신경세포 뉴런의 진화는 아직도 미스터리이다. : 창조 설계-동물 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

2025-01-10

신경세포 뉴런의 진화는 아직도 미스터리이다.

(Evolution of the neuron)

by Jerry Bergman

신경세포인 뉴런과 진화론자들이 주장하는 진화적 전구 세포 사이에 존재하는 간격은 증거나 어떤 이론들로도 연결된 적이 없다. 진화론자들도 뉴런(neuron)의 진화적 기원은 문제가 많음을 인정하고 있다. 이 글은 이러한 간격이 존재하는 이유와 결코 채워지지 않고 있는 이유에 대해서 다뤄보려고 한다. 최초 뉴런이 뉴런으로 기능하기 위해서는 기본적인 모든 부분들이 정확하게 조립되고 통합되어 있어야만 한다.

뉴런(neuron)은 신경세포(nerve cell)의 다른 이름이다. 뉴런은 생물체 내의 정보들을 뇌로 전송한다. 뉴런은 실제로 '시냅스(synapses)'라고 불리는 특수한 연결 부위를 통해서 다른 세포와 통신한다(그림 1 참조). 신경세포는 플라코조아(placozoa)와 해면동물(placozoa)을 제외한 모든 동물들에서 사용되고 있다. 현존하는 가장 단순한 비기생성 후생동물인 플라코조아는 작고 바다에서 자유 생활을 하는 다세포 생물이다. 해면동물(phylum Porifera)은 다세포 후생동물로 여과 섭식을 하며, 이들의 몸체는 구멍과 도관들로 되어 있어, 물이 그 안을 순환하게 되어있어 영양분을 흡수한다. 앞으로 설명하겠지만, 이 두 동물이 사용하는 구조는 뉴런의 진화적 조상을 지지하는 것으로 제안되어왔다.

최초 뉴런이 뉴런으로 기능하기 위해서는 기본적인 부분들이 모두 존재하고 정확하게 조립되고 통합되어 있어야만 한다.

신경세포는 메시지를 전달하기 위해, 흥분성 또는 억제성일 수 있는 전기신호와 화학신호의 조합을 사용한다. 뉴런에는 세 가지 유형이 있는데, 감각뉴런(sensory neurons), 운동뉴런(motor neurons), 인터뉴런(interneurons, 연합뉴런)이 그들이다. 감각뉴런은 빛, 소리, 촉각, 통증, 후각, 미각 등 감각기관에서 생성된 신호를 수신한다. 그런 다음 이 정보를 처리하고, 반응하기 위해서 척수나 뇌로 전송한다. 운동뉴런은 뇌 및/또는 척수로부터 신호를 받아, 근육 수축과 샘들의 생산과 분비를 조절한다. 인터뉴런은 뉴런과 다른 뉴런을 연결한다.

뉴런의 해부학 및 생리학

모든 뉴런은 소마(soma)라고 불리는 치밀한 세포체(cell body)로 구성되어 있으며, 몇몇 유형의 세포(예: 인간 적혈구)를 제외한 대부분의 세포 유형에는 핵이 있다. 핵에는 DNA와 신경 세포를 복구하고 유지하는 단백질들을 생산하는데 필요한 세포 기계들의 일부가 포함되어 있다. 대부분의 뉴런은 많은 수상돌기(dendrites)와 긴 단일 축삭(axon)을 갖고 있다(그림 1). 수상돌기는 소마 또는 세포체에서 수백 마이크로미터 길이로 뻗어 있다. 축삭은 신호가 이동하는 얇은 '케이블'이며, 신경 섬유는 축삭들의 다발로 구성되어 있다. 인간의 경우 축삭의 길이는 수mm에서 1m를 넘는 것도 있다. 축삭의 가장 먼 끝에는 시냅스(synapses)라고 불리는 말단이 있고, 뉴런은 시냅스 간격을 가로질러 다른 세포로 신호를 전달할 수 있다. 시냅스는 화학 신경전달물질 시스템에 의해서, 신호가 다음 단계로 넘어갈지 여부를 조절한다(그림 1).

그림 1. 뉴런의 구성 요소들과 시냅스에 대한 상세한 그림.

뉴런의 진화

뉴런에 대한 최초의 진화적 전구체로 제안된 것은 깃세포(choanocytes, or collar cells)로 알려진 세포 유형이다. 깃세포는 편모를 가진 세포(flagellated cells)로 기저부에 편모(flagellum)들이 위치한 원형질 깃(목)에 연결되어 있다.(그림 2). 이들은 해면(sponges)의 내부 실(chambers)에 정렬되어 있다. 이들의 기능은 물을 해면 안으로 이동시킨 다음, 물에서 영양분을 흡수하는 것이다. 깃세포는 신경세포와는 매우 다른 디자인을 갖고 있음에도 불구하고, 뉴런의 전구체로 제안되고 있다. 왜냐하면 편모들을 갖고 있는데, 축삭은 표면적으로 편모처럼 보이기 때문이다. 그리고 더 나은 제안이 없기 때문이다. 신경세포는 편모를 갖고 있지 않다. 그림 1의 뉴런과 그림 2의 깃세포를 비교하여 보라.

그림 2. 해면(sponge)의 팔에서 깃세포(choanocyte)의 위치. 깃세포는 해면의 위장 혈관을 따라 배열되어 있으며, 그 기능은 먹이를 소화하기 위해 유주세포(amebocyte cells)로 가져오는 것이다. <Choanocyte (right)—The Wonderful World of Kingdom Animalia/CC BY 4.0 [modified]>

뉴런의 진화는 확인되기 어렵다고 말해지고 있는데, 그 이유는 화석 기록에서 연부조직은 보존되지 않는다는 믿음 때문이다. 그러나 화석 기록에서 자포동물(Cnidaria, 해파리가 속해 있는)과 같은 살아있는 화석은 처음 등장한 이래 진화론적 시간 틀로 "지난 5억 년 동안 형태학적 변화가 거의 없었다"는 것이다.[1] 뉴런은 훨씬 더 먼 과거에 진화했을 것이라는 진화론자들의 주장은 직접적인 증거가 없음에도, 주장되고 있는 것이다. 이 경우에서 그들은 화석 증거의 결여를 설명하기 위해, 장구한 시간을 사용한다.

뉴런의 또 다른 전구체로 제안된 것은 중간엽세포(mesenchymal cell)이다. 이들은 현대의 인터뉴런 및 운동뉴런 형태와 유사한 세포 돌출부(cellular protrusions)를 갖고 있다.[2] 중간엽세포는 각각 결합조직, 혈관 및 림프조직 세포로 발달할 수 있는 미분화된 줄기세포(undifferentiated stem cells)이다. 어떻게 그것들이 신경세포로 진화할 수 있었는지는 알려져 있지 않다. 줄기세포는 특정 세포 유형으로 발달하도록 프로그래밍되어 있으며, 적절한 프로그램이 존재하지 않는다면, 그리고 시발(triggered) 되지 않는다면, 그리고 환경이 뉴런을 유지하지 않는다면, 뉴런으로 발달하지 않을 것이다.

뉴런은 ‘한 요소도 제거 불가능한 복잡성(irreducibly complex, 환원 불가능한 복잡성)’을 갖고 있다. 스테카(Stetka)도 그것을 인정하고 있었다 :

"우리는 뉴런이 순식간에 도착한 것이 아니라는 것을 알고 있다. 대신, 뉴런은 초기 세포 유형과 특성에 대한 비교적 간단한 형태에서 진화했다. 아마도 피부를 구성하는 세포인 상피세포나 동물의 초기 조립체였던 깃세포에서 진화했을 것이다."[3]

기능을 하는 신경세포가 어떻게든 진화했다고 가정해보자. 그 다음 단계는 신경세포가 신경돌기(neurites, 축삭과 수상돌기의 총칭)들을 가진 많은 뉴런들로 이루어진 신경망(nerve net)으로 진화하여, 동물 체내의 많은 부분들에 분포하는 그물망과 같은 배열로 진화하는 것이다. 이러한 디자인은 오늘날의 빗해파리류와 자포동물에서 볼 수 있다.[4] 신경망은 정보를 받기 위한 감각 시스템과, 정보에 반응하기 위한 근육 시스템이나 분비 시스템을 갖추어야 하고, 기능을 하기 위해서 서로 조립되어 배치되는 것이 필요하다. 이러한 시스템이 완전하게 제자리에 놓여질 때까지, 신경망은 전혀 쓸모없으며, 사실 더 나쁠 수 있는데, 공간과 영양분을 낭비할 뿐이기 때문이다.

그럼에도 불구하고, 신경망은 중추신경계의 진화를 위한 하나의 '가설'로 고려되고 있다.[4] 문제는 이 수준에서 진화론자들은 신경세포가 이미 진화했다고 가정한다는 것이다. 따라서 이 글의 초점은 뉴런의 진화는 그 자체가 비신경 세포에서 진화했을 것으로 추정하는 상상에 불과하다는 것이다. 아렌트(Arendt)는 이렇게 썼다: "뉴런과 신경계 진화의 주요 질문들, 예를 들어 첫 번째 뉴런의 기원과 같은 것들은... 아직도 풀리지 않은 채로 남아있다."[4]

진화론의 주요 문제들

뉴런의 진화에 있어서 한 주요한 문제점은 뉴런은 신체에서 가장 복잡한 세포 중 하나이며, 뉴런과 다른 모든 세포들 사이의 간격(차이)이 엄청나다는 것이다(그림 1 및 2 참조).[5] 인간의 뇌는 약 1,000억 개의 뉴런을 갖고 있으며, 함께 복잡한 네트워크를 형성하고 있어서, "우주에서 알려진 가장 복잡한 물체"라고 불리고 있다.[6]

진화론의 한 주요한 문제는 뉴런은 신체에서 가장 복잡한 세포 중 하나이며, 뉴런과 다른 모든 세포 사이의 간격(차이)이 엄청나다는 것이다.

진화론의 또 다른 문제는 모든 뉴런이 동일한 기본 부분을 갖고 있지만, 많은 차이점들이 존재한다는 것이다. 일부 축삭은 전선을 둘러싸고 있는 절연체와 유사한 방식으로, 단백질과 지질로 구성된 미엘린초(myelin sheath, 수초)로 덮여 있다.(그림 1 참조). 미엘린초의 기능은 신경 전달을 가속화하는 것이다. 자가면역질환의 경우와 같이 그것의 기능이 쇠퇴되면, 다발성 경화증(multiple sclerosis)과 같은 질병이 발생한다. 이러한 차이점과 다양한 동물의 뉴런들로 발달하는 조직 유형과 같은 다른 차이점들로 인해, 일부 연구자들은 다음과 같은 결론을 내릴 수밖에 없었다 : "신경세포는 두 번 이상 진화했는가? 거의 확실하다."[1] 다음을 고려해 보라 :

"빗해파리류와 자포동물은 자매 그룹으로, 뉴런을 전달해준 한 조상을 같이 갖고 있다. 그러나 일부 자포동물의 뉴런은 일반적으로 표피 세포가 아닌, 내배엽 세포(endodermal cells)에서 유래하고 있다. 그리고 자포동물인 히드라(Hydra)의 동일한 상피근세포(epitheliomuscular cells)는 신경조직 발생의 교란으로 뉴런으로 전환될 수 있다.... 뉴런의 다중 기원은, 사실 '뉴런'을 정의하는 것이 매우 어렵고, ‘뉴런의 기원’을 정의하는 것이 매우 복잡하기 때문이다."[1]

뉴런의 진화적 계통발생을 해결해줄 것으로 기대되었던 유전자 비교(genetic comparisons)는 문제를 더욱 악화시켰다 :

"클레이드(clade, 분기군) 2에 이 특징이 없다는 것은 이 특징이 클레이드 2의 조상들에 존재하지 않았다는 것을 의미하는가? 아니면 클레이드 2의 조상들에는 존재했지만, 이후에는 사라진 것인가? 두 번째 계통발생학적 문제는 수렴진화(convergent evolution, 또는 유전학 용어로 '상사성)‘에 의해 제기된다. 두 개의 클레이드에 존재하는 특징이나 분자는 각 클레이드에서 독립적으로 진화했을 수 있다. 이 두 가지 문제, 즉 이차적 소실과 상사성(homoplasy) 모두 진화적 관계의 해석을 혼란스럽게 만든다."[7]

진화 이야기를 더욱 복잡하게 만드는 것은 "세 종류의 이온 채널들이 독립적으로 진화했을 가능성이 높다"고 추정하기 때문이다.[7] 신경 자극이 전달되기 위해서는 축삭과 다음 세포 구조 사이의 게이트 채널들을 통과해야 한다. 이온 채널들은 시냅스 구조를 형성하는 분자로, 감각 수용체에서 뉴런을 가로질러 메시지 수용체(예: 뇌)로 메시지가 전달되는 것을 제어한다.

세 가지 종류의 게이트 채널들이 존재하는데, 1)전압 게이트 채널(voltage-gated channel), 2)스트레치 게이트 채널(stretch-gated channel), 3)리간드 게이트 채널(ligand-gated channel)이다.

전압 게이트 채널은 막 전위(전압)의 변화에 반응하여 열리고 닫히는 막이다. 뉴런에서 나트륨 채널과 칼륨 채널이 이러한 유형의 예이다. 스트레치 게이트 채널은 막 스트레스에 반응하며 감각 세포에서 흔히 볼 수 있다. 마지막으로, 리간드 게이트 채널은 신경전달물질(그림 1)과 같은 화학적 메신저(즉, 리간드)에 반응하여 이온(Na+, K+, Ca++, Cl- 포함)이 막을 통과할 수 있도록 개방되는 막간 이온 채널 단백질 그룹이다.

이것은 또 다른 논란을 불러일으키고 있다 :

"… 뉴런은 단 한 번만 진화했는가, 아니면 다른 진화적 기원들을 갖고 있는가? 예를 들어, 빗해파리류, 자포동물, 좌우대칭동물(bilaterian) 신경계에서 관찰되는 신경전달물질 사용, 시냅스 구조, 뉴런 형태 등에는 주요한 차이점들이 발견되기 때문이다"[4]

뉴런은 진화되지 않았다는 주장은 이러한 상황과 더 적합하다. 각 유형의 뉴런들과 주장되는 조상 전구체들은 각각 설계된 것들이므로, 뉴런의 믿기 어려운 다중적 진화 기원과 진화적 소실 가설은 불필요하다.

결론

"우리 뇌만큼 복잡한 구조가 어떻게 진화했을까?... 생물학자들은 찰스 다윈 이후로 이 질문에 대해 깊이 생각해 왔다."[7] 그리고 160여 년 이상이 지난 오늘날, "뉴런과 신경계의 진화는 동물의 진화에서 남아있는 거대한 미스터리 중 하나이다."[4] 플라코조아와 해면을 제외한 모든 동물에 존재하는 뉴런들과 가정되는 전구체 세포, 깃세포 사이에는 거대한 틈(간격)이 존재한다. 그럼에도 불구하고, 많은 신경계 연구들이 이 질문에 대답하기 위해서 시간과 자금을 소모하고 있다. 왜냐하면 진화론자들에게 "가장 흥미로운 질문 중 하나는 언제, 어떤 형태로, 최초의 뉴런이 (진화로) 등장했는지에 대한 것이기 때문이다."[4]

Posted on CMI homepage: 28 July 2023

References and notes

1. Kristan, W.B. Jr, Early evolution of neurons, Current Biology 26:R937–R980, 2016; R954.

2. Arendt, D. et al., Evolution of neuronal types and families, Current Opinion in Neurobiology 56:144–152, 2019.

3. Stetka, B., A History of the Human Brain from the Sea Sponge to CRISPER: How our brain evolved, Timber Press, Portland, OR, p. 36, 2021.

4. Arendt, D. et al., ref. 2, p. 144.

5. Flatow, I., Decoding ‘the Most Complex Object in the Universe’, NPR, 14 June 2013, npr.org/2013/06/14/191614360/decoding-the-most-complex-object-in-the-universe.

6. New Scientist, How Your Brain Works: Inside the most complicated object in the known universe, London, UK, 2017.

7. Kristan, ref. 1, R949.

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*참조 : 뇌에 대한 경외감을 불러일으키는 영상물

https://creation.kr/Human/?idx=121675525&bmode=view