Chapter 5 생명의 기원
5.1 생명을 보는 두 가지 관점☞Refer to p190
• 생물(Living Things, Living Organism); 과학적인 용어로 완벽하게 정의할 수 없으나, 그 특성에 대해서는 다음과 같이 언급할 수 있다 1) 조직적(Organic), 2) 물질대사(신진대사, Metabolism), 3) 생장(Growth & Development), 4) 번식(Reproduction)
• 생물의 종류
1) 동물(Animal), 2) 식물(Plant), 3) 미생물(Microorganism)
• 생명의 기원에 대한 이론
1) 창조론(Creation), 2) 진화론(Evolution)
. 두 가지 이론 모두 생명의 기원을 완벽하게 과학적으로 증명할 수 없는 불완전한 이론이며, 따라서 생명의 기원의 문제는 실험 과학적 증명의 대상이 아니다
. 일반적으로 자연의 법칙은 규칙적, 반복적으로 발생하는 현상을 연구 대상으로 삼는데 반해 생명의 기원은 우리가 알지 못하는 과거의 시간에 단 한번 발생한 유일한 역사적 사건
5.1.1 창조론적 관점
• 처음부터 생물이 초자연적 지혜(Supernatural Intelligence)와 설계(Design)에 의해 완전하게 지어졌다 . 엄격한 유전학적 질서(Genetic Order) 의 유지
변이(Modification)와 다양성은 존재하지만, 유전학적 한계 내에서 안정된 질서를 가지고 번식하며, 환경에 따라 단 시간 내에 쉽게 변화하지 않는다
5.1.2 진화론적 관점
• 생명의 기원을 우발적인 사건으로 보는 관점
. 우발적이고 무작위적 반응(Random Reaction)으로 무기물이 간단한 조직의 하등동물로 진화(Evolution), 다시 시간의 경과에 따라 기능과 형태가 환경에 맞게 진화하여 고등동물로 진화하였다고 보는 관점
. 진화를 일단 가정, 진화의 과정과 요인에 대해 여러 학자들에 의해 역사적으로 다양한 이론과 가설이 제시됨☞Read p193-194, Refer to the Table in p195
• 화학적 진화(Chemical Evolution) -> 생물학적 진화(Biological Evolution) 5.2.1 Oparin-Haldane 가설
• CH4, H2, H2O, NH3, Ne, Ar 등의 기체 ---> 간단한 유기물 ---> 교질(Colloid) 상태 ---> Coacervate*---> 초기 원시 생물 (환원성 원시 대기)
*Coacervate: 단백질 등의 Colloid 입자가 결합하여 주위의 매질(Solvent)과 명확한 경계를 이루어 분리 독립한 입상(粒狀)구조
5.2.2 Miller와 Fox의 실험
• Uray와 Miller의 실험(1953, Oparin’s Hypothesis)
. 원시의 환원성 대기(가정)를 이용한 방전 실험 (☞ 그림 5.1 in p199)으로 여러가지 Amino Acid와 핵산의 성분인 유기물을 얻을 수 있음을 증명, Oparin의 가설을 뒷받침 문제점]
1) 원시의 대기가 위와 같은 환원성 대기라는 것을 증명할 수 없음 (단지 가설일 따름), 오히려 원시의 대기는 산화성 (CO2, N2등)이었을 가능성이 더 높게 제시됨 2) 이 같은 실험에서는 단백질 합성에 필요한 L-Amino Acid뿐만 아니라 생명 합성에 불필요하거나 방해가 되는 D-Amino Acid도 함께 생긴다
• Fox의 실험(1959, Microsphere설)
. 원시의 대기에서 비교적 복잡한 구조의 유기분자가 생성되는 Model을 제시 . Energy의 원천은 화산 폭발 시 생성되는 용암에서 발생하는 열
. L-Amino Acid를 혼합, 150~180°C로 4~6시간 가열, 고분자 단백질(Proteinoid) 합성에 성공, 생성물을 온수에 용해, 냉각시켜 직경 2 mm의 작은 입자를 얻었는데 이를 Microsphere 라고 불렀음
. Microsphere 실험이 단백질은 물론 세포와 유사한 것이 자연발생적으로 합성될 수 있는 Model이라고 제안 문제점]
1) Amino 산 생성/Proteinoid 합성/Microsphere 생성의 일련의 반응들이 물의 존재가 있거나 없어야 하는 정반대 상황의 연속 -> 확률적으로 어려운 환경 변화를 필요로 함 2) Proteinoid의 생성이 가능하더라도 그 농도가 매우 낮으며, L-Amino Acid만으로 이루어진 Proteinoid는 저절로 합성되지 않음
3) 온도가 높거나, 반응 시간이 길어지면 Amino Acid의 중합 반응보다는 분해(파괴) 반응이 일어남
자외선, 공중 방전에 의한 Energy 흡수 빗물에 용해 이종 교질간 반응 성장
5.2 생물 진화론에 대한 과학적 고찰(계속) 5.2.2 Miller와 Fox의 실험(계속)
• 화학적 진화와 열역학 제2 법칙☞Refer to 그림 5.4 in p203, Refer to p38, p201
화학적 진화의 가설은 계(System)가 안정된 상태로 가기 위해서 Entropy(혼란도, 무질서도)가 증가한다는 열역학 제2 법칙에 위배 (The 2nd Law of Thermodynamics)
• 화학적 진화와 질량 작용의 법칙(Law of Mass Action)
. 간단한 유기 분자(Monomer)가 단백질과 같은 중합체(Polymer)가 되는 단백질 생성 반응과 반응 환경
Amino Acid A+ Amino Acid B↔ 단백질 (Protein) + 물
Amino 산의 조합에 의해 더 진화된 단계의 새로운 단백질이 생성되는 반응의 방향성 관점에서 보면 위의 반응은 물을 생성하는 방향으로 진행하므로 Oparin 등이 제안한 것처럼 물이 있는 환경에서 단백질이 만들어진다면 역반응 (단백질의 생성 반응이 아닌 분해 반응)이 진행된다
. DNA나 RNA가 생성되는 반응도 위의 반응 환경과 마찬가지이므로 자연적으로는 유기물 중합 반응이 이루어지지 않는다 . 무생물에서 생물이 진화되는 화학 진화론은 열역학적으로나 질량 작용의 법칙에 위배
5.2.3 Darwin의 진화론
• 저서 “종의 기원(The Origin of Species)“을 통해 생물이 오랜 세월에 걸쳐자연 도태(Natural Selection, 혹은적자 생존= Survival of the Fittest)을 통해 진화되었다고 주장 . 7가지 기본 가정
1) 생물은 무생물로 부터 자연 발생, 2) 생명의 자연 발생은 단 1회 발생, 3) Virus, Bacteria, 식물과 동물은 모두 상호 연관성을 가진다, 4) 후생 동물은 원생 동물에서 나왔다, 5) 여러 무척추 동물은 상호 연관성을 가진다, 6) 척추 동물은 무척추 동물에서 진화, 7) 척추 동물 -> 양서류 -> 파충류 -> 조류나 포유류로 진화
• Mendel의 유전 법칙
. 유전 현상의 원리를 우열, 분리, 독립의 법칙 등을 통해 진화론보다 훨씬 더 과학적으로 설명, 이후 여러가지 학설이 등장
. 이러한 진화의 기구(Mechanism)를 요약하면, 1) 염색체와 유전자의 돌연변이(Mutation), 2) 돌연변이의 결과가 자연선택으로 생존, 격리 현상의 도움으로 진화가 촉진
5.2.4 돌연변이(Mutation)
• 유전자(Gene)의 특징
. 현대에 유전자(Gene)의 구조를 분자 수준까지 해석 가능, 유전 형질(Heriditic Character)을 포함하는 염색체(Chromosome)의 구조에 이상이 생기는 것을 확인
. 유전자는 대단히 안정적이라 생물의 고유 형질을 유지하려는 특성이 있지만, 이 속에 포함된 DNA*는 워낙 긴 사슬 구조이므로 유전자의 정상적 전달이 이루어지지 않는 경우가 발생 (돌연변이)
*DNA(Deoxyribonucleic Acid) 인체 내의 약 1014(100조)개의 각 세포 내에 있는 핵에 존재하는 유전 형질 정보를 가진 이중 나선 사슬(Double Helix) 구조의 물질
☞Refer to 그림 6.14 in p258
. DNA 내의 염기 배열(Base Sequence)과 조성은 종(種)에 따라 다른데, 그 안에 엄청나게 많은 유전 정보를 포함
• 현대의 진화론 (DNA와 이에 관련된 각 종의 염기 서열 등의 정보가 밝혀진 이후의 현대의 진화론)
. 생물의 각 군이 교배를 통해 여러 세대를 지나며 형성하는 유전 물질의 집합 (Gene Pool)을 형성하게 되고, 이 유전자 집합 속의 유전자 빈도(Gene Frequency)의 점진적인 변화를 진화라고 정의
. 한 집단이 유전적 평형 상태 (더 이상 변화하지 않는 안정된 상태)를 유지하여 유전자 빈도가 변하지 않을 때 진화가 멈춘 것으로 본다
. 유전적 평형 파괴 요인, 즉 돌연변이, 자연 선택, 인위 선택, 아주 격리 등이 진화의 요인이 되며, 이것은 유전자 빈도가 형성되어 유전자 집합에 변화가 생겼다고 본다 . 과거 진화론과 배치되는 점은 유전 형질의 변화 요인인 돌연변이에 의해서 생물의 어느 한 종으로 부터 다른 종(예; 파충류 -> 조류)이 생겨나지 않는다는 사실 . 돌연변이는 대부분 해로운 방향으로 나타나며, DNA 교정 장치(Repair System)의 작동으로 변이가 잘 일어나지 않는다
☞Refer to p210-213, Refer to 그림 5.7 in p212
5.2.5 자연 선택(Natural Selection)
• 자연 선택(도태)은 존재하는 형질 중 좋은 것, 강한 것이 환경에 적응하여 살아 남는다는 것이며, 근본적으로 Darwin적 진화 (형질 변화에 의한 새로운 종의 탄생)의 요인이 되지 못한다
• 현대 종합 이론
. 돌연변이와 자연 도태에 근거한 집단 생물학 및 집단 유전학으로 진화론을 설명☞Refer to p214,216
. 발견된 화석을 증거로 오랜 시간에 걸친 자연 선택에 의해 점진적으로 진화가 이루어진다는 것을 주장하는 현대 종합 이론의 맹점; 화석의 Missing Link(빠진 고리)
5.2 생물 진화론에 대한 과학적 고찰(계속)
5.2.6 단속 평형설(Punctuated Equilibrium Theory) ☞Refer to p215-216, 그림 5.8 in p216
5.2.7 유사성☞Refer to p217, 표 5.5 in p218
5.2.8 화석
• 화석(Fossil): 퇴적암 층에 보존되어 있는 생물의 유해나 생활 흔적 . 화석 형성의 조건
1) 생물이 죽어서 부패되기 전 상태로 유지 (물의 흐름으로 진흙이나 모래가 쓸려 내려갈 때 생물의 사체가 같이 내재되어 생성) 2) 생물의 사체나 생활의 흔적을 머금은 퇴적층이 높은 압력과 온도 등의 조건이 오랫동안 유지
. 딱딱하여 변하기 쉽지 않은 치아나 뼈 등이 화석으로 남는 경우가 대부분☞Refer to 그림 5.10 in p220 & 5.12 in p221
• 진화론적 관점 1) 생물 진화의 증거
지층 연대에 따른 화석의 다양성(동물군 천이)을 진화론으로 해석 (고생대 지층에서 발견되는 원시 생물, 신생대 층에서 발견되는 포유 동물의 화석)☞Refer to 표5.6 in p219 실제 발견되는 화석의 존재를 진화론으로 설명하기에는 일관성 부족 (화석과 지층 연대의 불일치) ☞Refer to p219, 너무나 명백한 불연속성과 모순이 존재☞Refer to p214, 215 2) 지층의 융기 현상으로 화석과 지층 연대의 불일치를 설명하기도 하나, 동일 화석이 넓은 면적에 걸쳐 발견되는 경우에 대한 해석에 무리 (대규모 지층 융기 현상이 전제되어야 함)
• 창조론의 관점
1) 화석이 대홍수 등과 같은 천재지변으로 매몰되어 퇴적층 속에 갇힌 후, 압력과 온도 등 화석 생성의 분위기가 적절히 조성되어 상대적으로 짧은 시간 내에 형성 2) 동일 퇴적암 내의 수많은 화석 발견☞Refer to 그림 5.12 in p221
3) 다지층 나무의 화석 (진화론적으로 해석하면 수만 ~ 수십만 년이 걸려야 퇴적되는 두께의 다지층 내에서 발견된 나무의 화석☞Refer to 그림 5.13 in p222 4) 지층 연대에 따른 차이는 바다에 서식하는 어류, 식물과 하등 동물, 고등 동물의 순으로 천재지변을 파하는 기동성의 차이로 설명
5) 발견 화석의 불연속성이나 지층 연대와의 불일치 현상은 물의 흐름에 의한 방향의 변화 등으로 기인한 것으로 설명☞Refer to p219-226
5.2.9 인류의 기원
• 진화론적 견해와 창조론적 견해가 대립, 충돌하는 또 하나의 중요한 연구 분야 . 진화론적 견해: 인간의 물리적, 생리적 상태가 동물과 다를 바 없음
. 창조론적 견해: 동물이 가지는 여러가지 생리학적 유사성 외에 사고, 판단, 부분적 창조의 능력 등 인간 고유의 특성으로 차별화되므로 그 기원은 창조 행위의 결과임
• 진화론☞Read p226 - 236 . 이론적 유추의 대상물은 화석
. 진화의 과정을 유인원(類人猿, Anthropoid e.g. Chimpanzee, Baboon, Orangutan, etc.), 원인류(猿人類, Hominoid) 등으로부터 현세의 인간으로 진화되었다고 봄 . 진화론을 추구하는 인류학자들이 진화를 판단(유인원과 인류의 조상)하는 주요 관점과 근거
1) 치아의 배열, 2) 턱뼈의 모양, 3) 골반의 크기와 배열 상태 (직립 2족 보행의 조건), 3) 엄지 발가락의 놓임 상태, 4) 뇌의 크기 (두개골의 크기와 체중과의 상관관계)
. 화석의 발견과 이에 대한 연구로부터 지금까지 여러 원인류에 대한 연구를 통해 Ramapithecus, Australopithecus Africanus, Australopithecus Afarensis, Australopithecus Robustus, Ziznanthropus Boisei 등 여러 학자에 의해 발견된 화석이 원인류인 것으로 추정하는 다양한 주장과 학설들이 제기되었으나, 그 어느 것도 정설로 자리잡지 못하고 있음 . 지금까지 알려진 바로는 Homo Habilis (손의 사용), Homo Erectus (직립)를 거쳐 현 인류인 Homo Sapiens (지혜, 사고 능력) 등으로 진화한 것으로 추정
• 창조론
. 진화론적 관점이 확정적인 증거가 없어 부분적이거나 불분명한 자료를 바탕으로 진화에 의해 인류가 탄생한 것으로 보는데 대해, 창조론적 관점은 원인류와 인간의 분명한 유전학적 한계, 여러가지 특성의 차이가 창조 이후 처음부터 존재한 것이라고 봄
5.3. 두 Model과 과학 교육☞Read p236 - 238
