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미르(miR) 이야기 인간이라는 종의 특징을 유전학적으로 해부하려는 학자들의 노력은 때론 지나친 단순화와 외삽으로 마무리된다. 흔히 환원주의적 접근이라 불리는 분자생물학과 유전학의 해부학적 연구방식의 끝엔 언제나 몇몇 유전자만이 덩그러니 놓이고 만다.
그렇다고 해서 인간을 인간답게 만드는 유전적 특성이 무엇이냐고 묻는 일이 무의미한 것만은 아니다. 오히려 그 대답을 찾는 과정에서 우리는 인간이 가진 특징을 더 잘 이해하게 될지도 모른다.
그리고 과학은 스스로 오류를 극복해 나가는 유일한 학문이다. 과학자들은, 아니 유전학자들은 인간의 지위에 대한 질문에 대해서도 그렇게 잘 해나가고 있다.
고전유전학의 한계
단일 유전자들을 대상으로 한 오래된 접근법이 염색체의 결손이나 중복과 같은 좀 더 거시적인 관점에 의해 극복될 수 있다는 것은 이미 언급했다. 인류만이 가진 표현형과 연관되어 있다고 발표된 많은 유전자들이 이러한 염색체 수준의 거시적인 변화 속에 포함되어 있을 것이다.
사실 "단 하나의 유전자가 인간의 진화에 결정적인 기여를 했다"라는 것만큼 무모한 주장도 없다. 이는 과학자들의 시각이 좁기 때문으로만 설명될 수 있는 것이 아니다. 유전학자들이 단일 유전자에 인류의 진화라는 거대한 현상을 연결시키려 했던 이유는 유전학이 발전해 온 과정과 무관하지 않다.
유전자의 돌연변이로 인해 나타나는 다양한 돌연변이들이 보고되어 있다. 예를 들어 가장 치명적이고 극적인 유전병은 헌팅턴 무도병이다. 헌팅틴이라는 단백질에 일어난 작은 돌연변이가 헌팅턴 무도병의 유일한 원인이다. 환경적 요소는 고려의 대상도 되지 않는다.
모건의 파리방에서 발달한 고전유전학은 이러한 관점을 더욱 공고히 하는 계기가 됐다. 초파리들의 모든 유전자에 돌연변이를 만들 수 있었고, 돌연변이를 통해 유전자의 기능을 연구하면서, 유전학자들은 진화와 인류에까지 그 관심의 폭을 넓힐 수 있었다.
고전유전학에는 하나의 유전자와 그 유전자를 둘러싼 소수의 유전자들을 연구하는 방식 외에 다른 기술은 존재하지 않았다. 비록 환원주의적인 연구방법이라고 비판을 받았지만, 그들에게 다른 식으로 생각할만한 도구는 주어지지 않았다.
과학자들은 할 수 있는 한계 내에서 자연을 분해하고 이해한다. 그것이 과학자들에게 주어진 도구적 제한이다.
인류의 표현형적 특징
인간과 침팬지의 유전체를 모두 해독해서 전체적인 비교를 해보면 생각보다 많은 유전학적 차이를 발견하게 될지도 모른다. 인간과 침팬지의 유전체 염기서열의 차이가 생각보다 적으니 많으니 말들은 많지만, 유전자 발현의 수준에서는 아주 작은 차이가 큰 차이를 만들어내기 때문이다.
예를 들어 조절 유전자의 발현을 통제하는 프로모터 부위에 생긴 돌연변이는 인트론에 생긴 돌연변이와 질적으로 다르다. 따라서 인간과 유인원의 차이를 이중나선의 염기서열 속에서만 찾으려는 노력은 무모하고, 경우에 따라서는 기껏해야 연구의 시작을 알릴 수 있을 뿐이다.
따라서 한 유전자, 혹은 유전자의 발현과 인간의 지위를 연결하기 위해서는 표현형에 대한 고려가 필수적이다. 단순히 인간의 두뇌에서 유인원의 두뇌보다 많이 발현되는 유전자라고 해서 중요하다고 단정지을 수 없는 것이다.
그 발현량이 반드시 표현형과 직접적인 연관관계에 있을 때에만 우리는 해당 유전자가 인류의 진화에서 중요했을 것이라고 이야기할 수 있다. 유전자에 일어나는 많은 돌연변이가 중립적이기 때문이기도 하지만, 진화를 이야기할 때에는 어쩔 수 없이 적응적 진화를 고려해야 하기 때문이기도 하다.
표현형에 집착하던 오래 전 진화종합의 선구자들이 쓸데 없는 고민을 한 것만은 아니다. 질병에 해당하는 유전자를 찾기 위해서는 오랜 경험을 가진 의사들의 세밀한 진단이 필요하듯이, 인류를 유인원과 갈라놓은 유전자를 찾기 위해서는 인류가 지닌 독특한 표현형을 세밀하게 분류하는 일도 중요하다.
다시 한번 환원론과 전일론은 조우한다. 과학을 지속시키기 위해서는 두 관점 모두가 중요하다.
인류의 특징: 두뇌
인간의 특징을 이야기할 때 당연히 가장 먼저 거론되는 것은 두뇌다. 확실히 인간의 뇌는 크다. 그리고 진화론에서 흔히 거론되는 것이 '대뇌화(encephalization)'라는 현상이다. 대뇌화란 몸의 체적에서 두뇌가 차지하는 비율을 의미한다.
흔히 대뇌화를 통해 호미니드의 진화과정에서 피질로 많은 기능이 이동되었고 이는 자연선택의 결과라고 설명된다. 다윈도 오랑우탄이나 침팬지에 비해 인간의 대뇌화가 절대적인 우위에 있고, 이를 통해 인간의 정신적인 능력을 설명할 수 있다고 믿었다1.
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| ▲ 인간의 우월함을 꼭 두뇌에서만 찾아야 할까? 정말 큰 차이들은 인간의 손에, 피부에, 몸에 존재하는 것인지도 모른다. | 하지만 현대 인류의 행동양식들이 나타나기 시작한 것은 호미니드의 대뇌화가 현재에 이르기 십만 년 전의 일이다. 즉, 대뇌화로 인해 현대 인류의 행동학적 특성들이 나타났다고 보기엔 무리가 있다는 뜻이다. 더불어 골상학 연구자들의 수많은 노력에도 불구하고 두뇌의 크기와 인지능력 사이에는 그다지 뚜렷한 상관관계가 나타나지 않았다.
대뇌화는 진화론의 역사에서 지나치게 강조되었다. 대뇌화에서 조금 더 발전한 전두엽의 크기로 인류의 특징을 구분 지으려는 시도도 의심받고 있는 실정이다2. 크기에 대한 집착은 과학, 특히 생물학의 발전에서 언제나 시도되었고 또 도전 받아온 실패의 역사다.
오히려 두뇌의 특정영역을 유전학적 차이와 연결시키려는 노력이 성과를 얻고 있다. 즉 언어를 담당하는 영역, 예술이나 수학적 능력과 관계된 다양한 영역, 계획을 담당하는 전두엽의 특정 부분에 대한 연구에서 많은 유전학적 성과들이 도출되고 있다3. 많은 이들이 주목하고 있지는 않지만, 일차 감각과 관련된 두뇌의 영역들에서 인간과 침팬지의 큰 차이가 나타난다는 연구결과도 있다.
정신, 언어, 사회
사회적 지각능력, 즉 사회적 지능과 관련된 인간의 능력과 유전체학의 연구결과도 접목되고 있다. 가장 좋은 예는 사회적 지각이 상실된 자폐증 환자들을 대상으로 한 연구들이다. 이들을 대상으로 사회적 지능과 관련된 두뇌 영역을 분석하고 이를 유전학적 비교분석으로 통합하는 노력이 진행 중이다.
유인원과 비교했을 때, 인간의 도피질(insular cortex)과 대상피질(singulate cortex)에만 집중적으로 분포하는 스핀들 뉴런(spindle cell neuron, Von Economo neuron)은 특히 관심의 대상이 된다4.
특히 이 세포들은 전두측두엽성 치매 환자5들의 두뇌에서 사라지는 대표적인 세포인데, 환자들이 사회적 지각능력을 상실하게 된다는 점을 주목할 필요가 있다. 스핀들 뉴런에 대한 연구가 인류의 특징을 모두 밝혀주지는 못하겠지만 상당히 많은 것을 밝혀줄 수 있을지도 모르겠다. 인간은 사회적 동물이고 이처럼 거대한 사회를 이루고 사는 거의 유일한 존재라고 배우지 않았던가.
언어유전자가 발견되었다고 전 세계의 언론이 흥분했던 당시, 대한민국은 2002년 월드컵으로 들떠 있었다6. 언어장애를 지닌 한 가계에 대한 조사에서 정체를 드러낸 FOXP2라는 유전자가 주인공이었고, 이 연구는 독일 막스 플랑크 연구소의 스반테 파보 박사 연구팀에 의해 수행되었다.
이후 계속된 연구와 비판에도 불구하고 FOXP2는 여전히 언어유전자로 사람들의 기억 속에 각인되어 있다. 심지어 FOXP2가 새들이 서로의 노래를 배우는 데에도 관여하며, 인간 뿐 아니라 박쥐의 계통에서도 빠르게 진화했다는 보고가 있다. 실은 언어처럼 복잡한 행동을 단 하나의 유전자로 해결하려던 노력 자체가 헛된 것이었는지도 모르겠다.
그리고 당연히 FOXP2는 언어유전자가 아니다. 기껏해야 FOXP2는 음성을 발화하는 다양한 종의 운동신경 발달에 관여하는 전사인자일 뿐이다. 인간의 언어능력을 박쥐의 초음파나 새의 지저귐, 혹은 개가 짖는 소리와 동일시해도 좋다면 FOXP2를 언어유전자라고 불러도 별 상관은 없다.
언어장애를 가진 한 가계에서 FOXP2라는 유전자가 망가져 있다는 것은 확실하다. 하지만 FOXP2가 화려하게 네이쳐지를 장식했을 때 많은 이들이 그 가계의 자손들이 정말 언어장애를 지닌 것인지, 아니면 발화에 문제가 있는 것인지에 관한 의문을 제기했었다. 같은 언어장애라 해도 인류의 특징인 보편문법 형성에 문제가 있는 것이 아니라 단순히 발화에 장애가 있는 것인지도 모르기 때문이다. 게다가 언어란 배우지 않으면 획득할 수 없는 선천적이자 후천적인 능력이다.
비록 해프닝으로 끝나가고 있기는 하지만, FOXP2의 사례는 세밀한 표현형적 분석이 전제되지 않은 유전학적 연구결과의 과잉해석이 현상을 얼마나 과격하게 단순화하는지를 보여준다. 다시 한번 말하지만, FOXP2는 언어유전자가 아니다.
인류의 특징: 몸
삼원색을 구별할 수 있는 시각능력 및 손가락에 존재하는 과도한 감각신경을 제외한다면, 인간의 감각능력은 다른 포유동물에 비해 전반적으로 퇴화되었다. 특히 쥐에서 보이는 다양한 후각과 관련된 수용체들은 인간에겐 거의 존재하지 않는다. 분명 인간은 냄새에 아주 민감한 종은 아니다. 유인원들과 비교해보았을 때 인간에게 쓴 맛을 느낄 수 있게 해주는 수용체들도 대부분 퇴화했다.
감각신경에만 국한해서 살펴보면, 인간은 눈과 손이 비정상적으로 발달한 괴물과 같다7. 도대체 이런 종이 어떻게 아프리카의 그 험한 환경에서 진화했는지는 미스테리가 아닐 수 없다. 신의 보살핌이 있었던 것일까?8
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| ▲ 두뇌에 집착하는 태도를 조금만 버린다면 인간과 유인원의 더 큰 차이들을 발견할 수도 있다. | 두뇌에 집착하는 태도를 조금만 버린다면 인간과 유인원의 더 큰 차이들을 발견할 수도 있다. 예를 들어 인간의 피부, 특히 땀샘과 털, 가슴은 유인원과 큰 차이를 보인다. 인간의 상처 재생능력은 형편없으며 근육도 우리와 가까운 유인원들에 비해 약하기 짝이 없다.
피부와 근육은 비교유전체학을 위한 샘플 채취가 용이한 조직들이다. 연구자들이 두뇌에 집착하는 태도를 조금만 버린다면 인간을 인간답게 만드는 유전자는 피부와 근육에서 발견될지도 모를 일이다. 혹시 아는가, 인간의 피부에 그 위대함을 결정지을 단서가 존재했던 것인지 말이다.
이족보행이 인류의 특징 중 하나라는 견해도 널리 받아들여지고 있다. 하지만 이족보행이 자연스럽게 얻어지는 특징인지, 아니면 언어처럼 학습에 의해 가능한 것인지 자체가 논란거리일 뿐 아니라, 그것이 적응적이었는지도 의문이다9. 이족보행으로 인한 수많은 척추 질병들을 생각해보자.
생식과 관련된 특징들도 독특하다. 물론 아주 적응적이라는 말은 아니다. 특히 여성들은 커다란 두뇌 때문에 출산에 언제나 어려움을 겪게 되었고, 가임 기간 전에 완전히 발달하는 유방을 지니게 되었으며, 폐경기를 겪어야만 하고, 월경 중 과다 출혈로 철분부족을 호소하기도 한다. 이와 관련된 유전학적 연구는 거의 전무한 상태다.
지난 세기 유전학과 유전체학은 진일보했다. 그리고 많은 학자들이 인류의 지위를 유전학적으로 설명하기 위해 뛰어들었다. 하지만 역설적으로 우리가 지닌 표현형적 지식, 해부학적 지식의 제한에 걸려 많은 연구들이 무의미해지기도 했다. 그런 의미에서 과학은 언제나 학제간 연구 속에 존재한다.
과학의 다양한 분과를 서열화하고 한 분야만을 발전시켜보면 과학은 금방 한계에 봉착한다. 인류의 비교유전체 연구가 보여주는 역사가 남긴 교훈은 바로 그것이다.
실패를 통한 발전
살펴본 것처럼, 인간을 인간답게 만드는 것은 그토록 위대해 보이는 정신능력, 즉 두뇌 때문만은 아니다. 두뇌에 대한 집착에서 기원한 골상학은 대부분 틀렸다. 그리고 IQ로 인간을 서열화하는 못된 전통까지 확립해 놓았다.
실은 인간의 두뇌가 어떻게 특별한 것인지, 그것이 전적으로 유전적인 것인지에 대한 의문은 이제부터가 시작이다. 분명한 것은 구세대 학자들이 생각했던 것처럼 답이 간단하지 않다는 사실이다. 뇌도 몸도 모두 인간을 인간답게 만드는데 일조하는 것인지 모른다.
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| ▲ 김우재 UCSF 박사후연구원 | 단일 유전자의 돌연변이를 연구하던 고전유전학의 전통은, 많은 것을 이루어냈음에도 불구하고 지나치게 현상을 단순화하는데 일조했다. 인간의 특징이 몇몇 유전자의 변화로 나타났다고 생각하는 것이 좋은 예다.
실은 과학자들은 가끔 자신들이 자연에 대해 이야기할 수 있는 한계를 넘어 발언한다. 그리고 그런 발언들은 언제나 수정되어 왔다. 말할 수 없는 것에 대해서는 침묵해야 한다지만, 과학의 발전이 보여주는 역사는 “말할 수 없는 것을 말하는 대신에 비판에도 열려 있으면 된다”라는 역설이다.
이 역설을 이해하지 못하면 과학을 이해할 수 없다. 그래서 골상학자들도, 고전유전학에 기대어 인류의 특징을 정의하려던 학자들도 무조건 비판할 수 없는 것이다. 적어도 그들은 인간에 대한 이해에 조금은 기여했다.
과학은 스스로의 오류를 수정한다. 과학은 완전한 것을 추구하지만 언제나 불완전하기 때문에 발전한다. 칼 포퍼의 말을 빌자면, 과학은 열려 있으므로 발전하는 셈이다. 그러므로 과학을 있는 그대로 이해하고, 과학의 한계를 통찰하는 사회에서 과학이 발전한다.
과학이 불완전하다는 이유로 과학연구를 탄압하거나, 과학은 위대하므로 모든 것을 과학으로 설명해야 한다고 생각하는 사회에 과학이 존재할 여지는 없다. 대한민국은 어디쯤에 서 있는지 고민해볼 일이다.
1. 위키피디아, 'encephalization' 항목 참고
2. Wood, B. & Collard, M. Anthropology — the human genus. Science 284, 65–66 (1999); Tramo, M. J. et al. Brain size, head size, and intelligence quotient in monozygotic twins. Neurology 50, 1246–1252 (1998); Bates, E. et al. Differential effects of unilateral lesions on language production in children and adults. Brain Lang. 79, 223–265 (2001); Semendeferi, K., Lu, A., Schenker, N. & Damasio, H. Humans and great apes share a large frontal cortex. Nature Neurosci. 5, 272–276 (2002).
3. Abrahams, B. S. et al. Genome-wide analyses of human perisylvian cerebral cortical patterning. Proc. Natl Acad. Sci. USA 104, 17849–17854 (2007); Sun, T. et al. Early asymmetry of gene transcription in embryonic human left and right cerebral cortex. Science 308, 1794–1798 (2005); Rilling, J. K. et al. The evolution of the arcuate fasciculus revealed with comparative DTI. Nature Neurosci. 11, 426–428 (2008)
4. Preuss, T. M., Qi, H. & Kaas, J. H. Distinctive compartmental organization of human primary visual cortex. Proc. Natl Acad. Sci. USA 96, 11601–11606 (1999); Nimchinsky, E. A. et al. A neuronal morphologic type unique to humans and great apes. Proc. Natl Acad. Sci. USA 96, 5268–5273 (1999).
5. 전두측두엽 치매의 강박적 행동과 초기 증상, J korean Neurol Assoc 18 (6) : 681~686, 2000
6. Enard, W. et al. Molecular evolution of FOXP2, a gene involved in speech and language. Nature 418, 869–872 (2002).
7. 두뇌가 아니라 손에 주목할 필요도 있다. 다음 책을 참고할 것. <손이 지배하는 세상: 정신의 부속 도구가 아닌 창조자로서의 손>, 마틴 바인만, 해바라기, 2002
8. Wang, X., Thomas, S. D. & Zhang, J. Relaxation of selective constraint and loss of function in the evolution of human bitter taste receptor genes. Hum. Mol. Genet. 13, 2671–2678 (2004); Fischer, A., Gilad, Y., Man, O. & Pääbo, S. Evolution of bitter taste receptors in humans and apes. Mol. Biol. Evol. 22, 432–436 (2005)
9. Bramble, D. M. & Lieberman, D. E. Endurance running and the evolution of Homo. Nature 432, 345–352 (2004). | |
