과학자들은 진화가 우리가 생각했던 것과는 다르게 작동한다고 말합니다.

진화는 중립적이거나 완성된 것이 아니라, 끊임없이 변화하는 세상과의 멈추지 않는 경쟁입니다. (사진 제공: Shutterstock)

수십 년 동안 많은 진화 생물학자들은 유전자와 단백질을 형성하는 대부분의 유전적 변화가 중립적이라고 믿어왔습니다. 이러한 관점에 따르면, 돌연변이는 일반적으로 유익하지도 해롭지도 않으므로 자연 선택에 의해 강하게 선호되거나 배척되지 않고 조용히 확산될 수 있습니다.

미시간 대학교의 새로운 연구는 오랫동안 통용되어 온 이러한 가정에 이의를 제기하며, 진화가 기존에 생각했던 것과는 매우 다르게 작동할 수 있음을 시사합니다.

진화의 중립적 이론에 대한 재고찰

종이 진화함에 따라 무작위적인 유전적 돌연변이가 발생합니다. 이러한 돌연변이 중 일부는 고정되어 개체군 내 모든 개체가 해당 변이를 보유하게 됩니다. 분자 진화의 중립 이론은 이 단계에 도달한 대부분의 돌연변이가 중립적이라고 주장합니다. 진화 생물학자 장젠즈는 해로운 돌연변이는 빠르게 제거되는 반면, 유익한 돌연변이는 극히 드물다고 설명합니다.

장과 그의 동료들은 이 가설이 더 자세히 검토했을 때도 타당한지 검증하기 위해 연구를 시작했습니다. 그 결과 중대한 문제점을 발견했습니다. 연구진은 유익한 돌연변이가 중립 이론에서 제시하는 것보다 훨씬 더 자주 발생한다는 사실을 알아냈습니다. 동시에, 돌연변이가 개체군에 고정되는 전체적인 속도는 그렇게 많은 유익한 돌연변이가 정착한다면 예상되는 속도보다 훨씬 낮다는 것도 관찰했습니다.

유익한 돌연변이가 오래 지속되지 않는 이유는 무엇일까요?

이러한 모순을 설명하기 위해 연구팀은 환경 변화에 기반한 새로운 설명을 제시했습니다. 한 환경에서 이점을 제공하는 돌연변이가 환경 조건이 바뀌면 해로워질 수 있다는 것입니다. 환경은 빈번하게 변화하기 때문에 많은 유익한 돌연변이는 고정될 만큼 널리 퍼지지 못합니다.

미국 국립보건원의 지원을 받은 이 연구는 네이처 생태학 및 진화(Nature Ecology and Evolution) 에 발표되었습니다.

"결과는 중립적이었지만 과정은 중립적이지 않았다고 말하는 겁니다."라고 미시간 대학교 생태 및 진화생물학 교수인 장은 말했다. "우리의 모델은 자연 개체군이 환경에 진정으로 적응했다고 볼 수 없다는 것을 시사합니다. 환경이 매우 빠르게 변화하고, 개체군은 항상 환경을 따라가기 때문입니다."

Zhang은 이 프레임워크를 '길항적 다면발현을 동반한 적응적 추적'이라고 부릅니다. 이 아이디어는 유기체가 주변 환경에 완벽하게 적응하지 못하는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다.

이것이 인간과 다른 종에게 의미하는 바는 무엇일까요?

장 박사는 이번 연구 결과가 인간을 포함한 다양한 분야에 광범위한 영향을 미칠 것이라고 믿습니다. 현대 환경은 우리 조상들이 경험했던 환경과 극적으로 다르기 때문에, 특정 유전적 특성이 더 이상 우리에게 예전만큼 유리하지 않은 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"이것은 광범위한 의미를 지닌다고 생각합니다. 예를 들어 인간을 생각해 보세요. 우리의 환경은 너무나 많이 변했고, 우리는 과거에 다양한 환경을 거쳐왔기 때문에 우리의 유전자가 오늘날의 환경에 가장 적합하지 않을 수 있습니다. 어떤 돌연변이는 과거 환경에서는 유익했을지 모르지만, 오늘날의 환경에는 맞지 않을 수 있습니다."라고 장 교수는 말했습니다.

그는 또한 특정 인구 집단이 얼마나 잘 적응하는지는 환경이 얼마나 최근에 변화했는지에 달려 있다고 덧붙였습니다.

"자연 개체군을 관찰할 때, 환경에 큰 변화가 마지막으로 일어난 시점에 따라 개체군은 환경에 매우 부적응했을 수도 있고, 비교적 잘 적응했을 수도 있습니다. 하지만 환경에 완전히 적응한 개체군은 아마 다시는 볼 수 없을 겁니다. 완전한 적응에는 자연 환경이 일정하게 유지될 수 있는 시간보다 훨씬 더 오랜 시간이 걸리기 때문입니다."

과학자들은 어떻게 유익한 돌연변이를 연구했을까?

분자 진화의 중립 이론은 1960년대에 도입되었는데, 당시 단백질 및 유전자 염기서열 분석 기술의 발전으로 과학자들은 형태나 구조와 같은 물리적 특성에만 초점을 맞추는 대신 분자 수준에서 진화를 연구할 수 있게 되었습니다.

유익한 돌연변이가 얼마나 자주 발생하는지 측정하기 위해 장과 그의 연구팀은 자신들의 연구실과 다른 연구실에서 생성한 대규모 심층 돌연변이 스캐닝 데이터 세트를 분석했습니다. 이 실험에서 연구원들은 효모나 대장균과 같은 유기체의 단일 유전자 또는 게놈의 특정 부분 내에 의도적으로 다양한 돌연변이를 많이 생성했습니다.

연구진은 여러 세대에 걸쳐 이 유기체들을 추적하고, 그 성장을 야생형, 즉 자연에서 가장 흔하게 발견되는 형태와 비교했습니다. 성장 차이를 측정함으로써 연구진은 돌연변이가 유기체에 도움이 되는지 해가 되는지 추정할 수 있었습니다.

연구 결과는 돌연변이의 1% 이상이 유익한 것으로 나타났습니다. 이 비율은 중립 이론이 예측하는 것보다 훨씬 높습니다. 만약 유익한 돌연변이가 모두 고정된다면, 거의 모든 유전적 변화가 유익할 것이고 진화는 과학자들이 실제로 관찰하는 것보다 훨씬 빠르게 진행될 것입니다. 이러한 사실을 깨달은 연구팀은 환경이 시간이 지나도 일정하게 유지된다는 가정에 의문을 제기하게 되었습니다.

변화하는 환경에서의 테스트 진화

환경 변화가 미치는 영향을 알아보기 위해 연구진은 두 그룹의 효모를 연구했습니다. 한 그룹은 800세대 동안 안정적인 환경에서 진화했습니다(각 세대는 3시간 동안 지속됨). 다른 그룹은 동일한 세대 수 동안 진화했지만 10가지 종류의 배지(성장 용액)로 구성된 변화하는 환경에서 진화했습니다. 각 배지는 80세대 동안 사용된 후 다음 배지로 교체되었습니다.

변화하는 환경에 노출된 효모는 안정적인 환경에 있는 효모에 비해 유익한 돌연변이가 정착하는 경우가 훨씬 적었습니다. 유리한 돌연변이가 나타나더라도 환경이 다시 변하기 전에 확산될 만큼 오래 지속되는 경우는 드물었습니다.

"불일치는 바로 여기서 발생합니다. 특정 환경에서 유익한 돌연변이가 많이 관찰되지만, 그 빈도가 일정 수준까지 증가하면 환경이 변하기 때문에 유익한 돌연변이가 고정될 기회를 얻지 못합니다."라고 장 교수는 말했다. "이전 환경에서 유익했던 돌연변이가 새로운 환경에서는 해로운 돌연변이가 될 수도 있습니다."

제한 사항 및 다음 단계

장 박사는 이번 연구가 돌연변이의 영향을 측정하기 쉬운 단세포 생물인 효모와 대장균에 초점을 맞췄다는 점을 지적하며, 동일한 패턴이 인간을 포함한 더 복잡한 생명체에도 적용되는지 확인하려면 다세포 생물에 대한 데이터가 필요할 것이라고 경고했습니다.

연구팀은 환경 조건이 안정적으로 유지되더라도 생물이 완전히 적응하는 데 왜 그렇게 오랜 시간이 걸리는지 더 잘 이해하기 위해 후속 연구를 계획하고 있습니다.

이 연구의 다른 저자로는 미시간대학교 대학원생이었던 송실량과 선쉬캉, 그리고 미시간대학교 박사후 연구원이었던 천피아오피아오가 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251224032359.htm