멘델의 완두콩: 유전학의 탄생

1857년 여름의 어느 따뜻한 오후, 다부진 체격의 한 아우구스티노회 수사가 브륀에 있는 성 토마스 수도원의 긴 정원에 무릎을 꿇고 있었다. 브륀은 당시 오스트리아 제국에 속한 지방 도시였고, 지금은 체코 공화국의 브르노다. 그는 완두콩 꼬투리 둘레에 작은 종이 표를 매달고, 가는 붓으로 꽃밥이 제 꽃가루를 흩뿌리기 전에 잘라내며, 한 식물의 꽃가루를 다른 식물의 암술머리에 묻혔다. 그는 공책에 자손의 수를 한 줄 한 줄, 계절이 바뀔 때마다 기록했다. 그의 이름은 그레고어 멘델이었고, 그가 그 정원에서 적어 내려간 숫자들은 그가 죽고 반세기가 지난 뒤 하나의 학문 전체를 떠받치는 토대가 된다.

이 장면이 놀라운 점은 그것이 혁명처럼 보이지 않았다는 데 있다. 박물학자들은 수 세기 동안 식물을 교배하고 동물을 번식시켜 왔지만, 그 결과는 언제나 일종의 흐릿한 양상으로 나타났다. 자손이 부모의 형질을 예측할 수 없는 방식으로 뒤섞은 것처럼 보였던 것이다. 멘델은 다른 무언가를 했고, 그 차이는 그의 손이 아니라 머릿속에 있었다. 그는 유전을 산수의 문제로 다루었고, 그 답이 깔끔한 정수 비율로 돌아왔을 때 그는 누구도 보지 못한 무언가를 발견했다. 바로 유전이 규칙을 따르며, 그 규칙은 글로 적어낼 수 있다는 사실이었다.

왜 물리학자가 완두콩을 세고 있었나

멘델은 본래 식물학자로 훈련받은 사람이 아니었다. 그는 빈 대학교에서 물리학과 수학을 공부했는데, 그곳에서 그를 가르친 사람 중 하나가 크리스티안 도플러였다. 사이렌이 지나갈 때 들리는 음높이의 변화에 이름을 남긴 바로 그 사람이다. 그 배경은 대단히 중요했다. 멘델은 물리학자의 본능으로 생명체에 접근했고, 막연한 경향이 아니라 측정 가능한 양과 재현 가능한 패턴을 찾았다. 그리고 바로 이것이 이전의 수많은 시도가 실패한 자리에서 그의 연구가 성공한 이유다.

그가 고른 생물 역시 똑같이 신중한 선택이었다. 그는 정원 완두, 곧 Pisum sativum에 정착했는데, 이 식물에는 여러 편리한 성질이 있었다. 빠르게 자라고, 자손을 많이 만들며, 보통은 자가수분을 해서 실험자가 개입하지 않는 한 혈통이 순수하게 유지되고, 손으로 다루기 쉬운 꽃을 지녔다. 그에 못지않게 중요한 점은, 멘델이 중간 단계 없이 뚜렷하게 대비되는 형태로 나타나는 일곱 가지 형질을 추적하기로 한 것이다. 둥근 씨앗 대 주름진 씨앗, 노란 씨앗 대 녹색 씨앗, 자주색 꽃 대 흰색 꽃 같은 식이었다. 각 형질이 둘 중 하나이거나 분명히 다른 쪽이었기 때문에, 그는 자손을 별개의 칸에 분류해 그 수를 셀 수 있었다. 다른 박물학자들은 수 세기 동안 식물을 교배해 죽처럼 뭉개진 결과를 얻었지만, 멘델은 숫자를 얻었고, 그 숫자에는 의미가 있었던 것으로 드러났다.

첫 번째 규칙: 한 형태가 다른 형태를 가린다

가장 단순한 실험에서 시작해 보자. 멘델은 자주색 꽃에 대해 순종으로 번식하는 완두 계통을 택했다. 이는 그대로 자가수분하도록 두면 세대를 거듭하며 자주색 꽃이 핀 자손만 만들어낸다는 뜻이다. 그리고 그는 이 계통을 흰색 꽃에 대해 순종으로 번식하는 계통과 교배했다. 상식, 그리고 당시 널리 받아들여지던 혼합 유전 개념은 중간적인 무언가, 가령 옅은 연보라색을 예상했다. 그런데 일어난 일은 그것이 아니었다. 생물학자들이 F1이라 부르는 첫 자손 세대의 모든 식물이 자주색이었다. 흰색은 완전히 사라져 버린 것이다.

이것이 멘델의 첫 번째 원리, 곧 우성의 법칙이다. 한 생물이 같은 유전 인자의 서로 다른 두 형태를 지닐 때, 그중 한 형태인 우성 인자는 눈에 보이는 형질로 온전히 드러나는 반면, 다른 형태인 열성 인자는 시야에서 가려진다. 우리 예에서는 자주색에 대한 인자가 흰색에 대한 인자보다 우성이다. 흰색 꽃 인자는 곧 보게 되겠지만 파괴되거나 희석된 것이 아니라, 자주색 인자가 함께 있을 때 그저 드러나지 않을 뿐이다. 눈에 보이는 결과는 두 인자의 어떤 평균이 아니라, 어느 인자가 우세한가에 달려 있다.

두 번째 규칙: 가려진 형태가 다시 돌아온다

여기서 숫자를 끝까지 따라가는 멘델의 천재성이 빛을 발했다. 그는 한결같이 자주색을 띤 그 F1 식물들을 자가수분하게 하고 그 자손, 곧 F2 세대를 세었다. 흰색 꽃이 다시 나타났다. 식물 네 그루마다 대략 셋은 자주색이고 하나는 흰색이었으니, 3 대 1에 가까운 비율이었다. 열성 형질은 자주색 F1 세대를 통해 조용히 전해진 뒤, 다음 세대에서 온전한 모습으로 다시 떠오른 것이다.

이를 설명하기 위해 멘델은 다음과 같이 추론했다. 각 식물은 형질마다 유전 인자를 두 벌 지니는데, 한 벌은 부모 각각에게서 물려받은 것이며, 그 두 벌은 식물이 생식 세포를 만들 때 분리되어 각 꽃가루 알갱이와 각 난세포가 단 한 벌만 지니게 된다는 것이다. 이것이 분리의 법칙이다. 우리는 이제 유전자의 대립 형태를 가리켜 대립유전자라는 말을 쓰며, 멘델이 추론할 수밖에 없었던 물리적 기작도 알고 있다. 분리는 감수분열, 곧 생식세포를 만드는 특수한 세포 분열 과정에서 일어나는데, 이때 짝을 이룬 염색체가 서로 맞물리는 유전자를 싣고 세포의 양극으로 끌려간다. 각 생식세포는 짝에서 무작위로 선택된 단 하나의 대립유전자를 갖게 되고, 수정은 두 대립유전자를 자손 속에서 다시 하나로 모은다.

비율을 읽는 법: 퍼넷 사각형

이 비율들 뒤에 놓인 셈을 가장 알아보기 쉬운 것은 영국의 유전학자 레지널드 퍼넷이 1905년경에 고안한 도표다. 멘델의 연구보다 수십 년 뒤에 나온 것이지만 그것을 가르치는 데는 없어서는 안 될 도구다. 퍼넷 사각형은 단순한 격자로, 한 부모에게서 나올 수 있는 생식세포가 행을 표시하고, 다른 부모에게서 나올 수 있는 생식세포가 열을 표시하며, 격자의 각 칸은 자손에서 가능한 하나의 조합을 보여준다.

우성 대립유전자에는 대문자 A를, 열성 대립유전자에는 소문자 a를 쓰자. 멘델의 자주색 F1 식물은 각각 둘을 하나씩 지녔으며, 이런 유전자형은 Aa로 적고 이형접합이라 부른다. 서로 다른 두 대립유전자를 지녔다는 뜻이다. 이런 식물이 생식세포를 만들 때, 분리는 그중 절반에 A를, 나머지 절반에 a를 보낸다. 이 이형접합체 둘, 곧 Aa와 Aa를 교배하면 사각형에는 네 칸이 생긴다. 하나는 AA, 둘은 Aa, 하나는 aa다. 이는 곧 AA 1, Aa 2, aa 1의 유전자형 비율이다. 이제 우성을 적용해 겉모습을 읽어 보자. AA와 두 Aa 식물은 모두 우성 형질을 드러내는데, 이들 모두 적어도 A 하나를 지니기 때문이며, 오직 단 하나의 aa 식물만이 열성 형질을 드러낸다. 우성 셋에 열성 하나, 멘델이 자기 정원에서 세었던 바로 그 비율이다. 도표와 자료가 일치하고, F1에서 사라진 듯 보였던 열성 형질은 F2에서 빠짐없이 설명된다.

두 형질을 동시에: 독립의 법칙

멘델은 한 가지 형질에서 멈추지 않았다. 그는 두 형질을 함께 추적하면 어떤 일이 일어나는지 물었는데, 가령 씨앗 모양과 씨앗 색깔을 함께 보는 것으로, 이를 양성 잡종 교배라 한다. 그는 두 형질 모두에 대해 이형접합인 식물, 곧 유전자형이 AaBb인 식물들을 교배했다. 여기서 A와 a는 한 형질을, B와 b는 다른 형질을 결정한다. 만약 두 형질이 서로 독립적으로 유전된다면, 생식세포를 만드는 식물은 어떤 B-혹은-b 대립유전자가 따라가든 상관없이 자신의 A-혹은-a 대립유전자를 나누어 줄 것이고, 그 결과 네 종류의 생식세포가 같은 비율로 만들어질 것이다.

이를 더 큰 퍼넷 사각형, 곧 모두 열여섯 칸에서 풀어 보면 F2에서 두드러진 패턴이 나타난다. 두 우성 형질을 모두 보이는 식물 아홉, 첫 번째 우성 형질과 두 번째 열성 형질을 보이는 식물 셋, 그 반대를 보이는 식물 셋, 그리고 두 열성 형질을 모두 보이는 식물 하나다. 이 9 대 3 대 3 대 1의 비율은 멘델의 세 번째 원리, 곧 독립의 법칙의 표지다. 이 법칙은 서로 다른 형질에 대한 대립유전자가 서로 독립적으로 생식세포에 분배된다는 것이다. 현대 유전학은 멘델이 알 수 없었던 단서를 하나 덧붙인다. 독립적 분배는 두 유전자가 서로 다른 염색체에 자리하거나, 같은 염색체에서도 충분히 멀리 떨어져 있을 때에만 깔끔하게 성립한다는 것이다. 가까이 놓인 유전자는 하나의 단위로 함께 유전되는 경향이 있는데, 이 현상을 연관이라 한다. 멘델의 일곱 형질은 마침 그 규칙을 드러낼 만큼 잘 작동했고, 이는 그가 실제로 얼마나 운이 좋았는지에 관해 이따금 추측을 불러일으키는 행운의 한 조각이었다.

유전자형, 표현형, 그리고 규칙을 비트는 경우들

위의 모든 내용을 두 용어가 정리해 준다. 유전자형은 한 생물이 지닌 대립유전자의 특정한 조합, 곧 숨겨진 유전적 구성이며, 표현형은 그로부터 나타나는 관찰 가능한 형질, 곧 식물에서 실제로 볼 수 있는 것이다. 멘델의 위대한 통찰은 같은 표현형이 서로 다른 유전자형을 감출 수 있다는 점, AA와 Aa가 둘 다 자주색으로 보이기 때문이며, 그 숨겨진 유전자형이 예측 가능한 비율에 따라 이후 세대에서 다시 모습을 드러낸다는 점이었다.

유전자형과 표현형의 관계가 멘델의 일곱 완두 형질이 보여준 것만큼 언제나 깔끔하지는 않으며, 지적 정직함을 위해서는 그렇게 말해야 한다. 어떤 생물에서는 이형접합체가 섞인 중간형을 보이는데, 붉은 금어초와 흰 금어초를 교배해 분홍 꽃이 나오는 경우가 그러하며, 이를 불완전 우성이라 한다. 다른 경우에는 두 대립유전자가 나란히 온전히 발현되는데, 사람의 AB형 혈액형이 그러하며 이는 공우성이다. 사람의 키와 피부색을 포함한 많은 형질은 여러 유전자가 함께 작용해 결정되는데, 이를 다인자 유전이라 하며, 뚜렷한 범주가 아니라 매끄러운 단계적 변화를 만들어낸다. 그리고 단 하나의 유전자가 겉보기에 서로 무관해 보이는 여러 형질에 한꺼번에 영향을 줄 수 있는데, 이를 다면발현이라 한다. 이들 중 어느 것도 멘델을 뒤엎지 않는다. 오히려 그를 확장한다. 그의 법칙은 개별 유전자의 행동을 충실히 기술하며, 복잡함은 유전자들이 어떻게 결합하고 상호작용하는가에서 비롯된다.

아무도 읽지 않은 논문, 그리고 그것이 발견된 해

멘델은 1865년 2월 8일과 3월 8일 두 날 저녁, 브륀 자연과학회에 자신의 연구 결과를 발표했고, 그의 전체 논문 Versuche über Pflanzenhybriden, 곧 식물 잡종에 관한 실험은 이듬해 학회 회보에 실렸다. 그러고는 거의 아무 일도 일어나지 않았다. 그 논문은 이후 30년 동안 겨우 손에 꼽을 정도로만 인용되었다. 멘델은 1868년 수도원장으로 승진하고 행정 업무와 정부와의 세금 분쟁에 점점 더 짓눌리면서 연구를 대체로 접었다. 그는 1884년에 세상을 떠났고, 그의 발견은 더 넓은 과학 세계에는 여전히 본질적으로 읽히지 않은 채였다.

전환은 1900년 봄에 찾아왔다. 세 명의 식물학자가 서로 독립적으로, 그것도 세 나라에서 똑같은 유전 법칙에 도달했고, 그런 다음 문헌을 뒤지다 저마다 잊혀 있던 멘델의 논문을 발견하고는 그 공로를 인정했다. 암스테르담의 휘호 더 프리스, 튀빙겐의 카를 코렌스, 빈의 에리히 폰 체르마크가 모두 그 한 해 안에 논문을 발표했다. 그 동시성은 과학사에서 가장 유명한 우연 가운데 하나이며, 출판된 지 34년, 저자가 죽은 지 16년 만에 위대한 발견 하나를 구해냈다. 5년이 채 지나기 전에 영국의 생물학자 윌리엄 베이트슨이 이 새로운 분야에 이름을 붙였다. 바로 유전학이다.

우성이 더 강하다는 뜻이 아닌 이유

오해 하나는 정면으로 없애 둘 만하다. 멘델 유전학에 관한 가장 끈질긴 오류이기 때문이다. 사람들은 흔히 우성 대립유전자가 열성보다 더 강하거나, 더 적합하거나, 더 건강하거나, 집단 내에서 더 흔하다고 가정한다. 그 어느 것도 사실이 아니다. 우성은 오직 한 가지에 관한 진술이다. 곧 이형접합체에서 어느 대립유전자가 눈에 보이는 형질을 결정하는가에 관한 것이며, 어떤 대립유전자의 빈도나 생존에 미치는 영향에 대해서는 아무것도 함의하지 않는다. 적지 않은 열성 대립유전자가 대단히 흔하고, 적지 않은 우성 대립유전자가 드물고 해롭다. 우성은 한 생물이 서로 다른 두 대립유전자를 지녔을 때 그것이 어떻게 보이는지를 말해줄 뿐, 그 이상은 아무것도 아니다.

핵심 요약

1850년대 후반부터 1860년대 초반까지 수도원 정원에서 홀로 일하며 그레고어 멘델은 완두콩 28,000그루가 넘게 교배했고, 유전을 세는 문제로 다룸으로써 고전 유전학을 지금도 떠받치는 세 가지 규칙을 발견했다. 첫째는 우성의 법칙으로, 이형접합체에서 한 대립유전자가 다른 대립유전자를 가릴 수 있어 자주색과 흰색의 교배가 모두 자주색인 자손을 낳는다는 것이다. 둘째는 분리의 법칙으로, 한 형질에 대한 두 대립유전자가 생식세포 형성 중에 분리되었다가(이제는 감수분열에서 일어나는 것으로 이해된다) 수정에서 다시 결합하며, 이로써 F2에서 숨겨진 열성 형질을 되돌려 놓는 3 대 1의 비율이 만들어진다는 것이다. 셋째는 독립의 법칙으로, 서로 다른 유전자가 독립적으로 전해져 양성 잡종 교배의 9 대 3 대 3 대 1 비율을 낳되, 이는 오직 서로 다른 염색체에 있는 유전자에만 해당한다는 것이다. 퍼넷 사각형은 이 비율들을 눈에 보이게 하고, 유전자형과 표현형의 구분은 같은 겉모습이 어떻게 서로 다른 유전적 구성을 감출 수 있는지를 설명해 주며, 한편으로 불완전 우성, 공우성, 다인자 유전, 다면발현은 그 그림이 일곱 완두 형질이 시사한 것보다 더 풍부함을 보여준다. 1866년에 출판되었으나 34년 동안 무시되었던 멘델의 연구는 1900년에 더 프리스, 코렌스, 체르마크에 의해 재발견되었고, 머지않아 베이트슨에 의해 유전학이라 명명되었으며, 우성이 결코 더 강하다는 뜻이 아니라는 일깨움과 함께, 오늘날 유전 과학이 세워진 정량적 토대로 여전히 남아 있다.