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내 안의 물고기: 35억 년 진화의 비밀

닐 슈빈 : Your Inner Fish

1장 내 안의 물고기를 찾아서
   진화의 증거, 화석
   잃어버린 퍼즐 조각을 찾아내다
2장 손목을 가진 물고기
   손과 팔을 구성하는 단 하나의 패턴
   물고기의 팔굽혀펴기
3장 지느러미에서 손으로
   손을 만드는 유전자들
   상어에게 손 만들어주기
4장 도처에 이빨이 있다
   우리에게 앞니, 송곳니, 어금니가 생기기까지
   이빨과 뼈가 딱딱해진 까닭은?
  이빨과 깃털, 비늘은 하나에서 시작됐다
5장 사람 머리의 기원
   머릿속의 혼란
   아가미궁과 뇌신경
   내 안의 상어
   머리의 시작은 초라했다
6장 최적의 신체 설계
   공통의 설계도/    배아 실험
   파리와 인간 /  DNA와 형성체 /  내 안의 말미잘
7장 몸의 탄생
   몸이 되기 위한 조건 /    최초의 몸을 캐내다
   세포와 세포 사이 /    지구에서 가장 단순한 몸들
   몸을 탄생시킨 최적의 환경
8장 코 그리고 냄새 맡기
   냄새분자와 후각 신경세포의 결합
   후각 유전자가 알려주는 비밀
9장 눈 그리고 보기
   빛을 수집하는 광수용 분자
   벌레와 사람의 눈을 잇는 조직
   돌연변이 유전자의 비밀
10장 귀 그리고 듣기
   파충류의 턱뼈에서 온 중이
   겔이 움직이고, 털이 구부러지는 내이
   눈과 귀의 기원, 해파리
11장 내 안의 물고기에 귀 기울이다
   내 안의 동물원 /   동물원 산책
   역사가 우리를 어떻게 아프게 하는가

손과 팔을 구성하는 단 하나의 패턴
사람의 팔 골격에는 일정한 패턴이 있다. 즉, 위팔에는 뼈가 한 개 있고, 팔뚝에는 뼈가 두 개 있으며, 손목에는 작은 뼈들이 아홉 개 뭉쳐 있고, 거기서 가지들이 다섯 개 뻗어 나와 손가락을 이룬다는 것이다. 사람의 다리뼈 배열도 이와 같다. 뼈 한 개, 뼈 두 개, 동그란 뼈 여러 개, 발가락 다섯 개. 오언은 이 패턴을 세상의 다양한 동물 골격들과 비교한 결과, 놀라운 사실을 알아냈다. 그는 다양한 골격들을 서로 다르게 만드는 차이점에 초점을 맞추지 않았다. 그것이 오언의 천재성이었다. 오언은 개구리와 사람처럼 전혀 다른 생물들 사이에 놀라운 유사성이 존재함을 발견했고, 강연과 책을 통해 줄곧 그 사실을 설파하였다. 생물들의 팔다리는 모두 공통의 설계를 따른다. 팔다리가 날개이든, 물갈퀴이든, 손이든 상관없다. 팔의 상완골이나 허벅지의 대퇴골처럼 먼저 한 개의 뼈가 있고, 거기에 두 개의 뼈가 관절로 연결되며, 거기에 또 작고 둥근 뼈들이 여러 개 붙어 있고, 마지막으로 손가락이나 발가락이 연결된다. 모든 팔다리의 구조에 이 패턴이 깔려 있다. 박쥐의 날개를 만들고 싶은가? 손가락들을 아주 길게 늘이면 된다. 말을 만들고 싶은가? 가운뎃손가락과 발가락을 길게 늘이고 나머지 것들은 줄이거나 없애면 된다. 그렇다면 개구리 다리는 어떨까? 다리뼈를 잡아 늘인 뒤 여러 뼈들을 한 덩어리로 뭉치면 된다. 생물들 사이의 차이점은 뼈의 모양과 크기, 그리고 둥근 뼈나 손·발가락의 개수 차이에 있다. 팔다리의 생김새와 하는 일이 극단적으로 다를지 몰라도 바탕에 깔린 청사진은 언제나 동일하다. _57~58쪽

도처에 이빨이 있다
처음에 이빨이 생겨나지 않았다면 비늘도, 깃털도, 가슴도 절대 없었을 것이다. 피부 구조를 만드는 데 쓰이는 도구가 바로 이빨 발생 도구들을 변형한 것이기 때문이다. 이빨, 깃털, 가슴은 서로 무관한 기관처럼 보이지만, 깊은 의미에서는 하나의 역사로 얽혀 있다. 우리는 이제까지 다양한 생물들 속에서 어떻게 하나의 기관을 추적할 것인가 하는 주제를 다루었다. 1장에서는 고대 암석에서 인체 기관들의 변형판을 찾아낼 수 있고, 그런 발굴 작업을 미리 예측할 수도 있다는 이야기를 했다. 2장에서는 물고기에서 사람에 이르기까지 모든 동물에 비슷한 뼈들이 존재한다는 이야기를 했다. 3장에서는 개체가 후손에게 물려주는 DNA 중에서 기관 형성을 지시하는 유전자 조리법들이 생물의 종류에 상관없이 대개 비슷하다는 이야기를 했다. 4장에서는 이빨, 젖샘, 깃털을 관통하는 일관된 주제가 있다는 것을 살펴보았다. 다양한 기관을 만들어내는 생물학적 과정은 사실 한 가지 과정의 변주이다. 다양한 기관과 몸들 사이에 깊은 유사성이 존재하는 이상, 세상의 여러 생물들은 하나의 주제를 갖가지로 변주한 것에 불과하다. _132쪽

사람 머리의 기원
사람과 이 작은 벌레들의 공통점이 한 가지 더 있다. 바로 아가미궁이다. 궁 하나가 작은 연골봉 하나에 해당하는데 사람의 턱, 귀뼈, 후두의 일부를 이루는 연골처럼 활유어의 연골봉들은 아가미틈을 지지한다. 따라서 사람 머리의 본질은 벌레로 거슬러 올라가는 셈이다. 그것도 머리가 없는 벌레로 말이다. _154쪽

몸이 되기 위한 조건
인간의 먼 선조가 단세포 생물을 벗어나 몸을 지닌 생명체가 되려 했을 때, 세포들은 새로운 협동 메커니즘을 배워야 했을 것이다. 실제로 10억 년 전에 그런 일이 일어났다. 세포들은 서로 소통하고, 새로운 방식으로 결합하고, 새로운 물질을 만들 필요가 있었다. 이를테면 기관들마다 독특한 특징을 부여하는 분자 같은 것을 만들 줄 알아야 했다. 따라서 세포들을 붙이는 접착제, 세포들이 서로 ‘말하는’ 방법, 세포들이 특수한 분자들을 만들어내는 것, 이 속성들이야말로 지구상의 모든 몸들을 만드는 데 필요한 도구상자 속의 핵심 연장이다. 이런 도구들의 발명은 가히 혁명이라 할 만했다. 단세포 동물이 몸을 지닌 동물로 전환하자, 전혀 새로운 세상이 열렸다. 새로운 재능을 갖춘 신생 생물들이 등장했다. 생물들은 크기가 커졌고, 돌아다닐 수 있게 됐고, 감각하고 먹고 소화하는 새로운 기관들을 발달시켰다. _186쪽

딸꾹질을 일으키는 물고기와 올챙이의 과거
문제는 원래 뇌간이 물고기의 호흡을 통제하는 데 쓰였다는 점이다. 그러던 것이 대강의 수정을 거쳐 포유류의 호흡을 통제하게 된 것이다. 상어와 경골어류의 뇌간에도 목구멍과 아가미 주변 근육들을 율동감 있게 움직이는 영역이 있다. 그 영역에서 나온 신경들이 목과 아가미 부위를 통제한다. 가장 원시적인 화석 물고기에서도 이런 식의 신경 배열을 확인한 바 있다. 4억 년 전 암석에서 나온 갑주어류 화석 중에 뇌와 뇌신경들이 주형화석으로 보존된 것이 있는데, 그것을 보면 현생 어류와 마찬가지로 뇌간에서 호흡을 통제하는 신경들이 나오고 있다. 이 구조가 어류에게는 잘 맞을지 모르지만 포유류에게는 참으로 성가시다. 어류의 경우, 호흡을 통제하는 신경들이 뇌간으로부터 그다지 멀리 여행할 필요가 없다. 보통 아가미와 목구멍이 뇌간을 둘러싸고 있기 때문이다. 하지만 포유류는 다르다. 포유류의 호흡을 통제하는 것은 흉벽의 근육들, 그리고 가슴과 복부를 구분하는 막 형태의 근육인 횡격막이다. 횡격막이 수축하여 흡입을 통제하는데, 횡격막을 통제하는 신경들은 뇌에서 나온다. 어류와 마찬가지로 목 근처 뇌간에서 나오는 미주신경과 횡격막신경이 그것이다. 두개골 아래에서 뻗어 나온 두 신경은 흉곽을 거친 후에야 호흡을 통제하는 가슴 부위와 횡격막에 가 닿을 수 있다. 이렇게 뒤틀린 경로를 따르다 보니 문제가 생길 수밖에 없다. 합리적인 설계라면 신경이 목이 아닌 횡격막 근처에서 나와야 하지만 불행하게도 현실은 그렇지 않다. 따라서 신경들이 먼 여행을 하는 동안 간혹 무엇이든 신경 기능을 방해하여 경련을 일으킬 수 있다. _289~290쪽

탈장을 일으키는 상어의 과거
사람이 탈장을 일으키기 쉬운 까닭은 물고기의 몸을 주물러 포유류의 몸을 만들어냈기 때문이다. 적어도 사타구니 부위의 탈장은 그렇다. 어류의 생식선은 가슴 위쪽까지 뻗어 있어서 거의 심장 가까이 오지만 포유류는 그렇지 않다. 그것이 문제다. 물론 사람의 생식선이 가슴속, 즉 심장 가까이 있지 않다는 건 좋은 일이다(그랬다면 국기에 대한 맹세를 할 때마다 야릇한 기분을 느꼈을 테니). 생식선이 가슴에 있다면 우리는 번식할 수 없었을지도 모르니까 말이다. _292쪽

인간은 업그레이드된 물고기다?!

발이 있는 물고기 ‘틱타알릭’의 발견으로 학계를 놀라게 한 고생물학의 세계적 권위자인 닐 슈빈이 인간 몸의 역사를 추적한다! 인간의 몸은 왜 이렇게 생겼을까? 물고기에서 찾아낸 인간 몸의 기원! 딸꾹질과 탈장은 인간이 물고기에서 ‘업그레이드’된 진화의 흔적이다!

인간의 몸은 어떻게 만들어졌을까? 어떤 과정을 통해, 왜 이렇게 빚어졌을까? 생물학과 진화론이 추구하는 궁극의 질문은 바로 이것이다. 우리 자신의 정체를 규명하고픈 순수한 욕구와 더불어, 그 답을 통해 우리 몸이 왜 특정한 방식으로 고장이 나는지 알 수 있기 때문이다. 《내 안의 물고기》에 따르면 해답은 다른 동물의 몸속에 있다. 그것도 인간과 유전자가 99.7퍼센트 일치하는 침팬지가 아니라, 물고기·파리·박테리아 등 우리와 관계없어 보이는 생명체의 몸속에 있다!

내 안의 물고기, 물고기 안의 나
2004년 북극 엘스미어 섬에서 발이 있는 물고기의 화석이 발견됐다. 바로 3억 7500만 년 전 지구에 살았던 ‘틱타알릭’이다. 틱타알릭은 어류에서 양서류로, 물에서 뭍으로 생명이 진화했다는 증거였다. 발견된 지 2년만인 2006년, 틱타알릭이 세상에 발표되자 고생물학계는 발칵 뒤집혔다. ‘진화의 잃어버린 고리’가 나타났다는 기사가 전 세계 신문의 1면을 장식했고 여러 과학 전문 블로그에서는 뜨거운 토론이 연일 이어졌다. 틱타알릭의 발견자인 시카고 대학의 닐 슈빈 교수는 자신이 쓴 책 《내 안의 물고기》에서 틱타알릭의 존재가 가지는 의미를 이렇게 설명하고 있다.

“우리가 찾아낸 것은 어류와 육상동물의 중간 단계에 해당하는 아름다운 화석이었다. 이 녀석은 물고기처럼 등에 비늘이 있고 물갈퀴가 달린 지느러미가 있다. 하지만 초기 육상동물처럼 머리가 납작하고 목을 지녔다. 또한 갈퀴막이 달린 지느러미 안을 들여다보면 위팔과 아래팔이 있고, 심지어 손목에 해당하는 뼈와 관절도 가지고 있다. 사람의 팔다리 구조의 기원은 대체로 이런 ‘발을 가진 물고기’의 지느러미로 거슬러 올라간다. 손목을 안팎으로 구부리거나 주먹을 쥐어보자. 이런 동작을 할 때 사용되는 관절은 틱타알릭이 나타나기 전에는 존재하지 않았다. 틱타알릭 이후에는 동물의 팔다리에 항상 이런 관절들이 존재한다.
자, 이제 우리는 한 가지 사실을 또렷이 깨닫게 된다. 사람의 위팔뼈와 팔뚝뼈, 손목과 손바닥을 처음으로 지녔던 생명체는 비늘과 물갈퀴도 함께 지니고 있었다. 그 생명체는 엄연한 물고기였던 것이다!”

인간의 몸에 이르기까지, 진화의 여정을 따라서
다른 동물의 몸에서 인체의 진화의 실마리를 어떻게 찾을 수 있을까? 닐 슈빈은 두 갈래 길로 우리를 안내한다. 한쪽 길은 화석과 고생물학의 길이다. 화석은 인간의 먼 선조가 물에서 뭍으로 올라와 사지동물이 되고, 더욱 진화하여 특수한 몸 구조와 감각기관들을 갖게 되었다는 가설을 증명하는 눈에 보이는 증거다.

다른 쪽 길은 DNA와 진화발생생물학의 길이다. 현생 생물의 몸을 형성하는 유전자는 엄청나게 오래 전부터 존재했고, 다른 생물종일지라도 서로 공통된 부분이 많다. 즉, 생명은 오래된 도구(유전자)를 다양한 방법으로 활용하여 이토록 다양한 몸들을 만들어낸 것이다.

《내 안의 물고기》는 고생물학과 발생유전학을 사용해서 우리의 과거와 현재, 그리고 미래를 이해하는 방법을 매혹적으로 소개하고 있다. 인간은 스스로 생각하는 것보다 훨씬 더 다른 생물들과 가깝다. 이 책은 고생물학과 유전학 등 여러 증거를 들어 우리 몸과 어류, 파충류, 기타 생물들의 해부 구조가 놀라울 정도로 비슷하다는 점을 밝히고 있다. 지구에 생명체가 등장한 지 35억 년, 그 길고 매혹적인 역사가 우리 몸 구조에 고스란히 담겨 있다. 인간의 기원을 살펴보려면 이 책을 꼭 읽어야 한다.

닐 슈빈은 화석과 DNA를 조사함으로써, 인간의 손이 물고기의 지느러미와 정말 닮았고, 인간의 머리는 오래 전에 멸종한 무악어류의 머리처럼 조직되며, 인간 게놈은 박테리아의 게놈과 비슷하게 작동한다는 것을 증명해낸다. 그는 심지어 “인간은 업그레이드된 물고기다”라고 표현할 정도다. 그런데 더욱 흥미로운 것은 인체가 물고기의 신체 구조를 약간 수정하여 사용하고 있기 때문에 딸꾹질과 탈장, 수면 무호흡 등을 겪게 되었다는 사실이다.

업그레이드된 물고기, 그러나 문제는 있다
사람은 말하고, 생각하고, 쥐고, 두 발로 걷는 등 특별한 재능을 갖고 있지만, 그러기 위해서 합당한 대가를 치러야 했다. 인간의 신체 속에 생명의 계통수가 고스란히 남아 있기 때문에 생긴, 어쩔 수 없는 결과였다. 완벽하게 설계된 세상이라면, 즉 진화의 역사가 존재하지 않는 세상이라면 우리 인간이 치질에서 암까지 온갖 질병들 때문에 고통 받는 일은 없을 것이다.

인간 진화의 역사를 시각적으로 가장 잘 보여주는 것은 비비 꼬이고 뒤틀린 우리의 동맥·정맥·신경이다. 아무 신경이나 하나 골라 그 경로를 따라가 보자. 틀림없이 꼬불꼬불 이상한 길을 따라 내장 기관들 주변을 돌고, 한 방향으로 가다가 아무런 이유 없이 길을 틀어서 예상치 못한 장소에 다다르곤 할 것이다. 물고기의 몸에 팔과 다리를 붙인 다음 일어서서 두발로 걷게 만들려면 그렇게 될 수밖에 없다. 그 때문에 이따금 문제가 발생한다. 이를테면 딸꾹질이나 탈장 같은 문제들이다. 과거가 우리를 괴롭히는 방식은 이 외에도 수두룩하다.

수십억 년 생명의 역사는 오늘날 우리의 삶에 어떤 의미가 있을까? 우리는 과학 최고의 미스터리, ‘인간과 다른 생명체의 차이’에 대한 해답을 어렴풋이 찾아가고 있다. 우리는 인간의 몸이 어떻게 작동하는지, 인간이 겪는 질병들의 원인은 무엇인지 알게 됐으며, 인간이 더 오래 건강하게 사는 데 도움이 될 도구를 개발할 수 있었다. 지구에 살았던 가장 보잘것없는 생명체들을 통해 인류의 기원을 찾고 인간이 겪는 질병들의 처방을 찾는 것, 그것보다 더 아름답고 지적으로 심오한 작업이 있을까?