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과학고 등 30년 차 교사가
엄선한 생명과학에 관한 모든 질문!

나는 왜 엄마를 안 닮았지? 형은 쌍까풀이 있는데 왜 나는 없지? 언니는 키가 큰데 왜 난 작을까? 등 거울에 비친 자신을 보면 궁금한 것이 많아진다. 이 책은 호모 사피엔스로서 내가 어디에서 시작돼 지금에 있는 것인지 질문을 이어 가면서 흥미롭게 들려준다. 질문을 따라가다 보면 결국 생명의 기원부터 유전자가위까지, 생물학의 역사를 꿰게 된다.

나에서 시작하는
흥미로운 생물학 여행

생명체로서 품는 첫 질문은 무엇일까. 지금의 나뿐 아니라 오래전 과거의 사람들도 질문은 같았다. 생명은 어떻게 출현했을까? 자연적으로 생겼다는 자연발생설과 생물이 생물을 낳는다는 생물속생설이 오랫동안 줄다리기를 했다. 과학이 발전하면서 이 긴 싸움은 마침표를 찍는다. 승자는 지금 우리가 상식으로 알고 있는 생물속생설.
그다음 큰 질문은 이것이다. 그런데 이 생명체들은 어쩌다 이렇게 다양해졌을까? 유럽에선 아주 오랜 시간 ‘하나하나 신이 다 만들었다’는 믿음이 지배했다. 하지만 이 믿음 역시 과학이 발전하면서 깨진다. 화석 등이 발견되고, 발달한 항해술 덕분에 다른 세계를 직접 보면서 ‘진화’란 새로운 시각으로 넘어가는 것이다. 그렇다면 호모 사피엔스로서 나는 어디에서 진화해 온 것일까? 질문이 꼬리에 꼬리를 문다.
여러 생명체 중 나는 호모 사피엔스로 분류되었다. 그것은 누군가 수많은 생물을 분류했다는 얘기다. 그 시작은 린네였다. 지구의 역사만큼은 아니더라도 인류는 생물을 분류하는 데도 오랜 시간을 들여 지금에 이르렀다. 같은 호모속이었던 네안데르탈인이 멸종했기 때문에 우리는 지구에서 살아 있는 유일한 호모속이다.

30년 차 교사가 엄선한 질문과
교과서 빈틈을 메우는 알찬 풀이

내가 어디에 속해 있는지 알았으니, 이제 ‘나’란 생명이 도대체 어떻게 구성되어 있는지 궁금해진다. 왜 부모님이 같은데 언니, 오빠와 나는 다르게 생겼을까? 왜 내 혈액형은 A일까? 내 안에서 어떤 일들이 일어나기에 이렇게 다른 것일까? 과거의 사람들 역시 이 질문에 골몰했다. 그리고 마침내 유전자라는 것을 발견했고, 그 안까지 파고들어 이제는 유전자를 ‘편집’할 수 있는 수준에까지 이르렀다. 이후 세상은 어떻게 달라질까? 저자가 바라는 세상은 호모 사피엔스를 비롯한 지구상의 모든 생물이 함께 어우러져 사는 곳이다.

생명공학이 아무리 발달해도 호모 사피엔스가 ‘생명의 나무’의 한 가지를 차지할 뿐이라는 사실에는 변함이 없어요. 우리가 가진 달란트를 지구 생명체와 환경을 유지하는 데 쓰기를 멘델, 다윈 등 인류 발전에 공헌한 호모 사피엔스들은 간절히 바라지 않을까요. -271쪽

저자 정주혜는 30년 가까이 생명과학 교사로 일하고 있다. 과학고등학교 교사로도 10년 넘게 일했다. 결국 이 책의 질문 대부분은 학생들에게서 나온 것이나 다름없다. 저자는 생명과학이 단지 시험 과목으로 그치는 것이 아니라 나를 비롯한 주변 생물에 관심을 갖게 하는 연결 고리가 되길 빈다. 이런 바람을 안고 학생들과 과학 교양서 읽는 모임을 10년 넘게 이어 오고 있다.
이 책은 생명과학에 관심 많은 학생뿐 아니라 생명의 기원에서 현재 주목받는 유전자가위까지 생물학의 흐름을 꿰고 싶은 성인 독자들에게도 강추하는, 알찬 과학 교양서이다. 나란 생명체가 어떻게 여기에 있게 된 것인지 추리하듯 물어가는 꼬꼬무 형식이 여느 생물학 입문서와 구별 짓는다.

책을 내며

1장. 진화
생명은 어떻게 출현했을까
왜 생물이 생물을 낳는다고 믿었을까
왜 선뜻 진화에 대해 생각하지 못했을까
화석이 왜 중요할까
라마르크는 왜 위대한가
다윈은 왜 진화로 기울었을까
다윈에게 갈라파고스는 왜 중요했을까
월리스는 왜 자연선택을 확신하게 되었을까
원숭이는 왜 사람으로 진화하지 않을까
발산 진화와 수렴 진화는 무엇이 다를까
다윈은 왜 수컷 공작을 불편해했을까
변이는 어떻게 생기게 될까
변이는 어떻게 생기게 될까 2
우연히 진화했을 수도 있지 않을까
진화론과 우생학은 어떤 관계일까

〈Exciting Story〉
신이 만들었다 vs 한 뿌리에서 나왔다 / 핀치 연구하다 유전자 발견한 그랜트 부부 / 말은 어떻게 진화해 왔을까

2장. 생물의 분류
아리스토텔레스는 생물을 어떻게 분류했을까
린네는 왜 생물을 분류했을까
생물은 어떻게 분류되어 왔을까
계통수는 무엇을 말해 줄까
분기도는 왜 만든 걸까
〈Exciting Story〉 종은 뭘까

3장. 유전 Ⅰ
옛사람들은 자식이 부모를 닮은 이유를 어떻게 설명했을까
멘델은 혼합설을 어떻게 뒤집었을까
왜 어떤 형질은 드러나고, 어떤 형질은 숨는 것일까
혈액형과 쌍까풀은 같이 유전될까
유전에서 생식세포는 왜 중요할까
염색체는 어떻게 발견되었을까
어떻게 유전자가 염색체에 들어 있다는 것을 알아냈을까
염색체 안에서 유전자들은 어떻게 배치돼 있을까
왜 언니와 나는 닮았고 다를까

〈Exciting Story〉
멘델을 세상에 드러낸 사람들 / ‘Y염색체’를 발견한 네티 스티븐스 / 내 혈액형을 결정한 유전자는 어디에 있을까

4장. 유전 Ⅱ
유전 정보는 어떤 물질에 저장되어 있을까
DNA는 어떻게 발견되었을까
DNA는 무엇으로 이루어져 있을까
DNA 구조는 어떻게 밝혀졌을까
DNA 구조를 밝히는 데 샤가프와 프랭클린은 어떤 역할을 했을까
염기끼리는 어떻게 결합할까
이중나선 구조는 어떤 모습일까
DNA는 어떻게 복제될까
복제 과정에서 오류가 생기면 어떻게 수선할까
유전자가 가진 정보는 어떻게 드러날까
단백질은 어떤 과정으로 만들어질까
유전암호는 어디에 들어 있을까
아미노산의 유전암호는 어떻게 풀렸을까
유전암호는 어떻게 다 풀렸을까
아미노산은 누가 어떻게 가지고 올까
생명체는 모두 유전암호가 같을까
인간의 유전자지도는 어떻게 밝혀졌을까
나와 당신은 얼마나 같고 다를까
돌리는 어떻게 복제되었을까
텔로미어에 왜 주목할까
유전자를 바꿀 수 있을까

〈Exciting Story〉
왓슨은 왜 로절린드 프랭클린을 기렸을까 / 염기쌍과 염기 서열은 무엇일까 / 내 혈액형을 결정하는 것은 무엇일까 / 리보솜만 파고든 아다 요나스 / 친자 확인 검사는 어떻게 할까

아리스토텔레스는 자신의 책 《동물발생론》에서 생쥐가 더러운 건초더미에서 저절로 생겨난다고 했어요. 초파리 같은 곤충도 식물에 맺힌 이슬이나 흙탕물에서 우연히 생긴다고 생
각했지요. 저절로 생긴다고 해서 이런 주장을 ‘자연발생설’이라고 합니다. -16쪽

1860년 프랑스 과학 아카데미는 자연발생설과 생물속생설 간의 논쟁을 결론짓기 위해 논문을 공모했는데, 파스퇴르가 이 실험 결과를 논문으로 제출하지요. 1862년 파스퇴르가 상을 받습니다. 그리고 자연발생설과 생물속생설 간의 줄다리기는 생물속생설의 승리로 끝납니다. -23쪽

라마르크는 격변설이나 창조론이 지배적이었던 시대에 생물이 점진적으로 변화한다는 진화론을 언급한 최초의 과학자예요. 비록 프랑스에서는 주목을 받지 못했지만 라마르크의 연구는 바다 건너 영국의 다윈에게 영향을 줍니다. -37쪽

분자생물학이 발달하고 그랜트 부부가 꾸준히 연구한 덕분에 2004년 두 사람은 핀치 부리의 크기를 결정하는 데 핵심적인 역할을 하는 유전자BMP4를 발견합니다. 다윈이 설명하지 못했던 변이를 결정하는 유전자의 실체를 확인한 것이죠. -52쪽

다윈의 이름이 워낙 위대해서 월리스의 업적은 가려진 면이 있습니다. 다윈은 《종의 기원》 서문에서 ‘자연선택에 관한 이론은 월리스 것이 경탄할 만큼 명료하다’고 밝혔습니다. 월리스의 공을 인정해 준 것입니다. -59쪽

다윈의 적자생존에서 ‘적자’는 1등만 의미하는 것은 아닙니다. 사실 적자생존은 다윈의 개념이 아니라 사회학자였던 허버트 스펜서Herbert Spencer가 1864년에 출간한 《생물학의 원리》에서 처음 사용한 용어입니다. 적자생존은 영어로 ‘survival of the fittest’인데 최상급이 쓰이긴 합니다. 하지만 다윈이 쓴 적자생존에선 1등만 가리는 과정은 아니었습니다. 자연은 훨씬 더 관대하고 유연합니다. -85쪽

처음에 과학자들은 고세균이 진정세균보다 지구에 먼저 출현한 원시 형태라고 생각했습니다. 고세균이 발견된 장소가 초기 지구 환경과 비슷한 온도나 염도가 높은 극한 환경, 즉 심해나 화산 지형이었기 때문이지요. 그런데 고세균이 세균에는 없고 진핵생물에는 있는 특징을 일부 갖고 있었어요. 그래서 현재 과학자들은 고세균이 진핵생물에 더 가깝다고 보고 있습니다. -109, 110쪽

왜 이렇게 멀고 가까운 관계를 알아내려고 하는 것일까요? 인간을 위해서일 수도 있고, 특정 생물을 위해서일 수도 있겠네요. 난치병을 치료할 신약이 개발될 경우, 그 효과를 확인하기 위해 동물을 대상으로 실험을 하는 경우가 많습니다. 이때 기준이 되는 것이 유연관계입니다. -116쪽

그런데 문득 궁금했습니다. 왜 여러 혈액형 중 A형이 되었을까? 엄마의 A형은 나에게 어떻게 전해졌을까? 아빠의 O형 유전자는 나에게 없는 걸까? 있다면 왜 드러나지 않았을까? 질문이 꼬리를 이었습니다. 이런 저의 질문을 풀어 준 사람 역시 멘델입니다. 혈액형이 어떻게 ‘유전’되는지 밝혀 주었으니까요. -126, 127쪽

서턴은 이를 바탕으로 1903년에 유전자설을 주장합니다. 유전인자는 염색체에 들어 있고, 염색체를 통해 자식에게 전달됩니다. 마침내 1909년 덴마크 식물학자 빌헬름 요한센 Wilhelm Johannsen은 멘델의 유전인자를 우리가 지금 쓰고 있는 ‘유전자’로 부릅니다. -145쪽

이러한 분위기에서 1905년 스티븐스가 남성, 여성의 차이는 아주 작은 Y염색체가 발현되느냐, 아니냐에 있다고 밝힌 것입니다. 스티븐스의 발표 이후 남녀는 태어날 때부터 다르다는 다윈의 주장은 마침표를 찍게 됩니다. -153쪽

스티븐스 이외에도 여성이란 이유로 제대로 평가받지 못한 과학자는 더 있습니다. 뒤에서도 나올, DNA 이중나선 구조를 밝히는 데 결정적인 기여를 한 로절린드 프랭클린 Rosalind Franklin, 어룡 화석을 처음 발견해서 고생물학의 기초를 다진 메리 애닝Mary Anning이 대표적이지요. -154쪽

1950년 당시 에이버리 연구팀의 반복된 실험 결과, DNA가 유전물질의 실체로 유력했지만, 과학계는 여전히 인정하지 않는 분위기였습니다. 그러다 앞서 말했듯이 1953년 허시와 체이스가 박테리오파지를 이용해 유전물질이 DNA임을 마침내 확인시켜 주지요. -179쪽

이 사진은 프랭클린이 1952년 5월에 X선으로 찍은 것인데, 왓슨이 지금까지 본 DNA 회절 사진 중 가장 선명했습니다. 이 사진을 얻기까지 프랭클린은 얼마나 많은 시도를 했을까요. 100시간 이상의 노력으로 얻은 이 사진을 프랭클린의 동의 없이 윌킨스가 왓슨과 크릭에게 보여 줬다는 것은 여전히 논란을 불러일으키고 있습니다. -189쪽

염색체는 DNA와 히스톤 단백질로 이루어져 있어요. 사실 염색체=DNA라고 해도 무방합니다. 히스톤 단백질은 긴 DNA를 칭칭 감아 주는 ‘실패’ 같은 역할을 하는 것이니까요. 히스톤 단백질이 칭칭 감아 준 덕분에 DNA가 염색체에 응축돼 들어갈 수 있지요. -198쪽

이 세 가설 중 어떤 것이 채택되었을까요? 반보존적 복제 방식입니다. 1958년 미국의 생물학자 매슈 메셀슨Matthew Meselson과 프랭클린 스탈Franklin Stahl은 대장균을 이용해서 DNA가 반보존적 방식으로 복제된다는 것을 증명합니다. 이 실험은 ‘생물학 역사상 가장 아름다운 실험’으로 불립니다. -203, 204쪽

과학자들은 우리 몸은 생명을 유지하기 위해 애쓸 것이고 당연히 손상된 DNA를 ‘수선’하는 역할을 하는 것들이 있으리라고 추론합니다. 마침내 린달, 산자르, 모드리치 세 명의 과학자가 손상된 DNA를 복구시키는 것들을 찾아냅니다. -206쪽

염기 세 개가 유전암호로 쓰여 아미노산 하나를 결정한다는 것입니다. DNA상의 3염기 암호는 ‘3자 코드triplet code’라 하고, RNA상의 3염기 암호는 ‘코돈 codon’이라고 합니다. -224쪽

모든 생명체가 하나의 코돈 표를 사용한다는 것은 아주 상징적인 사건입니다! 지구상의 생물이 한 뿌리에서 출발했다는 얘기니까요. 우리가 오래전 하나의 조상에서 갈라져 나와 진화하고 다양해졌다고 입증해 주는 것이니까요. -238쪽

중심원리를 지지하는 과학자들은 테민의 실험 과정에 문제가 있는 것이 아닐까 하고 의심합니다. 하지만 테민의 대학 후배이자 병리학자인 데이비드 볼티모어David Baltimore가 RNA 바이러스에서 추출한 효소를 이용해서 바이러스의 RNA에서 DNA를 합성하는 데 성공함으로써 테민의 주장이 사실임을 입증합니다. 이 효소의 이름이 ‘역전사 효소’입니다. -240쪽

하지만 2019년까지도 인간 게놈의 8퍼센트는 해독되지 않은 채 남겨져 있었어요. 그러다 2022년 4월, 미국·영국·독일·러시아 4개국 33개의 연구기관 과학자 114명으로 구성된 ‘텔로미어 투 텔로미어 T2T’ 컨소시엄에서 나머지 8퍼센트를 완벽히 밝혀냅니다. T2T는 마침내 완성된 인간 유전자지도를 공개하지요. 20여 년 만에 얻은 소중한 결실이 아닐 수 없습니다. -245쪽

돌리를 만드는 과정에는 양 세 마리가 필요했습니다. 난자를 제공하는 양, 핵을 제공하는 양, 자궁을 제공하는 양입니다. 돌리는 이 세 양 중 누구의 생김새를 닮았을까요? 핵을 제공한 양을 닮았습니다. 핵 안에 유전 정보 즉, DNA가 들어 있기 때문이죠. -257쪽

DNA 복제 과정에서 텔로미어 부분은 복제가 되지 않습니다. 그럼 텔로미어는 왜 있는 것일까요? 주요 유전자를 보호하는 역할을 하는 것입니다. 그러므로 텔로미어의 길이가 일정
수준 이하로 떨어지면, 세포의 유전 정보를 보호하기 위해 세포분열을 멈추게 됩니다. -260쪽

인공 유전자가위는 자르는 효소의 종류에 따라 세대를 나눕니다. 1세대는 징크 핑거 Zinc Finger, 2세대는 탈렌 TALEN, Transcription Activator-like Effector Nuclease , 3세대는 크리스퍼-카스나인(CRISPR, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats-Cas 9, 보통 크리스퍼라고 부릅니다)으로 구분하는데요, 모두 절단 효소 이름입니다. -265, 266쪽

과학자들은 “결국 유전자가위로 키를 크게 하거나 지능을 높이도록 배아의 유전자를 교정하는 것이 허용될 수 있는지 전 세계가 고민해야 할 것”이라고 우려를 표했어요. 또한, 인간에게는 이로운 품종 개량이 생태계에 어떤 영향을 주게 될지도 잘 살펴야 할 것입니다. -271쪽