모두를 위한 생물학 강의-서평

모두를 위한 생물학 강의 - 우리를 둘러싼 아름답고 위대한 세계
사라시나 이사오 지음, 이진원 옮김 / 까치 / 2021년 4월

‘과학은 하나이기 때문에 무엇을 전공해도 그 가치는 다르지 않다.’(10페이지)

‘가이아’, 지구는 우리가 살아가는 곳이다. 은하계의 작은 행성, 지구에는 인간을 포함해 수많은 생명체가 살아가고 있다. 과학자는 자기 자신뿐만 아니라 지구에서 살아갔던, 살아가고 있는, 앞으로 살아갈 수많은 생명체에 대해 연구한다. 생물학은 단순히 살아 있는 생명체만 다루는 것이 아니다. 식물학, 동물학, 세균학, 고세균학, 의학, 유전공학, 유전학, 인류학, 고생물학 등등의 수많은 학문 분야를 함께 다루는 학문이다.

『모두를 위한 생물학 강의』는 총 19장으로 나누어 쉽고 재미있게 생물학을 풀어준다. 1장, 3장~6장은 생물이란 무엇인지에 대해 이야기한다. 1장은 지구를 살아 있는 생물처럼 생각했던 레오나르도 다빈치의 이론을 적고 있고, 3장은 생물을 정의하기 위해 필요한 3가지 조건을, 4장은 생물의 특성을, 5장과 6장은 특이점에 도달한 생물의 자연선택을 설명한다. 2장은 과학의 가설이 관찰과 실험을 통해 검증된 후 이론이나 법칙이 되는 과정을 적고 있다. 7장~12장까지는 동물과 식물의 이야기를 적고 있다. 7장은 생물의 분류, 8장과 9장은 식물의 특성, 10장은 동물의 특성, 11장과 12장은 인류의 보행방식과 일부일처제에 대해 설명한다. 13~15장까지는 진화와 생물의 다양성, 생물의 공통된 성질을 다루고 있다. 13장은 생물 다양성의 중요성, 14장은 진화론에 대한 내용을 설명하고, 15장은 유전 정보와 유전자에 대해 설명하고 있다. 16~19장까지는 일상생활과 바로 연결되는 주제를 다루고 있다. 16장은 면역체계, 17장은 암, 18장은 알코올, 19장은 복제 세포와 불로불사 세포에 대한 내용이다.

다빈치의 ‘모나리자’가 지구와 인간이 닮았다는 사실을 보여주기 위해 그림 속에 지구를 그려 넣었다는 것을 처음 알게 되었다. 그림 속 의미를 과학적으로 해석할 수도 있다는 것이 신기하다. 다빈치가 그림 안에 이런 의미를 담은 이유는 지구를 생물에 가까운 존재로 생각했기 때문이다. 지구를 인간처럼 살아 있는 존재로 생각한 다빈치는 인간의 혈관과 비슷한 물과 뼈에 해당하는 암석에 대해 연구한다. 미국의 고생물학자 스티븐 제이 굴드에 의하면 암석이 융기하는 것에 대해 다빈치는 지구 내부로 들어간 물에 의해 생긴 지구 내부 공동이 무너지면서 암석이 이동했기 때문이라 생각했다고 한다. 다빈치의 암석 융기에 대한 주장도 하나의 가설이다. 과학에서 100퍼센트 옳은 것은 없다. 어떤 현상을 본 후 가설을 세우고 관찰과 실험을 통해 가설을 검증하고 증명할 때 그 가설은 좋은 가설이라 말한다. 이렇게 증명된 가설은 이론이나 법칙이 되지만 그 또한 100퍼센트 옳다고 할 수는 없다는 것이다. 생물학도 과학이고, 그렇기 때문에 생물학에 관한 이론이나 법칙도 100퍼센트 옳다고 말할 수 없다.

생물학자들은 ‘막으로 외부와 분리되어 있다, 대사(물질이나 에너지의 흐름) 활동을 한다, 자신이 복제를 만든다’(39페이지)라는 조건을 충족할 때 생물이라 정의한다. 모든 생물은 세포로 구성되어 있고, 세포는 세포막으로 싸여 있다. 생물이라 불리기 위한 조건인 ‘대사 활동과 복제’를 하기 위해 막으로 분리된 내부가 이상적인 환경이다. 세포막은 화학반응 덩어리인 생물과 외부를 분리해주고, 세포가 영양을 섭취할 수 있는 통로를 열고 닫는 역할을 한다. 세포막은 수십억 년 동안 거의 진화하지 않았다. 모든 생물의 세포막이 인지질 이중층 구조로 되어 있다는 것이 그 증거다. 우리 몸속으로 들어온 에너지가 이동하듯 세포도 몸속 흐름을 통해 배출된다. 몸속으로 들어온 음식에서 영양소를 흡수하고 찌꺼기를 내보내는 동안 소장 상피세포가 떨어져 배출된다. 이렇게 떨어져 나간 상피세포는 새롭게 만들어지고 떨어지는 과정을 반복한다. 생물의 몸 상당 부분은 항상 교체되지만 이러한 순환 속에서도 형태는 일정하게 유지된다. 생물의 몸을 만드는 에너지와 물질은 몸속으로 들어오고 나간다. 생물에는 이러한 흐름이 있기 때문에 형태가 변하지 않음에도 비평형 상태라 한다. 평형 상태에서는 흐름이 없기 때문이다. 흐름이 있는데도 형태가 변하지 않는 이러한 구조를 산일 구조라 한다. 생물은 산일 구조, 비평형 상태의 특징을 갖는다.

자연선택은 환경의 변화에 맞게 생물을 변화시키는 것이다. 생물이 특이점에 도달하면 자연선택이 작용한다. ‘유전되는 변이가 있을 것, 성체가 되는 수보다 많은 자손을 낳을 것’이라는 조건이 갖춰지면 자연선택이 작용하기 시작해 개체 수가 줄어든다. 자연선택은 ‘안정화 선택과 방향성 선택’으로 나뉜다. 안정화선택은 ‘평균적인 변이를 가진 개체가 자손을 가장 많이 남기는 경우’로 생물에 변화가 없도록 작용한다. 방향성 선택은 ‘극단적 변이를 가진 개체가 자손을 많이 남기는 경우’로 생물이 변화하도록 작용한다. 자연선택 과정을 통해 생물이 여러 종으로 다양해지는 장점이 있다. 지구 환경이 변화하는 것에 적응하지 못한 생물은 멸종하고, 자연선택에 유리한 특징을 가진 개체는 증가하면서 자손의 수를 늘려 나간다. 자연선택은 생물이 계속 생존하기 위해서는 어쩔 수 없는 선택이다.

지구의 생물은 ‘세균과 고세균, 진핵생물’로 분류된다. 동물은 진핵생물에 포함된다. 각각의 종이 공통 조상에게 물려받은 동일한 형질을 상동형질이라 한다. 모든 생물이 가지고 있는 DNA를 분석해 같은 유전자를 가지고 있는 생물의 계통 관계를 추측한다. 미국의 생물학자 우즈는 DNA와 비슷한 분자인 RNA를 만드는 SSU-rRNA 유전자를 이용해 모든 생물의 계통 관계를 추정한다. 이 실험을 통해 메탄 생성 세균과 대장균의 계통이 다름을 증명해 메탄 생성 세균을 고세균 무리로 분리한다. 세포막을 세포의 바깥쪽만 감싸는 것에만 사용하는 원핵생물은 핵이 없다. 생체막을 세포막뿐만 아니라 세포의 내부를 분리하는 데 사용하는 진핵생물에는 핵이 있다. 세균과 고세균은 원핵생물임에도 불구하고 계통적으로 근연 관계가 아니다. 고세균은 세균보다는 진핵생물과 더 가까운 근연 관계를 갖고 있다. 독일 출신 미국 진화학자 마이어는 ‘(생물학적) 종’이란 유전자를 교류하는 개체의 모임으로, 다른 종과는 유전자를 교류하지 않는 것이라 말한다. 마이어는 세균과 고세균의 차이는 크게 나지 않으므로 굳이 고세균이라는 분류군을 만들 필요가 없다고 주장한다. 사라시나 이사오(책의 저자)는 세균이나 고세균이 진핵생물보다 종의 수가 더 적은 것은 눈에 보이지 않아 종을 찾기 쉽지 않기 때문이라 말한다. 사람의 장내 세균의 종의 수도 약 1000종이 넘고 개체 수가 1000조 개나 존재하므로 그 수를 다 찾는다면 진핵생물보다 많을 수 있다고 추측한다. 그렇기 때문에 생물을 ‘진핵생물, 세균과 고세균’으로 나누는 것이 좋다고 말한다.

생물이 에너지를 얻기 위해서는 산소 호흡을 하고, 유기물을 흡수해야 한다. 동물은 스스로 유기물을 만들지 못하기 때문에 다른 생물을 섭취해 유기물을 흡수한다. 대부분의 식물은 햇빛을 받아 광합성 작용을 통해 스스로 유기물을 만들어낸다. 파리지옥처럼 다른 생물을 통해 유기물을 흡수하는 식물도 존재한다. 햇빛을 받기 위해 크게 자라난 식물은 물관을 통해 흡수한 물을 나무 전체에 보낸다. 식물은 ‘이끼식물, 양치식물, 종자식물(겉씨식물, 속씨식물)’로 나뉜다. 현재 가장 종수가 많고 번영하고 있는 것은 속씨식물이다. 하지만 키가 큰 식물 중에는 겉씨식물이 더 많다. 동물은 스스로 유기물을 만들어 내지 못하기 때문에 다른 생물을 흡수해 유기물을 만들어낸다. 입으로 음식을 섭취하고 소화기관을 거쳐 항문으로 배출한다. 그로인해 자연스럽게 입이 있는 곳이 앞이 되었다. 동물은 다세포 동물로 모든 세포는 산소와 영양을 공급해주어야 살아남을 수 있다. 혈관이 혈액을 통해 산소와 영양을 공급하는 역할을 한다.

동물의 한 종인 인간은 ‘직립 이족보행과 송곳니를 잃은 것’부터 진화한다. 이 특징으로 인해 인간은 유인원에서 갈라져 나온다. 직립 이족 보행의 특징은 머리와 다리가 일직선상에 놓이는 것이 특징이다. 인간의 직립 보행이 갖는 장점에 대해 다양한 의견이 있다. 책에서 설명하는 일곱 가지(158~160페이지) 중 ‘멀리 내다볼 수 있다, 큰 뇌를 지탱할 수 있다, 두 손이 자유로워져 무기를 사용할 수 있고, 식량을 운반할 수 있다’는 것이 가장 큰 장점이라 생각한다. 멀리 내다 볼 수 있어 천적을 빨리 발견할 수 있게 되었고, 커진 뇌 용량을 버틸 수 있어 지능이 높아졌다. 무기를 자유롭게 사용하면서 식량을 찾고 운반하기 쉬워졌다는 것은 생존 확률을 높이는 데 도움이 됐을 것이다. 인류의 송곳니가 작아진 이유에 대해 ‘직립 이족 보행으로 손으로 무기를 사용하면서 작아졌다는 설, 일부일처 사회가 되면서 수컷들의 다툼이 필요 없어졌기 때문이라는 설’ 등의 다양한 가설이 등장한다.

생물이 살아가는 생태계는 연결되어 있다. 하나의 생물이 사라진다면 생태계 전체에 영향을 미친다. 인간에 의해 서식지가 사라지고 사냥 당한 대형 육식동물이 사라지면서 초식동물의 개체수가 증가해 삼림이 파괴됐다. 토끼나 쥐, 멧돼지 등의 개체 수 증가로 사람들도 큰 피해를 입고 있다. 멧돼지에 의한 농작물 피해는 지금도 계속 되고 있다. 인간에 의한 삼림 파괴로 서식지를 잃은 동물들은 멸종 위기의 위험에 놓이게 된다. 생물들의 멸종은 생물 다양성을 감소시키는 원인이 되고 있다. 인간은 생물 종 중 자신이 가장 우월한 종이라는 오만에 빠질 때가 있다. 다양한 측면으로 바라보면 객관적으로 뛰어난 생물은 없다. 생물에 따라 육지와 수중, 달리기와 힘 등 어느 측면에서 바라보느냐에 따라 뛰어난 생물은 달라진다. 토끼는 땅 위에서 빠르지만 물속에서는 거북이가 더 빠른 것처럼. ‘어떤 조건에서 우수하다는 것은 다른 조건에서는 열등하다’(206페이지)로 바뀐다. 모든 조건에서 뛰어난 생물은 없으므로, 진화는 진보라 할 수 없다. 인간의 진화가 다른 생물 종보다 더 진보했다는 것을 나타내는 것은 아니다.

모든 생물은 세포로 구성되어 있고, 세포는 핵막으로 싸인 핵이 있다. 핵 속에는 단백질과 DNA로 이루어진 염색체가 들어 있다. DNA에는 생물의 유전 정보가 들어 있고, 생물의 진화를 결정하는 것이 DNA이다. 세포로 구성된 인간의 몸에 세균이 침투하면 병에 걸린다. 세계 최초로 발명된 항생제 페니실린은 인간에게는 영향을 주지 않고 세균의 생존만 방해해 병을 치료한다. 인간의 몸은 세균이나 바이러스가 침투했을 때 백혈구가 제거한다. 이 과정을 면역 기능이라 한다. 면역력이 떨어지면 몸에서 알레르기 반응이나 대상 포진 등 다양한 증상이 나타난다. 코로나 19 팬데믹 상황에서 면역력은 더 중요해졌다. 면역력이 떨어져 세균이나 바이러스와 같은 병원체를 이겨내지 못하면 인간에게는 치명적이다. 암은 다세포 생물의 몸속에 생긴 단세포 생물로 멈추지 않고 계속 분열해서 늘어난다. 암세포가 생기면 몸속 면역 체계가 암세포를 공격해 죽이고, 치료 과정에서 항암제가 암세포를 공격한다. 그럼에도 암세포가 멸종하지 않는 것은 암세포가 진화하기 때문이라고 한다. 암세포 유전자가 돌연변이를 일으켜 암세포의 종류가 늘어날수록 암세포를 죽이기 어려워진다. 면역을 담당하는 T세포 중 킬러 T세포는 암세포를 파괴하는 능력이 있다고 한다. 이 세포가 암세포를 공격할 때 막는 단백질을 혼조 다스쿠가 발견한 후 효과적인 암 치료의 가능성이 기대되고 있다.

체내 수분량이 많을수록 혈중 알코올 농도가 낮아진다. 체격이 큰 사람은 술에 덜 취하게 된다. 알코올의 30퍼센트는 위에서, 70퍼센트는 소장에서 흡수되어 모세혈관으로 들어가 체내에 빠르게 흡수된다. 공복일 때 마신 알코올은 빠르게 소장에 도달해 혈중 알코올 농도를 빠르게 상승하고 내려가는 속도도 빠르다. 음식을 먹고 난 후 조금씩 마시면 혈중 알코올 농도는 천천히 오르지만 내려가는 것도 천천히 내려간다. 책에서는 공복일 때 마시는 것을 3층에서 뛰어내리는 것에 비유하고, 음식을 먹고 난 후 마시는 것은 3층에서 계단을 통해 천천히 내려가는 것에 비유하고 있다. 공복에 알코올을 마시는 것의 위험성을 비유를 통해 전달하고 있다. 알코올의 독성은 혈액을 통해 뇌로도 들어가 취기 현상을 일으킨다. ‘가장 중요한 것은 다른 사람에게 억지로 술을 권하지 않는 것’(269페이지)이라는 말이 가장 마음에 와 닿는다. 알코올의 위험성도 무섭지만, 모임을 갔을 때 술을 강요하는 사람과 함께 하는 것이 가장 고통스러웠기 때문이다.

배아줄기세포는 어떤 세포로든 분화할 수 있어 기능을 상실한 조직을 재생하는 데 쓰인다. 배아 줄기 세포를 만들기 위해서는 수정 후 5일 정도가 지난 배아를 파손시켜야 한다. 그렇기 때문에 윤리적으로 문제가 되고 있다. 만능줄기세포는 2006년 야마나카 신야와 다카하시 가즈토시가 만든 줄기세포로 체세포에 네 가지 유전자를 도입해 초기화하는 데 성공한다. 만능 줄기 세포는 배아줄기세포나 복제 등의 연구에서 만들어진 줄기세포다. 수정란을 사용하지 않고, 다능성 세포이기 때문에 윤리적으로 문제되지 않는다. 환자 자신의 체세포로 만들 수 있어 거부 반응이 적어, 재생 의료 분야에서 많은 사람들의 기대를 모으고 있는 세포다.

『모두를 위한 생물학 강의』는 부제 <우리를 둘러싼 아름답고 위대한 세계>에서 말해주듯 인간, 인간과 함께 살아가는 생물, 인간에게 많은 영향을 미치는 생물 등 모든 생물이 존재하는 세계의 이야기다. 인류가 진화하고 역사를 이어가는 동안 생물도 진화하고 생존의 역사를 써내려갔다. 생물학의 역사는 인간과 지구에서 살아가는 모든 생명체의 역사다. 『모두를 위한 생물학 강의』는 인간과 생명체의 역사를 알고 싶은 이들을 위해 생물학을 쉽게 알려주는 기본 안내서다.

■ 발췌글

15

다빈치가 “모나리자”를 그린 이유 중의 하나는 지구와 인간이 닮았다는 사실을 보여주기 위해서였다. 그는 “모나리자” 속에 여성과 지구(의 일부)를 그려넣었다. 예를 들면 여자의 곱슬머리 뒤에는 굽이쳐 흐르는 강이 있다. 일부러 이 둘을 대비해서 그렸다는 것은 다빈치가 직접 노트에 남긴 사실이다. 그는 인간과 지구라는 두 종류의 생물을 한 장의 그림 속에 담은 것이다.

60~61

생물의 몸 상당 부분은 항상 교체되고 있다. 우리의 몸도 10년 정도가 지나면 많은 부분이 교체되기 때문에 10년 전의 여러분은 더 이상 존재하지 않게 된다. 지금 여러분의 몸 대부분은 새로운 물질로 이루어져 있다. 그럼에도 여러분은 여러분 그대로이다. 전체적인 모습에도 크게 변함이 없다. -중략- 이렇게 순환 속에서 형태를 일정하게 유지하는 구조를 산일 구조라고 한다. 러시아 출신의 벨기에 물리학자 일리야 프리고진이 밝힌 구조이다. 그는 이 연구로 1997년에 노벨 화학상을 수상했다.

94

현재 지구의 생물은 크게 세 가지로 분류(95페이지, 그림 7-1)된다. 세균(진정세균)과 고세균(원시세균), 진핵생물이다. 우리 동물은 진핵생물에 속한다.

104

우리 몸의 대부분은 물과 유기물로 이루어져 있다. 유기물이란 탄소를 포함하는 복잡한 분자를 말한다. 그래서 탄소를 포함한 분자라도 이산화탄소나 탄산칼슘처럼 단순한 분자는 유기물이라고 하지 않는다. 생물이 만드는 단백질이나 당, 지질, 그리고 그것과 관련된 물질이 주된 유기물이다.

144

동물이 움직이는 이유는 소화기관 속에 음식을 넣기 위해서이다. 따라서 나아가는 쪽에 입이 있다. 그리고 나아가는 쪽을 앞이라고 한다. 다시 말해서 입이 있는 쪽이 앞이다. 이것이 동물이 움직이지 않아도 앞뒤를 알 수 있는 이유이다.

185

어떤 생물도 혼자서는 살아갈 수 없다. 생물은 반드시 생태계 속에서 살아야 하므로 생물에게는 생태계가 붕괴하지 않고 안정적으로 계속 존재하는 것이 중요하다. 그러기 위해서는 여러 종류의 생물들이 존재하는 편이 바람직하다.

204

다양한 측면으로 생각해보면 객관적으로 뛰어난 생물은 없다는 사실을 알 수 있다. 육지 생활에 뛰어난 생물은 수중 생활에 뒤떨어진 생물이다. 달리기에 뛰어난 생물은 힘이 약한 생물이다. 치타처럼 빨리 달리기 위해서는 사자와 같이 강한 힘은 단념해야 한다.

209

지구에는 멋진 생물이 무척이나 많다. 작은 세균에서부터 키가 100미터가 넘는 거목, 풍요로운 생태계를 키우는 토양을 만드는 미생물, 넓은 바다를 헤엄치는 고래, 하늘을 나는 새, 그리고 우수한 지능을 가진 인간. 방향성 선택은 이런 다양한 생물을 만들 수 있다.

248

먼 옛날 지구에는 단세포 생물밖에 없었다. 그 무렵의 지구에는 암이라는 질병이 없었다. 그후, 십 수억 년 전에 최초의 다세포 생물이 진화했을 때에 암이라는 질병이 나타났다. 암은 다세포 생물에게만 발병하는 병이다.