눈으로 볼 수 있는 진화: 슈퍼버그와 회색가지나방

병원 병동에서, 회복되어야 할 환자가 계속 나빠지고 있다. 처음에는 흔한 항생제에 반응하던 감염이 이제는 그 약을 가볍게 떨쳐낸다. 의사들은 더 강한 약으로 바꾸고, 그다음에는 더더욱 강한 약으로 바꾸며, 세균이 아랑곳없이 증식하는 동안 최후의 수단이라 불리는 약들의 사다리를 오른다. 여기서 초자연적인 일은 전혀 일어나지 않는다. 의사들이 실시간으로, 환자의 침상 곁에서 지켜보고 있는 것은 자연선택에 의한 진화다. 미생물을 죽이기 위한 바로 그 약들이, 어떤 미생물이 살아남을지를 결정하는 선택압이 되어버린 것이다.

많은 사람들은 진화를 빙하처럼 느리게 진행되는 무언가로, 수백만 년 단위로 측정되며 먼지 쌓인 화석에서만 볼 수 있는 과정으로 상상한다. 그 그림은 절반은 맞고 절반은 오해를 부른다. 진화는 느릴 수 있지만, 반드시 느려야 하는 것은 아니다. 세대가 짧고 선택압이 강할 때, 육지 포유류로부터 고래를 빚어낸 바로 그 기제가 인간의 한 평생, 한 번의 생장기, 심지어 한 차례의 치료 과정 안에서도 개체군을 다시 빚어낼 수 있다. 다음은 우리가 실제로 지켜볼 수 있는, 가장 명확하고 가장 잘 기록된 진화의 사례들이다.

세균의 스피드런

세균은 진화의 단거리 선수다. 대장균(Escherichia coli) 세포 하나는 이상적인 조건에서 대략 20분마다 분열할 수 있는데, 이는 한 개체군이 하루 만에 수십 세대를 거쳐 갈 수 있다는 뜻이다. 비교하자면, 인류는 하나의 종으로 존재해 온 전 기간을 통틀어 고작 수천 세대만을 거쳐 왔다. 충분히 많은 세대를 짧은 기간에 욱여넣고, 자연선택에 골라낼 거리를 주면, 변화는 빠르게 쌓인다.

그 기제는 잔혹할 만큼 단순하다. 어떤 거대한 세균 개체군 안에서도 무작위 돌연변이가 끊임없이 변이를 만들어낸다. 대부분의 돌연변이는 해롭거나 중립적이지만, 가끔씩 어떤 돌연변이가 항생제의 효과를 무디게 만든다. 약이 표적으로 삼는 단백질을 변형시키거나, 약을 세포 밖으로 다시 펌프질해 내보내거나, 약을 분해하는 효소를 만들어냄으로써 말이다. 항생제가 밀려들면 감수성을 가진 세균은 죽고, 운 좋게 내성을 지닌 세균은 살아남아 번식한다. 내성은 약이 세균에게 무언가를 "가르치는" 것이 아니다. 그 변이는 이미 개체군 안에 도사리고 있었고, 약은 그저 편집 작업을 했을 뿐이다.

이것이 바로 항생제 내성이 우리 시대의 가장 시급한 공중보건 문제 중 하나인 이유다. 1940년대에 널리 쓰이기 시작한 페니실린은 기적의 약이었지만, 내성을 지닌 포도상구균(Staphylococcus) 균주가 불과 몇 년 안에 나타났다. 이 양상은 그 이후로 거의 모든 항생제에서 반복되었다. 새로운 약이 등장해 훌륭하게 작동하다가, 내성이 퍼지면서 힘을 잃는 것이다. 세계보건기구는 약물 내성 감염이 현대 의학에 대한 중대하고 점점 커지는 위협이라고 거듭 경고해 왔다.

진화가 일어나는 것을 볼 수 있는 페트리 접시

생생한 시연을 원한다면, 하버드 의과대학 연구진이 수행해 2016년에 발표한 거대 한천 배지 실험을 찾아보라. 그들은 길이가 몇 미터에 달하는 거대한 페트리 접시를 만들고 이를 띠 모양 구역으로 나누었다. 바깥쪽 띠에는 항생제가 전혀 없었고, 중앙으로 갈수록 각 띠에는 점점 더 높은 용량이 담겼으며, 마지막 띠는 보통 세균을 죽이는 데 필요한 농도보다 천 배 더 강한 농도였다.

그들은 약이 없는 가장자리에 대장균을 접종하고 약 10일에서 12일에 걸쳐 무슨 일이 일어나는지 촬영했다. 세균은 안전 구역 전체로 퍼져 나가다가 첫 번째 치명적인 띠 앞에서 멈췄고, 이윽고 몇몇 돌연변이 군락이 그 띠를 돌파했다. 그 후손들은 새로운 영역으로 퍼져 나가다가 다음 띠에서 다시 멈췄고, 또다시 몇몇 개척자들이 그 띠를 건넜다. 띠 하나하나를 지나며 개체군은 치사 농도의 중심을 향해 행진했고, 그 계통은 각 단계마다 더 많은 내성을 획득했다. 이 저속 촬영 영상은 지금까지 기록된 진화의 가장 인상적인 시각화 중 하나인데, 내성을 지닌 세균이 검은 손가락처럼 점점 더 독성이 강한 영역으로 밀고 들어가면서 선택이 작동하는 모습을 말 그대로 눈으로 볼 수 있기 때문이다.

외투를 바꾼 나방들

미생물학자들이 한천 배지를 촬영하기 훨씬 전에, 산업화된 영국의 삼림지대에서는 더 조용한 형태의 빠른 진화가 펼쳐지고 있었다. 회색가지나방, 즉 Biston betularia는 서로 다른 색깔형으로 존재한다. 흔한 형태는 옅고 얼룩덜룩하여, 이끼로 뒤덮인 나무껍질의 밝은 표면에 완벽하게 위장한다. 거의 검은색에 가까운 더 드문 어두운색형도 존재한다.

산업혁명 이전에는 옅은색형이 우세했는데, 주변에 잘 섞여 들어간 데 반해 어두운색 나방은 굶주린 새들의 눈에 띄었기 때문이다. 그러다 그을음이 찾아왔다. 19세기에 석탄을 때는 산업이 잉글랜드의 공업 지역 전역에서 나무줄기를 검게 물들이고 옅은색 이끼를 죽이면서, 상황이 뒤집혔다. 갑자기 그을린 나무껍질을 배경으로 사라져 버리는 쪽은 어두운색 나방이 되었고, 옅은색 나방은 눈에 잘 띄는 표적이 되었다. 수십 년에 걸쳐 어두운색형은 오염된 지역에서 희귀한 존재에서 다수로 부상했는데, 이 변화는 그 시기에 걸쳐 나방을 채집하고 기록한 박물학자들에 의해 문서로 남겨졌다.

이 이야기에는 그것을 한층 강화하는 후속편이 있다. 20세기 중반 청정 대기 법안이 그을음을 줄이고 이끼가 돌아오자, 옅은색형이 되살아나고 어두운색형은 다시 줄어들었다. 두 형태의 빈도는 양쪽 방향 모두에서 나무껍질의 색을 따라갔다. 그 고전적 실험들의 일부 세부 사항은 여러 해에 걸쳐 다듬어지고 논쟁되어 왔지만, 2010년대에 발표된 광범위한 연구를 포함한 신중한 현대 연구들은 핵심 발견을 확증했다. 변화하는 배경에 맞선 새의 포식이 그 전환을 추동했다는 것이다. 회색가지나방이 여전히 교과서적 사례로 남아 있는 것은 바로, 환경이 거꾸로 바뀌면 선택도 방향을 거꾸로 트는 모습을 보여주기 때문이다.

갈라파고스 핀치와 가뭄의 힘

찰스 다윈에게 영감을 준 바로 그 핀치들이, 지금까지 이루어진 진화 측정 중 가장 정밀한 몇몇 자료를 제공해 왔다. 1970년대부터 생물학자 피터 그랜트와 로즈메리 그랜트 부부는 수십 년에 걸쳐 갈라파고스의 작은 섬 다프네 메이저의 핀치를 연구했다. 그들은 여러 세대에 걸쳐 개별 새들을 포획하고 측정하고 추적하며, 자연선택이 해마다 일어나는 모습을 지켜볼 수 있을 만큼 상세한 기록을 쌓았다.

그들의 가장 유명한 관찰은 어느 가뭄에서 나왔다. 1977년, 비가 거의 내리지 않으면서 작고 부드러운 씨앗을 맺던 식물들이 시들었고, 새들에게는 대부분 크고 단단하며 질긴 씨앗만 남았다. 더 크고 깊은 부리를 가진 핀치는 그 질긴 씨앗을 깨뜨릴 수 있었지만, 더 작은 부리를 가진 핀치는 애를 먹었고 많은 수가 굶어 죽었다. 가뭄에서 살아남은 개체군이 번식하자, 다음 세대는 평균적으로 측정 가능할 만큼 더 큰 부리를 갖게 되었다. 환경이 바뀌었고, 부리는 단 한 세대 만에 그에 따라 바뀐 것이다. 이후 더 습한 해가 돌아와 작은 씨앗이 다시 풍부해지자, 선택압은 누그러지고 방향이 뒤집혔다. 수십 년에 걸친 출판물로 요약된 그랜트 부부의 연구는, 진화가 일어나는 그 순간에 수치를 못 박아 두었다는 바로 그 점에서 기념비적이다.

진화가 우리의 도구를 앞지를 때

빠른 진화는 단지 학술적인 호기심거리에 그치지 않는다. 그것은 우리 주변의 세계를, 종종 거북한 방식으로, 조용히 빚어낸다.

살충제 내성은 항생제 내성의 농업판 쌍둥이다. 곤충은 빠르게, 그리고 엄청난 수로 번식하므로, 농부가 작물에 약을 뿌리면 내성 돌연변이를 지닌 소수의 개체가 살아남아 그것을 물려준다. 살포를 반복할수록, 한때 효과가 있던 것이 효과를 잃게 되며, 똑같은 드라마가 제초제와 잡초 사이에서도 펼쳐진다. 약물 내성 결핵과 말라리아는 그 인적 대가를 보여준다. 우리의 최고의 치료법을 진화로 우회하는 병원체들은, 한때 다스릴 만했던 질병을 훨씬 치료하기 어렵고 비싸게 만든다. 야생동물의 빠른 변화까지 나타나는데, 가령 어망이 줄곧 가장 큰 개체들을 걷어내고 더 작은 개체들만 번식하도록 남겨두면, 물고기 개체군이 더 작은 몸집 쪽으로 옮겨가는 식이다.

이 모든 것을 관통하는 줄기는 똑같다. 개체군이 유전되는 변이를 품고 있을 때, 그리고 환경 속의 무언가가 어떤 변이형을 다른 변이형보다 더 많이 살아남고 번식하게 만들 때, 개체군은 시간이 흐르면서 변할 것이다. 세대를 빠르게 돌리거나 압력을 끌어올리면, 그 변화는 우리 눈에 보이게 된다. 이것이 또한 내성에 대한 해법이 단순히 더 강한 약이 아닌 이유다. 그 해법은 우리가 가진 약을 더 현명하게 쓰는 것, 약을 번갈아 쓰는 것, 처방받은 치료 과정을 끝까지 마쳐 살아남은 균을 뒤에 남기지 않는 것, 그리고 불필요한 사용을 줄여 우리가 진화에 필요한 바로 그 압력을 건네주는 일을 멈추는 것이다.

이 사례들의 공통점

이 특정 사례들이 왜 그토록 설득력 있는지 잠시 짚어 볼 가치가 있다. 사례마다 명확한 선택압이 있다. 그것이 약이든, 포식자든, 가뭄이든, 그물이든 말이다. 사례마다 압력이 닥치기 전에 이미 개체군 안에 존재하던 유전되는 변이가 있다. 그리고 그중 여럿에서는, 나방과 핀치를 포함해, 환경이 거꾸로 바뀌자 변화도 거꾸로 뒤집혔는데, 이는 자연선택이 예측하는 바로 그것이며, 생물이 어떤 식으로든 적응하기를 "선택했다"는 설명을 무너뜨린다.

또한 이것들은 고립된 진기한 사례가 아니다. 그것들은 그저, 짧은 세대와 강한 압력이 하나의 과정을 압축해 놓은 경우일 뿐이다. 그 과정은 더 크고 더 느리게 번식하는 생물에게서는 훨씬 더 긴 시간에 걸쳐 펼쳐진다. 기제는 동일하다. 나방 개체군이 수십 년에 걸쳐 어두워지는 것을, 혹은 세균 군락이 며칠 만에 항생제 농도 기울기를 돌파해 들어가는 것을 지켜보는 일은, 지구상 생명의 눈부신 다양성을 만들어낸 바로 그 힘을 빨리감기로 지켜보는 일이다.

핵심 요점

진화는 화석과 먼 시간에만 갇혀 있지 않다. 그것은 조건이 맞아떨어질 때 우리가 관찰하고, 측정하고, 심지어 촬영할 수도 있는 진행 중인 과정이다. 항생제 내성 세균, 영국 회색가지나방의 색 전환, 그리고 갈라파고스 핀치의 부리 변화는 모두, 자연선택이 인간의 시간 척도 안에서, 때로는 단 한 세대나 한 차례의 치료 과정 안에서 개체군을 다시 빚어낸, 잘 기록된 사례들이다. 모든 경우에서 재료는 똑같다. 개체군에 이미 존재하는 유전되는 변이, 그리고 어떤 변이형이 다른 변이형보다 더 많이 살아남고 번식하도록 해주는 선택압이며, 짧은 세대와 강한 압력이 그 변화를 눈으로 볼 수 있을 만큼 빠르게 만든다. 이것을 알아차리는 일은 단지 지적으로 만족스러운 데 그치지 않고 실용적이다. 슈퍼버그가 어떻게 생겨나는지를 설명하는 바로 그 이해가, 그것들을 어떻게 늦출 수 있는지도 알려주기 때문이다. 바로 우리 자신이 만들어내는 선택압에 훨씬 더 신중을 기함으로써 말이다.