해조류의 진화적 기원에 관한 나쁜 소식
(Bad News for Plant Origins. The Riddle of the Reds(Seaweeds))
by Margaret Helder, Ph.D
해변에 갔던 사람은 아마도 조개껍질과 해초를 수집했던 경험이 있을 것이다. 해안에서 쉽게 볼 수 있는, 길고 유연하며, 고무 같은 다시마와 다른 갈조류(brown algae) 또한 놓칠 수 없는 것들이다. 이들은 일반적으로 파도와 폭풍우가 몰아치는 바위에서 자란다. 갈조류보다 더 섬세한 것은 우아한 홍조류(red algae, 김이나 우뭇가사리 등)이다. 얕은 지역에 사는 일부 홍조류는 거의 검은 색을 띤다. 많은 홍조류 종은 다른 갈조류나 홍조류 같은 다른 조류 위에서 자란다. 조간대(intertidal region)의 끝 아래에는 분홍빛의 섬세한 해초들이 있다. 이들 중 일부는 레이스 모양의 가지가 있어서 매우 아름답다. 붉은 색소가 있어서, 이들 조류는 갈조류의 그늘에서도, 훨씬 더 깊은 곳에서도 자랄 수 있다. 왜냐하면 물속 깊숙이 들어오는 파란색과 녹색의 파장에 반응할 수 있기 때문이다.
독특하고 아름다운 홍조류
아름다운 빨간색의 홍조류는 평평한 종이 같은 모습의 매우 다양한 형태들이 있다. 대서양 동북부 연안의 사람들이 식용하는, 넓은 가지를 갖고 있는 덜스(dulse, Rhodomenia or Palmaria palmata)와, 사람의 음식으로 그리고 미생물 배지에 첨가되는 더 작은 가지를 갖고 있는 ‘아일랜드이끼(Irish moss, Chondrus crispus)’ 등이 그들이다.
이러한 다양성 외에도, 홍조류는 몇몇 독특한 특징을 갖고 있다. 홍조류의 수영하지 못하는 생식세포(정자가 아님)와 그들의 유생번식 구조는 매우 특이한데, 자낭균류(Ascomycetes)라 불리는 일부 균류(fungi)와 유사하다. 이 균류에는 송로버섯(truffles), 곰보버섯(morels), 검은곰팡이(black mold)는), 녹색 및 푸른곰팡이(Penicillium) 등이 포함된다. 적색의 색소는 남조류(blue-green algae, cyanobacteria)의 색소와 다소 유사하다. 그들은 청록색을 연상시키는 다른 화학성분을 갖고 있지만, 다른 조류가 아니다.
홍조류는 수영하는(편모가 있는) 세포가 없고, 특이한 유성생식 구조 때문에, 다른 조류(algae)와 현저히 다르다. 여러 세대의 과학자들은 이 진핵생물(ekaryotes)의 진화적 조상이 무엇인지 궁금해 했다.(진핵생물은 핵과 다른 세포기관을 갖고 있다는 점에서 박테리아(원핵생물)보다 훨씬 더 복잡하다.) 물론 진화론자들은 공통조상이라는 개념과 모순되는, 서로 다른 종류로 창조되었다는 개념을 고려하지 않는다. 진화론자들의 주된 문제점은 홍조류와 다른 생물체 사이의 모든 종류의 친척 관계를 알지 못하고 있다는 것이다. 이 주제를 연구한 전문가인 엘리자베스 간트(Elisabeth Gantt)는 1979년에 다음과 같이 말했다. “관련 정보가 부족할수록, 추측은 더 커지는 것 같다.”[1]
이제 진화론자들은 홍조류와 광합성을 하는 진핵생물 사이의 커다란 간격(gap)을 메우기 위해 노력하고 있다. 2019년 Nature 지에 게재된 "비광합성 포식자는 홍조류의 자매"라는 제목의 논문에서, 가브릴루크(Gawryluk et al.) 등은 그들 앞의 도전을 이해하고 있었다. 그들은 포식자로 말해지는 특성은 “적조류를 정의하는 것과 거의 반대”라고 실토하고 있었다. 그렇다면 그들은 어떤 근거로 홍조류와 자매임을 제안하는가? (자매 관계는 공통조상이 있음을 암시한다.) 사람들은 Nature 지가 전하고 있는 시나리오에 깊은 인상을 받고 있었다.
진핵생물에서 광합성의 기원 찾기
2019년 연구의 목표는 진핵세포에 광합성을 할 수 있게 했던 메커니즘을 찾는 것이었다. 그러나 광합성은 생물학자들도 아직 완전히 이해하지 못하고 있는 매우 복잡한 과정이다. 이 복잡한 과정의 원천을 찾기 위해서, 생물학자들은 남세균(cyanobacteria, blue-green algae, 남조류)를 적합한 후보로 제안했다. 남세균은 원핵세포이다. 즉, 핵이나 다른 세포소기관이 없다. 그러나 다른 모든 조류 및 육상식물과 마찬가지로, 엽록소 a(chlorophyll a)가 있다. 또한 남세균에는 c-피코시아닌(c-phycocyanins, 파란색)이라 불리는 일부 보조색소가 있는데, 이것은 엽록소에서 광합성을 할 수 있도록, 넓은 범위의 파장으로부터 빛에너지를 전달할 수 있다. 또한 홍조류에는 r-피코에리트린(r-phycoerythrins)이라 불리는 유사한 보조색소가 있는데, 이는 붉은 색이다. 따라서 진화론자들은 그것이 홍조류의 조상 안으로 광합성 기관이 생겨나도록 했던 방법에 대한 단서를 제공하고 있다고 생각한다.
제안된 진화 이야기는 이제 구체화되고 있었다. 세포가 진화 과정을 통해 광합성 능력을 얻는 가장 좋은 시나리오는, 남세균을 삼키거나 소비할 수 있는 '수영하는 포식자'를 찾는 것이었다. 이것이 Nature 지에 게재된 최근 논문의 이론적 근거이다. 하지만 어떤 오래된 원생동물(단세포 포식자)을 고를 수 없었다. 로델피스(Rhodelphis)로 명명된 최근 발견된 단세포 원생동물에 있는 많은 단백질들의 특성이 153개의 다른 주요 생물 분류군의 특성과 비교되었다. 몇몇 컴퓨터 분석은 홍조류에 가까운 로델피스 군집을 분석했는데, 이는 다른 생물체에 비해 붉은 색의 화합물을 더 많이 갖고 있음을 의미한다. 그럼에도 불구하고, 왜 진화론자들은 단세포의 비색소 편모 생물체가 복잡한 홍조류와 진화적 관련이 있을 것으로 생각하는 것일까?
세포내공생설
이것은 대부분의 생물학 교과서에서 사실로서 제시되고 있는 과정인 “세포내공생설(endosymbiosis, 큰 세포가 다른 작은 세포를 삼켜 내부적 공생을 이루었다는 가설)”이 생겨나게 했다. 학생들은 일반적으로 원핵세포가 다른 원핵세포를 삼켰고, 소비된 세포가 시간이 지남에 따라, 유기화합물을 연소시켜 에너지를 생산하는, 숙주 세포의 미토콘드리아 또는 발전소의 기능을 하게 되었다고 배운다. “세부 사항들이 여전히 논란이 되고 있는 미토콘드리아의 기원과는 다르게, 색소체(plastids)의 기원은 한때 자유 생활을 하던 남세균(cyanobacteria)에서 유래했다는 것과, 숙주세포가 핵, 세포 골격, 미토콘드리아를 갖고 있었던 완전한 진핵생물이었다는 것에는 의심의 여지가 없다.”[3] 색소체(plastid)는 친숙한 용어인 엽록체(chloroplast)와 동의어이다. 그러나 엽록체는 녹조류(green algae)와 육상식물 내에 있으며, 엽록소 a뿐만 아니라, 엽록소 b도 갖고 있다. 다른 모든 광합성 세포소기관들은 색소체라고 불려진다. 왜냐하면 그것들은 엽록소 a뿐만 아니라, 다른 보조색소들을 갖고 있어서 적색, 황금색, 갈색으로 보일 수 있기 때문이다. 이 모든 색소체가 어디에서 왔는지를 설명하는 것은 세포내공생설 이론의 초점이다.
색소체 또는 엽록체의 세포내공생적 획득이라는 오늘날 선호되고 있는 시나리오는 복잡하다. 여기에는 광합성 남세균을 삼켜버린 이동성 포식자에 대한 아이디어뿐만 아니라, 삼켜진 세포의 유전자들 거의 모두가 숙주세포의 핵 안으로 전달되었다는 아이디어도 포함된다. 그러한 일은 왜 일어났으며, 어떻게 일어났는가? 그 결과는 세포의 대사과정 수행에 어려움을 급격하게 증가시킬 것이다.
미토콘드리아 및 엽록체와 같은 특정 세포소기관(organelle)은 자신의 유전정보 중 일부를 포함하고 있지만, 핵 유전체(genome)는 세포소기관을 이루고 있는 대부분의 단백질들을 암호화하고 있다. 따라서 정확한 DNA 함량, DNA 복제 및 단백질 번역을 보장하기 위해서는, 세포소기관 유전체와 핵 유전체 간의 협동이 필요하다.”[4]
나중에 세포소기관 내로 운반되도록 하는, 세포질에서의 단백질 합성에는 많은 복잡성이 뒤따른다. 생물학자 크리스티앙 드 뒤브(Christian de Duve)가 1996년에 지적했듯이,
오늘날 미토콘드리아, 색소체, 페르옥시솜(peroxisomes)은 경계 막의 복잡한 수송 구조의 도움으로, 주변 세포질로부터 단백질을 획득한다... 그런 다음 운반장치는 에너지와 특수 단백질(샤페론(chaperones)이라 불려짐)의 도움으로 적절한 분자들이 막을 통과하도록 한다.[5]
예를 들어 미토콘드리아의 경우, "진핵세포의 시토크롬 c(cytochrome c)는 미토콘드리아에 국소적으로 존재하며 기능하지만, 시토크롬 c의 유전자는 핵에 존재한다."[6]
마찬가지로 엽록체(또는 색소체)와 함께, 루비스코(Rubisco) 효소는 광합성의 첫 단계를 촉매하고, 지구상의 거의 모든 탄소고정(carbon fixation)을 담당한다.(22 June 2006, 참조). 그러나 이 분자의 일부는 세포질에서 합성되고(핵 유전자들에 의해서 제어됨), 더 큰 부분은 세포소기관에서 합성된다. 더 작은 것이 세포소기관의 막을 통과한 후에, 두 개가 합쳐져야 한다.[7] 다른 과학자는 이렇게 말했다. “색소체는 식물 세포에서 중요한 세포소기관이다... 그러나 대부분의 색소체 단백질(90% 이상)은 핵 유전체에 의해서 암호화되어있고, 번역 후 시토 졸(cytosol)로부터 색소체로 수입된다.[8]
가브릴루크(Gawryluk) 등의 2019년 논문은 이러한 세포내공생 사건이 발생했을 수 있다는, 그래서 최초의 광합성 조류가 생겼다는, 설득력 있는 증거를 제공하려는 최근의 시도이다. 두 가지가 그들의 주장을 더 확신시켜주고 있었는데, (a) '포식자' 내의 색소체(또는 적어도 한 번 거기에 있었다는 증거)와 (b) 홍조류 내의 편모(또는 한때 수영을 위해 그것을 갖고 있었다는 증거). 과학자들이 실제로 그러한 증거를 찾았다고 생각하는가?
편모의 진화에 대한 연구
홍조류는 편모(flagella)를 갖고 있지 않다. 그러나 진화론자들이 찾아보고 있는 하나의 다른 구조가 있다. 편모가 있는 세포에서 발견되는 중심소체(centriole)라고 불리는 내부 구조이다. 이 구조에서 편모라는 정교한 기관이 세포에서 나온다. 홍조류는 중심소체를 갖고 있을까? 1967년에 영향력 있는 식물학자 리차드 클라인(Richard Klein)과 아서 크론퀴스트(Arthur Cronquist)는 다음과 같이 말했다 :
편모가 없는 홍조류에서, 전형적인 중심소체의 존재 여부는 이론적으로 상당히 관심 있는 문제이다. 홍조류에 전형적인 중심소체가 존재한다면, 홍조류는 편모가 있던 조상을 갖고 있던지, 아니면 편모를 발달시킬 수 있는 진화적 능력을 갖고 있던지, 둘 중에 하나이다. 중심소체가 없다면, 아마도 편모가 있던 조상을 갖고 있지 않던지, 그것으로부터 편모가 생겨날 수 있도록 예상되는 구조가 없다는 것이다.[9]
또 다른 전문가 고든 리데일(Gordon Leedale)은 1970년 홍조류에 대해서 이렇게 말했다 :
홍조류에서 중심소체는 아직까지 보여지지 않고 있다. 홍조류에서 중심소체의 입증은 계통발생학적으로 중대한 의미가 있다. 왜냐하면 일부 홍조강(Rhodophyceae)에서 편모가 없는 것은 후에 기인된 것이 아니며, 원시적인 상태가 아님을 나타내는 것이다.[10]
또 다른 전문가인 리차드 시얼스(Richard Searles)는 1980년에 동의했다 :
홍조식물(Rhodophyta)은 편모가 결코 형성되지 않는, 진핵 조류의 유일한 문(division)이다... 전자현미경 학자들은 정자(수컷 생식세포)에서 흔적 편모의 증거를 찾았다. 이 증거는 홍조류가 편모를 생산할 수 있는 능력이 없었음을 암시한다.”[11]
.Photos by David Coppedge
이제 2019년 가브릴루크(Gawryluk et al.) 등은 홍조류는 "운동성, 편모, 중심소체와 관련된 세포골격 구조가 결여되어 있다"고 인정하고 있었다. 그들은 “특히, 홍조류에는 편모 단백질을 암호화하는 유전자가 없다”고 설명해주고 있었다.(Nature 572 p. 240). 초기 전문가들의 견해에 의하면, 증거들은 홍조류에 결코 편모가 없음을 가리킨다는 것이다. 그러나 가브릴루크 등은 이것을 인정하지 않고 있었다. 삼킨 숙주세포는 이 생물체의 역사 초기에 수백 개의 유전자들을 잃어버린 "현저한 유전자 손실"을 겪었을 것이라고 그들은 추정하고 있었다.
색소체(엽록체)에 대한 연구
증거들은 조상 홍조류에 편모가 없었고, 수영할 수 없었음을 가리키고 있기 때문에, 추정되는 수영하는 조상 생물에 색소체(plastid)는 있었을까? 2019년 논문은 "고대 홍조류 조상이 색소체를 얻기 위해서는 다른 물질을 삼킬 수 있는 능력이 존재했음에 틀림없다. 그리고 원시색소체가 에너지와 영양소의 신뢰할 수 있는 근원이 될 때까지 지속될 수 있어야만 했다“고 주장한다.(p. 240, italics mine). 그래서 이 현대의 수영하는 포식자 '친척'이 색소체를 포함하고 있었을까? 명백히 아니다 : “색소체는 관찰되지 않았다”(p. 240). 이 수영하는 포식자(swimming predator)가 색소체를 포함했다는 어떠한 증거가 있을까? 그러한 증거에 대한 탐색은 이제 막 시작되고 있는 중이다. “현미경을 사용하여 어떠한 색소체도 관찰되지 않았기 때문에”(p. 241), 그들은 대신 색소체가 존재했다고 추정하는 시대로부터 남겨졌을 가능성이 있는 유전자들을 찾아보고 있다.
포식자가 한 광합성 세포를 삼켜, 후에 색소체로 변성되었다는 생각에는 또 다른 까다로운 문제가 있다. 존 아치볼드(John Archibald)가 지적했듯이, 이것은 광합성에 관여하는 1,000여개의 유전자들이 색소체로부터 핵 안으로 이동해야만 한다는 것이다. 이것은 색소체의 DNA 잔여물 내에 아직도 약 200개의 유전자들이 남아있는 것이 된다. 그뿐만 아니라, 색소체에서 필요한 대부분의 단백질은 먼저 색소체 외부에서 형성된 후에, 정교한 단백질 수입 장치들에 의해서 막을 통과하여, 색소체 내로 수송되어야 한다. 이를 위해서는 색소체 내로 들어가는 데에 필요한 수백의 화학물질들과 함께 작용하는, 수많은 특수 단백질들이 필요하다.(Current Biology p. R81). 존 아치볼드는 다음과 같이 덧붙였다 :
세포내공생 유전자들이 단순히 이차(또는 일차) 숙주의 핵 유전체 내로 전달되는 것만으로는 충분하지 않다. 전달된 수백 개의 유전자들 각각은, 초기 단백질 수입 장치에 의해 인식될 수 있는, 신호 펩티드를 생성하기에 충분한 암호 염기서열을 '획득'해야 한다. 이 유전자 전달/단백질 재수입 과정은 잠재적으로 거대한 장벽임을 나타낸다. (Current Biology p. R84)
이러한 과정이 어떻게 우연히 일어날 수 있었는가? 어느 누구도 그것을 알지 못한다. 수송을 돕는 매우 정확한 단백질들이 우연히 생겨날 확률은 극도로 작을 것이다.
2019년의 수영하는 포식자 시험으로 돌아가서, 그것이 일찍이 색소체를 갖고 있었다는 징후는 고무적이지 않다. 과학자들은 “색소 부족과 일치하여, 로델피스(Rhodelphis)는 광합성과 관련된 단백질들에 대한 암호를 거의 깆고 있지 않다”(p. 242). 따라서 “우리는 색소체 유전체의 존재를 지지하는 증거를 찾지 못했다. 색소체 DNA는 Rhodelphis limneticus의 유전체 데이터 세트에 없다”(p. 243). 그들이 핵에서 색소체와 관련된 유전자들을 조사했을 때, 그들은 “유사하게도, 로델피스 유전체 분석에서 색소체 유전체 복제, 유전자 발현, 또는 번역 시스템에 관여하는 핵 내 암호화된 부분은 확인되지 않았다”(p. 243)는 것이다. 따라서 그들은 “우리는 이러한 관찰을 Rhodelphis에서 색소체 DNA의 완전한 소실에 대한 강력한 증거로 해석한다”고 결론을 내렸다. 분명히, 그들은 지금 그것을 찾을 수 없다는 사실에도 불구하고, 색소체가 처음에는 존재했었다고 가정하고 있다. 이것과는 대조적으로, 홍조류의 색소체는 유전자가 풍부하기 때문에, 많은 유전자들을 잃어버릴 수 있을 것이라고, 그들은 썼다.
고집스런 진화론적 신념
사람들은 이 연구로 인해, 수영하는 포식자가 홍조류의 조상으로 간주되는 것이 확실하게 배제됐을 것이라고 생각할 수 있지만, 그렇지 않다. 진화론적 시나리오에서 상상력의 발휘는 법칙이다. Nature 지의 논문은 로델피스의 세포 내에 "유물 색소체"를 그려놓고 있다. 이것은 핵 내에 암호화되어 있고, 색소체 내로 화합물의 수송과 관련 있을 수 있는, 일부 화합물의 발견에 기초한 것이다. 이들 화합물은 대안적으로(아마도 그럴 것이다) 살아있는 원생동물에서 다른 기능을 가질 수 있다. 더욱이, 이 화합물에 대한 암호화는 원생동물과는 잘못된 위치에 되어있다. 원생동물에서 이 화합물은 핵 내에 암호화되어 있지만, 홍조류에서는 색소체 내에 암호화되어있다.(p. 243).
이 수영하는 단세포 포식자가 홍조류의 조상일 수 있다는 주장은 분명히 작동되지 않는다. 그러나 진화론자들은 선택의 여지가 없다. 그들은 핵이 있는 세포에서 광합성의 출현을 설명하기 원한다. 이를 위해서 그들은 이미 광합성 능력을 가진 세포를 포획하는 수영하는 포식자가 필요하다. 이러한 세포내공생적 사건이 없었다면, 진화론자들은 광합성 능력이 다양한 종류의 조류(algae)들에서 여러 번 발생했었다고 상상해야 한다. 이것은 너무도 가능성이 희박하기 때문에, 세포내공생의 문제점을 참는 것이 더 나은 선택이 되는 것이다. 과학자들은 로델피스가 유망하다고 생각했었지만, 그렇지 않았다. 여러 세대에 걸친 추정 후에도, 전문가들은 여전히 붉은 해초인 홍조류의 기원에 대한 합리적인 진화론적 제안을 갖고 있지 않다. 홍조류는 진화하지 않았다. 그것은 설계된 것이다.
References
• Elisabeth Gantt. 1979. Phycobiliproteins of Cryptophyceae. In M. Levandowsky and S. H. Hutner (Editors). Biochemistry and Physiology of Protozoa, 2nd edition, volume 1, ch. 5 pp. 121-137. The quote is from p. 134.
• Ryan M. R. Gawryluk, Denis V. Tikhonenkov, Elisabeth Hehenberger, Filip Husnik, Alexander P. Mylnikov and Patrick J. Keeling. 2019. Non-photosynthetic predators are sister to red algae. Nature 572 #7768 pp. 240-243. Quote is from page 240.
• John M. Archibald. 2009. The Puzzle of Plastid Evolution. Current Biology 19 pp. R81-R88. January 27. Quote is from page R81.
• Elena Ziviani and Luca Scorrano. 2016. The organelle replication connection. Nature 538 # 7625 pp. 326-327. Quote is from p. 326.
• Christian de Duve. 1996. The Birth of Complex Cells. Scientific American 274 #4 pp. 50-57. Quote is from p. 57.
• Rudolf A. Raff and Henry R. Maher. 1972. The non-symbiotic Origin of Mitochondria. Science 177 pp. 575-582 August 18. Quote is from p. 577.
• Lawrence Bogorad. 1975. Evolution of Organelles and Eukaryotic Genomes. Science 188 pp. 891-898 May 30. Quote is from p. 895.
• Dong Wook Lee, Sumin Lee, Young Jun Oh and Inhwan Hwang. 2009. Multiple Sequence Motifs in the Rubisco Small Subunit Transit Peptide Independently Contribute to Toc159-Dependent Import Proteins into Chloroplasts. Plant Physiology 151 #1 pp. 129-141. Quote is from p. 129.
• Richard M. Klein and Arthur Cronquist. 1967. A Consideration of the Evolutionary and Taxonomic Significance of Some Biochemical, Micromorphological, and Physiology Characters in Thallophytes. The Quarterly Review of Biology 42 #2 pp. 105-296. Quote is from p. 225.
• Gordeon F. Leedale. 1970. Phylogenetic Aspects of Nuclear Cytology in the Algae. New York Academy of Sciences, Annals 175 pp. 429-453. Quote is from p. 434.
• Richard B. Searles. 1980. The Strategy of the Red Algal Life History. The American Naturalist 115 #1 pp. 113-120. Quote is from p. 115.
*Margaret Helder completed her education with a Ph.D. in Botany from Western University in London, Ontario (Canada). She was hired as Assistant Professor in Biosciences at Brock University in St. Catharines, Ontario. Coming to Alberta in 1977, Dr Helder was an expert witness for the State of Arkansas, December 1981, during the creation/evolution ‘balanced treatment’ trial. She served as member of the editorial board of Occasional Papers of the Baraminology Study Group in 2001. She also lectured once or twice a year (upon invitation) in scheduled classes at University of Alberta (St. Joseph’s College) from 1998-2012. Her technical publications include articles in the Canadian Journal of Botany, chapter 19 in Recent Advances in Aquatic Mycology (E. B. Gareth Jones. Editor. 1976), and most recently she authored No Christian Silence on Science (2016) which promotes critical evaluation of scientific claims. She is married to John Helder and they have six adult children.
*참조 : 육상식물의 리그닌이 홍조류에서도 발견되었다 : 리그닌을 만드는 유전자들, 효소들, 화학적 경로들이 우연히 두 번 생겨났다?
http://creation.kr/Variation/?idx=1290406&bmode=view
목재의 주성분인 리그닌이 해초에서 발견되었다. : 진화 시간 틀을 10억 년 전으로 수정? 수렴진화?
http://creation.kr/Variation/?idx=1290477&bmode=view
산호조류가 실루리아기에서 발견되었다! : 출현 시기가 무려 3억(?) 년이나 더 뒤로 내려갔다.
http://creation.kr/LivingFossils/?idx=1757551&bmode=view
진핵생물의 진화는 복잡함에서 단순함으로 진행되었다.
http://creation.kr/Variation/?idx=1290375&bmode=view
35억 년(?) 전 스트로마톨라이트 화석에서 유기물질이 발견되었다.
http://creation.kr/YoungEarth/?idx=2559245&bmode=view
*관련기사 : 16억 년(?) 된 화석서 ‘김의 시조’ 홍조류 발견 (2017. 3. 15. 나우뉴스)
http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20170315601016§ion=science&type=&page=
출처 : CEH, 2020. 2. 20.
주소 : https://crev.info/2020/02/bad-news-for-plant-origins-helder/
번역 : 미디어위원회
해조류의 진화적 기원에 관한 나쁜 소식
(Bad News for Plant Origins. The Riddle of the Reds(Seaweeds))
by Margaret Helder, Ph.D
해변에 갔던 사람은 아마도 조개껍질과 해초를 수집했던 경험이 있을 것이다. 해안에서 쉽게 볼 수 있는, 길고 유연하며, 고무 같은 다시마와 다른 갈조류(brown algae) 또한 놓칠 수 없는 것들이다. 이들은 일반적으로 파도와 폭풍우가 몰아치는 바위에서 자란다. 갈조류보다 더 섬세한 것은 우아한 홍조류(red algae, 김이나 우뭇가사리 등)이다. 얕은 지역에 사는 일부 홍조류는 거의 검은 색을 띤다. 많은 홍조류 종은 다른 갈조류나 홍조류 같은 다른 조류 위에서 자란다. 조간대(intertidal region)의 끝 아래에는 분홍빛의 섬세한 해초들이 있다. 이들 중 일부는 레이스 모양의 가지가 있어서 매우 아름답다. 붉은 색소가 있어서, 이들 조류는 갈조류의 그늘에서도, 훨씬 더 깊은 곳에서도 자랄 수 있다. 왜냐하면 물속 깊숙이 들어오는 파란색과 녹색의 파장에 반응할 수 있기 때문이다.
독특하고 아름다운 홍조류
아름다운 빨간색의 홍조류는 평평한 종이 같은 모습의 매우 다양한 형태들이 있다. 대서양 동북부 연안의 사람들이 식용하는, 넓은 가지를 갖고 있는 덜스(dulse, Rhodomenia or Palmaria palmata)와, 사람의 음식으로 그리고 미생물 배지에 첨가되는 더 작은 가지를 갖고 있는 ‘아일랜드이끼(Irish moss, Chondrus crispus)’ 등이 그들이다.
이러한 다양성 외에도, 홍조류는 몇몇 독특한 특징을 갖고 있다. 홍조류의 수영하지 못하는 생식세포(정자가 아님)와 그들의 유생번식 구조는 매우 특이한데, 자낭균류(Ascomycetes)라 불리는 일부 균류(fungi)와 유사하다. 이 균류에는 송로버섯(truffles), 곰보버섯(morels), 검은곰팡이(black mold)는), 녹색 및 푸른곰팡이(Penicillium) 등이 포함된다. 적색의 색소는 남조류(blue-green algae, cyanobacteria)의 색소와 다소 유사하다. 그들은 청록색을 연상시키는 다른 화학성분을 갖고 있지만, 다른 조류가 아니다.
홍조류는 수영하는(편모가 있는) 세포가 없고, 특이한 유성생식 구조 때문에, 다른 조류(algae)와 현저히 다르다. 여러 세대의 과학자들은 이 진핵생물(ekaryotes)의 진화적 조상이 무엇인지 궁금해 했다.(진핵생물은 핵과 다른 세포기관을 갖고 있다는 점에서 박테리아(원핵생물)보다 훨씬 더 복잡하다.) 물론 진화론자들은 공통조상이라는 개념과 모순되는, 서로 다른 종류로 창조되었다는 개념을 고려하지 않는다. 진화론자들의 주된 문제점은 홍조류와 다른 생물체 사이의 모든 종류의 친척 관계를 알지 못하고 있다는 것이다. 이 주제를 연구한 전문가인 엘리자베스 간트(Elisabeth Gantt)는 1979년에 다음과 같이 말했다. “관련 정보가 부족할수록, 추측은 더 커지는 것 같다.”[1]
이제 진화론자들은 홍조류와 광합성을 하는 진핵생물 사이의 커다란 간격(gap)을 메우기 위해 노력하고 있다. 2019년 Nature 지에 게재된 "비광합성 포식자는 홍조류의 자매"라는 제목의 논문에서, 가브릴루크(Gawryluk et al.) 등은 그들 앞의 도전을 이해하고 있었다. 그들은 포식자로 말해지는 특성은 “적조류를 정의하는 것과 거의 반대”라고 실토하고 있었다. 그렇다면 그들은 어떤 근거로 홍조류와 자매임을 제안하는가? (자매 관계는 공통조상이 있음을 암시한다.) 사람들은 Nature 지가 전하고 있는 시나리오에 깊은 인상을 받고 있었다.
진핵생물에서 광합성의 기원 찾기
2019년 연구의 목표는 진핵세포에 광합성을 할 수 있게 했던 메커니즘을 찾는 것이었다. 그러나 광합성은 생물학자들도 아직 완전히 이해하지 못하고 있는 매우 복잡한 과정이다. 이 복잡한 과정의 원천을 찾기 위해서, 생물학자들은 남세균(cyanobacteria, blue-green algae, 남조류)를 적합한 후보로 제안했다. 남세균은 원핵세포이다. 즉, 핵이나 다른 세포소기관이 없다. 그러나 다른 모든 조류 및 육상식물과 마찬가지로, 엽록소 a(chlorophyll a)가 있다. 또한 남세균에는 c-피코시아닌(c-phycocyanins, 파란색)이라 불리는 일부 보조색소가 있는데, 이것은 엽록소에서 광합성을 할 수 있도록, 넓은 범위의 파장으로부터 빛에너지를 전달할 수 있다. 또한 홍조류에는 r-피코에리트린(r-phycoerythrins)이라 불리는 유사한 보조색소가 있는데, 이는 붉은 색이다. 따라서 진화론자들은 그것이 홍조류의 조상 안으로 광합성 기관이 생겨나도록 했던 방법에 대한 단서를 제공하고 있다고 생각한다.
제안된 진화 이야기는 이제 구체화되고 있었다. 세포가 진화 과정을 통해 광합성 능력을 얻는 가장 좋은 시나리오는, 남세균을 삼키거나 소비할 수 있는 '수영하는 포식자'를 찾는 것이었다. 이것이 Nature 지에 게재된 최근 논문의 이론적 근거이다. 하지만 어떤 오래된 원생동물(단세포 포식자)을 고를 수 없었다. 로델피스(Rhodelphis)로 명명된 최근 발견된 단세포 원생동물에 있는 많은 단백질들의 특성이 153개의 다른 주요 생물 분류군의 특성과 비교되었다. 몇몇 컴퓨터 분석은 홍조류에 가까운 로델피스 군집을 분석했는데, 이는 다른 생물체에 비해 붉은 색의 화합물을 더 많이 갖고 있음을 의미한다. 그럼에도 불구하고, 왜 진화론자들은 단세포의 비색소 편모 생물체가 복잡한 홍조류와 진화적 관련이 있을 것으로 생각하는 것일까?
세포내공생설
이것은 대부분의 생물학 교과서에서 사실로서 제시되고 있는 과정인 “세포내공생설(endosymbiosis, 큰 세포가 다른 작은 세포를 삼켜 내부적 공생을 이루었다는 가설)”이 생겨나게 했다. 학생들은 일반적으로 원핵세포가 다른 원핵세포를 삼켰고, 소비된 세포가 시간이 지남에 따라, 유기화합물을 연소시켜 에너지를 생산하는, 숙주 세포의 미토콘드리아 또는 발전소의 기능을 하게 되었다고 배운다. “세부 사항들이 여전히 논란이 되고 있는 미토콘드리아의 기원과는 다르게, 색소체(plastids)의 기원은 한때 자유 생활을 하던 남세균(cyanobacteria)에서 유래했다는 것과, 숙주세포가 핵, 세포 골격, 미토콘드리아를 갖고 있었던 완전한 진핵생물이었다는 것에는 의심의 여지가 없다.”[3] 색소체(plastid)는 친숙한 용어인 엽록체(chloroplast)와 동의어이다. 그러나 엽록체는 녹조류(green algae)와 육상식물 내에 있으며, 엽록소 a뿐만 아니라, 엽록소 b도 갖고 있다. 다른 모든 광합성 세포소기관들은 색소체라고 불려진다. 왜냐하면 그것들은 엽록소 a뿐만 아니라, 다른 보조색소들을 갖고 있어서 적색, 황금색, 갈색으로 보일 수 있기 때문이다. 이 모든 색소체가 어디에서 왔는지를 설명하는 것은 세포내공생설 이론의 초점이다.
색소체 또는 엽록체의 세포내공생적 획득이라는 오늘날 선호되고 있는 시나리오는 복잡하다. 여기에는 광합성 남세균을 삼켜버린 이동성 포식자에 대한 아이디어뿐만 아니라, 삼켜진 세포의 유전자들 거의 모두가 숙주세포의 핵 안으로 전달되었다는 아이디어도 포함된다. 그러한 일은 왜 일어났으며, 어떻게 일어났는가? 그 결과는 세포의 대사과정 수행에 어려움을 급격하게 증가시킬 것이다.
나중에 세포소기관 내로 운반되도록 하는, 세포질에서의 단백질 합성에는 많은 복잡성이 뒤따른다. 생물학자 크리스티앙 드 뒤브(Christian de Duve)가 1996년에 지적했듯이,
예를 들어 미토콘드리아의 경우, "진핵세포의 시토크롬 c(cytochrome c)는 미토콘드리아에 국소적으로 존재하며 기능하지만, 시토크롬 c의 유전자는 핵에 존재한다."[6]
마찬가지로 엽록체(또는 색소체)와 함께, 루비스코(Rubisco) 효소는 광합성의 첫 단계를 촉매하고, 지구상의 거의 모든 탄소고정(carbon fixation)을 담당한다.(22 June 2006, 참조). 그러나 이 분자의 일부는 세포질에서 합성되고(핵 유전자들에 의해서 제어됨), 더 큰 부분은 세포소기관에서 합성된다. 더 작은 것이 세포소기관의 막을 통과한 후에, 두 개가 합쳐져야 한다.[7] 다른 과학자는 이렇게 말했다. “색소체는 식물 세포에서 중요한 세포소기관이다... 그러나 대부분의 색소체 단백질(90% 이상)은 핵 유전체에 의해서 암호화되어있고, 번역 후 시토 졸(cytosol)로부터 색소체로 수입된다.[8]
가브릴루크(Gawryluk) 등의 2019년 논문은 이러한 세포내공생 사건이 발생했을 수 있다는, 그래서 최초의 광합성 조류가 생겼다는, 설득력 있는 증거를 제공하려는 최근의 시도이다. 두 가지가 그들의 주장을 더 확신시켜주고 있었는데, (a) '포식자' 내의 색소체(또는 적어도 한 번 거기에 있었다는 증거)와 (b) 홍조류 내의 편모(또는 한때 수영을 위해 그것을 갖고 있었다는 증거). 과학자들이 실제로 그러한 증거를 찾았다고 생각하는가?
편모의 진화에 대한 연구
홍조류는 편모(flagella)를 갖고 있지 않다. 그러나 진화론자들이 찾아보고 있는 하나의 다른 구조가 있다. 편모가 있는 세포에서 발견되는 중심소체(centriole)라고 불리는 내부 구조이다. 이 구조에서 편모라는 정교한 기관이 세포에서 나온다. 홍조류는 중심소체를 갖고 있을까? 1967년에 영향력 있는 식물학자 리차드 클라인(Richard Klein)과 아서 크론퀴스트(Arthur Cronquist)는 다음과 같이 말했다 :
또 다른 전문가 고든 리데일(Gordon Leedale)은 1970년 홍조류에 대해서 이렇게 말했다 :
또 다른 전문가인 리차드 시얼스(Richard Searles)는 1980년에 동의했다 :
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이제 2019년 가브릴루크(Gawryluk et al.) 등은 홍조류는 "운동성, 편모, 중심소체와 관련된 세포골격 구조가 결여되어 있다"고 인정하고 있었다. 그들은 “특히, 홍조류에는 편모 단백질을 암호화하는 유전자가 없다”고 설명해주고 있었다.(Nature 572 p. 240). 초기 전문가들의 견해에 의하면, 증거들은 홍조류에 결코 편모가 없음을 가리킨다는 것이다. 그러나 가브릴루크 등은 이것을 인정하지 않고 있었다. 삼킨 숙주세포는 이 생물체의 역사 초기에 수백 개의 유전자들을 잃어버린 "현저한 유전자 손실"을 겪었을 것이라고 그들은 추정하고 있었다.
색소체(엽록체)에 대한 연구
증거들은 조상 홍조류에 편모가 없었고, 수영할 수 없었음을 가리키고 있기 때문에, 추정되는 수영하는 조상 생물에 색소체(plastid)는 있었을까? 2019년 논문은 "고대 홍조류 조상이 색소체를 얻기 위해서는 다른 물질을 삼킬 수 있는 능력이 존재했음에 틀림없다. 그리고 원시색소체가 에너지와 영양소의 신뢰할 수 있는 근원이 될 때까지 지속될 수 있어야만 했다“고 주장한다.(p. 240, italics mine). 그래서 이 현대의 수영하는 포식자 '친척'이 색소체를 포함하고 있었을까? 명백히 아니다 : “색소체는 관찰되지 않았다”(p. 240). 이 수영하는 포식자(swimming predator)가 색소체를 포함했다는 어떠한 증거가 있을까? 그러한 증거에 대한 탐색은 이제 막 시작되고 있는 중이다. “현미경을 사용하여 어떠한 색소체도 관찰되지 않았기 때문에”(p. 241), 그들은 대신 색소체가 존재했다고 추정하는 시대로부터 남겨졌을 가능성이 있는 유전자들을 찾아보고 있다.
포식자가 한 광합성 세포를 삼켜, 후에 색소체로 변성되었다는 생각에는 또 다른 까다로운 문제가 있다. 존 아치볼드(John Archibald)가 지적했듯이, 이것은 광합성에 관여하는 1,000여개의 유전자들이 색소체로부터 핵 안으로 이동해야만 한다는 것이다. 이것은 색소체의 DNA 잔여물 내에 아직도 약 200개의 유전자들이 남아있는 것이 된다. 그뿐만 아니라, 색소체에서 필요한 대부분의 단백질은 먼저 색소체 외부에서 형성된 후에, 정교한 단백질 수입 장치들에 의해서 막을 통과하여, 색소체 내로 수송되어야 한다. 이를 위해서는 색소체 내로 들어가는 데에 필요한 수백의 화학물질들과 함께 작용하는, 수많은 특수 단백질들이 필요하다.(Current Biology p. R81). 존 아치볼드는 다음과 같이 덧붙였다 :
이러한 과정이 어떻게 우연히 일어날 수 있었는가? 어느 누구도 그것을 알지 못한다. 수송을 돕는 매우 정확한 단백질들이 우연히 생겨날 확률은 극도로 작을 것이다.
2019년의 수영하는 포식자 시험으로 돌아가서, 그것이 일찍이 색소체를 갖고 있었다는 징후는 고무적이지 않다. 과학자들은 “색소 부족과 일치하여, 로델피스(Rhodelphis)는 광합성과 관련된 단백질들에 대한 암호를 거의 깆고 있지 않다”(p. 242). 따라서 “우리는 색소체 유전체의 존재를 지지하는 증거를 찾지 못했다. 색소체 DNA는 Rhodelphis limneticus의 유전체 데이터 세트에 없다”(p. 243). 그들이 핵에서 색소체와 관련된 유전자들을 조사했을 때, 그들은 “유사하게도, 로델피스 유전체 분석에서 색소체 유전체 복제, 유전자 발현, 또는 번역 시스템에 관여하는 핵 내 암호화된 부분은 확인되지 않았다”(p. 243)는 것이다. 따라서 그들은 “우리는 이러한 관찰을 Rhodelphis에서 색소체 DNA의 완전한 소실에 대한 강력한 증거로 해석한다”고 결론을 내렸다. 분명히, 그들은 지금 그것을 찾을 수 없다는 사실에도 불구하고, 색소체가 처음에는 존재했었다고 가정하고 있다. 이것과는 대조적으로, 홍조류의 색소체는 유전자가 풍부하기 때문에, 많은 유전자들을 잃어버릴 수 있을 것이라고, 그들은 썼다.
고집스런 진화론적 신념
사람들은 이 연구로 인해, 수영하는 포식자가 홍조류의 조상으로 간주되는 것이 확실하게 배제됐을 것이라고 생각할 수 있지만, 그렇지 않다. 진화론적 시나리오에서 상상력의 발휘는 법칙이다. Nature 지의 논문은 로델피스의 세포 내에 "유물 색소체"를 그려놓고 있다. 이것은 핵 내에 암호화되어 있고, 색소체 내로 화합물의 수송과 관련 있을 수 있는, 일부 화합물의 발견에 기초한 것이다. 이들 화합물은 대안적으로(아마도 그럴 것이다) 살아있는 원생동물에서 다른 기능을 가질 수 있다. 더욱이, 이 화합물에 대한 암호화는 원생동물과는 잘못된 위치에 되어있다. 원생동물에서 이 화합물은 핵 내에 암호화되어 있지만, 홍조류에서는 색소체 내에 암호화되어있다.(p. 243).
이 수영하는 단세포 포식자가 홍조류의 조상일 수 있다는 주장은 분명히 작동되지 않는다. 그러나 진화론자들은 선택의 여지가 없다. 그들은 핵이 있는 세포에서 광합성의 출현을 설명하기 원한다. 이를 위해서 그들은 이미 광합성 능력을 가진 세포를 포획하는 수영하는 포식자가 필요하다. 이러한 세포내공생적 사건이 없었다면, 진화론자들은 광합성 능력이 다양한 종류의 조류(algae)들에서 여러 번 발생했었다고 상상해야 한다. 이것은 너무도 가능성이 희박하기 때문에, 세포내공생의 문제점을 참는 것이 더 나은 선택이 되는 것이다. 과학자들은 로델피스가 유망하다고 생각했었지만, 그렇지 않았다. 여러 세대에 걸친 추정 후에도, 전문가들은 여전히 붉은 해초인 홍조류의 기원에 대한 합리적인 진화론적 제안을 갖고 있지 않다. 홍조류는 진화하지 않았다. 그것은 설계된 것이다.
References
• Elisabeth Gantt. 1979. Phycobiliproteins of Cryptophyceae. In M. Levandowsky and S. H. Hutner (Editors). Biochemistry and Physiology of Protozoa, 2nd edition, volume 1, ch. 5 pp. 121-137. The quote is from p. 134.
• Ryan M. R. Gawryluk, Denis V. Tikhonenkov, Elisabeth Hehenberger, Filip Husnik, Alexander P. Mylnikov and Patrick J. Keeling. 2019. Non-photosynthetic predators are sister to red algae. Nature 572 #7768 pp. 240-243. Quote is from page 240.
• John M. Archibald. 2009. The Puzzle of Plastid Evolution. Current Biology 19 pp. R81-R88. January 27. Quote is from page R81.
• Elena Ziviani and Luca Scorrano. 2016. The organelle replication connection. Nature 538 # 7625 pp. 326-327. Quote is from p. 326.
• Christian de Duve. 1996. The Birth of Complex Cells. Scientific American 274 #4 pp. 50-57. Quote is from p. 57.
• Rudolf A. Raff and Henry R. Maher. 1972. The non-symbiotic Origin of Mitochondria. Science 177 pp. 575-582 August 18. Quote is from p. 577.
• Lawrence Bogorad. 1975. Evolution of Organelles and Eukaryotic Genomes. Science 188 pp. 891-898 May 30. Quote is from p. 895.
• Dong Wook Lee, Sumin Lee, Young Jun Oh and Inhwan Hwang. 2009. Multiple Sequence Motifs in the Rubisco Small Subunit Transit Peptide Independently Contribute to Toc159-Dependent Import Proteins into Chloroplasts. Plant Physiology 151 #1 pp. 129-141. Quote is from p. 129.
• Richard M. Klein and Arthur Cronquist. 1967. A Consideration of the Evolutionary and Taxonomic Significance of Some Biochemical, Micromorphological, and Physiology Characters in Thallophytes. The Quarterly Review of Biology 42 #2 pp. 105-296. Quote is from p. 225.
• Gordeon F. Leedale. 1970. Phylogenetic Aspects of Nuclear Cytology in the Algae. New York Academy of Sciences, Annals 175 pp. 429-453. Quote is from p. 434.
• Richard B. Searles. 1980. The Strategy of the Red Algal Life History. The American Naturalist 115 #1 pp. 113-120. Quote is from p. 115.
*Margaret Helder completed her education with a Ph.D. in Botany from Western University in London, Ontario (Canada). She was hired as Assistant Professor in Biosciences at Brock University in St. Catharines, Ontario. Coming to Alberta in 1977, Dr Helder was an expert witness for the State of Arkansas, December 1981, during the creation/evolution ‘balanced treatment’ trial. She served as member of the editorial board of Occasional Papers of the Baraminology Study Group in 2001. She also lectured once or twice a year (upon invitation) in scheduled classes at University of Alberta (St. Joseph’s College) from 1998-2012. Her technical publications include articles in the Canadian Journal of Botany, chapter 19 in Recent Advances in Aquatic Mycology (E. B. Gareth Jones. Editor. 1976), and most recently she authored No Christian Silence on Science (2016) which promotes critical evaluation of scientific claims. She is married to John Helder and they have six adult children.
*참조 : 육상식물의 리그닌이 홍조류에서도 발견되었다 : 리그닌을 만드는 유전자들, 효소들, 화학적 경로들이 우연히 두 번 생겨났다?
http://creation.kr/Variation/?idx=1290406&bmode=view
목재의 주성분인 리그닌이 해초에서 발견되었다. : 진화 시간 틀을 10억 년 전으로 수정? 수렴진화?
http://creation.kr/Variation/?idx=1290477&bmode=view
산호조류가 실루리아기에서 발견되었다! : 출현 시기가 무려 3억(?) 년이나 더 뒤로 내려갔다.
http://creation.kr/LivingFossils/?idx=1757551&bmode=view
진핵생물의 진화는 복잡함에서 단순함으로 진행되었다.
http://creation.kr/Variation/?idx=1290375&bmode=view
35억 년(?) 전 스트로마톨라이트 화석에서 유기물질이 발견되었다.
http://creation.kr/YoungEarth/?idx=2559245&bmode=view
*관련기사 : 16억 년(?) 된 화석서 ‘김의 시조’ 홍조류 발견 (2017. 3. 15. 나우뉴스)
http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20170315601016§ion=science&type=&page=
출처 : CEH, 2020. 2. 20.
주소 : https://crev.info/2020/02/bad-news-for-plant-origins-helder/
번역 : 미디어위원회