Part4 - 최초의 생명과 뻗어나간 가지

지금껏 우주부터 시작해서 지구의 탄생까지 100억 년에 달하는 시간을 훑어보았다. 그 기간에는 빅뱅을 기점으로, 우주의 파편들이 뭉쳐 원자가 생겼으며, 우연히 비균질이 생겨 별이 탄생하고, 별의 에너지를 적절히 받을 수 있는 곳에 무거운 행성이 자리 잡았다. (운 좋은 그 행성은 크기도 적절했고, 온도도 적절했다)

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우리의 뿌리는 그 누구도 부정할 수 없이, 우주에 떠돌던 파편들이고 우리의 존재는 그것들이 한대 뭉쳐서 형성된 결과이다. 태양도 그렇고, 지구도 마찬가지고, 지구 내에 모든 존재들이 그러하다. 하지만, 어느 시점에선가 우리가 생명이 깃들었다고 부를 수 있는 존재가 지구에 살아가기 시작했고 약 38억 년이 지난 지금, 그 생명 중 일부는 반성적 의식을 품은 채 그 뿌리에 대해 궁금해하고 미래에 대해 고민한다.

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이 part에서는 지구에 생명이 깃드는 시점부터 인간의 출현 이전까지 벌어졌던 생물 진화의 법칙에 대하여 다뤄보고자 한다. 이 분야는 상대적으로 증거자료도 많이 남아있고 우리의 직계 선조(?)뻘 되는 생물에 대한 이야기이기 때문에 직관적으로 이해하기가 좀 더 수월할 것이다.

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출처:  https://fairhopegraphics.com/ahistoryofexistinglife/a-history-of-existing-life

 

 

생명을 소중히 여겨야 한다는 명제에 대한 답

진부하지만 생명의 소중함에 대해 먼저 논해보자.

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움직이지 않는 돌과 바람에 흩날리는 모래에는 생명이 없음을 우리는 직관적으로 알 수 있다. 그렇다면, 생명의 정의가 무엇일까? 우리가 생명력이 있다고 표현할 때 말하는 활기로움과 생명은 다른 것이다. 과학자나 철학자 사이에서 정확히 이 정의에 대해 이뤄진 합의 문구는 없기에 가장 명료했던 정의를 선택하자면, 생명은 항상성을 가지고 있고 동시에 자기복제(생식 x, 세포 복제 o)를 할 수 있는 능력이다.

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이 관점에서 살펴보면, 바위는 외부의 온도 변화로부터 본인의 온도를 일정하게 유지하지 못하고 본인과 동일한 개체를 복제할 수 없기에 당연히 생명체가 아니다. 바이러스는 숙주에 기생하여 DNA or RNA를 이용해 본인과 닮은 개체를 복제할 수는 있으나 항상성을 유지하는 데 있어 숙주가 없으면 안 되기에 생물(생명이 있는 물체)인지 무생물(생명이 없는 물체)인지 논란이 있는 것이다. (국제적으로 통용되는 생물 분류 체계상에 바이러스는 포함돼 있지 않다) 반면에, 원핵세포인 박테리아(세균)는 세포질 막을 통해 세포 내외로 물질이 이동하면서 항상성을 유지하고, 자기 증식을 통해 복제가 가능하기에 당연히 생명체이다.

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그렇지만, 셋 중에 무엇이 자연스러운 것일까? 생물인가 무생물인가? 생명을 구성하는 물질들은 약 138억 년 동안 우주를 떠돌다가 우주 역사의 찰나의 시간 동안 의식 or 무의식을 가진 생명체가 되었다가 다시 분해된다. 그리고 대부분의 시간은 생물에 속해 있지 않고 떠돌아다닌다. 물질들의 입장에선 무생물의 상태가 훨씬 더 자연스럽다. (무생물이란 단어도 웃기다. 인간이 비코뿔소로 불릴 수 있는 것처럼) 참으로 비(?)자연스러운 현상이 생명이라는 이름으로 구현될 수 있는 것에 우리는 감사해야 하고, 개중에서도 운이 좋아 반성적 의식을 통해 이러한 자연현상을 기록으로 남기고 평가할 수 있음에 감사해야 한다. 그리고 이러한 기회는 늘 주어지지 않는 것이기에 나와 내 주변을 소중히 여겨야 한다.

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그렇다면, 그 생명의 출발은 어떠했으며 세포의 기본 구조는 무엇일까?

 

가장 단순한 세포의 구조

{존 핸즈, 코스모사피엔스, 소미미디어, 2022, 352p}

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DNA: DNA는 생물의 유전 현상에 큰 역할을 하는 핵산의 일종으로 유전정보를 담는 화학물질이다. 염기(아데닌－A, 구아닌－G, 시토신－C, 티민－T)와 디옥시리보오스 5탄당(탄소가 5개 있는 당) 및 인산으로 된 고분자 화합물로 염색체의 주성분이며 실질적인 유전물질이다. 두 가닥이 서로 꼬여있는 나선 구조로 되어있다. 유전정보가 들어가는 그릇이라고 이해하면 쉽다. = 매체

RNA: DNA와 유사하지만 티민을 대신한 우라실이 포함된 4개의 염기(아데닌－A, 구아닌－G, 시토신－C, 우라실－U)로 된 유전물질이고, 가닥은 하나이며 DNA보다 불안정하다.

유전자: 유전의 기본 입자로서, DNA에 있는 염기서열의 패턴 = 메시지

염색체: 유전자의 집합이며 유성 생식인 경우에는 엄마와 아빠에게서 한 쪽씩 받는다.

리보솜: 단백질 조립 공장으로서, RNA와 단백질로 구성되어 있는 세포질 속의 동그란 입자이다. RNA가 실어 온 유전자 코드를 선형의 아미노산 서열로 바꾸어 단백질을 만든다.

단백질: 50개에서 수천 개의 아미노산이 사슬처럼 연결되어 있는 분자 물로서, 모든 세포 내에서 구조를 만들고 반응을 일으킨다. 아미노산은 500종류가 넘지만 대략 20개의 아미노산만이 단백질을 만드는데 쓰인다.

아미노산: 생물의 몸을 구성하는 단백질의 기본 구성단위로, 화학적으로 아미노기와 카르복실기를 포함한 모든 분자.

펩타이드: 두 개 이상의 아미노산 연결.

효소: 화학적 촉매 역할로서 화학 반응의 속도를 높여주며, 62 ~ 2500개의 아미노산이 이어진 사슬로 구성된 단백질이다.

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(세포가 산화 환원반응을 통해 어떻게 에너지를 얻는지는 생략)

 

생명이 뻗어낸 가지

{박문호, 박문호 박사의 빅히스토리 공부, 김영사, 2022, 181p~186p, 193p}

{데이비드 크리스천, 빅 히스토리, 웅진지식하우스, 2022, 146p}

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우리 모두 우주의 먼지에서 시작하였으니 개념적으로는 무생물 상태에서 생물이 출현했음을 알 수 있다. 그리하여, 시계를 '생물의 출현'으로 돌려 이 시점을 설명하기 위한 시도는 무수히 많았으나, 이를 뒷받침하기 위한 가설만 난무한 상태이고 재현실험의 결과로 비추어봐도 유기물(무생물)에서 복잡한 생물로의 변화를 이끌어낼 수는 없다는 것이 현재까지의 상황이다. 하지만 최초의 생명은 존재했을 것이고 이 생명으로부터 지구 환경 변화의 역사가 시작된다.

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<생명 출현 이전의 지구 (45억~41억 년 전)>

대륙과 대양이 형성되던 시기이다. 유기화합물 분자를 형성하려면 탄소를 필요로 하고, 생화학적 작용의 매개체 역할을 하려면 물이 필요한데, 지구는 이 두 필수 원소가 풍부했다. 혜성은 지구보다 더 가혹한 환경임에도 불구하고 아미노산 등 탄소화합물이 발견되는 것으로 보아 지구에도 그러한 탄소 유기화합물이 존재했다고 추정된다.

 

[토막 상식] 탄소: 공유 결합을 하려는 경향이 매우 강해 생체 분자라고 불리는 방대하고 복잡한 구조를 만들어내기에 생명체를 위해서는 필수적이며, 유기화합물의 근간이다. 물: 수소 결합으로 인해 섭씨 0~100도 내에서(생명의 생화학적 반응이 일어나기 좋은 이상적인 온도 구간) 액체 상태로 존재 가능하며, 용매와 전도체로서의 역할이 탁월해 영양소를 유기체 내의 반투과성 세포막으로 흡수시키고, 노폐물은 배출시켜준다.

<유기 화합물에서 원시 세포{공통 조상}로 (대략 40~38억 년 전)>

아직까지는 유기 화합물 상태에서 자기복제가 가능한 유전물질과 스스로를 보호할 수 있는 막을 가진 세포가 어떻게 탄생했는지 밝혀진 바가 없다. (가설은 있으나 반박 증거가 많음) 다만, 원시 세포는 아래의 특성(지구상 모든 생물의 공통점) 중 일부를 갖고 있었을 것이라 추정한다.

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원시세포의 조상은 특정 유기체일 수는 없다. 이 조상은 원시세포들이 공통으로 느슨하게 조직된 다양한 복합체로서, 이것이 하나의 단위체로 진화한 뒤, 마침내 어느 단계에 이르러서는 몇 개의 또렷한 구역으로 쪼개지고, 이들이 결국 세 가닥으로 갈라지는 후손의 최초 계보[박테리아, 고세균, 진핵생물]를 이루었을 것이다.

[토막 상식] 지구상 모든 생물의 공통점 - 유전 암호는 DNA를 기반으로 한다. - 유전 암호는 중개자로 단일 나선의 RNA를 사용한다. - 유전 암호는 단백질을 생산한다. - 모든 종류의 생물들은 단백질 작용의 결과물이다. - 단백질은 자유 아미노산이 리보솜에서 mRNA, tRNA, 그리고 다른 관련 단백질을 번역하면서 조립된다. - 리보솜은 2가지 서브유닛으로 구성되는데, 하나는 크고 하나는 작다. - 각각의 리보솜 서브유닛은 리보솜 단백질에 둘러싸인 리보솜 RNA로 구성되어 있다. - RNA 분자들(rRNA, tRNA)은 리보솜 안의 촉매반응에 중요한 역할을 담당한다. - L-이성질체의 아미노산만이 사용된다. - 포도당이 에너지원으로 쓰이며, 탄소는 오직 D-이성질체만 사용된다. - ATP가 에너지 매개물로 사용된다. - 수백 개의 효소들이 화학반응에 촉매로 작용하여 지방, 당분, 아미노산으로부터 에너지를 뽑아내며, 또한 반대로 조합하기도 하며, 핵산은 임의의 화학 통로를 이용하여 조합한다. - 세포는 물을 기반으로 한 세포질로 구성되어 있으며, 이는 이중 지질막으로 효과적으로 둘러싸여 있다. - 세포 안은 나트륨 함량이 낮고 칼륨 함량이 높으며, 이건 특별한 이온 펌프로 유지된다. - 세포는 세포 분열을 통한 복제로 증식된다. 출처: 나무위키

- 일부 가설-

(1) 오파린-홀데인 가설에 대한 밀러의 검증 - 원시 수프: 원시 지구의 환경(수소, 메탄, 암모니아, 물)에 전기 방전 노출 실험을 한 결과 아미노산 생성함 --> 이 작용이 수천 년~ 수억 년 반복되면 아미노산들이 펩타이드(적은 수의 아미노산 결합)와 복잡한 단백질을 만들고 더 나아가 최초의 세포까지 만들었을 거라고 가정

문제점: 초기 지구 대기의 구성을 잘못 가정함, 생명에는 물이 필수이지만, 물속에서는 가수분해를 통해 펩타이드 결합이 깨짐 --> 원시 수프 속에서 자기 복제가 가능한 최초의 독립적인 세포가 만들어질 가능성은 거의 제로

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(2) 외계 기원 설: 혜성 또는 소행성을 통해 지구 바깥에서부터 박테리아의 형태로 들어왔다는 가정은, 그 생명이 어떻게 탄생했는지 설명하지 못하기에 순환논리에 빠진다.

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<스트로마톨라이트 - 세균 화석 (약 35억 년 전)>

생명의 초기에 주변에 있던 아미노산과 단백질이 고갈되자 미생물은 에너지를 얻을 다른 방법을 강구해야 했고 일부 미생물 중 햇빛을 이용해 먹이르 만드는 광합성 능력을 진화시켰다. 광합성은 태양에너지를 수확하여 저장하고 식물을 먹는 동물들은 그 저장된 에너지로 살아가니 생물의 역사관점에서 없어서는 안 될 큰 전환점이었다.

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현재까지 가장 오래된 생물 흔적 화석으로써, 시아노박테리아(엽록체의 조상)를 비롯한 광합성을 하는 미생물의 콜로니 활동에 의하여 형성된, 층 모양의 구조를 가진 암석을 말한다. 광합성 활동 중인 시아노박테리아(남세균-원핵생물) 매트의 끈끈한 석회질 성분에 물에 떠다니던 가는 모래 입자들이 포획되어 층층이 쌓여 자라난 생물기원의 퇴적 구조이다.

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지구의 자기장은 약 27억 년 전부터 시작되어 태양풍(방사능)을 차단해 주었고, 약 24억 년 전부터 오존층이 태양 자외선을 흡수해 주었다. 24억 이전의 원핵세포인 박테리아들은 바닷속에서만 생존할 수 있었다.

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46억 년 전부터 20억 년 전까지는 지구 대기의 주성분은 질소, 이산화탄소였다. 그러나 대략 35억 년 전부터 시작한 시아노박테리아의 물 분해 광합성은 산소 분자를 바닷속으로 방출했다. 이 산소 분자는 바닷물에 녹아있던 철을 산화 시켰고 철이 대부분 산화된 이후에는 대기 중으로 산소를 내뿜었다. 24억 년 전부터 대기 중에 산소가 1퍼센트 정도 축적되었고, 현재 대륙 표층을 구성하는 대부분의 광물은 약 20억 년 전부터 산소화 결합하여 새롭게 생겨난 광물들이다. 산소가 풍부해진 환경은 지구 생명 진화의 거대한 도약을 만들어 낸다.

<진핵세포의 탄생 - (약 21억 년 전)>

대양의 철이 고갈되고 대기 중 산소가 풍부해지면서 산소로 호흡해 에너지를 얻는 미토콘드리아(알파 프로박테리아에서 기원)는 원시세포와 공생하게 되었고 이로 인해 진핵세포가 탄생한다. 그 이후 대기 중 산소 농도가 짙어짐에 따라 6억 년 전 다세포 생물이 출현하고 5억 4천만 년 전에는 다세포 해양 절지동물이 폭발적으로 늘어난다. 이 과정을 캄브리아 대폭발이라 한다.

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<유성생식 - (약 10억 년 전)>

조류, 아메바, 변형균류 같은 초기 진행생물이 새로운 번식 방법인 유성생식을 시작한다. 유성생식의 가장 큰 이점은 다양성이고 이로 인해 진화가 빨라지기 시작한다.

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<다세포 생물의 출현 - (약 7억 년 전)>

지구의 빙하가 녹으면서 온도 상승을 동반한 폭우가 대륙의 암석을 풍화시켰다. 이로 인해 인산염이 해양에 대규모로 유입되어 세포 증식이 활발해졌고 시아노박테리아가 급속도로 증가했다. 광합성 작용이 폭증하였고 이로 인해 산소 농도가 20퍼센트까지 증가했다. 또한 높은 산소 농도는 대기에 오존층(산소 원자 3개 결합)을 만들어 해발 약 48km 상공에서 지구를 감쌌고 태양의 자외선으로 부터 지표면 위 생명을 보호해주었다. 이 시점부터 다세포생물의 본격적인 진화가 시작된다.

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<캄브리아 대폭발 - (약 5억 년 전)>

동물의 체형을 결정하는 혹스 유전자의 변이로 절지동물의 몸 설계가 다양해짐으로써 다양한 종이 탄생한다. 이때 어류의 기원인 척삭동물 피카이아도 출현한다.

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<이후 지질연대에 따른 생명의 역사>

지구의 생명체가 물 밖으로 나오는 역사는 체내에 물을 보관하는 방법(탈수 방지)을 터득한 역사와 일맥상통한다. 물에 살던 어류가 건조한 육상 환경에 적응하기 위해 수분 손실을 막는 기능이 진화했고, 아가미 호흡이 허파 호흡으로 바뀌었어야 했고, 중력을 극복하기 위해 기어 다니기 위한 사지가 발달해야 했다.

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양서류는 물가를 벗어날 수 없었고, 성체 상태에서만 육지에 잠시 생활할 수 있었다. 어류 때 물속 화학 분자를 감지하기 위해 후각과 미각이 발달했었다면, 육지로 올라와서는 운동 방향을 결정하기 위해 시각이 발달했다.

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파충류가 되어서는 양막이 출현하여 번식을 위해 다시 물로 돌아가지 않아도 됐다. 또한 비늘이 수분 증발을 막아주어 건조한 육지 환경에 적응할 수 있게 되었다.

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초기 포유류는 2억 5천만 년 전 수궁류 파충류에서 갈라져나왔고, 약 2억 3천만 년 전 중생대 때 10cm 정도 크기의 설치류가 포유류의 선조이며 백악기 초에 환경 적응 능력이 발달하면서 다양한 종으로 분화했다. 주로 밤에 활동하면서 예민한 청각을 이용해 작은 곤충들을 잡아먹었다. 청각의 진화, 어금니의 진화, 균형감각, 주의력이 신경계의 발달을 강하게 추진한 덕에 뇌의 용량이 2배로 증가한다.

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캥거루 같은 유대류와 태반이 있는 동물의 공동 조상이 1억 6천5백만 년 전경에 출현했으며, 태반이 있는 동물은 (대다수 포유류의 직접적 조상) 6천 5백만 년 전경에 출현했다.

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신생대는 포유동물 중 태반류의 시대였다. 이중 영장류는 열대 밀림에 적응하면서 시각이 발달했다. 영장류의 진화 과정은 다다음 part에서 자세히 다루겠지만, 위의 정보들을 통합하여 인간에 이르는 계통도를 만들면 아래와 같다.

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<인간 계통도 - 연도에 따른>

원시세포: 40~38억 년 전

원핵생물: 35억 년 전

단세포 진핵생물: 21억 년 전

다세포 생물: 7억 년 전

무척추동물: 6억 5천만 년 전

척추동물: 5억 2천5백만 년 전

네발 달린 척추동물: 4억 년 전

포유류를 닮은 파충류: 3억 1천만 년 전

포유류: 2억 3천만 년 전

진수류 포유류: 1억 6천만 년 전

태반 있는 포유류: 6천5백만 년 전

영장류: 5천5백만 년 전

유인원: 1천9백만 년 전

원인: 7백만 년 전

인간: 3~2백만 년 전

근대 인간(호모 사피엔스): 30~20만 년 전

상첩기 = 트라이아스기

출처: 한겨례 - 초기 공룡이 두발로 걸은건 산소부족 탓:&nbsp; https://www.hani.co.kr/arti/culture/book/533567

 

마무리

물질의 출현과 마찬가지로 생명의 출현을 설명하는 일은 과학의 역량 범위를 넘어섰으나(유기 화합물에서 자기복제가 가능한 + 인지질 막을 가진 세포까지의 연결고리가 없음), RNA 유전자 분석을 통해 역추적해 보면 [박테리아, 고세균, 진핵생물]의 세 가닥으로 갈라지기 전의 개체가 있을 것으로 추정되고 우리는 그것을 원시 세포라 부른다.

[토막 상식] 5대 대멸종 - 오르도비스기-실루리아기: 그 당시 바다에 살던 모든 동식물은 물론, 완족류, 극피동물, 삼엽충 등을 포함한 해양 무척추동물의 85% 이상 - 데본기 말기: 바닷속은 물론 육지에 살던 동식물 전체의 82%가량. 특히 두족류와 갑주어류를 포함한 해양 동물이 가장 심각한 멸종을 겪음 - 페름기-트라이아스기: 지구 역사상 가장 큰 멸종 사태로서, 해양종의 95%, 육지종의 70%, 곤충목에서는 8~27%가 사라짐. 생물 다양성이 회복되기까지 1000만 년이 걸렸다. 원인은 용암의 대량 방출이다. 화산 활동에 의해 쏟아져 나온 500만 km^3의 용암이 바다를 뒤덮었고 오늘날의 시베리아 트랩이 그 증거이다. 시베리아 아래의 맨틀에서 솟아오른 마그마는 많은 양의 가스 방출을 동반했고 이때 방출된 이산화탄소는 온실효과를 일으킨다. 지표면 온도의 급등으로 인해 해저의 생물들을 질식시켰고, 같이 방출된 염화수소와 이산화황은 성층권에 도달해 오존층을 파괴하여 태양의 해로운 자외선을 그대로 투과시킨다. 또한 이산화황은 햇빛을 차단하여 광합성을 못하게 만들었고, 심지어 물과 섞여 산성비가되어 많은 피해를 주었다. - 트라이아스기-쥐라기: 대부분의 해양 파충류와 양서류, 조류과 공룡의 일부가 포함된 육지의 진화된 파충류 등 모든 종의 75%가 사라졌다. 그러나 공룡은 살아남음 - 백악기 제3기: 해양종의 75% 이상, 그리고 모든 동식물의 50% 이상이 사라졌으며, 여기에는 비조류성 공룡이 전부 포함됨. 인도 대륙이 유라시아와 충돌하면서 마그마가 지표면 위로 솟아오른다. (데칸 고원의 트랩이 그 증거) 페름기 대멸종과 마찬가지의 현상을 보이지만 그 규모가 작았다. 하지만 어려운 상황에 유카탄반도 북부에 소행성이 충돌하여 일격을 가한다. [공룡의 멸종: 6500만 년 전 지름 9.6km의 소행성이 유카탄반도 북부에 떨어져 충돌과 잔해로 생긴 매연이 높은 상공까지 치솟았다. 지구는 급격히 냉각되었고 몇 년간 햇빛을 보지 못한 많은 식물들이 죽고 먹이사슬 내의 동물들도 사라졌다.]

최초의 생명이었을 원시세포는 이후 약 35~38억 년간 거듭된 진화를 거쳐왔고 수많은 생물 가지를 뻗어냈다. 그렇다면 생물의 가지를 뻗게 한 동인이 무엇이었을까? 따라서, Part5 - '진화의 동력 : 경쟁 vs 협력' 에서는 다윈의 종의 기원과 신다윈주의, 그리고 그 보완으로 협력 이론 등을 논해보고자 한다.

[토막 상식] 진화의 증거 ​ - 화석 상의 증거: 화석기록으로 보면 대체적으로 단순한 형태에서 복잡한 형태로 나아감, 일련의 전환기 종의 화석이 발견되는 것으로 보아 진화론적 계통이 있었음을 지지, 복잡한 유기체가 다시 단순한 유기체로 변해 갔다는 화석 증거는 없음 원핵생물 -> 진핵생물 단세포 진핵생물 -> 다세포 진핵생물 방사형 대칭 -> 좌우대칭 무척추동물 -> 척추동물 물고기 -> 양서류 파충류 -> 조류 포유류 -> 영장류 ​ - 비교해부학적 증거: 형태적 특징을 통해 공통 조상을 가지는지 아닌지 알 수 있음 상동 구조 - 공통 조상에게 있던 신체 부위가 서로 다른 환경 속에서 진화 차원의 적응을 하면서 생겨남 상사구조 - 공통 조상에게 물려받지 않았지만 유사해진 형태적 특징 흔적기관 - 현재는 기능을 수행하지 않는 과거의 흔적기관 ​ - 생물지리학적 증거: 같은 종의 생물이 지리적 격리되어 독자적으로 진화 ​ - 진화발생학적 증거: 유연관계가 가까운 생물들은 발생 초기 단계에, 성체에서는 보이지 않는 유사한 특징이 나타남 - 척추동물의 발생 초기 배아는 형태가 유사 ​ - 분자진화학적 증거: DNA 염기 서열이나 단백질의 아미노산 서열 비교, 서열의 차이가 클수록 오래전의 공통 조상에서 분화

 

<참조한 서적>

• 코스모사피엔스(존 핸즈, 소미미디어, 2022.01.27.)
• 만물은 서로 돕는다(표트르 A. 크로포트킨, 여름언덕, 2015.11.15.)
• 박문호 박사의 빅히스토리 공부(박문호, 김영사, 2022.06.30.)
• 빅 히스토리(데이비드 크리스천, 웅진지식하우스, 2022.12.26.)

본 글은 네이버 블로그에서 발행했던 글입니다. https://m.blog.naver.com/gb145/222846531613