생물 진화의 증거
(1) 화석상의 증거: 화석을 연구하면 지층이 형성될 당시의 생물 다양성과 환경의 특성을 알 수 있으므로 화석은 환경 변화와 생물의 진화를 보여주는 가장 직접적인 증거이다.
① 고래 화석: 현생 고래는 뒷다리가 흔적으로만 남아 있지만 고래 조상종의 화석에서는 온전한 뒷다리가 발견된다. 이는 육상 생활을 하던 포유류의 일부가 고래로 진화하였음을 보여준다.
(2) 비교해부학적 증거: 현존하는 여러 생물의 해부학적 특징을 비교해 보면 이들이 공통 조상을 갖는지, 서로 다른 조상으로부터 진화했는지를 알 수 있다.
① 상동 형질(상동 기관): 공통 조상에서 물려받은 형태적 특징이다. 척추동물은 척추를 공통적으로 가지며, 척추동물의 앞다리는 생김새와 기능은 다르지만 해부학적 구조와 발생 기원이 같다. 이를 통해 척추동물은 공통 조상에서 다양하게 진화하였다는 것을 알 수 있다.
② 상사 형질(상사 기관): 공통 조상에서 물려받지 않았지만 서로 형태적으로 유사해진 특징이다. 새의 날개와 곤충의 날개는 발생 기원은 다르지만 생김새와 기능이 비슷하다. 이를 통해 공통 조상을 갖지 않은 생물들이 비슷한 환경에 적응하면서 유사한 형질을 갖도록 진화하였음을 알 수 있다.
③ 흔적 기관: 사람의 꼬리뼈와 같이 현재에는 과거의 기능을 더 이상 수행하지 않고 흔적으로만 남은 기관으로, 생물 사이의 유연관계를 밝히는 단서가 된다.
(3) 진화발생학적 증거: 유연관계가 가까운 생물들은 발생 초기 단계에서 성체에서는 보이지 않는 유사한 특징이 나타난다. 척추동물의 발생 초기 배아는 형태가 매우 유사하고 아가미 틈이 관찰된다. 이를 통해 이들이 공통 조상으로부터 진화해 왔다는 것을 알 수 있다.
(4) 생물지리학적 증거: 생물의 분포는 각 지역마다 독특하게 나타나는데, 이는 같은 종의 생물이 지리적으로 격리된 후 오랜 세월 동안 독자적인 진화 과정을 거쳤기 때문이다. 캥거루와 같은 유대류는 호주와 남미 대륙에 대부분 분포하며, 갈라파고스 군도에는 섬마다 부리 모양이 조금씩 다른 여러 종의 핀치가 살고 있다.
(5) 분자진화학적 증거: DNA 염기 서열이나 단백질의 아미노산 서열과 같은 분자생물학적 특징을 비교해 보면 생물 간의 진화적 유연관계를 알 수 있다. 공통 조상에서 물려받은 동일한 DNA 염기 서열은 생물종들이 진화하면서 서로 달라지므로 DNA 염기 서열의 차이가 클수록 상대적으로 오래전에 공통 조상에서 분화한 것이다.
① 미토콘드리아에 있는 단백질인 사이토크롬 c의 아미노산 서열 비교: 침팬지와 사람의 사이토크롬 c의 아미노산 서열은 같고, 효모는 사람과 큰 차이를 나타낸다. 이는 침팬지의 단백질이 사람의 단백질과 가장 유사하며, 침팬지와 사람이 가장 최근에 분화하였음을 뜻한다.
② 척추동물에서 글로빈 단백질의 아미노산 서열 비교: 글로빈 단백질의 아미노산 서열을 비교해 보면 사람과 붉은털원숭이는 작은 차이를 보이고, 사람과 칠성장어는 큰 차이를 보인다. 따라서 사람과 붉은털원숭이의 유연관계가 사람과 칠성장어의 유연관계보다 가깝다.
개체군 진화의 원리
(1) 변이와 자연 선택: 생물은 주어진 환경에서 살아남을 수 있는 수보다 더 많은 수의 자손을 생산하며, 집단 내에는 개체 간 변이가 존재한다. 개체들 사이에는 생존 경쟁이 일어나고, 세대가 거듭되면서 생존에 유리한 변이를 가진 개체가 자연 선택된다.
낫 모양 적혈구와 자연 선택
(2) 유전자풀과 대립유전자 빈도
① 유전자풀: 한 개체군 내 모든 개체가 가지고 있는 대립유전자 전체로, 집단의 유전적 특성을 결정한다. 집단에서의 진화는 유전자풀의 변화를 뜻한다.
② 대립유전자 빈도: 유전자풀은 대립유전자의 상대적 빈도인 대립유전자 빈도로 표현된다. 예를 들어 털 색을 결정하는 대립유전자 B와 b를 가지고 있는 어떤 고양이 집단에서 유전자형에 따른 개체 수로부터 대립유전자 B의 빈도(p)와 b의 빈도(q)를 다음과 같이 계산할 수 있으며, p+q는 1이다.
(3) 하디·바인베르크 법칙과 유전적 평형
① 하디·바인베르크 법칙: 특정 조건을 만족하는 집단에서는 시간이 흘러도 대립유전자 빈도와 유전자형 빈도가 변하지 않는다.
② 유전적 평형: 하디·바인베르크 법칙을 따르는 집단의 상태이다.
③ 멘델 집단: 하디·바인베르크 법칙이 성립하는 유전적 평형 상태의 집단이다.
- 멘델 집단의 조건: 집단이 충분히 커야 하며, 집단의 개체 사이에서 무작위 교배가 일어나야 하고, 돌연변이나 집단 사이의 유전자 흐름, 자연 선택이 없어야 한다. 또 개체들의 생존력과 생식력이 같아야 한다.
④ 멘델 집단에서 대립유전자 빈도: 어떤 멘델 집단에서 대립유전자 B의 빈도 p는 0.6, 대립유전자 b의 빈도 q는 0.4일 때, 자손 세대에서 유전자형 BB의 빈도는 p2, Bb의 빈도는 2pq, bb의 빈도는 q2으로 계산할 수 있다. 자손 세대의 유전자형 빈도로부터 대립유전자 빈도를 계산하면 대립유전자 B의 빈도 p는 0.6, b의 빈도 q는 0.4로 부모 세대와 같다.
멘델 집단에서는 세대를 거듭해도 대립유전자 빈도가 변하지 않으므로 진화가 일어나지 않는다.
⑤ 멘델 집단은 매우 드물며 실제 생물 집단에서는 여러 가지 요인에 의해 유전자풀이 변하여 진화가 일어난다.
하디·바인베르크 법칙 모의 실험하기
(4) 유전자풀의 변화 요인: 집단의 유전자풀이 변하여 유전적 평형이 깨지면 진화가 일어나며, 유전자풀의 변화 요인으로는 돌연변이, 유전적 부동, 자연 선택, 유전자 흐름이 있다.
① 돌연변이: 방사선, 화학 물질, 바이러스 등으로 DNA의 염기 서열에 변화가 생겨 새로운 대립유전자가 나타나는 현상이다. 돌연변이는 집단 내에 존재하는 모든 유전적 변이의 원천이다.
- 돌연변이에 의해 생겨난 대립유전자는 집단 내에서 매우 낮은 빈도로 존재하므로 돌연변이 그 자체로는 집단의 진화에 미치는 영향이 크지 않다. 그러나 환경 변화로 돌연변이가 일어난 개체의 생존율과 생식률이 높아지면 유전자풀이 변화하여 생물의 진화가 일어난다.
② 유전적 부동: 집단을 구성하는 개체는 자손에게 자신이 가지고 있는 대립유전자 중 하나를 무작위로 전달하게 된다. 유전적 부동은 대립유전자가 자손에게 무작위로 전달되기 때문에 부모 세대와 자손 세대 사이에서 대립유전자 빈도가 예측할 수 없는 방향으로 변화하는 현상이다.
- 유전적 부동은 집단의 크기가 작을수록 강하게 작용하므로 병목 효과나 창시자 효과를 겪은 집단에서 잘 나타난다.
병목 효과와 창시자 효과
③ 자연 선택: 생존율과 번식률을 높이는 데 유리한 어떤 형질을 가진 개체가 다른 개체보다 이형질에 대한 대립유전자를 더 많이 다음 세대에 남겨 집단의 유전자풀이 변하게 되는 현상이다. 자연 선택이 일어나면 시간이 지남에 따라 환경의 변화에 가장 적합한 대립유전자를 가진 개체들의 비율이 증가한 집단이 구성된다.
④ 유전자 흐름: 두 집단 사이에서 개체의 이주나 배우자의 이동으로 두 집단의 유전자풀이 달라지는 현상이다. 유전자 흐름은 집단에 없던 새로운 대립유전자를 도입시킬 수 있으며, 유전자 흐름이 일어난 두 집단 사이의 유전자풀 차이를 줄여 준다.
생태 통로와 유전자 흐름
종분화
(1) 종분화: 한 종에 속하였던 두 집단 사이에서 생식적 격리가 일어나 기존의 생물종에서 새로운 종이 생겨나는 과정이다.
① 종분화는 대부분 지리적 격리로 일어난다. 한 집단이 강, 산맥과 같은 지리적 장벽에 의해 격리되어 두 집단으로 분리되면 서로 유전자 교류가 없어지게 되고, 각 집단은 독자적인 돌연변이, 유전적 부동, 자연 선택 등의 진화 과정을 겪게 되면서 자신만의 유전자풀을 가지게 된다. 오랜 시간 후 지리적 장벽이 제거되어도 생식적으로 격리되어 서로 다른 종으로 분화된다.
(2) 지리적 격리에 의한 종분화 사례
① 그랜드 캐니언에서의 영양다람쥐: 해리스영양다람쥐와 흰꼬리영양다람쥐는 큰 협곡이 생기기 전에는 같은 종이었지만, 큰 협곡의 생성으로 지리적 격리가 일어나 두 집단으로 분리된 후 오랜 시간이 지난 지금은 서로 교배가 불가능한 두 종으로 분화하였다.
② 고리종: 어느 한 종으로 이루어진 여러 집단들이 고리 모양으로 분포하고 있는 상황에서 지리적으로 인접한 집단 사이에서는 생식적 격리가 없어 교배를 통한 유전자 흐름이 일어난다. 그러나 고리의 양쪽 끝에 위치한 두 집단은 서로 인접해 있지만 생식적 격리가 일어나 교배하지 않는다. 이러한 현상이 나타나는 이웃 집단들의 모임을 고리종이라고 한다. 고리종은 종분화를 위한 생식적 격리가 연속적이며 점진적으로 일어나고 있음을 보여 준다.
- 캘리포니아의 엔사티나도롱뇽: 캘리포니아 중앙 계곡의 가장자리를 따라 고리 형태로 분포하는 엔사티나도롱뇽은 인접한 집단 간에는 교배가 일어난다. 그러나 고리 양쪽 끝의 두 집단 A와 G는 지리적으로 가깝지만 생식적으로 격리되어 있다.
고리종의 사례
참고자료: EBS 수능특강 생명과학2
