[理知논술/고교 통합교과 논술]과학<8>생물다양성과 진화

유전적 다양성

생물다양성(biodiversity)이란 지구상에 있는 생물의 총체적 다양성을 뜻하는 말이다. 생물다양성에는 유전적 다양성, 종 다양성, 생태적 다양성(서식지 다양성) 등의 세 가지 측면이 있다. 유전적 다양성은 교과 과정에서 유전 및 진화 관련 단원에서 다뤄지는데, 종 내의 유전자들의 다양성을 뜻하며 궁극적으로 DNA 수준의 다양성을 의미한다. 종 다양성과 생태적 다양성은 환경 보전의 필요성(특히 자연이 가진 잠재적인 경제적 가치)과 관련하여 주목받는 개념이다.

종 내의 유전적 다양성이 높을수록 대체로 그 종은 환경의 변화에 적응해 멸종하지 않고 살아남을 가능성이 높아진다. 예를 들어 종 내의 유전적 다양성이 낮으면 특정한 질병이 유행하거나 급격한 환경 변화가 있을 때 종 전체가 이에 적응하지 못하고 멸종할 가능성이 크다. 종 내의 유전적 다양성에는 크게 두 가지 차원이 있는데 첫째로 ‘유전자 자체의 다양성’을 들 수 있고 둘째로 ‘유전자들의 조합(combination)의 다양성’을 들 수 있다.

유전자 자체의 다양성을 높이는 방법으로 돌연변이가 있다. 돌연변이는 염색체 돌연변이와 같은 거시적인 변화도 있지만, 유전자 돌연변이와 같은 미시적 변화도 있으며 유전자 돌연변이 가운데에는 심지어 DNA 염기서열 한 개의 변화에 의해 일어나는 것들도 있다. 유전자들의 ‘조합’의 다양성을 높이는 방법으로는 감수분열-수정과 교차가 있다. 유성생식을 하는 생물들은 감수분열에 의해 염색체 n개를 가지는 생식세포를 만드는데, 이것이 다른 생식세포를 만나 수정됨으로써 새로운 개체가 탄생한다. 감수분열시 염색체들이 서로 독립적으로 배분되므로, 교차를 고려하지 않으면 모두 2n(2의 n제곱)가지의 유전자(염색체) 조합을 가진 생식세포들이 만들어진다. 여기에 더하여 감수분열 과정에서 나타나는 교차를 고려하면, 더욱 다양한 생식세포가 만들어진다. 그리고 이처럼 다양한 생식세포들이 무작위로 다른 생식세포와 만나 수정을 한다면 이로 인해 나타나는 후손의 유전적 다양성은 무척 크게 나타날 것이다.

■ 예제

무성생식하는 생물과 유성생식하는 생물은 유전적 다양성을 만들어내는 방법이 서로 어떻게 다른가?

유전적 다양성과 진화

살충제를 사용하면 살충제에 대하여 내성유전자를 가진 곤충의 비율이 높아지며, 항생제를 사용하면 항생제에 내성을 가진 세균의 비율이 높아진다. 그 원인은 두 가지로 추정할 수 있다. 하나는 원래 종 내에 살충제나 항생제에 대해 저항성을 가진 유전적 집단이 존재했는데 과거에는 이들이 특별히 생존에 유리한 면이 없었기 때문에 잘 드러나지 않고 있다가 살충제나 항생제가 살포됨에 따라 다른 개체에 비해 높은 생존율을 보이면서 우점집단이 됐을 가능성이다. 또 하나는 살충제나 항생제가 유발한 돌연변이로 인해 우연히 그에 대해 저항성을 가진 유전적 특성을 지닌 개체가 생겨나고, 이들이 살충제나 항생제가 존재하는 새로운 환경에서 높은 생존율을 보여 확산되었을 가능성이다. 두 가지 모두 유전적 다양성이 다양한 선택압에 대해 종의 생존을 보전해 주는 중요한 기반이 됨을 보여 준다.

■ 예제

어떤 유전학자가 초파리를 동일한 개체 수의 2개 집단으로 나눈 다음, 두 집단을 동일한 비정상적 사육 조건하에서 사육하였다. 즉, 먹이를 필요량보다 적게 주고 사육장도 매우 좁게 하여 사육하였다. 그러다가 두 집단 중 하나에는 처음의 3세대 동안 1000Rad의 자외선을 쪼이고, 다른 하나의 집단은 대조구로 삼았다. 그리고 이후 115세대에 걸쳐 계속 사육하면서 두 집단의 개체수가 어떻게 변하는지 조사하였다. 그림은 그 결과를 나타낸 것이다. 이러한 결과가 나온 이유는 무엇인가?

종 다양성

생물다양성의 가치는 크게 세 가지로 나뉜다. 첫 번째는 생태적 서비스 기능이다. 생물은 환경을 조절하고 유지하는 데 큰 힘을 가지고 있다. 예를 들어 숲에 있는 나무는 지하의 땅을 끌어올리고 그늘을 제공해 다른 생물의 서식지가 온전하게 유지되는 데 핵심적인 역할을 한다. 두 번째로 경제적 가치가 있다. 대표적인 사례로 인간은 지구상의 식물들 가운데 약 2만 종의 식물을 주로 생약 형태로 약용으로 사용해 왔다. 그 가운데 특정 성분을 추출해 상용화한 것은 겨우 1백여 종에 불과하다. 아직 생약으로조차 이용되지 않은 많은 식물을 고려하면, 이들의 잠재적 가치는 계산하기 어려운 정도이다. 또한 부전나비의 날개와 사슴벌레의 다리 등에서 항암 물질을 추출한 경우나 야생의 미생물에서 페니실린, 마이신 등 3000여 가지의 항생제를 추출한 경우에서도 알 수 있듯이, 동물과 미생물 역시 막대한 경제적 이익을 가져다 준다. 그 밖에도 화장품 등의 상품 개발이나 생태관광 등도 생물종 다양성의 경제적 가치를 잘 보여 준다. 세 번째는 학술적인 중요성이다. 생물종의 고유한 특성들은 생리학, 생화학, 유전학 등의 연구에 매우 중요한 재료이다. 최근 DNA 감식에 필수적으로 이용되는 PCR 테크닉 같은 경우 뜨거운 온천에 사는 희귀한 미생물 연구를 통해 개발한 것으로서, 노벨상을 수상할 정도로 유명한 학술적 성과임과 동시에 경제적으로도 큰 부가가치를 창출한 기술이다.

■ 예제

생물종 다양성이 생태계의 평형 유지에 왜 중요한지를 설명하시오.

☞답안은 이지논술 사이트에