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『일상적이지만 절대적인 생물학지식 50』은 ‘진화’라는 하나의 거대한 법칙을 기반으로 유전자, 세포, 유기체 등 가장 기본적인 개념들을 통해 생물학의 큰 줄기를 가늠할 수 있도록 구성한 책이다. 인간은 어떻게 태어나는지, 어떻게 해야 건강하게 살 수 있는지, 질병의 위협에서 벗어날 수 있는 방법은 있는지, 무엇보다도 늙지 않고 장수하는 비결은 무엇인지 등 인간의 삶에서 생물학적으로 가장 궁금한 것들을 담았다. 생명에 대해 우리가 잘 몰랐던 사실이나 오해하는 부분까지도 친절하게 설명해주고 있다.

생명체는 왜 진화할까? DNA가 없어도 유전될 수 있을까?
노화를 거꾸로 돌릴 수 있을까? 무엇이 우리를 인간으로 만들었을까?
명쾌하고 매력적인 생명에 대한 50가지 탐험

▼ 인간에 대한 가장 근원적인 질문을 탐구하는 학문, 생물학
지구는 셀 수 없이 많은 생명체들로 가득 차 있다. 우리 인간부터가 대표적인 생명체이고 온갖 동물과 식물, 눈에 보이지 않는 세균과 미생물은 물론 인간이 미처 발견하지 못한 생명체들까지 함께 살아간다. 인간이 숨을 쉬고 음식을 섭취해 생존할 수 있는 것 역시 다른 생명체와 끊임없이 상호작용을 하는 덕분에 가능한 것이다.
생물학은 말 그대로 생명을 연구하는 학문이다. 하지만 워낙 그 대상이 방대하고 인류가 등장하기 훨씬 오래 전부터 생명이 시작되었으므로 이해하기가 쉽지 않다. 무엇보다도, 과학자들 사이에서 생명에 대한 정의가 아직도 통일되지 못했기 때문에 더욱 혼란스러운 경우가 많다.
《일상적이지만 절대적인 생물학지식 50》은 ‘진화’라는 하나의 거대한 법칙을 기반으로 유전자, 세포, 유기체 등 가장 기본적인 개념들을 통해 생물학의 큰 줄기를 가늠할 수 있도록 도와준다. 동물과 식물의 세계를 넘나들며 생물에 대한 다양한 설명과 인류 생존에 관한 비밀을 파헤쳐본다. 다윈의 진화론이나 멘델의 유전 법칙처럼 누구나 한 번쯤 들어보았을 만한 생물학의 대표적인 개념에서부터 유전암호, 종분화, 합성생물학 등 좀 더 깊이 있는 주제까지 다루며 독자들이 자연스럽게 개념들의 연관성을 파악할 수 있다는 것이 장점이다. 생물학자들의 중요한 실험과 발견에 관한 에피소드도 함께 만날 수 있어 지루하지 않게 읽을 수 있다.

▼ 생식, 질병, 스트레스, 노화… 인간의 삶에서 생물학적으로 가장 궁금한 것들
사람들이 생물학에 관심을 갖는 가장 큰 이유는 그것이 생명 유지에 가장 밀접하게 연관되어 있기 때문일 것이다. 《일상적이지만 절대적인 생물학지식 50》에는 인간은 어떻게 태어나는지, 어떻게 해야 건강하게 살 수 있는지, 질병의 위협에서 벗어날 수 있는 방법은 있는지, 무엇보다도 늙지 않고 장수하는 비결은 무엇인지 등등 생명의 비밀에 한 발짝 다가갈 수 있는 정보들이 담겨 있다.
현대인에게 가장 큰 골칫거리는 아무래도 스트레스일 것이다. 스트레스를 심리적 요인으로만 생각하는 사람들이 많겠지만, 사실 스트레스 반응은 외부의 변화에 저항해 몸을 원래의 상태로 되돌려놓으려는 신체적 작용이다. 캐나다의 생리학자 한스 셀리에가 물리학적 힘을 나타내던 ‘스트레스’라는 단어를 처음으로 생물학적 힘의 개념으로 재정의했다. 스트레스는 면역조직을 손상시키고, 호르몬 분비에 변화를 일으킨다. 스트레스를 받으면 기분만 나쁜 게 아니라 몸도 아픈 것이 이런 이유 때문이다.
또, 인간의 수명이 늘어나면서 급부상한 문제가 바로 노화다. 노화는 세월을 거치면서 세포가 손상됨에 따라 일어난다. 늙지 않고 끊임없이 번식할 수 있다면 종 보존에도 도움이 될 텐데 왜 노화의 원인들은 제거되지 않고 계속 남아 있는 것일까? 세포를 유지하고 보수하려면 에너지가 필요하다. 그런데 톰 커크우드의 일회용 체세포 이론에 따르면 노화는 생존과 생식 사이에 이루어지는 타협이다. 먹이 같은 생태학적 자원이 제한되어 있기 때문에 번식에 힘을 쏟으려면 체세포의 유지와 보수에는 그만큼 에너지를 덜 쓸 수밖에 없다는 것이다. 적게 먹으면 오래 사는 이유를 설명하는 데에도 이것이 도움이 된다. 먹을 것이 부족한 상황에서는 생존이 우선순위가 되기 때문이다. 오늘날에는 현대 의학과 기술이 질병이나 포식자 같은 사망의 외부 원인으로부터 인류를 보호해주기 때문에 우리는 내적 원인으로 죽게 된다. 저자는 결국 인간이 노화를 걱정하게 된 이유는 그만큼 오래 살기 때문이라고 말한다.

▼ 끝없는 경쟁 또는 더불어 살기: 생태계에 대한 오해와 진실
다윈의 진화론이 ‘적자생존’이라는 말로 널리 퍼지면서, 생태계는 생존을 위해 먹고 먹히는 치열한 전장으로 묘사되는 경우가 많다. 물론 생태계는 모든 생물들이 살아남기 위해 악전고투하고 있지만, 그렇다고 다른 개체의 어려움을 나 몰라라 하는 것은 아니다. 다름 아닌 이타적 행동이 일어나는 것이다. 이타적 행동은 내가 가진 자원, 즉 시간이나 식량 심지어 자기희생까지 내가 가진 자원을 소비해야 하는 일이다. 인간은 감정적인 이유로 이타적 행동을 할 수 있지만, 이를 모든 동물에게 적용하기는 어렵다.
자연선택이라는 관점에서 볼 때 이타심은 개체의 적응도를 높여주는 경우에만 일어나야 한다. 영국의 진화생물학자 해밀턴은 ‘포괄적응도’를 통해 근친도가 높은 정도, 즉 혈연관계가 가까울수록 이타심이 발생할 가능성이 크다고 주장했다. 그렇다면 비친척관계에서는 어떨까? 여기서는 사회생물학자 로버트 트리버스의 상호이타성이론이 사용된다. “네가 나를 위해 무언가 해주면, 난 거기에 보답 할게.”로 요약할 수 있는 상호이타성은 호의를 베풀고 그에 보답하는 일이 반복되면서 이익을 가져온다면 협동 행동과 관련된 유전자들이 집단으로 퍼져나가게 된다고 말한다. 이처럼 이 책에서는 생명에 대해 우리가 잘 몰랐던 사실이나 오해하는 부분까지 친절하게 설명해주고 있다.

▼ 인간이 생명을 창조한다! 복제에서 유전자가위까지, 생물학의 놀라운 미래
이 책에서 무엇보다 눈길을 끄는 부분은 최신 유전자 연구들에 대한 언급이다. 인간의 힘으로 생명을 만들어내려는 노력은 이미 오래전부터 있었다. 이제는 비교적 흔하게 접할 수 있는 시험관 아기가 아마 그 본격적인 시작일 것이다. 영국의 생리학자 로버트 에드워즈와 산부인과 의사 패트릭 스텝토의 연구로 1978년 최초의 시험관 아기 ‘루이스 브라운’이 태어난 후 지금까지 약 600만 명이 시험관 시술을 통해 태어났다. 이제는 한 여성의 난자에서 채취한 세포핵을 다른 여성이 기증한 난자에 이식하는 단계에까지 이르렀다. 이렇게 수정된 난자는 엄밀하게 말하면 세 명의 부모로부터 유전물질을 물려받게 되며, 이런 기술을 이용해서 태어나는 아이는 질병을 야기할 결함을 지닌 미토콘드리아를 피할 수 있다. 1997년에는 체세포 복제를 통해 최초의 포유류 복제 생명체인 돌리가 탄생했으며, 2002년과 2005년에는 과학자들이 소멸한 바이러스를 되살려내기도 했다.
유전학자 크레이그 벤터와 그의 연구진은 유기체들의 유전체를 판독한 후 염기서열을 새로 만들어내는 방식으로 2010년 합성세포 ‘신시아’를 만들어냈다. 이들은 유전자를 레고 블록처럼 조립하면서 생명 유지에 필수적인 유전자와 그렇지 않은 유전자를 구분하기도 하고, 독소를 감지하거나 표시장치를 포함하는 등 특정한 기능을 지닌 유전자를 골라내기도 한다.
이러한 성과는 최근 가장 이슈가 된 CRISPR-Cas9(크리스퍼 유전자가위)로 이어진다. 기능에 결함이 있는 유전자를 잘라내고 그 부위를 DNA 복구 장치를 이용해 고치는 방법으로, 2012년 에마뉘엘 샤펜티어와 제니퍼 다우드나가 발견한 이후 획기적인 유전자 치료 방법으로 주목받고 있다.

물론 이러한 연구에는 논란이 끊이질 않는다. 무엇보다도 윤리적으로 올바른 일인가에 대한 우려가 가장 크다. 또 실험실에서 되살려낸 치명적으로 유해한 생명체들이 생태계에 다시 발을 들여놓는 일에 대해 걱정을 나타내는 사람들도 많다. 생명이란 무엇에 대한 논의가 끝나지 않고 반복되는 것도 이처럼 기존의 상식을 벗어나는 연구 결과들이 끊임없이 나타나기 때문이다. 저자는 이러한 우려와 잠재적 위험이 현실화되지 않도록 규제하는 것은 물론 과학자들 스스로 윤리강령을 두어 준수하는 것이 반드시 필요하다고 역설한다.

들어가는 말 _ 6

01진화 _ 10
02유전자 _ 15
03세포 _ 21
04생명의 기원 _ 26
05생명계통수 _ 31
06성 _ 36
07유전 _ 41
08재조합 _ 46
09돌연변이 _ 51
10이중나선 _ 56
11유전암호 _ 61
12유전자 발현 _ 67
13단백질 접힘 _ 72
14고물 DNA _ 77
15후성유전학 _ 83
16표현형 _ 89
17내공생 _ 94
18호흡 _ 99
19광합성 _ 104
20세포분열 _ 109
21세포주기 _ 115
22암 _ 120
23바이러스 _ 126
24프리온 _ 131
25다세포성 _ 137
26순환 _ 143
27노화 _ 148
28줄기세포 _ 153
29수정 _ 159
30배아발생 _ 164
31형태학 _ 169
32색과 무늬 _ 175
33면역 _ 180
34항상성 _ 185
35스트레스 _ 190
36체내시계 _ 195
37수면 _ 201
38기억 _ 207
39지능 _ 212
40인류 _ 217
41수분 _ 223
42붉은 여왕 _ 228
43생태계 _ 234
44자연선택 _ 239
45유전적 부동 _ 245
46이기적 유전자 _ 251
47협동 _ 256
48종분화 _ 262
49멸종 _ 267
50합성생물학 _ 272

유성생식에서 가장 기이한 부분은 어떻게 일어나느냐가 아니라 대체 왜 일어나느냐다. 생각해보면 무성생식이 더 흔한 일이어야 한다. 사람의 집단이 커플마다 평균적으로 아들 하나, 딸 하나씩 두 아이를 낳는다고 생각해보자. 이제 돌연변이가 일어나 한 여성이 섹스를 할 필요 없이 딸만 낳고, 그 딸들도 똑같은 방식으로 딸만 낳는다고 상상해보자. 이 무성생식 여성은 번식속도가 두 배나 빠르기 때문에 세대가 지날 때마다 수가 두 배로 늘어나서 결국에는 다른 개체들을 모두 밀어내고 말 것이다. 그럼 남성을 비롯해서 유성생식을 하는 개체들은 모두 멸종될 수밖에 없다. 이를 ‘유성생식에 따르는 두 배의 비용’이라고 부른다. -37쪽

새로운 돌연변이는 얼마나 흔하게 일어날까? 가족 구성원의 DNA 염기 순서를 비교해본 유전학자들은 점 돌연변이 발생 비율이 세대마다 염기당 0.000000012임을 밝혀냈다. 바꿔 말하면 8,300만 글자마다 하나씩 일어난다는 말이다. 인간의 유전체 길이가 30억 글자가 넘는다는 점을 고려하면 당신은 부모님에게 물려받은 독특한 염색체 조합 위로 40개 정도의 새로운 돌연변이를 물려받았다는 의미가 된다. 돌연변이는 정자나 난자처럼 생식세포에서 일어난 경우에만 유전될 수 있고, 체세포에서 일어난 경우에는 유전되지 않는다. -54쪽

유전체를 거대한 폐차장이라 생각해보자. 사람들이 출근할 때 타고 간 차는 기능을 하는 차다, 즉, ‘암호화’ 자동차에 해당한다. 그럼 폐차장에 세워져 있는 ‘비암호화’ 자동차들은 다 무엇인가? 일부는 고철덩어리에 불과하고, 또 일부는 손을 보면 그럭저럭 쓸 만한 것도 있고, 어떤 것은 아직도 기능을 하는 차인데 당신이 알아보지 못해서 폐차장에 세워져 있을 수도 있다. 이것을 가려내려면 차를 일일이 검사해보는 방법밖에 없다. 반대로, 여기서 쓸 만한 것이 하나 나왔다고 해서 폐차장 전체가 쓸모 있는 것이라 생각하는 경우도 있다. 창조론자들이 이런 오류를 저지른다. -79~80쪽

종양은 돌연변이에 의해 야기된다. 이 돌연변이는 영구적인 DNA 변화(유전적 돌연변이)일 수도 있고, 유전체에 일어난 가역적 변화(후성유전적 돌연변이)일 수도 있다. 나이가 많아지면 암 발생 위험도 커진다. 시간이 지나면서 돌연변이가 축적되기 때문이다. 또 돌연변이는 발암물질이라는 환경적 요인에 의해 촉발되는 것이 많다. 피부흑색종을 촉발하는 자외선은 물리적 발암물질인 반면, 담배는 화학적 발암물질이다. 생물학적 발암물질은 1910년 미국의 바이러스학자 프랜시스 페이턴 라우스가 발견했다. 그는 플리머스록종의 암탉에서 종양을 채취해 다른 병아리에게 접종해보았다. 그러자 암이 계속해서 자랐다. 심지어는 라우스가 종양에서 세포들을 걸러낸 후에도 계속 자랐다. -120~121쪽

신체조직은 생식세포 아니면 체세포다. 생식세포는 유전자를 다음 세대로 전달하지만, 체세포는 유기체의 죽음과 함께 모두 버려진다. 이것이 1977년에 톰 커크우드가 제안한 일회용 체세포 이론의 바탕이다. 이 이론에서는 노화를 진화적 적응도의 양쪽 측면 사이에 이루어지는 타협으로 본다. 그 양쪽 측면이란 생존(체세포의 성장, 유지, 수리)과 생식(정자와 난자 같은 생식세포 만들기)이다. 커크우드의 이론에서는 먹이 같은 생태학적 자원이 제한되어 있기 때문에 대사를 통해 생산되는 에너지 역시 제한되어 있다고 주장한다. 이 때문에 생리적 과정 사이에서 자원을 배분할 때는 경제적인 결정이 이루어진다. 힘든 시기에는 생존이 우선순위지만, 잉여 자원이 존재할 때는 생식이라는 사치가 허용되는 것이다. -149~150쪽

합성생물학이 지닌 잠재력은 무척 흥미진진한 동시에 두렵다. 그런 두려움 중 하나는 그것이 생물학 테러에 사용되지 않을까 하는 것이다. 바이러스학자들은 2002년에 소아마비바이러스의 유전체를 합성해서 그 바이러스를 되살려냈다. 2005년에는 미국 질병통제예방센터의 연구자들이 1918년 스페인 독감을 일으켰던 바이러스를 부활시켰다. 여기에 대해 이런 유기체들이 야생으로 탈출하는 것을 과연 방지할 수 있겠는가 하는 우려가 제기되고 있다. 그 때문에 합성생물학자들은 자신의 연구에 따를 수 있는 위험을 꼼꼼하게 평가하고 있으며, 잠재적 위험에 대한 일반적인 규제 말고도 따로 윤리강령을 두어 준수하고 있다. -276~277쪽