같은 것처럼 같은 병을 앓아야 한다. 하지만 현실은 그렇지 않다. 쌍둥이의 인생은 마치 전혀 다른 사람처럼 차이를 보이게 마련이다.


킹스칼리지 쌍둥이 연구소 창립자이자 소장인 팀 스펙터 교수는 원래 백내장이나 관절염 등 나이가 들면 생기는 '퇴행성 질환'을 연구하고 있었다. 당시 퇴행성 질환은 나이를 먹으면서 신체 기관이 마모된 당연한 결과라는 것이 정설이었다. 스펙터는 연구소 창립 21주년을 앞두고 열린 기자회견에서 "어떤 사람들은 이른 나이에 이런 질환에 걸리고, 어떤 사람들은 그렇지 않은지가 궁금했다"면서 "일란성 쌍둥이를 비교하면 유전자와 환경 중 어느 쪽이 질병에 더 큰 영향을 미치는지 알 수 있을 것으로 생각했다"고 설명했다.


쌍둥이를 키우는 부모들은 어린 시절 두 아이를 똑같이 보이게 하기 위해 애쓴다. 입는 옷이나 교육법, 먹는 음식까지 대부분 동일하고 이는 아이들의 어린 시절을 지배한다. 하지만 사춘기에 접어들면 쌍둥이의 길은 갈리게 마련이다. 같은 여자 쌍둥이라고 해서 모두 짧은 치마를 좋아하는 것은 아니고, 자신감이나 일에 대한 취향도 달라진다. 스펙터의 연구에서 쌍둥이 중 상당수는 얼핏 보이는 겉모습과 달리 키나 몸무게 등 외모에서 차이를 보이고, 심지어 쌍둥이들이 같은 질병으로 죽는 경우는 거의 없었다.


지난 21년간 이 연구소에서 얻어진 결과물은 유전자와 질병에 대한 학자들의 고정관념을 송두리째 바꿔놓았다. 1953년 왓슨과 크릭의 'DNA 구조 규명'이 '유전학의 시초'라고 불리는 것처럼, 스펙터의 연구는 '현대 유전학의 시초'로 불린다.


2000년까지만 해도 학자들은 선천적 질병이 한 가지 유전자의 변이에 의해 발생한다는 확신을 갖고 있었다. 분자유전학이 발달하면서 선천성 낭포성 섬유증, 헌팅턴 무도병, 근위축증(루게릭병) 등의 원인 유전자를 발견했다는 발표가 하루가 멀다 하고 쏟아졌다. 하지만 스펙터의 쌍둥이 연구는 이런 연구의 90% 이상이 '쓰레기'라는 증거를 제시했다. 심지어 거짓으로 판명난 연구 중에는 스펙터 스스로 과학저널 '네이처' 표지에 실었던 '골다공증 유발 유전자 규명 연구'도 포함돼 있었다.


스펙터의 쌍둥이 연구는 '쌍둥이가 어떻게 같은가'라는 기존의 접근 방식 대신, '쌍둥이는 무엇이 다른가'에 초점을 맞췄다. 한쪽이 질병이 발생했다면 그들의 유전자가 어떻게 달라져 있는지를 면밀하게 살폈다. 


스펙터는 "비만처럼 흔하지만 다른 형태로 나타나는 질환의 경우에는 10여개의 유전자가 관여돼 있을 것으로 생각했지만, 연구가 진행되면서 점차 늘어 현재 550여개가 알려져 있다"면서 "수많은 유전자들이 상호작용하면서 동일한 유전자를 갖고 있더라도 사람마다 서로 다른 연령대에 질환을 발병시키는 것"이라고 설명했다. 

쌍둥이 연구소의 연구에 따르면 유전자는 각 개인이 한 가지 질환에 걸리는 이유 가운데 고작 0.1%만을 설명할 수 있다. 대부분의 유전자는 특정한 상황에서만 발생하며, 같은 유전자를 가져도 평생 발현되지 않는 경우가 많다. 이를 '잃어버린 유전성'이라고 부른다. 질병을 일으키는 유전자는 아주 특이한 상황에서 각기 다르게 나타난다. 일란성 쌍둥이 두 사람이 심장병에 걸리는 확률은 30%지만, 류머티즘성 관절염은 15%에 불과하다.


연구팀은 4년 전 '왜 쌍둥이는 자라면서 전혀 다른 인생을 살고, 다른 병이 생길까'에 대한 답을 '후성유전체'에서 찾았다. 후성유전체는 환경 변화로 인해 유전자의 행동이 변하는 생체 작용이다. 


세포 안쪽을 떠다니는 '메틸'이라는 화학물질이 DNA에 달라붙으면서 일어나는 '메틸화'가 원인이다. 메틸화가 일어나면 몸속에서 유전자의 활동이 억제되거나 약해질 수 있다. 특히 메틸화는 생활 방식이나 기호에 따라 다양한 형태로 나타난다. 다이어트, 질병, 노화, 환경호르몬, 화학물질, 흡연, 약품 등이 메틸화의 주 원인이다. 결국 동일한 유전자를 가진 일란성 쌍둥이도 메틸화를 통해 전혀 다른 사람처럼 변해갈 수밖에 없다는 것이다.


스펙터 교수는 "통증을 참는 정도가 다른 일란성 쌍둥이나 우울증, 당뇨, 유방암을 가진 일란성 쌍둥이를 대상으로 메틸화를 측정해 본 결과 상당한 유전적 차이가 진행됐다는 것을 발견했다"면서 "쌍둥이 중에서도 한쪽은 병을 일으키는 특정 유전자가 켜져 있고, 한쪽은 유전자가 꺼져 있다는 것이 분명해졌다"고 설명했다.


쌍둥이가 각각 겪는 경험이나 사고방식 역시 그들의 삶을 달라지게 한다. 쌍둥이들은 정신적 공감대를 형성하고 있는 경우가 많고, 대부분 한쪽이 결혼하면서 유대관계에 이상이 생긴다. 한쪽이 먼저 결혼하면 다른 쪽은 상실감에 빠지고 질병을 일으키는 유전자가 켜질 가능성도 커진다. 실제로 먼저 결혼한 쌍둥이보다는 나중에 결혼하거나 결혼하지 않은 쪽에서 질병이 발생하거나 이혼할 확률이 높다는 조사결과도 있다.

출처: http://media.daum.net/society/others/newsview?newsid=20130604031134775


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건강에 해로운 음식을 아주 조금이라도 먹으면 유전자 발현에 큰 변화를 일으키며 이것이 신체 생리와 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 것으로 밝혀졌다고 사이언스 데일리가 1일 보도했다.


미국 매사추세츠 의대(UMMS) 과학자들은 예쁜꼬마선충(C. elegans) 실험을 통해 먹이의 차이가 유전자 발현에 큰 차이를 일으킨다는 사실을 발견했다고 셀(Cell) 지에 발표했다.


연구진은 꼬마선충 실험에서 한 집단에는 자연의 먹이인 코마모나스균을, 다른 집단에는 실험실 표준 먹이인 E.콜라이균을 먹인 결과 전자의 경우 후자에 비해 발육이 빠르지만 후자보다 자손도 적고 수명도 짧은 것으로 나타났다고 밝혔다.


이들은 다른 먹이를 섭취한 두 집단에서 최소한 87가지의 유전자 발현 변화를 찾아냈다. 놀랍게도 이들 변화는 영양소 센서 경로인 TOR 및 인슐린 신호전달계와는 관계없이 성장·발육과 관련된 탈피(molting) 조절인자에서 일어나는 것으로 밝혀졌다.


이는 섭식과 유전자 발현 및 생리 사이의 필수적인 관련성을 보여주는 것이다.


연구진은 "중요한 사실은 꼬마선충의 먹이로 영향받는 것과 같은 조절인자가 사람의 활동일주기를 좌우한다는 것"이라고 밝혔다.


더욱 놀라운 사실은 한 집단에 주로 E.콜라이균을 먹이로 주면서 코마모나스균을 소량만 섞어 줬을 때도 유전자 발현과 생리에 극적인 변화가 나타났다는 것이다.


이는 특정 먹이가 `건강에 좋거나 나쁘거나' 둘 중 하나가 아니라 각기 다른 조건에서 각기 다른 생리적 효과를 내는데 특정량의 특정 먹이가 최상의 효과를 낸다는 것을 의미한다.


연구진은 "대체로 건강에 이롭지 않은 음식이라도 건강에 좋은 음식을 조금만 섞어 먹으면 유전자 발현에 이로운 변화를 이끌어내 매우 큰 생리적 효과를 낼 수 있다는 것이 사실"이라고 말했다.


이 연구는 생물의 대사 균형을 유지하기 위해 체내 생리와 외부 환경의 신호에 빠른 속도로 반응을 일으키는 유전자 조절 네트워크가 존재한다는 사실을 시사하는 것이다.

-연합뉴스

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공진화(共進化)는 한 생물 집단이 진화하면 이와 관련된 생물 집단도 진화하는 현상을 가리키는 진화생물학의 개념이다. 공진화는 작게는 아미노산의 합성에 관여하는 유전자의 돌연변이에서부터 크게는 진화의 과정에서 서로 다른 종들 사이에 일어나는 형질 변화에 이르기까지 생물학의 모든 규모에서 관찰된다. 공진화에 관여하는 한 생물의 진화는 이와 관련이 있는 생물에 대해 자연선택의 요소로서 작용하여 진화를 촉발시킨다. 숙주와 기생 생물의 관계, 상리 공생을 하는 생물의 관계 등이 공진화의 사례이다.


공진화는 포식자와 먹이 생물, 숙주와 기생 생물, 공생 생물 등과 같이 생물 간에 일대일 관계가 형성되어 서로 영향을 주는 진화 과정이다. 따라서 기후 변화와 같은 비 생물적 자연환경의 변화로 인한 진화는 공진화에 포함되지 않는다. 생물의 상호작용이 진화에 뚜렷한 영향을 준 사례가 있는 반면 복잡하게 얽혀 있는 상호작용으로 인해 상호작용의 영향이 뚜렷히 드러나지 않는 경우도 있다. 이와 같이 뚜렷히 드러나는 공진화를 "종 특유의 공진화"(llang|en|species-species coevolution}}이라하고 뚜렷하지지 않는 공진화를 "확산공진화"(영어: diffuse coevolution)라 한다. 자연환경에서는 확산공진화가 보다 일반적인 현상이다.


공진화의 개념은 찰스 다윈의 《종의 기원》에서 처음으로 제시되었고《난초의 수정》에서 다시 소개되었다.


미국의 진화생물학자 리 반 발렌은 1973년 공진화의 한가지 모델로서 붉은 여왕 가설을 제시하였다. 한편, 프랑스의 생물학자 시에리 로데는 적대적 공진화가 성 경쟁을 촉발한다고 보았다.


공생과는 달리 공진화는 생물 간의 상호의존성을 필요로 하지 않는다. 포식자와 먹이, 숙주와 기생 생물의 경우에서 처럼 서로의 생존을 위해 적대적인 관계에서도 공진화가 발생한다.


미토콘드리아는 세포핵과는 다른 별도의 DNA를 가지고 있어 진핵생물의 발현과정에서 이루어진 공진화의 결과 세포소기관으로 편입되었다고 이해되고 있다. 이를 세포내 공생설이라 한다.


공진화의 개념은 인공생명에도 도입되었는데 데니얼 힐스는 소프트 프로그램 인공생명에 공진화 알고리듬을 사용하였고 칼 심스는 컴퓨터 상의 가상 생물에 공진화의 개념을 도입하였다.



진화하는 가상 생명의 동영상





더불어 산다

조개와 물고기의 공생


물은 물고기의 집일뿐더러 조개의 집도 된다. 온 세상의 강과 호수에 사는 물고기와 조개, 곧, 어패류(魚貝類)는 절묘한 ‘더불어 살기’, ‘서로 돕기’를 한다. 공생(共生), 공서(共棲)라는 것 말이다. 조개는 물고기 없으면 못 살고 물고기 또한 조개 없으면 살 수 없다. 불가사의하다고나 할까, 오랜 세월 함께 살아오면서 ‘공진화’를 한 탓이다. 

 

 

공진화, 조개는 물고기 없이 못 살고 물고기는 조개없이 못 산다

여기서 공진화(共進化,coevolution)란 생물들이 서로 생존이나 번식에 영향을 미치면서 진화하는 것이다. 포식자와 피식자, 기생자와 숙주끼리 한 쪽의 적응적 진화에 대해서 대항적 진화 또는 협조적인 진화를 하는 것을 말한다. 한마디로 긴 세월 질곡의 삶이 만들어낸 산물이다. 나 없인 너 못 살고 너 없이는 내가 못 산다? 악연이던 선연(善緣)이던 간에 둘이 이렇게 연을 맺고 산다니 정녕 신묘하다.

 

우리나라 강에 살고 있는 민물고기 210여종(외래종 포함) 중에 유독 납자루아과(亞科)에 속하는 납줄개속(屬) 4종, 납자루속 6종, 큰납지리속 2종 등 12종과 모래무지 아과의 중고기속 3종, 모두 합쳐 15종의 어류가 조개에 알을 낳는다. 물고기는 다 물풀이나 돌 밑에다 알을 낳는데 이 무리들은 기이하게도 반드시 조개에 산란한다. 그런가 하면 우리나라에 서식하는 17종 조개 중에서 말조개, 작은말조개, 칼조개, 도끼조개, 두드럭조개, 곳체두드럭조개, 대칭이, 작은대칭이, 귀이빨대칭이, 펄조개 등 6속 10종의 석패과(石貝科,Unionidae)의 돌처럼 야문 조개들은 유생(幼生)을 물고기에 달라 붙인다. 조개는 껍대기 2장을 가지고 있다. 그래서 이매패라고 한다. 조개를 꼭지 끝이 위로 가게 두고 볼 때 오른 쪽 끝에 수관 두 개가 있다. 위에 자리 잡은 가는 것이 출수관(出水管)이고 아래 굵은 것이 입수관(入水管)이다. 물은 입수관으로 들어와서 아가미를 거쳐 출수관으로 나간다.


두드럭조개, 한국고유종, 멸종위기야생동물1급.<사진: 최병래 명예교수>

 

 

물고기가 조개 속에 알을 낳는다


임실납자루 수컷. 혼인색이 선명하다.<사진: 김익수 명예교수>


앞서 이야기 한 이들 물고기들은 산란시기가 되면 갑작스레 암수 몸에 변화가 일어난다. 수컷은 몸 색이 아주 예쁜 혼인색(nuptial color)을 띠어 멋쟁이가 된다. 암컷은 여태 없던 산란관(産卵管, 알을 낳는 관)이 항문 근처에 늘어나니 줄을 길게 달고 다니는 산불 끄는 헬기 꼴이 된다. 산란관의 길이는 종(種)에 따라 달라서 큰 조개에 산란하는 놈은 제 몸 길이보다 긴가 하면 작은 것에 산란하는 녀석들은 제 몸길이의 반이 안 된다. 이 산란관은 수란관(輸卵管)이 길어진 것이고, 산란 후엔 몸으로 빨려 든다. 이렇게 멋진 혼인색과 긴 산란관은 발정의 신호다.

 

잘 생기고 건강해야 좋은 짝을 만날 수 있고, 그래야 훌륭한 후사를 보게 되는 것이니 ‘성(性)의 선택’이라는 것이다. 곱씹어 말하지만 물고기나 사람이나 후손을 잇지 못하면 도태하고 만다. 헌데, 요상하게도 이 물고기들은 언제나 산 조개에만 알을 낳는다. 플라스틱으로 만든 진짜 닮은 가짜 조개는 쳐다보지도 않는다. 물론 조개를 찾아내는 것은 수놈 몫이다. 제가 차지한 조개 가까이에 다른 수컷이 나타났다가는 난리가 난다. 휙~~휙! 주둥이로 들이박거나 몸을 비틀어 후려쳐 텃세를 부린다. 그러다가 관심을 보이는 암놈이 나타나면 가까이 다가가 부라린 눈에 몸을 부르르 떨기도 하고, 방아 찧기, 곤두박질치기, 지그재그로 갖은 교태(嬌態)를 다 부려 암놈을 산란장(조개)으로 유인한다. 다 그런 거지! 곡진한 애정이다.

 

눈치 빠른 암놈은 순간적으로 벌어진 조개수관에 산란관을 꼽아 넣어 알을 쏟고 내뺀다. 어물거리면 조개가 입을 닫으니 동작이 재빠르다. 그러기를 반복하면서 여기저기에 알을 낳는다. 중고기 무리는 입수관에, 납자루 무리는 출수관에 산란한다. 옆에서 지켜본 수놈은 잽싸게 달려가 입수관 근방에다 희뿌연 정자를 뿌린다. 입수관으로 물과 함께 들어간 정자는 외투강(중고기 무리의 알이 듦)이나 아가미관에 끼어있는(납자루 무리의 알들임) 알을 수정시킨다. 아가미에 가득 끼어있는 물고기 알들이 조개의 숨쉬기를 힘들게 하는 것은 당연하다.


임실납자루 암컷. 산란관이 늘어져 있다.<사진: 김익수 명예교수>

 

 

조개에서 태어난 물고기는 다시 그 조개를 찾는다

물고기의 모정과 부정이 가득 고여 있는 조가비, 조개는 피 한 방울 안 섞인 다른 자식을 품은 대리모(代理母)가 된 셈이다. 무슨 이런 기구한 운명인가! 조개 몸 속의 알(한두 개에서 30~40개 정도)은 다른 물고기에 먹히지 않고 고스란히 다 자라서 나오는 지라 여읜 자식이 하나도 없다. 강물에는 조개를 통째로 꿀꺽 삼키는 동물이 없지 않은가. 인큐베이터(incubator) 속에서 자라 나온 미숙아(未熟兒)라고나 할까. 그래서 이들 물고기는 다른 물고기들에 비해서 알을 적게 낳는다. 예로, 붕어 한 마리가 평균 67,827개를 낳는 것에 비해 이들은 알을 300~400여개 정도밖에 안 낳는다. 이런 것을 보상작용이라고 하는데, 요새 사람들이 유아사망률이 낮아진 것 때문에 출산을 적게 하는 것과 똑 같다. 수정란(受精卵)은 조개 속에서 약 한 달간 자라서 약 1cm정도의 어린 물고기가 되어 밖으로 나온다.

 

이 어린물고기가 다 자라 어른 물고기가 되어 새끼 칠 때가 될라치면 제가 태어난 안태본(安胎本)인 조개를 찾는다. 연어가 모천(母川)을 찾아들 듯이 자기를 탄생시켰던 바로 그 조개들을 찾아가 알을 낳는다. 유전인자(DNA)에 각인되어 있는 것으로 일종의 귀소본능이요 회귀본능인 것이다. 너무나 신비로운 어류들의 비밀스런 생태다.

 

 

조개 유생은 새끼를 낳으러 온 물고기를 따라 여행을 떠난다 

아무튼 세상에 공짜 없다. 반드시 갚음을 한다. 그래서 이제는 조개가 물고기에게 신세를 질 차례다. 우연일까 필연일까? 물고기와 조개의 산란시기가 거진 반 일치하니 말이다. 석패과 조개는 어린 물고기 시절 한 달 가까이 붙어 살았던, 돌아온 어미 물고기(母魚)의 향긋한 젖내를 잊지 못한다.

 

글로키디움. 왼쪽 위쪽으로 유생사를 볼 수 있다.<사진: 권오길 명예교수>


물고기가 조개에 산란키 위해 주변에 얼쩡거리면 재빨리 알을 훅 훅! 내뿜는다. 여기서 '알'이라고 했지만, 실은 이미 꽤나 발생이 진행한 1.5mm가량의 '유패(幼貝)'로, 이를 갈고리라는 뜻의 ‘글로키디움(glochidium)'이라 부른다.

 

클로키디움에는 이미 두 장의 여린 껍데기가 있고, 그 끝에 예리한 갈고리(hook)가, 그 갈고리에 수많은 작은 갈고리(hooklet)가 있다. 그 갈고리로 물고기의 지느러미나 비늘을 쿡 찍어 물고 늘어진다. 그뿐 아니다. 글로키디움은 가늘고 긴 유생사(幼生絲,larval thread)라는 실을 늘어뜨려 놓는다. 일종의 올가미인 셈인데, 종에 따라서는 몸길이의 60배나 된다. 물고기가 근방을 지나치면서 올가미에 걸리면 몸을 감아서 무전여행(無錢旅行)을 한다. 

 

물고기는 숙주이고 글로키디움은 기생충이다. 녀석들은 물고기의 몸 속 깊숙이 헛뿌리(haustorium)를 박아서 체액이나 피를 빤다. 글로키디움이 더덕더덕 떼거리로 많이 달라붙으면 까뭇까뭇 육안으로 보일 정도이다. 이러면 숙주인 물고기가 기진맥진 죽는 수도 있고, 2차 세균 감염으로 생채기가 심해 형편없는 몰골이 되기도 한다. 정말 갚음하기 어렵다! 한편 조개마다 글로키디움의 크기나 모양이 다르기에 종(種)분류의 검색(檢索)열쇠(key)가 된다. 새끼를 물고기에 붙여놓은 조개는 제 새끼가 다른 동물들에게 잡혀 먹힐 걱정이 없다. 게다가 기동성 좋은 물고기 배달부가 종횡무진 새끼들을 멀리까지 옮겨주니 얼마나 좋은가. 신천지를 개척하는 유리한 적응방산(adaptive radiation)을 하는 것이다. 조개 유생은 역시 근 한 달간 탈바꿈하여 조개 모양새를 갖추면 강바닥에 떨어져 거기서 살아간다. 제2의 탄생인 것이다.

 

 

조개와 물고기의 주고 받기는 숙명적 만남, 뗄 수 없는 상생이다

이들 두 동물의 주고받기는 유전인자에 프로그래밍(programming)되어 있는 것. 숙명적인 만남, 뗄 수 없는 상생(相生)이다. 그래서 강에 조개가 절멸하면 물고기가 잇따라 전멸하고 물고기가 없어지는 날에는 조개도 따라 사라진다. 도미노 같은 것이다. 찬탄이 절로 나온다. 서로 없이는 못사는 이런 관계를 두고 인연이라 하는 것. 모든 사물은 다 연에 의해서 생멸(生滅)한다. 넌 물고기 난 조개, 부디 우리의 귀한 연분을 가볍게 여기지 말자.



생물 환경은 ‘공진화’하므로 물리적 환경 변화보다 더 중요할 수 있다

나는 지난 글에서 자연선택이 생명체를 완벽하게 만들 수 없는 첫째 이유로 환경 변화를 꼽았다. 생물의 환경이 늘 변한다고 말할 때 ‘환경’은 온도, 습도, 일조량 등의 이른바 물리적 환경(physical environment)이다. 하지만 생물의 환경에는 물리적 환경뿐 아니라 함께 살고 있는 다른 생물들이 형성하는 생물 환경(biotic environment)도 있다. 생물 환경에 대비하여 물리적 환경은 다른 말로 비생물 환경(abiotic environment)이라고도 한다. 비생물 환경과 생물 환경간에는 결정적인 차이가 하나 있다. 생물 환경은 그것이 둘러싸고 있는 생물과 함께 변화한다, 즉 공진화(coevolution)한다는 점에서 어떻게 보면 물리적 환경보다 더 중요할 수 있다. 


공진화의 예로 가장 잘 알려진 관계는 단연 현화식물과 그들에게 꽃가루받이(pollination) 서비스를 제공하고 그 대가로 꿀을 얻는 벌, 나비, 박쥐, 새 등의 동물이 맺고 있는 관계이다. 꽃가루받이는 서로 이득을 주고 받는 상리공생(mutualism) 형태의 공진화이지만 서로 쫓고 쫓기는 관계인 포식(predation)과 기생(parasitism)의 상대들도 끊임없이 밀고 당기며 함께 진화한다. 날로 속도가 느는 치타의 추격을 따돌리려 영양도 점점 빨라지고, 늘 새로운 무기를 개발하여 공격하는 기생생물에 대항하여 기주생물(host)도 새로운 유전자 조합으로 면역력을 키운다. 이 관계는 마치 옛날 소련과 미국이 벌였던 군비경쟁을 방불케 한다. 소련이 새롭고 더 강력한 미사일을 개발하면 미국은 그걸 공중에서 격침시킬 수 있는 요격미사일을 개발하곤 했다. 진화생물학자들은 이와 흡사하게 자연계에서 벌어지는 군비경쟁을 진화적 군비경쟁(evolutionary arms race)이라고 부른다.



유전자-문화 공진화(gene-culture coevolution)

"...문화는 공동의 마음에 의해 창조되지만 이때 개별 마음은 유전적으로 조성된 인간 두뇌의 산물이다. 따라서 유전자와 문화는 긴밀히 연결되어 있다. 하지만 이 연결은 유동적이다. 얼마나 그런지는 불명확하지만 말이다. 또한 이 연결은 편향되어 있다. 즉 유전자는 인지발달의 신경회로워 규칙적인 후성 규칙(後成規則, epigenetic rules)을 만들어 내고 개별 마음은 그 규칙을 통해 자기 자신을 조직한다. 마음은 태어나서 무덤에 들어갈 때까지 성장한다. 물론 자기 주변의 문화를 흡수하면서 성장한다. 하지만 그런 성장은 개체의 두뇌를 통해 유전된 후성 규칙들의 안내를 받아 이뤄진다.


 문화는 유전자/문화 공진화의 부분으로서 각 세대 구성원 개인의 마음 속에서 집합적으로 재구성된다. 구전 전통이 글쓰기와 예술을 통해 증보되면 문화는 무한히 성장할 수 있고 세대를 건너 뛸 수도 있다. 그러나 후성 규칙이 주는 영향의 방향을 근본적으로 결정하는 것은 유전적인 것이며 제거될 수 없기 때문에 일정하게 유지된다.


어떤 이들은 주변 문화와 환경에 더 잘 생존하고 번식하도록 해 주는 후성 규칙들을 대물림한다. 그리고 그런 규칙을 전혀 갖지 않은 사람이나 있어도 약한 규칙을 가진 이들은 생존과 번식에서 밀려난다. 바로 이런 방식으로 좀 더 성공적인 후성 규칙들은 많은 세대를 거치면서 그 규칙들을 규정하는 유전자들과 함께 개체군 내에서 널리 퍼지게 된다. 결과적으로는 인간 두뇌의 해부/생리적 구조가 진화해 왔듯이 행동도 자연 선택에 의해 유전적으로 진화해 왔다.


 유전적 속박의 본성과 문화의 역할은 이제 다음과 같이 더 잘 이해될 수 있다. 어떤 문화 규범은 경합하는 다른 규범들보다 더 잘 생존하고 번식한다. 이때문에 문화는 유전적 진화와 유사한 방식으로 진화하지만 그 속도는 일반적으로 훨씬 더 빠르다. 문화적 진화의 속도가 빠르면 빠를수록 유전자와 문화 사이의 연결은 더 느슨해진다. 하지만 그런 연결이 완전히 끊어지는 법은 없다. 문화는 정확한 유전적 처방 없이 고안되고 전달되는 정교한 적응들을 통해 완경 변화에 빠르게 적응할 수 있도록 한다. 이런 의미에서 인간은 다른 모든 동물들과 근본적으로 다르다."

- 에드워드 윌슨, 통섭, 232-233p 



공진화의 개념 확장과 산업적 의미

공진화 개념이 발전되면서 다양한 분야에서 공진화의 사례들이 발견되고 있다. 이러한 다양한 사례들은 기업 및 산업의 발전에 대한 통창력을 제공하여 준다.

 

내성의 증가에 대한 대비

인체와 세균과의 관계도 경쟁적 공진화는 많은 시사점을 제공한다. 인류는 1928년 페니실린의 발명 이후 세균과의 전쟁에서 승리한 듯이 보였으나, 세균이 다시 진화하여 어떤 항생제로도 치유할 수 없는 치명적인 슈퍼박테리아가 등장하였다. 따라서 항생제를 남용하여 세균이 진화할 수 있는 여건을 만들지 않아야 한다는 교훈을 인류에게 제공하고 있다.

이는 조직 및 사회 발전에도 시사점을 제공하고 있다. 사회악 등 조직이나 사회에서 억제하고 싶은 행동이나 조직들도 억제책에 대응하여 진화할 수 있으므로, 초기에 너무 강한 억제 정책을 시행하는 것에 대하여서는 다시 한 번 생각하여 보아야 한다는 것이다. 사회악 억제책이 사회악을 억제하기 보다는 다른 곳으로 이전시킨다는 ‘풍선 효과’와 같은 점을 고려하여 정책을 입안하여야 한다는 점이다.

 

급진적 변화의 부작용에 대한 대비

공진화의 사례 연구는 오랜기간 공진화한 부분들은 예상하기 어려운 복잡한 관계를 형성하고 있으므로, 바람직하지 못하다고 제거하였을 경우, 예상하지 못한 결과를 초래할 수 있다는 점을 시사한다.


대표적인 연구가 기생충과 인체의 공진화에 관한 연구이다. 영국과 베트남 연구진은 기생충을 가지고 있는 어린이들이 알레르기 발생률이 매우 낮은 것을 파악하고, 이들에게 구충제로 기생충을 제거한 결과 집먼지진드기에 대한 알레르기가 급격히 증가한 것으로 나타났다. 연구진은 기생충이 수백만 년 동안 인간과 공진화하면서 인체의 면역반응을 무디게 해 더 오래 살아남는 방법을 터득하였기 때문에, 몸 안에 기생충이 없어지면 면역체계가 균형을 잃으면서 알레르기가 발생할 수 있다는 것으로 보고 있다.

이는 기업이나 사회에서 급진적인 개혁이 예상하지 못한 결과를 초래하는 점을 깊이 고려하여야 한다는 점을 상기시켜준다. 2006년 나이키는 축구공을 만드는 과정에서 인도 어린이들의 노동을 착취한다는 비난에 직면하였다. 이후 나이키는 수제 축구공을 하청생산하던 인도의 사가 스포츠가 노동시간과 근로 환경 기준 등을 지키지 않았다는 이유로 계약을 종료시켰다. 사가의 형편없는 경영으로 나이키가 어린이 노동과 다른 노동위반 행위와 관련 있는 기업처럼 인식되는 점에 대한 부담이었다. 사가 스포츠 노동력의 70%가 나이키 제품 생산을 위해 고용되었기 때문에 나이키와의 계약 종료는 이 어린이들에게 더 어려운 환경에 놓이게 만드는 결과를 초래하였다.


니스벳(Nisbett)과 코헨(Kohen)은 미국의 남부 지역이 북부보다 폭력적인 이유를 사례로 문화가 유전자에 미친 영향을 설명하였다. 미국 남부는 이민 초기에 주로 목축업자들이 정착하였고, 목축업의 특성상 서로 멀리 떨어져 살고 있었기 때문에 경찰력 등의 공식적인 보호를 받기 어려웠고, 소유하고 있는 동물이 전 재산이기에 그 재산을 지키기 위하여 어떠한 위험이라도 감수하는 특징을 갖고 있었다고 한다. 그래서 남부사람들은 자신의 재산을 보호하는 일이라든지, 모욕적인 언행에 대항할 때는 기꺼이 폭력을 행사하는 경형을 갖게 되었다고 주장한다. 이러한 ‘명예를 중요시하는 문화(Culture of honor)'로 인하여 자신이나 가족 등에 대한 모욕에 대항하기 위한 범죄가 다른 지역보다 월등히 높게 나타났다. 또한 통제된 상황에서 진행된 실험에서 남부 사람들은 모욕을 당했을 때 북부 사람들에 비해 코르티졸과 테스토스테론 수치가 훨씬 올라가는 것으로 나타나서, 문화가 유전자에 영향을 미친 것을 증명하였다. 이러한 ‘명예를 중요시하는 문화(Culture of honor)'를 충분히 이해하지 못하고 폭력을 감소시키려는 노력은 예상외의 결과를 초래할 가능성을 인지하여야 한다는 것이다.


로버트 보이드(Robert Boyd)와 피터 리처슨(Peter J. Richerson) 교수는 문화를 인류의 진화에 직접적인 영향을 끼치는 생물학적인 개념으로 보고, 유전자의 변형은 심리학적, 동물행동학적 요인뿐 아니라 문화적 환경에 따라서도 영향을 받는다고 보았다. 즉 인간을 개개인이 모인 집단인 개체군으로 보고, 이 개체군의 문화가 다시 그 안의 개개인을 변형하면서 인류가 진화한다고 주장하면서, 인간 행동을 유전적ㆍ문화적ㆍ환경적 원인의 상호 작용으로 설명하였다. 통섭(consilience)'의 주창자로 유명한 사회생물학자 에드워드 윌슨(Edward O. Wilson)은 ‘유전자·문화 공진화 이론(gene-culture coevolution)’을 주장하면서 문화의 단위(모방자)가 의미 기억의 연결점과 그것의 뇌 활동이 빚어낸 산물이라고 말하였다. 인간의 마음이 작용해 만들어진 문화가 인간의 유전자에 새겨지고 인간의 유전자는 다시 인간의 마음을 만들어낸다는 설명이며, 이 과정을 통해 마음도 문화도, 유전자도 진화를 경험한다는 것이다. 즉, 문화적 진화와 생물학적 진화가 서로 피드백 관계로서 공진화한다는 것이다.

 

다양성의 확보를 위한 준비

예측 못한 상황에 대비하기 위하여서는 조직이나 기업내에 다양한 자원을 확보하고 있어야 한다. 경영전략에서는 순혈조직으로 구성된 경영진이 운영하는 기업들은 이질적인 배경을 가진 경영진이 운영하는 기업들보다 변화에 대한 적응을 잘 하지 못하다는 연구 결과가 많다. 이러한 다양성을 확보하는 데, 공진화는 많은 역할을 한다.


지구에 다양한 광물이 존재하는 것도 생명체와 광물간의 공진화 결과로 설명할 수 있다. 태양계 행성이 만들어지던 45억 6천만년 이전에는 겨우 60여 종의 광물만이 존재했지만, 지구 행성이 생긴 뒤 화산 폭발과 물의 작용 등으로 광물의 종류가 수백 종으로 늘어났고, 이후 원시생물이 탄생하고 바다에 조류와 말류가 번창하면서 광합성 작용으로 산소가 배출됐고, 대기 중에 자유산소(O₂)는 금속산화물의 출현을 촉진했다. 조개류가 죽고 나서 쌓이며 생긴 석회 광물도 지구에 흔하게 됐으며, 미생물의 신진대사를 통해 생긴 점토 광물도 지구에서만 볼 수 있는 광물로 자리 잡았다. 특히 20억 년 전 무렵에 지구에 금속산화물을 만들 만큼 충분한 산소가 만들어진 후, 4,200여종인 지금의 상태로 진화해 왔다.


카우프만(Kauffman)은 공진화 원리를 기업과 기업, 혹은 기업과 시장 또는 기업과 소비자 등 개체 수준을 넘어선 집단 범주의 관계를 이해하는 것으로까지 확장되었고, 비생명체인 기술 영역까지 확대하였다. 그는 생명의 기원에서 시작해서 수정난의 형태형성에 이르기까지, 캄브리아기의 대번성에서 기술혁명에 이르기까지 여러 다양한 주제들의 근저에 깔려있는 질서를 보여주면서 공진화 원리를 설명하였다.



자기조직화

'자기조직화는 복잡성 과학의 이론을 토대로 하여 출현한 이론이다.


자기조직화를 행정시스템적 관점에서 바라보면, 자기조직화(self-organization)란 시스템의 구조가 외부로부터의 압력이나 관련이 없이 스스로 혁신적인 방법으로 조직을 꾸려나가는 것을 말한다. 즉, 한 시스템안에 있는 수많은 요소들이 얼기설기 얽혀 상호관계나 복잡한 관계를 통하여 끊임없이 재구성하고 환경에 적응해 나간다.


자기조직화의 대표적인 사례로 일리아 프리고진의 사례를 들 수 있다. 그는 점균류 곰팡이를 관찰하여 자기조직화 이론을 도출해내었는데, 점균류 곰팡이는 영양분이 모자라게 되면 서로 신호를 보내어 수만 마리가 일제히 요동을 시작하여 한 곳에 모여 어떤 수준에 도달하게 되면 그들은 응집 덩어리를 형성하고 하나의 유기체가 되어 기어다니며 영양을 섭취한다. 이 후에, 환경이 다시 나아지면 다시 흩어져서 단세포 생물의 자리로 돌아가는 것이다. 이처럼 자기조직화 이론은 과학적인 측면에서 뿐만 아니라 혁신을 주도하는 세계의 흐름속에서 주목 받는 이론이라고 정의할 수 있다.



동물행동학의 근원은 유전자에 있다

윌슨의 가장 주목할 만한 이론 중의 하나는 많은 동물 집단에서 관찰할 수 있는 이타적 행위조차도 자연선택의 과정을 통해 진화되었을 것이라는 제안이었다. 다윈의 진화 이론에 의하면 자연선택은 각각의 생물 개체에 작용하여 그 개체로 하여금 생식의 기회를 증가시키는 육체적․행동적 특징들을 발전시키도록 하는 원동력이다. 따라서 한 생물체가 자신이 속해 있는 집단을 구하기 위해서 스스로를 희생하는 이타적 행위는 자연선택과 양립할 수 없는 것으로 간주되었다. 그렇지만 윌슨은 그런 이타적 행위들이 사실상 서로 밀접한 혈연관계를 맺고 있는 동물 집단 속에서만 나타난다는 점에 주목하였다. 그래서 비록 자신은 죽지만 결과적으로 자신과 동일한 유전자를 공유하는 다른 개체들에게 보다 많은 생존의 기회를 부여한다는 점을 간파했다. 동물들의 이타적 행위도 진화적 입장에서 본다면  결국 후손들에게 더 많은 자신의 유전자를 전달하기 위한 고도의 전략적 행위라는 것이다. 윌슨은 진화의 전략이 개체보존이 아닌 유전자 보존에 있다는 사실을 적시했다.


사회생물학에서는 우리 인간을 비롯한 모든 동물들의 사회적 행동이 진화의 과정에서 자연선택을 통해서 자연스럽게 확립되었다고 주장한다. 그리고 이런 사회적 행동의 대부분은 각 개체들에 내장된 유전자들에 의해서 통제된다고 설명한다. 다시 말해서, 개미들이 여왕개미를 중심으로 엄격한 위계질서를 구축하고 고도의 분업 체제를 유지하는 것이나 대부분의 동물들이 자식을 끔찍이 사랑하는 행위나 최고의 배우자를 차지하기 위해서 수컷끼리 생명을 걸고 혈투를 하는 행동 등이 모두 그 내면에는 자신이 소유하는 유전자를 보다 많이 후대에 전달하기 위한 전략전술에 다름아니라는 것이다.


사회생물학이 등장한 이래 1970년대를 거치면서 사회적으로 커다란 물의를 일으켰던 이유는 분명하다. (1975년 이후 30년 동안 사회생물학을 주제로 해서 발간된 책만 해도 수백 권을 간단히 뛰어넘는다.) 우리 인간도 동물계의 일원인 분명한 바, 인간이라고 해서 사회생물학이 제시하는 이론에서 자유로울 수는 결코 없을 것이기 때문이었다. 따라서 사회생물학은 불가피하게 인간 본성에 대한 논쟁을 유발하게 되었는데, 이런 논쟁의 중심에 선 연구자의 입장에서 윌슨은 1978년 또 한번 화제의 책 <인간본성에 대하여(On Human Nature)>를 내아서 전세계적으로 주목을 받게 된다. 이 책의 발간으로 윌슨은 처음으로 퓰리처상 수상의 영예를 안았다. 그의 두 번째 퓰리처상 수상은 1990년 <개미들(The Ants)>의 출간으로 이루어졌다.



인간행동 역시 결국은 진화의 산물이다

<사회생물학>과 <인간본성에 대하여>라는 두 책에서 윌슨은 일관된 입장을 피력한다. 인간은 행동과 사회 구조를 획득하는 성향을 유전에 의해서 조상으로부터 물려받는데 이런 성향은 말하자면 대개의 사람들이 공유하는 인간의 본성이라고 할 수 있다. 인간의 특성에는 남녀간의 분업, 부모자식간의 유대, 가까운 친척들에게 행하는 고도의 이타성, 근친상간 기피, 여러 다양한 윤리적 행동들, 이방인에 대한 의심, 부족주의, 집단내 순위제, 남성 지배 등이 포함된다. 사람들은 비록 자유의지를 가지고 자신의 행동을 결정하는 선택을 행사하지만 이런 결정에 관계하는 심리적 발달의 경로는 비록 우리 자신이 아무리 다른 길로 들어서고자 발버둥을 친다고 해도 우리 몸 속에 깃들어있는 유전자들에 의해서 어떤 일정한 방향을 지향할 수밖에 없도록 한다는 것이 윌슨의 주장이다.


윌슨에 따르면 인류 문화가 제아무리 다양하다고 해도 결국은 이런 특성을 향해 부득이 수렴되는 것이 당연하다. 예를 들어서 서울 도심에 사는 사람이나 남태평양의 원시부족의 일원이나를 막론하고 설령 그들이 수만 년을 격리되어 있었다고 해도 선조로부터 물려받은 공통적인 유전자들로 인해서 서로를 이해할 수 있게 된다. 


인간본성에 대한 이런 윌슨의 관점은 1970년대의 시대조류에서 볼 때 대단히 예외적인 관점이었다. 사실상 서구사회에서는 20세기 내내 천성인가 양육인가 하는 논쟁이 끊이지 않았는데 당시에는 양육론이 승리를 거둔 것처럼 보였다. 그런 와중에 제기된 윌슨의 사회생물학은 천성론에 더할 수 없는 힘을 실어주게 되었는데, 이 논쟁은 지금까지도 곧잘 과학논쟁의 주제가 되곤 한다.

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슈퍼잡초  강력한 제초제에도 내성을 가진 명아주가 콩밭에서 웃자란 모습. 

사진=아칸소대 농학부 제공


제초제 듣지 않는 ‘슈퍼 잡초’ 미국 곡창지대 위협  

  

미국의 주요 곡창지대에서 제초제가 듣지 않는 ‘슈퍼 잡초’가 빠르게 확산돼 농업 생산을 위협하고 있다.

 

로이터는 10일 워싱턴에서 열린 잡초 전문가 회의 내용을 인용, 초강력 잡초가 미국 농경지를 장악하고 있으며, 식량 생산을 보호하기 위해 제초제에만 의존하는 관행을 바꿔야 한다고 전했다.

 

제초제에 내성을 지닌 초강력 잡초는 농경지 1200만 에이커를 덮으며, 미국 남동부 농업지대와 중서부 옥수수와 콩 재배지에 피해를 입히고 있다. 심한 경우 잡초가 2m 가까이 자라 작물을 말려 죽인다.

 

슈퍼 잡초는 일반적인 제초제뿐 아니라 미국의 다국적 농업회사 몬산토가 개발한 초강력 제초제 ‘라운드업’에도 내성을 지녔다. 라운드업은 잡초 종류에 상관없이 광범위하게 사용되는 농약으로, 특히 이 제초제에 죽지 않도록 유전자 조작을 거친 작물 ‘라운드업 레디’와 함께 미국 대부분 농가가 사용해 왔다.

 

회의에 참석한 전문가들은 장기간 제초제에만 의존한 점을 비판하며 땅을 갈아엎거나, 잡초 성장을 억제하는 피복작물을 재배하는 등 재래식 잡초 제거 방식을 제안했다. 하지만 제초제 살포에 비해 비용이 많이 든다는 점 때문에 대안을 찾기가 어려운 상황이다.

 

한편, 매리언 네슬(Marion Nestle) 뉴욕대 교수는 슈퍼 잡초는 유전자변형(GM) 식품을 허가한 1990년대 초부터 예견됐던 것이라고 꼬집었다. 네슬 교수는 미 시사지 애틀랜틱에서 당시 라운드업에 내성을 지닌 GM 작물을 광범위하게 심을 경우, 이 제초제에 내성을 지닌 슈퍼 잡초가 생겨날 가능성이 높다는 비판이 있었다고 밝혔다.

 

네슬 교수에 따르면 2004년 후반 라운드업에 내성을 지닌 잡초가 조지아州의 GM 작물 재배지에서 나타나기 시작했고 곧 다른 남부주로 확산됐다고 한다.

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저는 만화를 좋아하는 편이 아닙니다. 전 대부분 만화들이 재밌지 않고 이상하다고 생각합니다. 하지만 '뉴요커' 에서 그린 이 만화는 좋아합니다.


(내용: 절대 새로운 생각은 하지 말아라) (웃음)


여기서 남자는 고양이한테 말하고 있어요. 감히 다른 생각을 하지 마라. 저는 저 고양이였던 것 같아요. 저는 항상 새로운 사고를 하고 싶어했어요, 아마 제가 이 분야에서, 화학자나 박테리아 유전학자와는 다른 배경을 가지고 있기 때문일 거에요. 그래서 사람들은 저에게 제가 왜 그러든 제가 누구든 제가 말하는 암의 원인이 말도 안된다고 말했어요.


그럼 제가 그것에 대해 왜 그렇게 생각하는지 말해볼게요. 이야기를 시작하면서, 먼저 이미 생물을 어느 정도 알고 계시는 분에게 죄송하지만, 일단 굉장히 간단하게 발생 생물학에 대해 알려드리고자 합니다. 당신의 어머니와 아버지가 만났을 때, 약간의 변이가 있는 둥그런 수정란이 되지요 이것이 자라고 자라서 이렇게 잘 생긴 남자를 만드는거죠.


(박수)


이 남자는 그의 몸 속의 모든 세포가 같은

 유전자 정보를 가지고 있어요, 그러면 어떻게 해서 그의 코가 그의 코가 되고, 그의 팔꿈치가 그대로 팔꿈치가 될까요? 왜 어느 날 아침 갑자기, 그의 코가 발로 변하지 않은 채로요? 그럴 수 있어요. 같은 유전적 정보를 가지고 있으니까요. 


여러분들 모두 돌리를 기억하실 겁니다. 돌리는 하나의 유선세포에서 왔어요. 왜 그렇게 되지 않는 걸까요? 그의 몸 속에는 얼마나 많은 세포가 있을지 추측해보세요. 한 10조에서 70조 사이의 세포가 그의 몸 속에 있어요. 조라니! 그러면 어떻게 이 세포들이 같은 유전적 내용을 가지고 조직을 형성했을까요? 여러분들이 몸 속에 있는 세포의 위대함을 생각을 하면 제가 앞서 제기했던 문제가 더 흥미로워질겁니다.


현재 가장 우세한 암에 대한 이론에 의하면 한 암세포 안에 하나의 종양 유전자가 있고 그 종양 유전자가 암환자를 만드는 것 입니다. 저한테는 이것이 말도 안된다고 생각해요. 여러분은 조가 어떻게 보이는지 아시는 지요? 봅시다. 보면 0 다음에 계속 또 0 이 이어지네요.

만약 이 세포들 중 0.01%의 세포가 돌연변이가 되고, 0.001%가 암이 있다면, 당신은 암 덩어리가 될거에요. 당신은 암세포로 뒤덮여 있을 거에요. 그런데 그렇지 않잖아요. 왜그럴까요?


저는 여러해 동안 여러 실험들을 하면서 그 원인이 내용물과 구조라는 것으로 결론 내렸습니다.


이 사실을 보여줄 수 있었던 몇몇 중요한 실험들에 대해 간단히 얘기해볼게요. 저는 이 바이러스를 연구했고, 그 바이러스는 닭 내부에서 못생긴 종양을 만들었어요. 라우스가 이 바이러스를 1911년에 발견했지요. 이것은 처음으로 발견한 암 바이러스였고, 그 걸 제가 :"암유전자"를 뜻하는 "종양유전자"라고 부르게 된 것이죠. 그는 여과된 액체를 얻어냈어요. 그는 필터에 종양을 여과시켜서 얻어냈죠. 그는 이것을 다른 닭에 주입시켰고 또 다른 종양을 얻어냈습니다.


과학자들은 매우 흥분했죠. 그리고 그들은 하나의 종양유전자가 그런 결과를 초래할 수 있다고 말했습니다. 하나의 종양유전자면 된다고요. 그래서 그들은 닭의 세포들을 배양조직에 넣고, 그 위에 바이러스를 넣었어요. 양이 많아지면, 과학자들은 어느 것이 종양이고 어느 것이 정상인지 판별하겠죠.


다시 말하자면 저는 이게 말이 안된다고 생각해요. 다양한 이유로, 우리는 종양 유전자를 파란 표시기에 부착시킨 다음 종양 유전자를 닭의 배아에 투입했습니다. 보세요. 저건 배아 속에 있는 아름다운 날개에요. 저 파란 세포 하나 하나가 한 암세포 안에 있는 암 유전자고, 그 유전자들이 저 날개의 일부분입니다. 그래서 우리가 저 날개를 분해해서 접시위에 놓으면, 파란 세포 덩어리를 볼 수 있습니다. 그래서 닭에서는 종양을 얻을 수 있는 반면, 배아에서는 그렇지 않아요. 하지만 배아를 분해해서 접시 위에 놓으면 또 다른 종양을 볼 수 있어요. 무슨 의미일까요? 이것은 미세 환경과 세포들을 둘러싸고 있는 내용물이 사실은 암유전자와 암세포에게 무엇을 해야하는지 알려주고 있는 겁니다.


이제 일상적인 에를 들어볼게요. 한 번 인간의 유선에 대해 말해 보도록 하죠. 저는 유방암을 연구합니다. 여기 인간 유방 사진이 있는데요. 많은 사람들이 유방이 어떻게 생겼는지는 알지만 유방 안에 대해서는 잘 모르죠. 그 안에는 예쁘게 자라고 있는 나무 모양의 구조들이 있습니다. acinus라 부르는 유선이 있는데 선방은 유방 속에 있는 미세한 튜브로 아이가 젖을 빨 때, 선방을 통해 젖이 젖꼭지까지 이동을 합니다. 우리는 선방 약간을 가지고 실험을 하고자 결정했습니다.


우리는 아릅답다고 말하죠. 아 예쁜 구조를 보세요. 우리는 이 구조를 만들고 싶고, 질문을 했죠. 어떻게 세포가 저런 걸 할까? 여러분들 사진을 보면, 빨간 세포들 주위로 파란 세포들이 둘러져 있고, 다른 세포들이 빨간색과 다른 세포들을 쥐고 있고 그 뒤에는 사람들이 보통 비활성이라고 생각하는 물질이 있어요. 그리고 그 물질은 모양을 유지하기 위해 구조를 갖추고 있어요. 수 년전에 우리는 우선 전자현미경으로 그 사진을 찍었습니다. 여기 꽤 예쁜 한 세포가 있는데 이 세포는 밑부분이 있고, 윗부분이 있어요. 이것은 많은 양의 젖를 분비하고 있습니다. 왜냐하면 이 세포는 임신 초기의 쥐의 세포이기 때문이죠.


이 세포들을 접시위에 올려놓으면 3일 내로 저렇게 됩니다. 그들은 완전히 잊어버렸어요. 그 세포들을 꺼내서 접시위에 두면 젖을 만들지 못해요. 완전히 잊은거죠. 예를 들어, 왼쪽에는 노란색의 우유방울이 있는 반면, 오른쪽에는 하나도 없어요. 세포핵을 보세요. 왼쪽에는 세포핵이 동물 안에 있지만 오른쪽은 세포핵이 접시에 있어요. 그 둘은 서로 완전히 다른 겁니다.


이것이 무엇을 시사할까요? 이것 역시 내용물이 더 중요하다는 것을 말해줍니다. 다른 내용물에서, 세포들은 다른 일을 한다는 겁니다. 그러면 내용물은 신호를 어떻게 보낼까요? 그래서 아인슈타인이 "처음 보기에 이상해 보이지 않는 아이디어에는 희망이 없다"고 말했습니다. 여러분들은 제가 얼마나 반대를 받았는지 상상이 되실 거에요. 그래서 연구비를 받을 수 없었고 다른 많은 것들을 할 수 없었어요. 하지만 일이 잘 풀려서 다행입니다.


우리는 마우스의 유선의 단면 샘플을 만들었죠. 그리고 그 모든 선방들이 저기 있어요. 주변에 붉은 세포로 둘러싸인 이것들 각각은 acinus 에요. 우리가 그랬죠. 좋아, '이걸로 시도해서 만들어보자.' 저는 사람들이 그저 구조적인 교수대라고 생각하는 선방 주위의 빨간 세포들이 아마도 정보를 가지고 있을지도 모른다고 생각했습니다. 아마도 세포들에게나 세포핵에게 무엇을 하라고 말할 수도 있겠죠. 제가 말했듯이 ECM이라 불리우는 세포외 기질들이 세포들에게 무엇을 해야하는지 신호를 보냅니다.


우리는 저렇게 보이는 것을 만들기로 결정을 내렸었죠. 우리는 그 안에 알맞은 세포외 기질이 있는 부드러운 재료를 찾았고, 우리는 그 재료 안에 세포들을 4일동안 넣었습니다. 그랬더니 그들은 재조직되었습니다. 오른쪽은, 우리가 배양균조직에서 만들 수 있는 것입니다. 왼쪽에 있는 것은 동물 내부에 있는 걸로, vivo라 불리는 겁니다. 배양균안에 있는 것은 우유로 가득 차 있었고, 저 빨간세포는 우유로 가득 차 있어요. 우리는 미국 청중들을 위해 우유를 얻어냈어요. 그럼, 여기 아름다운 인간 세포가 있는데 여러분들은 역시 여기서도 내용물이 중요한 역할을 한다고 추측할 수 있을 거에요.


그럼 우리는 무엇을 했을까요? 저는 급진적인 가설을 세웠어요. 저는 만약 구조가 우세하다면, 암세포로 복귀시키는 구조는 암세포가 자신을 정상세포로 생각하도록 해야한다고 주장하죠. 할 수 있을까? 그래서 시도해보았죠. 그렇게 하기위해서는, 우리는 악성세포로부터 정상세포를 구분할 수 있는 방법이 필요했습니다. 왼쪽에 있는 것은 인간 유방에 있는 한 개의 정상세포인데 세포를 세포외 기질이 있는 삼차원의 부드러운 젤에 넣으면 이렇게 아름다운 구조를 만들어냅니다. 오른쪽에는, 매우 못생긴 세포들이 계속 자라고 정상 세포가 멈춰있는 걸 볼 수 있어요. 더 확대된 사진에서는 정상 선방과 못생긴 종양을 보실 수 있어요.


우리는 이 못생긴 종양들의 표면 위에 무엇이 있을지 궁금해했어요. 암세포가 미친듯이 신호를 보내고 그들의 경로가 모든 것을 망가트리는데, 우리가 그들을 진정시키고 정상 수준으로 만들수 있을까? 이 실험은 멋졌어요. 절 놀라게 했죠. 이것이 우리가 얻어낸 결과입니다. 우리가 악성 형태를 정상으로 되돌아가게 했어요.


(박수)


제가 실험할 때, 악성 형태 하나만 가지고 하지 않았다는 것을 보여드리기 위해 여기 짧은 영상이 있습니다. 왼쪽에는 모든게 악성세포들이고, 처음에 악성세포들 사이에 하나의 침입자 세포를 넣었습니다. 무슨 일이 일어났는지 보세요. 그들이 다 똑같이 됐어요. 우리는 그 오른쪽에 있는 세포들을 쥐에 주입시켰어요 아무 것도 종양을 만들지 않았어요, 그러나 다른 세포 것들을 넣었더니 결과는 100퍼센트 종양이 생겼죠.


이것은 암에 대한 새로운 생각이자, 희망적인 생각이에요. 우리는 이러한 수준에서 암에 대한 것들을 다룰 수 있어야하고, 이 결론들은 성장과 악성적인 행동은 세포 조직 수준에 제한된다는 것을 말합니다. 그리고 세포 조직은 세포외기질과 미세 환경에 의존적입니다. 즉, 이렇게 해서 형태와 기능은 역동적으로 상호작용하는 것입니다. 그러면 여기서 다시 5 초만 쉬어가보죠. 형태와 기능이죠.


그리고 물론, 우리가 지금 어디로 가고 있는지 의문을 갖죠. 이런 식의 사고 방법을 임상에 적용하고 싶습니다. 그렇게 하기 전에, 저는 여러분들이 앉아있는 시간 동안 70조의 세포에서 세포외 기질이 핵한테 신호를 보내고 있고, 반대로 핵은 세포외 기질한테 신호를 보내고 있다는 것을 유념하시기 바랍니다. 그런 원리로 신체 균형이 유지되고 복구되는 것이지요.


우리는 많은 발견을 이룩해 왔어요. 우리는 세포외 기질이 염색체에 신호를 보낸다는 것을 밝혀냈어요. 또, 우리는 유선의 특정 유전자들에 있는 약간의 DNA가 실제로는 세포외 기질에 반응한다는 것도 밝혀냈어요. 이렇게 하는데 많은 시간이 걸렸지만 매우 성공적이었습니다.


다음 슬라이드로 넘기기 전에, 저는 더 많은 발견이 이루어질 것이라고 말하고 싶습니다. 우리가 모르는 미스테리들이 많이 남아있어요. 그래서 저는 학생들과 포스트 닥터 과정중인 학생한테 자만은 호기심을 죽이기 때문에 자만해지지 말라고 항상 말해요. 호기심과 열정. 여러분들은 무엇을 더 찾을수 있을지 항상 생각하셔야됩니다. 아마 제 발견에 더 덧붙여야 될 것이나 변경되야 할 것도 생각해봐야겠죠.


우리는 이제 놀라운 발견을 했습니다. 제 연구실에 있는 물리학 포스트 닥터 과정생이 저에게 물었어요. 세포를 넣으면 이 세포들이 무엇을 하죠? 세포가 뭔가를 한다면 초기에는 무엇을 하죠? 저는 모른다고 했어요. 우리는 그들을 볼 수 없으니까요. 옛날에는 확대된 이미지들이 없었어요. 그래서 영상 전문가이자 물리학자인 그녀는 놀라운 일을 해냈어요. 이것은 삼차원으로 표현된 인간의 유방세포에요. 보세요. 세포는 계속 움직이고 있어요. 그 움직임에 일관성이 있고요. 거기에, 암 세포를 넣자, 여기저리로 퍼져나가거나 그들은 이런 건 하고, 또 그들은 이런 것은 하지 않습니다. 우리가 암세포를 복구시킬 때도, 세포는 다시 이렇게 하고 있어요. 정말 저를 놀라게 했어요. 그러니까 세포가 배아처럼 움직이는 거에요.굉장히 재밌는 거에요. <--- 이부분이 세포가 회전하는 영상.


저는 제 강연을 시 한편으로 마무리 지으려합니다. 저는 영문학을 좋아 했고 대학시절때 토론을 했었죠. 어느 것을 내가 해야할지를 두고요. 불행인지 다행인지, 화학이 이겼답니다. 아무튼 여기 예이츠의 시가 있는데 제가 마지막 두 줄을 읊겠습니다. "학교 아이들 사이에서" 라는 시입니다. "음악에 흔들리는 몸이여/반짝이는 시선이여/ 어떻게 우리가 무용수와 춤을 구분할 수 있겠는가?" 여기 머스 커닝햄인데, 제가 더 어렸을 때 그와 춤을 추게 되서 운이 참 좋았어요. 그는 무용수고, 그가 춤을 추는 동안, 그는 무용수이자 춤이에요. 그가 멈출때면, 아무 것도 없습니다. 형태와 기능같은 거에요.


제 그룹의 현재 사진을 보여드릴게요. 저한테 이렇게 훌륭한 학생들과 저게 많은 가르침을 주었던 포스트 닥터 과정에 있는 사람들, 그리고 그룹들 중 많은 사람들과 함께 있어 운이 좋았습니다. 그들은 미래고 저는 그들에게 고양이가 되는 것과 "다른 생각 말아라"라는 말을 듣는 것을 두려워 하지 말라고 합니다.


저는 이 얘기를 하고 강연을 마칠까합니다. 왼쪽 사진은 나사 위성으로 찍은 건데 물이 해변가로 흘러드는 것입니다. 오른쪽 사진은 산호입니다. 만약 당신이 유선을 가지고 이것을 퍼뜨린 다음 지방을 빼내면, 접시위에서는 이렇게 보입니다. 그들은 똑같이 보입니까? 그들은 같은 패턴을 가졌나요? 왜 자연은 그런 것을 끊임없이 할까?


저는 여러분들에게 우리는 유전자 게놈을 분석했고, 유전자의 서열에 대한 모든 것을 알고 있어요. 우리는 유전자의 연속체와 유전자의 언어와 유전자의 알파벳에 대해서도 모든 것을 알고 있습니다. 하지만 우리는 언어와 알파벳 구조에 대해 아는 게 전혀 없습니다. 결국, 이것은 멋진 새로운 시각이고, 발견한다는 것은 젊은이와 저같이 열정적인 노인한테 훌륭한 일입니다.


그러니까 힘차게 하세요!


(박수)


세포외기질_위키백과

생물학에서 세포외기질(extracellular matrix)은 주로 동물의 구조적 지지등을 담당하는 조직이다. 세포외기질은 동물의 결합 조직에 속한다.

세포외기질은 세포 사이의 기질과 기저막으로 구성된다. 세포 사이의 기질은 여러 세포들 사이의 공간을 채우는 기질이다. 다당류로 이루어진 겔과 단백질 섬유가 세포 사이에 채워져 있어 세포외기질의 완충 작용을 돕는다. 기저막은 얇은 종이처럼 구성되어 있으며, 그 위에 상피조직이 위치한다.



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"내가 상 받는 거 인터넷 보고 알았다!"

올해의 노벨 화학상을 수여받은 미국 과학자 마틴 챌피(Martin Chalfie) 美 콜롬비아大 생물학 교수가 기자회견을 통해 자신의 수상소감을 밝히며 노벨상 수상 소식을 인터넷으로 알게 됐다고 말했다.

발표 당일 수상 소식을 알리는 전화를 받지 못했다는 챌피 교수는 "사실 며칠 전에 전화기 벨소리를 바꿔서 적응이 안됐다. 그래서 아침에 일어나니 어디선가 전화벨이 울리는 거 같았는데 옆집 전화 소리인줄 알았다"며 "한참이 지나도 전화를 안받길래 약간 짜증이 나기도 했다"고 너스레를 떨었다.

"벨소리에 잠이 깨고 나서 오늘 노벨 화학상 발표가 있다는 게 생각나 올해는 어떤 얼간이(schmuck)가 상을 탔나 궁금해서 인터넷 창을 열었더니... 그 '얼간이'가 나라는 사실을 알게 됐다"며 웃었다.

올해 노벨 화학상의 영예는 챌피 교수를 포함해 미국 과학자 로저 첸(Roger Tsien), 일본 과학자 시모무라 오사무(Osamu Shimomura)가 공동 수상했다. 이들은 해파리에서 발견한 '녹색형광단백질(GEP, Green Fluorescent Protein)'을 생물학 분야에 도입해 유전자 연구에 큰 공헌을 한 업적을 인정받아 노벨상의 영예를 안게 됐다. GEP의 발견은 의학 및 생물학계에 있어 '혁명적'이라 일컬어지고 있다.

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