갈라파고스의 핀치새 : 진화인가? 적응 공학인가?
(Galápagos Finches : A Case Study in Evolution or Adaptive Engineering?)
by Jeffrey P. Tomkins, PH.D.
에콰도르에서 서쪽으로 600마일 떨어진 태평양에 위치한 갈라파고스 제도(Galápagos Islands)에는 다윈의 핀치새(Darwin’s finches)로 알려진 새들이 살고 있다. 이 새들은 진화론 연구와 관찰의 대표적인 아이콘이 되어 왔다. 하지만 이 새들은 오랜 시간에 걸쳐 돌연변이와 자연선택을 통해 진화한다는 신다윈주의 패러다임을 실제로 증명하고 있을까?
다윈의 핀치새 이야기의 시작
핀치새는 호주와 극지방을 제외한 전 세계에 서식하고 있는 핀치새과(family Fringillidae)에 속하는 새이다. 그러나 연구적 관점에서 볼 때, 가장 유명한 핀치새는 다윈의 이름을 딴 다윈의 핀치새로, 실제로는 풍금조류(tanager family)에 속하는 새(genus Geospiza, 지오스피자 속)이기 때문에 진정한 핀치새로 간주되지 않는다. 이 핀치새는 1835년 찰스 다윈이 HMS 비글호 항해를 통해 갈라파고스를 방문하여 보고되면서 명성을 얻었다. 다윈과 비글호의 선장 로버트 피츠로이(Robert FitzRoy), 그리고 여러 조수들은 다수의 핀치새 표본들을 채집하여 영국으로 가져왔다.[1]
다윈은 영국에서 핀치새를 연구한 후에 핀치새에 대해 글을 썼다. 영국의 분류학자 존 굴드(John Gould)는 처음에 이 새들을 독특한 종들의 집합으로 기술했다. 다윈은 핀치새를 조사하기 시작하면서, 부리의 변이(variation)가 점진적 진화 이론의 증거라고 믿었다. 그는 부리가 자연선택에 의해 형성되었다고 생각했다. 다윈은 이렇게 썼다 :
가장 흥미로운 사실은 지오스피자(Geospiza)의 여러 종들의 부리 크기가 완벽하게 점차적 변화(gradation)를 보여주고 있다는 점이다. 서로 밀접하게 관련된 한 작은 새 그룹에서 이러한 점차적 변화와 다양한 구조를 보면, 원래는 새가 많지 않았던 이 제도에서 한 종이 자연선택에 의해 다른 목적에 맞게 변형되었다고 상상할 수 있다.[1]
현재 갈라파고스 제도에는 약 13종의 어두운 색의 핀치새가 서식하는 것으로 알려져 있다. 각 섬에는 한 종 이상이 서식하며, 이들 중 많은 종은 서로 교배가 가능하다. 다윈은 13종 중 9종을 채집했다.
다윈의 핀치새, 진화론의 상징물이 되다
많은 현대 교과서에서는 이 핀치새가 다윈의 진화론에 중요한 발견이라고 주장하지만, 다윈은 ‘종의 기원(On the Origin of Species by Means of Natural Selection)’에서 그 새를 포함시키지 않았다. “다윈의 핀치새”라는 용어를 처음 사용한 사람은 다윈이 사망한 지 50여 년이 지난 1936년에 영국의 외과의사이자 조류학자였던 퍼시 로우(Percy Lowe)였다. 하지만 이 개념을 과학적 사고의 최전선으로 끌어올린 사람은 1947년 ‘다윈의 핀치새’라는 저서를 쓴 데이비드 랙(David Lack)이었다.[2]
.13개의 갈라파고스 제도 섬들 중에서 5개의 위성 사진 <Image credit: ESA, CC BY-SA IGO 3.0>
프린스턴 대학의 피터와 로즈메리 그랜트(Peter and Rosemary Grant) 부부는 1973년 갈라파고스 제도에 가서 다윈의 핀치새를 진화 모델로 정립했다. 이들은 다른 섬에 비해 인간의 간섭으로부터 잘 격리되어 있는 다프네 섬(island Daphne Major)을 중심으로, 다양한 핀치새 종들의 개체 수를 주의 깊게 관찰했다.
그랜트 부부는 수년에 걸쳐, 날씨 패턴, 새들의 먹이, 몸체와 부리의 크기와 모양 변화를 기록했다. 실제로 그랜트 부부의 연구는 40년에 걸친 지속적인 연구로 끝났으며, 연구 말기에 이르러서야 사용 가능한 현대 유전체 분석 기법까지 도입했다.[3]
핀치새의 개체 수와 기후 주기
그랜트 연구팀의 연구에서 가장 흥미로운 측면 중 하나는, 1977년 갈라파고스 제도에 닥친 가뭄과 관련된 것이었다. 가뭄으로 인해 핀치새가 쉽게 구할 수 있는 먹이는 딱딱한 씨앗뿐이었다. 부리가 작은 핀치새들은 씨앗을 깨지 못해 굶어 죽었지만, 부리가 큰 핀치새들은 씨앗을 깨서 먹고 살아남을 수 있었다. 진화론자들은 자연이 어떻게든 새의 부리를 두껍게 만들도록 자연선택했다고 주장하며, 다윈의 진화론에 대한 실제 사례로서 제시했다.
.작은 땅핀치(small ground finch, Geospiza fuliginosa), 갈라파고스 제도, 에콰도르. <Image credit: Putneymark, Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0 Deed>
그러나 1982년과 1983년에 평년보다 많은 강우량을 기록했고, 가뭄에 시달리던 식물들은 다시 살아나면서, 이 섬은 우거진 환경으로 변했다. 씨앗의 가용성이 증가하고, 씨앗이 부드러워지면서, 핀치새의 개체 수가 증가하였고, 작은 부리를 가진 핀치새가 우세해졌다. 진화적으로 부리 크기는 커지는 것으로 추정되었지만, 그 특성은 거꾸로 후퇴했다. 거기에서는 일시적인 개체 수 변화만 있었을 뿐이었다.[3]
밝혀진 사실에 의하면, 이러한 기후 주기는 태평양 분지(Pacific Basin)에서 매우 흔하며, 엘니뇨-남방진동(El Niño–Southern Oscillation, ENSO)으로 알려져 있다. 이러한 환경적 현상은 40년 동안 핀치새를 연구하며 자연선택을 관찰하기에 이상적인 야외 실험실이라고 믿고 있었던 그랜트 부부에게 크게 어필했다.[4]
진화가 아닌, 내장된 특화된 변이
연구 초기에 피터 그랜츠는 특정 핀치 개체군의 부리 형질(모양/크기)이 시간이 지남에 따라 “앞뒤로 변동”되는 것을 발견했다.[5] 이 핀치 부리의 변동(oscillation)은 진화 교과서에도 언급되어 있다:
부리가 어떤 해에는 상향으로 진화하고, 다른 해에는 하향으로, 또 다른 해에는 일정하게 유지되는 것은 아마도 오랜 기간에 걸쳐 일종의 “안정화”가 선택된 결과일 것이다.[6]
저자는 선천적으로 정해진 가변성 범위를 벗어나 한 방향으로의 주요한 진화가 이루어졌다고 말하는 대신에, '안정화 선택(stabilizing selection)'이라는 미스터리한 용어를 사용하고 있었다. 실제로 갈라파고스 핀치새는 하나님이 내장시켜놓으신 선천적인 적응 능력, 어려운 환경 조건에서 살아남는 능력, 틈새를 채우는 능력만을 보여줬을 뿐이다. 그리고 그들은 종류대로 창조된 기본 형질을 그대로 유지하며 살아가고 있다.
현대 생물학의 많은 부분을 지배하는 진화론적 추론은 무작위적 돌연변이가 새로운 형질을 만들어낸다고 추측하고 있지만, 핀치새의 DNA에서 이에 대한 증거를 찾기는 어려웠다. 2022년 Science Advances 지에 실린 연구에서는 부리 크기와 몸 크기와 같은 형질과 관련된 DNA 염기서열을 종합적으로 분석하는 등, 핀치새의 다양한 적응의 근간이 되는 유전체 구조를 조사했다.[6]
연구자들은 소형, 중형, 대형 땅핀치(ground finches) 류에서 부리 크기 및 몸 크기와 통계적으로 상관관계가 있는 강한 유전적 차이를 보이는 28개의 다른 염색체 위치(유전자좌, loci)들이 있다는 것을 발견했다. 연구자들은 이 유전자좌가 핀치새의 최근 적응적 다양화 이전의 조상 DNA의 큰 블록을 나타내는 것으로 판단하고 있었다. 실제로 큰 DNA 블록 안에 있는 유전자들 중 다수는 이전에 부리 발달과 관련이 있는 것으로 밝혀진 유전자들이었다.
결론은 이러한 DNA 블록이 무작위적 돌연변이가 아니라, 기능적으로 복잡한 기존의 안정적인 코드 블록과 연결되어 있었다는 것이다. 분명히 유전적 데이터는 진화론의 무작위적 돌연변이가 아니라, 이 특별한 핀치새 종류를 창조하실 때, 유전자 암호를 설계한 전능하신 창조주를 가리키고 있었다.
Science Advances 지의 기사에는 2015년에 발표된 대규모 DNA 시퀀싱 연구의 데이터에 대한 추가 분석이 포함되어 있었다.[7] 이 원래 프로젝트는 다윈의 모든 핀치새와 두 개의 가까운 친척을 대표하는 120개의 서로 다른 개체의 유전체(genomes)를 시퀀싱했다. 연구자들이 가장 먼저 기록한 것 중 하나는 “방사(radiation) 동안 종간 유전자 흐름에 대한 광범위한 증거”였다.[7] 즉, 원래의 핀치새 류의 하위 집합이 다양화되어, 특정 먹이 기반 적소(niches)에 적응했음에도 불구하고, 다른 적소의 핀치류와 가끔씩 교배를 하고 있다는 사실이 밝혀진 것이다. 따라서 연구자들은 다음과 같이 말했다 :
집단 간 유전적 변이의 광범위한 공유는 특히 땅핀치와 나무핀치 사이에서 분명했으며, 각 그룹의 종 간에는 거의 고정된 차이가 없었다.[7]
또 다른 흥미로운 발견은 전사인자 ALX1(transcription factor ALX1)라는 한 조절유전자를 포함하여 핀치새 유전체의 24만개 염기 영역이 여러 핀치새 그룹에 걸쳐 부리 모양의 다양성과 밀접한 관련이 있다는 것이었다. ALX1 유전자는 부리 모양과 크기 등 두개안면 발달과 관련된 다른 유전자 네트워크의 마스터 조절자이다. 따라서 ALX1 유전자 영역의 다양한 변이가 부리 모양의 다양화에 크게 기여하여, 다양한 환경적 적소에서 먹이 자원의 활용을 확대하는 데 기여하고 있었다.
2023년에 발표된 또 다른 연구에서 (그랜츠를 포함한) 연구자들은 갈라파고스 다프네섬(Daphne Major)에 서식하는 다윈의 핀치새 4종 3,955마리의 전체 유전체 데이터를 사용했다.[8] 연구자들은 유전적 특성이 강한 부리 크기 변이의 45%를 설명하는 주요 유전자좌는 6개에 불과하다는 사실을 발견했다.
가장 눈에 띄는 유전자좌는 4개의 유전자를 포함하는 유전자 블록(gene block)으로, 가뭄 조건에 따라 먹이 공급을 변화시켜, 개체군의 급격한 적응 변화를 일으키기에 충분한 변이를 담고 있었다. 연구자들은 “유전체의 극히 일부분만이 지오스피자(Geospiza) 땅핀치 종들 사이에서 강하게 분화되어 있다”는 것이었다.[8] 이전 연구와 마찬가지로, 데이터는 교배를 통해 제한된 양의 특정 다양성이 유지되고, 핀치새들 사이에 분포되어 있음을 보여주었다. 다시 한번, 적응적이고 선천적인(내장된) 변이(variation)는 기존에 존재하는 코드 블록에 기초한 교배를 통해서 쉽게 전달되었다. 이 촉진된 적응을 진화론자들이 주장하는 것처럼 무작위적 돌연변이에 의한 것이 아니었다.
돌연변이를 더욱 부정하는 후성유전학적 메커니즘
생물의 종류(kinds) 내에서의 진정한 다양화와 적응은 생물체가 자신의 유전적 변이성(variability)의 범위 내에서 일어나는 다양화 과정이다. 이 과정에서 특정 생태적 적응력을 가진 변종이 생겨날 수 있다. 한때 이 과정은 위에서 언급한 특정 주요 유전자좌 위에서와 같이 DNA 염기서열 변이에 의해 철저하게 촉진된다고 생각됐었지만, 다윈의 고전적인 적응 사례인 핀치새의 적응에는 놀랍도록 강력한 후성유전학적 요소도 포함되어 있다.
후성유전학(epigenetics)은 생물 적응의 중요한 주제(theme)로 떠오르고 있다.[9] 유전적 변이성과 후성유전학적 메커니즘이 모두 적응적 변이(variation) 시스템으로 유전체에 내장되어 있다는 사실이 분명해지고 있다. 이러한 시스템은 창조된 종류(kinds)의 경계 내에서 강력한 다양화와 적소 시장 개척을 가능하게 한다.
후성유전학적 변화는 실제로 유전 암호를 변경시키지 않고, 생물체의 유전체에 화학적 꼬리표(tags, 태그)를 추가하는 것을 포함한다. DNA 뉴클레오티드와 DNA가 감싸고 있는 히스톤이라는 단백질은 유전자의 켜짐과 꺼짐을 결정하는 다양한 유형의 제어 분자에 의해 화학적으로 태그가 붙을 수 있다. 따라서 유전체의 후성유전학적 조절은 실제로 DNA 염기서열 자체의 변화와 관련 없이도 형질에 차이를 만들어낼 수 있다.
더욱 놀라운 점은 이러한 변화가 여러 세대에 걸쳐 유전될 수 있다는 것이다. 따라서 후성유전학적 변화는 창조된 종류 내에서 가변성(variability)과 다양화(diversification)를 촉진한다. 전통적인 다윈주의 진화론은 DNA의 무작위적 변화가 새롭고 유용한 변종을 만들어내고, 그 변종이 환경에 의해 자연선택된다고 주장해왔다. 후성유전학은 이러한 생각을 완전히 부정하고 있는 것이다.
2013년의 한 연구에서는 1950년대에 케냐에 도입된 집참새(house sparrows, Passer domesticus) 종의 다양한 적응의 후성유전학적 근거가 밝혀졌다. 이 종의 점진적인 지리적 확산과 생태학적 적응 패턴은 실제 DNA 염기서열의 변화가 아니라, 유전체 전체의 DNA 메틸화 패턴(DNA methylation patterns)의 차이로 특징된 것이었다.[10]
후성유전학이 핀치새의 적응을 어떻게 촉진할 수 있었을까? 그리고 이것이 핀치새 부리의 근본적인 변이(variation)를 일으킬 수 있었을까? 이전 연구에서, 핀치새 종들 사이에서 매우 유사한 발달 유전 경로가 현저하게 다양한 부리 모양을 만들 수 있다는 사실이 밝혀졌다.[11] 그렇다면 핀치새 종들 사이에서 유전자가 본질적으로 동일하다면, 변이의 주요 메커니즘은 무엇일까?
.다윈의 핀치새(Darwin’s finches or Galápagos finches. Darwin, 1845) <Image credit: John Gould, public domain>
2014년 다윈의 핀치새에 대한 연구에서 연구자들은 유전체에서 두 가지 다른 조절 기능을 조사했다.[12] 첫 번째는 유전자 복제수 변이(copy number variants, CNV)라고 불리는, 복사본(반복 단위) 수가 달라진 비코딩 DNA 염기서열의 짧은 부분이다. 인간의 경우, CNV의 차이는 법의학 및 친자 확인을 연구하는 데에 기초가 되고 있으며, 발달과도 관련이 있다. 연구자들이 평가한 두 번째 요소는 유전체 전반의 DNA 메틸화(methylation) 패턴이었다.
이러한 분석을 통해, 연구자들은 후성유전학(epigenetics, DNA methylation)은 핀치새의 다양성 증가와 상관관계가 있지만, 실제 DNA 염기서열에 기반한 CNV는 그렇지 않다는 사실을 발견했다. 또한 연구자들은 새의 부리 모양, 면역계 반응, 색채 형성에 관여하는 특정 유전자의 후성유전학적 프로파일에 대해서 보다 집중적인 연구를 수행했다. 놀랍게도 이러한 모든 발달 유전자 그룹에 대한 다양한 핀치새 종의 후성유전학적 프로파일은 서로 달랐지만, DNA 염기서열은 거의 동일했다.
2017년 연구에서 연구자들은 다윈의 핀치새 두 종(Geospiza fortis and G. fuliginosa)의 1,000마리 이상의 새들로부터 데이터를 수집했다.[13] 이 새들은 갈라파고스의 산타크루즈 섬(Santa Cruz Island)에 사는 두 개의 다른 집단으로 나뉘어 있었는데, 한 집단은 사람들의 인구가 많은 곳에 살고 있었다. 한 핀치새 집단은 시골에 살면서, 야생에서 구할 수 있는 먹이를 먹었다. 다른 개체군은 도시에 살면서, 인간의 먹이를 먹는 데 적응했다. 연구자들은 도시 핀치새가 시골 핀치새에 비해 몸 크기와 부리 모양을 포함한 거의 모든 형태학적 측정에서 더 크다는 것을 발견했다. 이는 도시에서 더 많은 먹이를 구할 수 있었기 때문일 가능성이 높다.
그러나 두 개의 다른 G. fuliginosa 집단은 형태학적으로 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 DNA 염기서열 데이터를 기반으로 한 전체 연구에서 어떤 차이점도 발견하지 못했다. 반면, 연구자들은 DNA 메틸화 분석을 통해, 도시 개체군과 농촌 개체군 두 종 간에 극적인 후성유전학적 차이를 발견했다. 따라서 두 가지 다른 먹이 공급 환경에 대한 새들의 적응은 다윈의 진화론이 주장하는 돌연변이-자연선택 이론과는 무관한, 내장된 적응 시스템인 후성유전학에 의해서 크게 결정되고 있었다.
결론
갈라파고스 핀치새에 대한 과학적 연구의 대부분은 부리의 다양한 모양과 크기에 초점을 맞춰 왔으며, 이는 다양한 먹이에 대한 광범위한 행동적 적응과도 관련이 있다. 땅핀치(ground finches)는 큰 바위의 흙과 틈새를 파고 들어가 씨앗을 먹는다. 선인장핀치(cactus finches)는 날카롭고 뾰족한 부리로 선인장 꽃과 열매를 뚫고 들어가 먹이를 먹는다. 워블러핀치(warbler finches)는 작은 절지동물이 있는 나뭇잎과 덤불의 잎을 먹는다. 딱따구리핀치(woodpecker finches)는 작은 나뭇가지를 도구로 사용하여 손이 닿지 않는 나무껍질의 틈새에서 곤충 유충을 꺼내 먹는다. 그리고 뱀파이어핀치(vampire finches)라고 불리는 날카로운 부리를 가진 핀치새는 부비(boobies)라고 불리는 큰 새의 깃털 눈(feather buds)을 쪼아 피를 마신다.
그러나 이러한 모든 다양한 적응은 진화론의 돌연변이-자연선택 패러다임에 근본적인 근거를 갖고 있지 않다. 대신 유전체에 내장된 유전적 변이와 후성유전학적 제어 시스템으로 설명할 수 있다. 이는 전지전능하신 창조주의 정교한 설계와 복잡한 엔지니어링에 그 근거를 두고 있는 것이다.
References
1. Grant, P. R. and B. R. Grant. 2005. Darwin’s Finches. Current Biology. 15 (16): R614, 3.
2. Lack, D. L. 1947. Darwin’s Finches. New York, NY: Cambridge University Press.
3. Grant, P. R. and B. R. Grant. 2014. 40 Years of Evolution: Darwin’s Finches on Daphne Major Island. Princeton, NJ: Princeton University Press.
4. Grant, P. R. 1991. Natural Selection and Darwin’s Finches. Scientific American. 265 (4): 82–87.
5. Ridley, M. 2004. Evolution. Malden, MA: Blackwell, 225.
6. Rubin, C. J. et al. 2022. Rapid adaptive radiation of Darwin’s finches depends on ancestral genetic modules. Science Advances. 8 (27): eabm5982. DOI: 10.1126/sciadv.abm5982.
7. Lamichhaney, S. et al. 2015. Evolution of Darwin’s Finches and Their Beaks Revealed by Genome Sequencing. Nature. 518 (7539): 371–375. DOI: doi.org/10.1038/nature14181.
8. Enbody, E. D. et al. 2023. Community-wide genome sequencing reveals 30 years of Darwin’s finch evolution. Science. 381 (6665). DOI: 10.1126/science.adf6218.
9. Tomkins, J. P. 2023. Epigenetic Mechanisms: Adaptive Master Regulators of the Genome. Acts & Facts. 52 (7): 14–18.
10. Liebl, A. L. et al. 2013. Patterns of DNA methylation throughout a range expansion of an introduced songbird. Integrative and Comparative Biology. 53 (2): 351–358.
11. Mallarino, R. et al. 2012. Closely related bird species demonstrate flexibility between beak morphology and underlying developmental programs. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (40): 16222–16227.
12. Skinner, M. K. et al. 2014. Epigenetics and the Evolution of Darwin’s Finches. Genome Biology and Evolution. 6 (8): 1972–1989. DOI: 10.1093/gbe/evu158.
13. McNew, S. M. et al. 2017. Epigenetic Variation Between Urban and Rural Populations of Darwin’s Finches. BMC Evolutionary Biology. 17: 183. DOI 10.1186/s12862-017-1025-9.
* Dr. Tomkins is a research scientist at the Institute for Creation Research and earned his Ph.D. in genetics from Clemson University.
.Cite this article: Jeffrey P. Tomkins, Ph.D. 2024. Galápagos Finches: A Case Study in Evolution or Adaptive Engineering?. Acts & Facts. 53 (5).
*참조 : ▶ 핀치새
https://creation.kr/Topic401/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6776377&t=board
▶ 종의 분화
https://creation.kr/Topic401/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6777108&t=board
▶ 새로 밝혀진 후성유전학
https://creation.kr/Topic401/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6776421&t=board
출처 : ICR, 2024. 4. 30.
주소 : https://www.icr.org/article/galpagos-finches-case-study-evolution/
번역 : 미디어위원회
갈라파고스의 핀치새 : 진화인가? 적응 공학인가?
(Galápagos Finches : A Case Study in Evolution or Adaptive Engineering?)
by Jeffrey P. Tomkins, PH.D.
에콰도르에서 서쪽으로 600마일 떨어진 태평양에 위치한 갈라파고스 제도(Galápagos Islands)에는 다윈의 핀치새(Darwin’s finches)로 알려진 새들이 살고 있다. 이 새들은 진화론 연구와 관찰의 대표적인 아이콘이 되어 왔다. 하지만 이 새들은 오랜 시간에 걸쳐 돌연변이와 자연선택을 통해 진화한다는 신다윈주의 패러다임을 실제로 증명하고 있을까?
다윈의 핀치새 이야기의 시작
핀치새는 호주와 극지방을 제외한 전 세계에 서식하고 있는 핀치새과(family Fringillidae)에 속하는 새이다. 그러나 연구적 관점에서 볼 때, 가장 유명한 핀치새는 다윈의 이름을 딴 다윈의 핀치새로, 실제로는 풍금조류(tanager family)에 속하는 새(genus Geospiza, 지오스피자 속)이기 때문에 진정한 핀치새로 간주되지 않는다. 이 핀치새는 1835년 찰스 다윈이 HMS 비글호 항해를 통해 갈라파고스를 방문하여 보고되면서 명성을 얻었다. 다윈과 비글호의 선장 로버트 피츠로이(Robert FitzRoy), 그리고 여러 조수들은 다수의 핀치새 표본들을 채집하여 영국으로 가져왔다.[1]
다윈은 영국에서 핀치새를 연구한 후에 핀치새에 대해 글을 썼다. 영국의 분류학자 존 굴드(John Gould)는 처음에 이 새들을 독특한 종들의 집합으로 기술했다. 다윈은 핀치새를 조사하기 시작하면서, 부리의 변이(variation)가 점진적 진화 이론의 증거라고 믿었다. 그는 부리가 자연선택에 의해 형성되었다고 생각했다. 다윈은 이렇게 썼다 :
가장 흥미로운 사실은 지오스피자(Geospiza)의 여러 종들의 부리 크기가 완벽하게 점차적 변화(gradation)를 보여주고 있다는 점이다. 서로 밀접하게 관련된 한 작은 새 그룹에서 이러한 점차적 변화와 다양한 구조를 보면, 원래는 새가 많지 않았던 이 제도에서 한 종이 자연선택에 의해 다른 목적에 맞게 변형되었다고 상상할 수 있다.[1]
현재 갈라파고스 제도에는 약 13종의 어두운 색의 핀치새가 서식하는 것으로 알려져 있다. 각 섬에는 한 종 이상이 서식하며, 이들 중 많은 종은 서로 교배가 가능하다. 다윈은 13종 중 9종을 채집했다.
다윈의 핀치새, 진화론의 상징물이 되다
많은 현대 교과서에서는 이 핀치새가 다윈의 진화론에 중요한 발견이라고 주장하지만, 다윈은 ‘종의 기원(On the Origin of Species by Means of Natural Selection)’에서 그 새를 포함시키지 않았다. “다윈의 핀치새”라는 용어를 처음 사용한 사람은 다윈이 사망한 지 50여 년이 지난 1936년에 영국의 외과의사이자 조류학자였던 퍼시 로우(Percy Lowe)였다. 하지만 이 개념을 과학적 사고의 최전선으로 끌어올린 사람은 1947년 ‘다윈의 핀치새’라는 저서를 쓴 데이비드 랙(David Lack)이었다.[2]
.13개의 갈라파고스 제도 섬들 중에서 5개의 위성 사진 <Image credit: ESA, CC BY-SA IGO 3.0>
프린스턴 대학의 피터와 로즈메리 그랜트(Peter and Rosemary Grant) 부부는 1973년 갈라파고스 제도에 가서 다윈의 핀치새를 진화 모델로 정립했다. 이들은 다른 섬에 비해 인간의 간섭으로부터 잘 격리되어 있는 다프네 섬(island Daphne Major)을 중심으로, 다양한 핀치새 종들의 개체 수를 주의 깊게 관찰했다.
그랜트 부부는 수년에 걸쳐, 날씨 패턴, 새들의 먹이, 몸체와 부리의 크기와 모양 변화를 기록했다. 실제로 그랜트 부부의 연구는 40년에 걸친 지속적인 연구로 끝났으며, 연구 말기에 이르러서야 사용 가능한 현대 유전체 분석 기법까지 도입했다.[3]
핀치새의 개체 수와 기후 주기
그랜트 연구팀의 연구에서 가장 흥미로운 측면 중 하나는, 1977년 갈라파고스 제도에 닥친 가뭄과 관련된 것이었다. 가뭄으로 인해 핀치새가 쉽게 구할 수 있는 먹이는 딱딱한 씨앗뿐이었다. 부리가 작은 핀치새들은 씨앗을 깨지 못해 굶어 죽었지만, 부리가 큰 핀치새들은 씨앗을 깨서 먹고 살아남을 수 있었다. 진화론자들은 자연이 어떻게든 새의 부리를 두껍게 만들도록 자연선택했다고 주장하며, 다윈의 진화론에 대한 실제 사례로서 제시했다.
.작은 땅핀치(small ground finch, Geospiza fuliginosa), 갈라파고스 제도, 에콰도르. <Image credit: Putneymark, Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0 Deed>
그러나 1982년과 1983년에 평년보다 많은 강우량을 기록했고, 가뭄에 시달리던 식물들은 다시 살아나면서, 이 섬은 우거진 환경으로 변했다. 씨앗의 가용성이 증가하고, 씨앗이 부드러워지면서, 핀치새의 개체 수가 증가하였고, 작은 부리를 가진 핀치새가 우세해졌다. 진화적으로 부리 크기는 커지는 것으로 추정되었지만, 그 특성은 거꾸로 후퇴했다. 거기에서는 일시적인 개체 수 변화만 있었을 뿐이었다.[3]
밝혀진 사실에 의하면, 이러한 기후 주기는 태평양 분지(Pacific Basin)에서 매우 흔하며, 엘니뇨-남방진동(El Niño–Southern Oscillation, ENSO)으로 알려져 있다. 이러한 환경적 현상은 40년 동안 핀치새를 연구하며 자연선택을 관찰하기에 이상적인 야외 실험실이라고 믿고 있었던 그랜트 부부에게 크게 어필했다.[4]
진화가 아닌, 내장된 특화된 변이
연구 초기에 피터 그랜츠는 특정 핀치 개체군의 부리 형질(모양/크기)이 시간이 지남에 따라 “앞뒤로 변동”되는 것을 발견했다.[5] 이 핀치 부리의 변동(oscillation)은 진화 교과서에도 언급되어 있다:
부리가 어떤 해에는 상향으로 진화하고, 다른 해에는 하향으로, 또 다른 해에는 일정하게 유지되는 것은 아마도 오랜 기간에 걸쳐 일종의 “안정화”가 선택된 결과일 것이다.[6]
저자는 선천적으로 정해진 가변성 범위를 벗어나 한 방향으로의 주요한 진화가 이루어졌다고 말하는 대신에, '안정화 선택(stabilizing selection)'이라는 미스터리한 용어를 사용하고 있었다. 실제로 갈라파고스 핀치새는 하나님이 내장시켜놓으신 선천적인 적응 능력, 어려운 환경 조건에서 살아남는 능력, 틈새를 채우는 능력만을 보여줬을 뿐이다. 그리고 그들은 종류대로 창조된 기본 형질을 그대로 유지하며 살아가고 있다.
현대 생물학의 많은 부분을 지배하는 진화론적 추론은 무작위적 돌연변이가 새로운 형질을 만들어낸다고 추측하고 있지만, 핀치새의 DNA에서 이에 대한 증거를 찾기는 어려웠다. 2022년 Science Advances 지에 실린 연구에서는 부리 크기와 몸 크기와 같은 형질과 관련된 DNA 염기서열을 종합적으로 분석하는 등, 핀치새의 다양한 적응의 근간이 되는 유전체 구조를 조사했다.[6]
연구자들은 소형, 중형, 대형 땅핀치(ground finches) 류에서 부리 크기 및 몸 크기와 통계적으로 상관관계가 있는 강한 유전적 차이를 보이는 28개의 다른 염색체 위치(유전자좌, loci)들이 있다는 것을 발견했다. 연구자들은 이 유전자좌가 핀치새의 최근 적응적 다양화 이전의 조상 DNA의 큰 블록을 나타내는 것으로 판단하고 있었다. 실제로 큰 DNA 블록 안에 있는 유전자들 중 다수는 이전에 부리 발달과 관련이 있는 것으로 밝혀진 유전자들이었다.
결론은 이러한 DNA 블록이 무작위적 돌연변이가 아니라, 기능적으로 복잡한 기존의 안정적인 코드 블록과 연결되어 있었다는 것이다. 분명히 유전적 데이터는 진화론의 무작위적 돌연변이가 아니라, 이 특별한 핀치새 종류를 창조하실 때, 유전자 암호를 설계한 전능하신 창조주를 가리키고 있었다.
Science Advances 지의 기사에는 2015년에 발표된 대규모 DNA 시퀀싱 연구의 데이터에 대한 추가 분석이 포함되어 있었다.[7] 이 원래 프로젝트는 다윈의 모든 핀치새와 두 개의 가까운 친척을 대표하는 120개의 서로 다른 개체의 유전체(genomes)를 시퀀싱했다. 연구자들이 가장 먼저 기록한 것 중 하나는 “방사(radiation) 동안 종간 유전자 흐름에 대한 광범위한 증거”였다.[7] 즉, 원래의 핀치새 류의 하위 집합이 다양화되어, 특정 먹이 기반 적소(niches)에 적응했음에도 불구하고, 다른 적소의 핀치류와 가끔씩 교배를 하고 있다는 사실이 밝혀진 것이다. 따라서 연구자들은 다음과 같이 말했다 :
집단 간 유전적 변이의 광범위한 공유는 특히 땅핀치와 나무핀치 사이에서 분명했으며, 각 그룹의 종 간에는 거의 고정된 차이가 없었다.[7]
또 다른 흥미로운 발견은 전사인자 ALX1(transcription factor ALX1)라는 한 조절유전자를 포함하여 핀치새 유전체의 24만개 염기 영역이 여러 핀치새 그룹에 걸쳐 부리 모양의 다양성과 밀접한 관련이 있다는 것이었다. ALX1 유전자는 부리 모양과 크기 등 두개안면 발달과 관련된 다른 유전자 네트워크의 마스터 조절자이다. 따라서 ALX1 유전자 영역의 다양한 변이가 부리 모양의 다양화에 크게 기여하여, 다양한 환경적 적소에서 먹이 자원의 활용을 확대하는 데 기여하고 있었다.
2023년에 발표된 또 다른 연구에서 (그랜츠를 포함한) 연구자들은 갈라파고스 다프네섬(Daphne Major)에 서식하는 다윈의 핀치새 4종 3,955마리의 전체 유전체 데이터를 사용했다.[8] 연구자들은 유전적 특성이 강한 부리 크기 변이의 45%를 설명하는 주요 유전자좌는 6개에 불과하다는 사실을 발견했다.
가장 눈에 띄는 유전자좌는 4개의 유전자를 포함하는 유전자 블록(gene block)으로, 가뭄 조건에 따라 먹이 공급을 변화시켜, 개체군의 급격한 적응 변화를 일으키기에 충분한 변이를 담고 있었다. 연구자들은 “유전체의 극히 일부분만이 지오스피자(Geospiza) 땅핀치 종들 사이에서 강하게 분화되어 있다”는 것이었다.[8] 이전 연구와 마찬가지로, 데이터는 교배를 통해 제한된 양의 특정 다양성이 유지되고, 핀치새들 사이에 분포되어 있음을 보여주었다. 다시 한번, 적응적이고 선천적인(내장된) 변이(variation)는 기존에 존재하는 코드 블록에 기초한 교배를 통해서 쉽게 전달되었다. 이 촉진된 적응을 진화론자들이 주장하는 것처럼 무작위적 돌연변이에 의한 것이 아니었다.
돌연변이를 더욱 부정하는 후성유전학적 메커니즘
생물의 종류(kinds) 내에서의 진정한 다양화와 적응은 생물체가 자신의 유전적 변이성(variability)의 범위 내에서 일어나는 다양화 과정이다. 이 과정에서 특정 생태적 적응력을 가진 변종이 생겨날 수 있다. 한때 이 과정은 위에서 언급한 특정 주요 유전자좌 위에서와 같이 DNA 염기서열 변이에 의해 철저하게 촉진된다고 생각됐었지만, 다윈의 고전적인 적응 사례인 핀치새의 적응에는 놀랍도록 강력한 후성유전학적 요소도 포함되어 있다.
후성유전학(epigenetics)은 생물 적응의 중요한 주제(theme)로 떠오르고 있다.[9] 유전적 변이성과 후성유전학적 메커니즘이 모두 적응적 변이(variation) 시스템으로 유전체에 내장되어 있다는 사실이 분명해지고 있다. 이러한 시스템은 창조된 종류(kinds)의 경계 내에서 강력한 다양화와 적소 시장 개척을 가능하게 한다.
후성유전학적 변화는 실제로 유전 암호를 변경시키지 않고, 생물체의 유전체에 화학적 꼬리표(tags, 태그)를 추가하는 것을 포함한다. DNA 뉴클레오티드와 DNA가 감싸고 있는 히스톤이라는 단백질은 유전자의 켜짐과 꺼짐을 결정하는 다양한 유형의 제어 분자에 의해 화학적으로 태그가 붙을 수 있다. 따라서 유전체의 후성유전학적 조절은 실제로 DNA 염기서열 자체의 변화와 관련 없이도 형질에 차이를 만들어낼 수 있다.
더욱 놀라운 점은 이러한 변화가 여러 세대에 걸쳐 유전될 수 있다는 것이다. 따라서 후성유전학적 변화는 창조된 종류 내에서 가변성(variability)과 다양화(diversification)를 촉진한다. 전통적인 다윈주의 진화론은 DNA의 무작위적 변화가 새롭고 유용한 변종을 만들어내고, 그 변종이 환경에 의해 자연선택된다고 주장해왔다. 후성유전학은 이러한 생각을 완전히 부정하고 있는 것이다.
2013년의 한 연구에서는 1950년대에 케냐에 도입된 집참새(house sparrows, Passer domesticus) 종의 다양한 적응의 후성유전학적 근거가 밝혀졌다. 이 종의 점진적인 지리적 확산과 생태학적 적응 패턴은 실제 DNA 염기서열의 변화가 아니라, 유전체 전체의 DNA 메틸화 패턴(DNA methylation patterns)의 차이로 특징된 것이었다.[10]
후성유전학이 핀치새의 적응을 어떻게 촉진할 수 있었을까? 그리고 이것이 핀치새 부리의 근본적인 변이(variation)를 일으킬 수 있었을까? 이전 연구에서, 핀치새 종들 사이에서 매우 유사한 발달 유전 경로가 현저하게 다양한 부리 모양을 만들 수 있다는 사실이 밝혀졌다.[11] 그렇다면 핀치새 종들 사이에서 유전자가 본질적으로 동일하다면, 변이의 주요 메커니즘은 무엇일까?
.다윈의 핀치새(Darwin’s finches or Galápagos finches. Darwin, 1845) <Image credit: John Gould, public domain>
2014년 다윈의 핀치새에 대한 연구에서 연구자들은 유전체에서 두 가지 다른 조절 기능을 조사했다.[12] 첫 번째는 유전자 복제수 변이(copy number variants, CNV)라고 불리는, 복사본(반복 단위) 수가 달라진 비코딩 DNA 염기서열의 짧은 부분이다. 인간의 경우, CNV의 차이는 법의학 및 친자 확인을 연구하는 데에 기초가 되고 있으며, 발달과도 관련이 있다. 연구자들이 평가한 두 번째 요소는 유전체 전반의 DNA 메틸화(methylation) 패턴이었다.
이러한 분석을 통해, 연구자들은 후성유전학(epigenetics, DNA methylation)은 핀치새의 다양성 증가와 상관관계가 있지만, 실제 DNA 염기서열에 기반한 CNV는 그렇지 않다는 사실을 발견했다. 또한 연구자들은 새의 부리 모양, 면역계 반응, 색채 형성에 관여하는 특정 유전자의 후성유전학적 프로파일에 대해서 보다 집중적인 연구를 수행했다. 놀랍게도 이러한 모든 발달 유전자 그룹에 대한 다양한 핀치새 종의 후성유전학적 프로파일은 서로 달랐지만, DNA 염기서열은 거의 동일했다.
2017년 연구에서 연구자들은 다윈의 핀치새 두 종(Geospiza fortis and G. fuliginosa)의 1,000마리 이상의 새들로부터 데이터를 수집했다.[13] 이 새들은 갈라파고스의 산타크루즈 섬(Santa Cruz Island)에 사는 두 개의 다른 집단으로 나뉘어 있었는데, 한 집단은 사람들의 인구가 많은 곳에 살고 있었다. 한 핀치새 집단은 시골에 살면서, 야생에서 구할 수 있는 먹이를 먹었다. 다른 개체군은 도시에 살면서, 인간의 먹이를 먹는 데 적응했다. 연구자들은 도시 핀치새가 시골 핀치새에 비해 몸 크기와 부리 모양을 포함한 거의 모든 형태학적 측정에서 더 크다는 것을 발견했다. 이는 도시에서 더 많은 먹이를 구할 수 있었기 때문일 가능성이 높다.
그러나 두 개의 다른 G. fuliginosa 집단은 형태학적으로 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 DNA 염기서열 데이터를 기반으로 한 전체 연구에서 어떤 차이점도 발견하지 못했다. 반면, 연구자들은 DNA 메틸화 분석을 통해, 도시 개체군과 농촌 개체군 두 종 간에 극적인 후성유전학적 차이를 발견했다. 따라서 두 가지 다른 먹이 공급 환경에 대한 새들의 적응은 다윈의 진화론이 주장하는 돌연변이-자연선택 이론과는 무관한, 내장된 적응 시스템인 후성유전학에 의해서 크게 결정되고 있었다.
결론
갈라파고스 핀치새에 대한 과학적 연구의 대부분은 부리의 다양한 모양과 크기에 초점을 맞춰 왔으며, 이는 다양한 먹이에 대한 광범위한 행동적 적응과도 관련이 있다. 땅핀치(ground finches)는 큰 바위의 흙과 틈새를 파고 들어가 씨앗을 먹는다. 선인장핀치(cactus finches)는 날카롭고 뾰족한 부리로 선인장 꽃과 열매를 뚫고 들어가 먹이를 먹는다. 워블러핀치(warbler finches)는 작은 절지동물이 있는 나뭇잎과 덤불의 잎을 먹는다. 딱따구리핀치(woodpecker finches)는 작은 나뭇가지를 도구로 사용하여 손이 닿지 않는 나무껍질의 틈새에서 곤충 유충을 꺼내 먹는다. 그리고 뱀파이어핀치(vampire finches)라고 불리는 날카로운 부리를 가진 핀치새는 부비(boobies)라고 불리는 큰 새의 깃털 눈(feather buds)을 쪼아 피를 마신다.
그러나 이러한 모든 다양한 적응은 진화론의 돌연변이-자연선택 패러다임에 근본적인 근거를 갖고 있지 않다. 대신 유전체에 내장된 유전적 변이와 후성유전학적 제어 시스템으로 설명할 수 있다. 이는 전지전능하신 창조주의 정교한 설계와 복잡한 엔지니어링에 그 근거를 두고 있는 것이다.
References
1. Grant, P. R. and B. R. Grant. 2005. Darwin’s Finches. Current Biology. 15 (16): R614, 3.
2. Lack, D. L. 1947. Darwin’s Finches. New York, NY: Cambridge University Press.
3. Grant, P. R. and B. R. Grant. 2014. 40 Years of Evolution: Darwin’s Finches on Daphne Major Island. Princeton, NJ: Princeton University Press.
4. Grant, P. R. 1991. Natural Selection and Darwin’s Finches. Scientific American. 265 (4): 82–87.
5. Ridley, M. 2004. Evolution. Malden, MA: Blackwell, 225.
6. Rubin, C. J. et al. 2022. Rapid adaptive radiation of Darwin’s finches depends on ancestral genetic modules. Science Advances. 8 (27): eabm5982. DOI: 10.1126/sciadv.abm5982.
7. Lamichhaney, S. et al. 2015. Evolution of Darwin’s Finches and Their Beaks Revealed by Genome Sequencing. Nature. 518 (7539): 371–375. DOI: doi.org/10.1038/nature14181.
8. Enbody, E. D. et al. 2023. Community-wide genome sequencing reveals 30 years of Darwin’s finch evolution. Science. 381 (6665). DOI: 10.1126/science.adf6218.
9. Tomkins, J. P. 2023. Epigenetic Mechanisms: Adaptive Master Regulators of the Genome. Acts & Facts. 52 (7): 14–18.
10. Liebl, A. L. et al. 2013. Patterns of DNA methylation throughout a range expansion of an introduced songbird. Integrative and Comparative Biology. 53 (2): 351–358.
11. Mallarino, R. et al. 2012. Closely related bird species demonstrate flexibility between beak morphology and underlying developmental programs. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (40): 16222–16227.
12. Skinner, M. K. et al. 2014. Epigenetics and the Evolution of Darwin’s Finches. Genome Biology and Evolution. 6 (8): 1972–1989. DOI: 10.1093/gbe/evu158.
13. McNew, S. M. et al. 2017. Epigenetic Variation Between Urban and Rural Populations of Darwin’s Finches. BMC Evolutionary Biology. 17: 183. DOI 10.1186/s12862-017-1025-9.
* Dr. Tomkins is a research scientist at the Institute for Creation Research and earned his Ph.D. in genetics from Clemson University.
.Cite this article: Jeffrey P. Tomkins, Ph.D. 2024. Galápagos Finches: A Case Study in Evolution or Adaptive Engineering?. Acts & Facts. 53 (5).
*참조 : ▶ 핀치새
https://creation.kr/Topic401/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6776377&t=board
▶ 종의 분화
https://creation.kr/Topic401/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6777108&t=board
▶ 새로 밝혀진 후성유전학
https://creation.kr/Topic401/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=6776421&t=board
출처 : ICR, 2024. 4. 30.
주소 : https://www.icr.org/article/galpagos-finches-case-study-evolution/
번역 : 미디어위원회