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Jan 08. 2023
(39) 눈 먼 시계공, 그리고 눈
눈은 어떻게 진화하였는가?
유일한 시계공은 눈 먼 물리학적 법칙들뿐이다.
-리처드 도킨스, <눈 먼 시계공> 중
생명이 가지는 놀라움
생명은 놀랍기 그지없다. 그것은 돌이나, 인공물과 같은 물건들과는 뚜렷하게 구별되며, 우리는 아직도 생명이 어떻게 작동하는지 완전히 이해하지 못하기 때문이다(미주 1). 그러한 놀라움은 (인간의 지적 호기심에 힘입어) 생명의 기원에 대한 궁금증으로 이어졌고, 이에 대한 제일 '간단한' 해답은 '신이 하셨다' 였다. 어떻게인지는 모르겠지만, 전능한 신적 존재가 그것을 만들었고, 이후에는 생명체의 복제하는 특성을 통하여 유지되었다는 것이다.
이에 대한 논증이 윌리엄 페일리의 시계공 논증인데, 간략하게 소개하면 이런 것이다: "길을 걷다가, 시계를 발견했다고 해 보자. 그 시계는 너무나 복잡하기에, 자연스럽게 부품들이 굴러다니다가 한데 모여서 기능하는 시계가 되었을 리는 없다. 누군가, 그러니까 시계공이 만들었다는 것이 분명하다. 더욱 복잡한 생명체도 마찬가지다. (초자연적/신적인) 누군가가 그것을 만들었을 것이다". (그림 1)
그림 1. 복잡한 기계식 시계. 이 시계는 다양한 기능(컴플리케이션) 을 가지는데, 우리는 그것이 일견 복잡해 보일지라도 톱니의 움직임에 의한 것을 직관으로 안다.잘 알려진 진화생물학자 리처드 도킨스는 이에 대해 이렇게 논박한다: "그렇다, 생명은 시계공에 의해 만들어졌다. 그러나, 그 시계공은 눈 먼blinded 시계공이며, 그 정체는 진화다". 이는 진화 과정이란 어떠한 목적과 설계를 가지고 진행되는 것이 아닌, 닥치는 대로 손에 잡히는 것을 이용해 임기응변으로 문제를 해결하는 땜장이와 같다는 의미를 내포한다(이전 글의 6번 미주 참조)
오늘은, 이 눈 먼 시계공이 어떻게 눈을 만들어 냈는지에 대해 알아보자(나는 이 글을 전략적으로 카메라의 역사를 담은 글 뒤에 배치하였는데, 그 이유는 글의 진행에 따라 살펴볼 수 있을 테다).
진화의 시간을 거슬러
이 과정을 살펴보기 위해 우리는 시간을 거슬러 진화의 방향을 거꾸로 돌려야 한다(미주 2). 눈의 기원을 찾기 위해서, 우리는 무려 37억 년 전으로 거슬러 올라가야 한다. 눈은 커녕, 세포 단 하나로 이루어진 생명체까지 돌아가야 한다. 남세균과 같은 광합성을 하는 자그마한 세균들이 그 주인공이다.
그림 2. 최초의 광합성 생물 남조류. 37억 년 된 화석인 스트로마톨라이트에서도 이들의 모습을 엿볼 수 있다.남세균은 약 37억 년 전 나타난 광합성을 진행하는 생명체다(미주 3). 이들이 광합성을 할 수 있는 이유는, 결국 빛을 받아들여 생명의 화학적 신호로 바꾸어 주는 물질이 존재하기 때문이다. 반대로 말하면, 어떠한 물리 현상을 생명이 사용하는 물리화학적 신호로 변화시키는 물질이 없다면 우리는 그것을 인지할 수 없다는 말과도 같다. 우리가 중성미자나, 중력파나, 전파나 자기장을 감지하지 못하는 이유가 그것이다. 우리는 중성미자나 전파를 우리가 사용하는 화학적 신호로 바꾸는 메커니즘을 가지고 있지 않기 때문이다(중성미자나 중력파를 검출하는 것은 현대 인류의 첨단 공학 기술로도 너무나 어려운 일이다!; (그림 3)). 이것이 바로 레티날과 같은 광수용성 물질들이다. 이러한 물질들은 빛을 만나면 그 구조가 변화함으로써, 빛을 화학적 신호로 전환시키는 역할을 한다. 여기에 옵신이라고 부르는 단백질이 결합함으로써 신호의 전달을 더욱 유연하고 민감하게 만들었으며, 이것이 바로 로돕신이다(우리는 로돕신에 대해 이미 알아본 적이 있다: 1년 전의 글 참조).
그림 3. 일본의 중성미자 검출기인 수퍼 카미오칸데. 5만 리터의 물과 1만 개의 검출기가 지하 1킬로미터 깊이에 위치한다. 우리는 이런 시설 없이는 중성미자를 느낄 수 없다.이러한 광수용성 단백질을 가지고서 생명들은 광합성을 했을 뿐만 아니라, 다양한 곳에 가져다가 땜질하여 응용했다. 예를 들어서 플랑크톤과 같은 작은 생명체들은 빛이 있을 때는 따뜻한 수면으로 올라가 광합성을 하고, 빛이 없는 밤이 되면 가라앉는다. 이러한 빛의 유무에 따른 적절한 반응을 선택하는 데에 이용되던 광수용 단백질들은 그 양이 많아지고, 특정한 세포 또는 방향에 많이 몰리게 되었으며 이런 '광반응성 세포' 들은 빛을 감지하기 위해 한 쪽에 조밀하게 모였다. 일부 편충이나 작은 미생물 따위에서 관찰되는 안점(eyespot)이 생겨난 것이다(그림 4). 이들은 안점을 통해 빛의 유무뿐 아니라 강도와 대략적인 방향을 알 수 있었다. 이것이 생명의 번성에 크나큰 도움이 되었음은 자명하다. 먹이를 보고 쫒을 수 있는 포식자, 포식자의 접근을 보고 도망갈 수 있는 피식자는 그렇지 못한 생명체들보다 월등히 잘 생존하였을 것이다. 심지어 일부 조개류들도 눈이 있다! 이들은 이 눈을 이용해 포식자로부터 도망친다(그림 5).
그림 4. 붉게 보이는 유글레나의 안점. 카로틴 색소 때문에 붉고 주황빛으로 보인다. 이 안점을 통해 빛을 따라가 광합성을 할 수 있다.
그림 5. 가리비의 눈. 가만히 앉아 고착형 생활을 하는 다른 조개들과는 달리 가리비류는 활동적으로 수영하기 때문에 이러한 시각계를 가지며, 독특히 이들은 반사식 눈을 가진다!이렇게 만들어진 안점은 더 많은 빛을 받아들이고, 방향을 특정하기 위하여 넓어지며 속으로 움푹 패여 구덩이와 같은 구조를 이루었다(컵 모양 눈eyecup, (미주 4)). 지속적으로 깊어지며, 보호를 위해 입구는 호리병처럼 좁아지게 되었고, 마치 핀홀과 같은 작은 구멍만을 남기고 입구는 거의 닫혀 버리게 되었다. 우리가 이전 글에서 살펴본 바늘구멍 사진기와 같이 작동하는, 상을 형성하는 능력이 생긴 바늘구멍 눈이 탄생한 것이다(그림 6).
그림 6. 앵무조개의 눈. 이들의 눈은 아주 간단한 구조로, 자그마한 바늘 구멍을 남기고 닫힌 눈 안에 광수용성 세포들이 들어가 망막을 형성한다.이후의 일은 우리가 잘 생각해 볼 수 있다. 이 바늘구멍 안의 모양을 잘 유지하기 위해 탱탱한 물질이나 액체가 차오르게 되었을 것이고, 보호를 위해 표면에 튼튼한 막을 씌웠을 것이다. 이 막은 변형되어 더 높은 해상도를 위하여 둥근 렌즈처럼 변형되었고 결국 빛을 굴절시켜 모아 주는 역할을 하게 되었으며, 근처의 근육은 이 렌즈를 앞뒤로 밀거나 잡아당김으로써 초점을 조절할 수 있게 만들었다(물고기는 근육을 이용해 짜내듯이 렌즈를 밀어내는 식으로 작동하고, 조류나 포유류는 탄력 있는 렌즈를 둥근 근육으로 잡아당겨 조절한다). 카메라 눈camera eye 이 탄생한 것이다. 이 문단을 보며, 카메라의 발달 과정을 대조해 보라(그림 7). 빛에 반응하는 감광성 물질에서 카메라 옵스큐라(핀홀 카메라)로, 렌즈의 도입과 기계 장치를 통한 렌즈식 카메라로 전환된 과정을 비교해 보라. 놀랍도록 비슷한, 수렴하는 일치성을 보여준다(미주 5).
그림 7. 눈의 진화 과정과 대표적인 생물들. 좌측에서 우측으로 갈수록 더 최근에 등장한 눈의 형태다.과거에 대한 추측: 유연 관계와 분자 시계
사실 눈은 대부분 연조직으로 이루어져 있어 화석이 남아있기 어려워 화석으로 발견되는 가장 오래된 연대는 약 6억 년 전이다(그러나 거의 분명히, 그 이전부터 눈은 존재했을 것이다. 화석으로 남지 못한 것일 뿐). 그러나 현존하는 종들로부터의 진화적 유연 관계를 추측함으로써 위와 같은 추론을 해 볼 수 있다. 비유하자면, 모르는 두 사람이 우연일 수 없는 서로 딱 들어맞는 펜던트를 가지고 있다면, 그것을 이용해 이들이 과거의 인연이었던 것을 알 수 있는 것과 같다(그림 8). 구체적인 예시로는, 대부분의 동물들이 갖는 망막은 그 구조가 비슷하지만(들어맞는 펜던트를 가지고 있지만), 그 앞의 수정체는 동물군마다 다르다(펜던트가 다르다)(미주 6). 이와 같은 진화적 유연 관계의 비교를 통하여 우리는 보지 못하는 과거를 추측할 수 있다.
그림 8. 전혀 모르던 두 사람이 정확히 들어맞는 두 장신구 조각을 가지고 있다면, 그들은 과거의 연인이었을 가능성이 높다. 진화적 추론도 그렇다.이는 형태적 특징뿐 아니라 유전자 수준에서도 동일한데, 예를 들어, 인간과 쥐, 초파리까지 수많은 동물들은 동일한 유전자를 가지고 눈을 형성한다((그림 9-10); 초파리에서의 eyeless 유전자, 그와 상동인 인간이나 포유류의 Pax 유전자등이 그들이다. 퀴즈: 그렇다면 이 유전자의이름은 왜 eye 유전자가 아니라 eyeless 유전자인가?(미주 7)).
그림 9. 정상 초파리(좌) 와 눈이 없는 초파리 (우). 이러한 차이는 Eyeless유전자의 돌연변이로 인해 생긴다. 인간도 이 유전자를 직접 읽어들일 수 있게 된 지금, 이 유전자의 변화한 정도를 기반으로 우리는 특정 종과 종이 분화되고 유전자가 변화해온 것을 추적할 수 있게 되었다. 앞서 이용한 펜던트 비유를 그대로 사용하자면, 잘 들어맞는 펜던트를 이용하면 이들이 '과거에 만났었던' 것은 알 수 있지만, 그게 얼마나 과거인지는 알 수 없다. 이를 타개할 수 있는 방법이 무엇이 있을까?
현미경으로 펜던트를 자세히 살펴보면, 시간의 흐름에 따라 표면에는 무작위적으로 생겨난 흠집이 보일 것이다. 예를 들어 평균 1년에 12개의 흠집이 생겨난다고 하면, 면밀히 조사하여 펜던트가 갈라진 이후 독립적으로 생겨난 흠집의 개수를 측정하고, 이를 이용하면 펜던트가 둘로 쪼개진 이후 시간이 얼마나 지났는지 추측할 수 있을 것이다. 이것이 비로 1962년 라이너스 폴링과 주커칸들이 만들어 낸(이들은 원래 헤모글로빈의 단백질 서열을 분석하는 생화학적 연구를 하고 있었는데, 인간과 침팬지, 그리고 고릴라의 헤모글로빈에서 보이는 약간씩의 서열 차이를 이용해 이들 종이 분화한 시간을 추측할 수 있으리라는 생각을 하고 이를 현실화시키게 되었다) 분자 시계molecular clock의 간략한 개념이다.
그림 10. Eyeless 유전자의 인간 버전인 Pax 유전자가 하나 결손되면 인간에서는 무홍채증이 생긴다. 두 개 결손되면 눈이 전혀 발달하지 않게 된다.