다윈의 이론에 도전하다: 과학자들은 벌레가 육지에서 생존하기 위해 DNA를 다시 썼다는 사실을 발견했습니다.

고대 해양 벌레들이 육지로 기어 올라왔을 때, 그들은 단순히 적응한 것이 아니라 유전적으로 스스로를 재창조했습니다. 그들의 유전체는 거의 하룻밤 사이에 산산이 조각났다가 재조립되었으며, 이는 느리고 단계적인 진화라는 전통적인 관점에 정면으로 도전하는 것이었습니다. 이는 진화가 때때로 갑작스럽게 도약한다는 논란의 여지가 있는 이론을 뒷받침합니다. 출처: Shutterstock

1859년, 다윈은 진화를 시간이 지남에 따라 종들이 작은 변화를 축적하는 느리고 점진적인 과정으로 상상했습니다. 하지만 그조차도 화석 기록이 잃어버린 연결 고리를 전혀 제공하지 않는다는 사실에 놀랐습니다. 이 이야기를 단계적으로 전달해야 할 중간 형태들이 존재하지 않았던 것입니다. 그의 설명은 불편하면서도 불가피했습니다. 기본적으로 화석 기록은 대부분의 페이지가 뜯겨 나간 보관소와 같습니다.

1972년, 중간 형태의 생물이 희소해지자 고생물학자 스티븐 제이 굴드와 나일스 엘드리지는 도발적인 아이디어, 즉 단속 평형(punctuated equilibrium)을 제안했습니다. 이 이론에 따르면, 종은 천천히 변화하는 것이 아니라 수백만 년 동안 안정적으로 유지되다가 갑자기 빠르고 급격한 진화적 도약을 이룹니다. 이 모델은 종 간의 화석 기록이 왜 그토록 조용한지 설명해 줄 것입니다. 큰 변화는 고생물학의 레이더에서 상당히 벗어난 작고 고립된 개체군에서 갑자기 일어났기 때문입니다. 일부 화석이 이러한 패턴을 뒷받침하지만, 과학계는 여전히 의견이 엇갈립니다. 이것이 진화의 법칙일까요, 아니면 눈길을 끄는 예외일까요?

스페인 국립연구위원회(CSIC)와 폼페우 파브라 대학교(UPF) 산하 복합 연구센터인 진화생물학연구소(IBE)가 이끄는 연구팀은 2억 년 전 해양 동물이 육지 동물로 전환되는 데 중요한 역할을 했을 수 있는 빠르고 대규모적인 유전체 재편성 메커니즘을 처음으로 밝혀냈습니다. 연구팀은 해양 환형동물(벌레)이 바다를 떠나면서 유전체를 위에서 아래로 완전히 재편성하여 알아볼 수 없는 상태로 만들었다는 사실을 밝혀냈습니다. 이들의 관찰 결과는 단속 평형 모델과 일치하며, 이 동물들이 육상 환경에 적응하면서 유전체에 점진적인 변화뿐만 아니라 급격한 변화가 일어났을 가능성을 시사합니다. 확인된 유전적 메커니즘은 동물 진화에 대한 우리의 개념을 변화시키고 유전체 진화의 기존 법칙에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

전례 없는 무척추동물 게놈 라이브러리

연구팀은 다양한 지렁이의 고품질 유전체를 최초로 시퀀싱하고, 이를 다른 근연종(거머리, 강모충 또는 다모류)과 비교했습니다. 정밀도는 인간 유전체 시퀀싱과 동일했지만, 이번 연구는 연구 대상 종에 대한 기존 참고 문헌이 없는 상태에서 처음부터 시작했습니다. 지금까지는 완전한 유전체가 부족하여 많은 종의 염색체 수준의 패턴과 특성을 연구할 수 없었고, 연구 범위도 전체 유전체 수준의 대진화적 변화보다는 소수 유전자에 대한 개체군 연구와 같은 소규모 현상에 국한되었습니다.

연구팀은 각각의 유전체 직소 퍼즐을 완성한 후, 시퀀싱된 종들의 조상이 살았던 2억 년 이상의 시간 여행을 매우 정밀하게 수행할 수 있었습니다. IBE 후생생물 계통유전체학 및 유전체 진화 연구실의 수석 연구원인 로사 페르난데스는 "지렁이와 척추동물처럼 바다에 살던 많은 종들이 이제 처음으로 육지로 진출했다는 점에서, 이는 지구 생명체 진화에 있어 필수적인 사건입니다."라고 말했습니다.

이러한 유전체 분석 결과 예상치 못한 결과가 드러났습니다. 환형동물의 유전체는 신다윈 이론이 예측하는 것처럼 점진적으로 변형된 것이 아니라, 심층적인 유전자 리모델링이 단발적으로 폭발적으로 진행된 것입니다. 페르난데스는 "바다에서 육지로 이동하면서 관찰된 벌레의 유전체가 엄청나게 재편된 것은 다윈이 제시한 간략한 메커니즘으로는 설명할 수 없습니다. 우리의 관찰 결과는 굴드와 엘드리지의 단속 평형 이론과 훨씬 더 일치합니다."라고 덧붙였습니다.

진화적 반응을 제공할 수 있는 급진적인 유전적 메커니즘

연구팀은 해양 벌레들이 유전체를 수천 조각으로 쪼개고 다시 재구성하여 육지에서 진화의 길을 이어간다는 사실을 발견했습니다. 해면동물, 산호, 포유류 등 거의 모든 종을 관찰했을 때 유전체 구조의 상당 부분이 거의 완벽하게 보존되어 있다는 점을 고려하면, 이러한 현상은 현재까지 알려진 유전체 진화 모델에 도전하는 것입니다. 페르난데스는 "해양 벌레의 전체 유전체는 진화적 규모로 볼 때 매우 짧은 기간 안에 완전히 무작위적인 방식으로 쪼개졌다가 다시 재구성되었습니다."라고 말했습니다. "저는 팀원들에게 분석을 계속해서 반복하도록 했습니다. 도저히 믿을 수 없었기 때문입니다."

이러한 급격한 해체가 멸종으로 이어지지 않은 이유는 유전체의 3차원 구조 때문일 수 있습니다. 페르난데스 연구팀은 이러한 현생 벌레의 염색체가 척추동물이나 다른 모델 생물의 염색체보다 훨씬 더 유연하다는 것을 발견했습니다. 이러한 유연성 덕분에 유전체의 여러 부분에 있는 유전자들이 위치를 바꾸고 계속해서 함께 작용할 수 있습니다.

DNA의 주요 변화는 벌레들이 육지 생활에 빠르게 적응하여 공기를 마시거나 햇빛에 노출되는 것과 같은 새로운 도전에 더 잘 대응하도록 유전자를 재편하는 데 도움이 되었을 수 있습니다. 이 연구는 이러한 변화가 유전자를 이동시켰을 뿐만 아니라 분리되었던 조각들을 결합하여 새로운 "유전적 키메라"를 만들어내고, 이것이 진화를 촉진했을 것이라고 시사합니다. 페르난데스는 "이러한 혼란으로 인해 계통이 멸종될 것이라고 생각할 수도 있지만, 어떤 종의 진화적 성공은 바로 그러한 초능력에 기반을 두고 있을 가능성이 있습니다."라고 말합니다.

이 연구의 관찰 결과는 장기간의 안정기를 거친 후 유전체 변화가 폭발적으로 증가하는 단속 평형 모델과 일치합니다. 그러나 이 이론을 뒷받침하거나 반박하는 실험 데이터(이 경우 2억 년 된 화석)가 부족하여 이 이론을 검증하기 어렵습니다.

염색체 혼란: 문제인가, 해결책인가?

이 연구를 통해 선형 수준에서 유전체 구조를 보존하는 것, 즉 서로 다른 종에서 유전자가 거의 같은 위치에 있는 것이 생각만큼 필수적이지 않을 수 있다는 점이 드러났습니다. 페르난데스는 "사실, 더 유동적인 유전체로부터 이점을 얻을 수 있는 동물의 경우 안정성은 예외적인 경우일 뿐, 일반적인 경우는 아닐 수 있습니다."라고 말합니다.

이러한 극단적인 유전자 재편 현상은 이전에도 인간의 암 진행 과정에서 관찰된 바 있습니다. 염색체 생성(chromoanagenesis)이라는 용어는 암세포에서 염색체를 분해하고 재편성하는 여러 기전을 포괄하며, 지렁이에서 관찰되는 것과 유사한 변화를 관찰할 수 있습니다. 유일한 차이점은 이러한 유전체 분해와 재편성이 지렁이는 용인하는 반면, 인간에게는 질병을 유발한다는 것입니다. 이번 연구 결과는 이 급진적인 유전체 기전의 효능을 더 잘 이해하고, 인간 건강에 미치는 영향을 이해하는 데 도움을 줄 것입니다.

이 연구는 또한 우리 시대 가장 활발한 과학적 논쟁 중 하나를 다시 불러일으켰습니다. "다윈과 굴드의 두 관점은 서로 양립하고 보완적입니다. 신다윈주의는 개체군의 진화를 완벽하게 설명할 수 있지만, 지구 생명사에서 예외적이고 중요한 사건들을 아직 설명하지 못했습니다. 예를 들어 5억 년 전 바다에서 동물 생명이 폭발적으로 증가했던 초기 사건이나 2억 년 전 지렁이의 경우 바다에서 육지로의 전환과 같은 사건들이 있습니다."라고 페르난데스는 지적합니다. "이 부분에서 단속 평형 이론이 어느 정도 답을 제시할 수 있습니다."

앞으로 덜 연구된 무척추동물의 유전체 구조에 대한 더 광범위한 연구를 통해 종의 진화를 형성하는 유전체 메커니즘을 밝혀낼 수 있을 것입니다. 페르난데스는 "무척추동물에는 우리가 알지 못하는 엄청난 다양성이 숨겨져 있으며, 이를 연구하면 유전체 조직의 다양성과 가소성에 대한 새로운 발견을 가져올 수 있고, 유전체가 어떻게 구성되어 있다고 생각하는지에 대한 기존의 정설에 의문을 제기할 수 있습니다."라고 결론지었습니다.

이 연구에는 Universitat Autònoma de Barcelona, ​​Trinity College, Universidad Complutense de Madrid, University of Köln 및 Université Libre de Bruxelles의 연구원들의 협력이 포함되었습니다.

이 연구는 SEA2LAND(유럽 연구 위원회에서 지원하는 시작 연구비)와 벌레 유전체 중 하나의 시퀀싱에 자금을 지원한 카탈루냐 바이오게놈 프로젝트의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250618094452.htm