[ John Maynard Smith and Eörs Szathmáry (1999), The Origins of Life: From the Birth of Life to the Origin of Language (Oxford University Press), pp. -.
존 메이나드 스미스 외, 『40억 년 간의 시나리오』, 한국동물학회 옮김 (전파과학사, 2001). ]
■ 책을 쓰는 이유
생물은 복잡함. 이러한 복잡성(complexity)은 어떻게 나타나게 되었을까?
자연 선택에 의한 다윈의 진화론이 이를 (유일하게) 설명함.
그런데 전통적으로 생물학 교과서는 복잡성을 증가시키는 변이(variation)는 무작위(random)적인 돌연변이(mutation)에 의해서 나타난다고 설명함.
그런데 정말 그것이 참인가?
기원에 있어 비-적응적(non-adaptive)인 돌연변이에 의해 놀라울 정도로 적응적인 생물이 진화될 수 있었을까? 이 책은 이 질문에 답하려는 시도임.
이를 위해서 유전(heredity) 매커니즘을 이해하는 것이 중요함.
부모를 닮는 것은 난쟁이(homunculus)로는 설명되지 않음.
간단히 답하면 그것은 각 수정란이 유전자(gene), 즉 성체로 적절하게 성장하게 하는 지시(instruction)을 포함하기 때문임.
유전자는 성체를 결정하는 유전 정보를 포함하며, 다음 세대로 전달되는 것이 바로 이 지시들임.
진화는 유전 정보의 무작위적 변화와 가장 성공적인 생물의 지시를 선택하는 자연 선택에 의존한다. 그러나 그러려면 적절한 환경과 지시를 번역(interpret)할 구조(장치)가 있어야 함.
다윈의 시대에는 이 과정에 대해서 아무것도 알지 못했음.
이 책의 요점은 생명이 복잡해질수록 정보를 저장하고 전달하는 수단도 변했다는 것임.
이러한 변화를 대전환(major transition)이라고 부름.
궁극적으로 새로운 도구 때문에 더욱 복잡한 생물이 진화하는 것이 가능했음.
대전환은 생명의 기원에서 시작해서 인간 언어에서 끝을 맺음.
What is life?
생명을 정의하는 두 가지 방법
방법(1) 생명은 생명과 연관된 특정 속성을 가짐.
예) 자극에 반응
문제는 어떤 속성이 중요한지 결정하는 것.
생물학자들이 중요하게 여기는 속성은 ‘대사’(metabolism), 즉, 그 구조를 구성하는 원자를 주위 환경으로부터 얻고 다양한 화학결합을 이루고 나중에 다시 환경으로 배출하는 것.
그러나 살아있지 않음에도 불구하고 대사하는 것들이 존재함.
방법(2): 생명은 자연선택에 의해서 진화하는데 필요한 속성을 가짐. 그 속성은 복제(multiplication), 변이, 유전
이러한 세 조건은 (적절한 환경이 요구되기 때문에) 진화의 충분조건이 아니지만 적어도 필요조건임.
불(fire)의 검토: 불은 생명인가 아닌가?
- 대사 조건을 만족시킴. 형태를 유지 가능. 복제되고 다양함
- 충분히 복잡하지 않음: (효소가 없음), 기관(organ)이 없음 -> 성장, 생존, 재생산을 못함. -> 유전x -> 자연선택될 수 없음 -> 복잡성을 가지지 못함.
따라서 생물을 구별하는데 진화의 세 조건인 복제, 변이, 유전이 중요함.
여기에 이어지는 문제는 세 조건을 만족하는 존재자가 어떻게 나타났는가임.
이 질문은 생명의 시작점인 원시 지구의 화학적 환경과 연관됨.
자가촉매작용 autocatalysis
유전 <-(이전) 재생산 <-(이전) 성장이 있어야 함.(유전의 선결 문제?)
성장의 핵심은 자가촉매작용이다.
중요한 특징은 2분자의 A가 생산되는 것
사이클이 진행될수록 화학 체계가 성장한다고 말할 수 있음.
자가촉매작용은 자연계에 존재하며 생물 밖에서도 발견됨.
자가촉매작용은 원시지구에서 풍부하고 다양한 화학물질을 만들었기 때문에 생명의 기원 문제에 있어서 중요함.
그러나 사이클 자체는 유전 매커니즘을 제공하지 못함.
유전이 일어나려면 A에 우연한 변화 또는 돌연변이가 일어나서 A1이 만들어지고 또 다른 자가촉매 사이클 A1->2A1이 만들어져야 함.
새로운 사이클이 만들어지지 못하면 A1은 단지 곁가지에 불과하고 결국 사라질 것임(퇴화).
두 사이클이 만들어지면 피할 수 없이 한 사이클은 다른 것보다 자원을 효율적으로 이용할 것이고 자연선택될 것임.
제한 유전 & 무제한 유전
앞절에서 소개한 경우가 제한 유전의 사례
제한 유전은 유한하고 작으며 단순한 복제만 가능함.
그러나 그것만으로는 진화가 일어나기에 충분하지 않음.
지속적인 진화에는 무제한 유전이 필요함. 그것은 각각 복제가 가능한 무한한 수의 구조를 가능케 함.
염기쌍(base pair)이 무제한 유전의 매커니즘임.
유전의 두 번째 구별 기준은 모듈적/전체적(modular/holistic) 유전임.
모듈적 유전의 경우는 일부에 변화가 일어나도 나머지 부분은 바뀌지 않음.
따라서 자손은 한 모듈의 변화만을 겪게 되며 더 많은 변이가 가능하게 됨.(주석1)
(주석1) 앞의 A-A1이 제한유전인 이유를 모듈로 생각하면 이해가 쉬울듯하다. 달리말해 자기촉매 사이클의 한 단위에서 변화가 일어나는 경우 대부분 사이클이 끊어지게 된다. 반대로 homologous base pair에서는 한 단위가 변해도 다른 단위에 영향을 주지 않는다. 따라서 쉽게 더 많은 변이가 발생할 수 있다.
모든 무제한 유전 체계는 모듈적이라고 밝혀지리라 믿음.
DNA에 기반하지 않은 무제한 유전체계는 언어임.
언어는 유한한 단위(unit)로 무한한 의미를 표현함.(주석2)
(주석2) 촘스키에 의하면 언어는 이산적 무한성을 가진다.
information & life
그렇다면 복제와 정보의 전달은 어떻게 연결될까?
정보 이론은 생물학에 대해 용어뿐만 아니라 문제를 보는 방법에 중대한 영향을 끼쳤음.
현재 생물에서 유전자는 두 가지 역할을 함.
DNA 분자는 복제되는 구조이면서 동시에 세포가 만드는 단백질을 결정함.
유전 코드(염기서열) -> 아미노산 서열 -> (화학 법칙에 의해) 3차원 구조로 접힘
이 정보 전달 과정에는 두 가지 특징이 있음.
특징(1): 이 과정은 비가역적이다. 이 사실은 획득형질의 유전이 불가능한 이유를 설명함.
특징(2): 번역에는 번역 장치(translating machinery)가 필요함. 그런데 이 번역 장치는 다시 유전자에 의해서 결정됨. 이 문제는 일종의 무한퇴행으로 빠짐. 이 문제는 4장에서 다룰 것임.
최초의 복제 분자는 핵산이나 더 간단한 분자였을 것임.
그것은 어떤 구조도 결정할 수 없기 때문에 정보를 전달한다고 할 수 없음.
번역 장치가 진화한 이후에야 유전자는 정보를 전달한다고 말할 수 있음.
정보이론가들은 ‘정보는 자료(data)+의미(meaning)’라고 말함.
생물학에서 염기서열은 자료이고 의미는 단백질의 구조와 기능임(그렇다면 번역은 자료에 의미를 부여하는 것이라고 볼 수 있음).
The dual nature of life
종합하면 생명의 정의는
(1) 복잡한 구조를 가지고 생존과 재생산에 적응된 기관을 가진다. -> 대사적 조건
(2) 자연 선택에 의한 진화에 필요한 속성, 특히 유전을 가진다. -> 정보적 조건
이제 두 관점을 종합해야 함.
비슷한 시각을 가진 사상가들.
아리스토텔레스 / 질료 / 엔텔레키아 (형상)
데카르트 / 물질 / (영혼)
라이프니츠 / 모나드 / 엔텔레키아
슈뢰딩거 / Function (negative entrophy) / Aperiodic crystal
프리먼 다이슨 / 자기유지(self-maintenance) 대사 체계 / 유전 물질
티보 간티 / 항상적(homeostatic) 대사 체계 / Main-cycle (정보 조절)
스미스 / 대사(metabolism) / 정보 조절 (information control)
(2026.07.11.)
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