공통 조상과 계통수

도마뱀은 생쥐보다 개구리를 더 닮았지만, 척추동물의 계통수에서 더 가까운 친척은 도마뱀과 생쥐입니다.

같은 뼈, 다른 쓰임

사람의 팔과 개의 앞다리, 새의 날개, 고래의 지느러미발은 하는 일이 서로 전혀 다릅니다. 그런데도 모두 같은 뼈들이 같은 순서로 이어져 만들어져 있습니다. 생물학자들은 이런 부분을 상동 기관(homologous structure)이라고 부릅니다. 이 동물들이 공통 조상에게서 물려받았기 때문에 서로 닮았고, 그 뒤 진화를 거치면서 모양과 크기가 바뀐 것입니다. 어떤 구조는 아무 쓸모가 없어 보입니다. 날지 못하는 새의 날개나 고래 몸속에 들어 있는 작은 뒷다리뼈가 그렇습니다. 이런 흔적 기관(vestigial structure)은 그 구조가 실제로 제 일을 하던 조상들에게서 남겨진 것입니다.

그렇지만 닮았다고 해서 언제나 가까운 친척인 것은 아닙니다. 예를 들어 곤충과 박쥐는 둘 다 날개를 써서 날지만, 그 날개는 처음에 전혀 다른 부분에서 시작해 자라난 것입니다. 이처럼 서로 관계없는 무리가 비슷한 문제를 겪은 탓에 따로따로 진화시킨 특징을 상사 기관(analogous structure)이라고 하고, 이런 과정을 수렴 진화(convergent evolution)라고 합니다. 북극여우의 하얀 겨울털과 뇌조의 하얀 겨울 깃털도 또 다른 예입니다. 둘 다 눈 속에서 잘 숨을 수 있지만, 그것은 최근에 공통 조상을 함께 가졌기 때문이 아닙니다.

다른 증거들도 모두 같은 쪽을 가리킵니다. 사람을 포함한 척추동물의 배아에는 발생 초기에 인두궁과 꼬리가 있습니다. 사람의 인두궁은 머리와 목의 구조를 만드는 데 기여하며, 기능하는 아가미가 되지 않습니다. 살아 있는 모든 생물은 거의 같은 유전 암호를 쓰는 DNA를 가지고 있습니다. 모든 생물이 하나의 조상을 함께 가진다면 바로 이렇게 되리라고 예상할 수 있습니다. 그리고 두 무리가 가까운 친척일수록 그들의 DNA 서열도 더 많이 닮았습니다. 동물들이 사는 장소도 이 생각과 잘 들어맞습니다. 약 2억 년 전 초대륙 판게아가 갈라지기 전에 진화한 무리는 지금 전 세계에서 발견됩니다. 반면 오랫동안 다른 땅과 떨어져 있던 오스트레일리아에는 다른 어디에도 없는 유대류가 가득합니다.

계통수 읽는 법

계통수(phylogenetic tree)는 누가 누구와 친척인지 한눈에 보여 주는 그림입니다. 다윈은 1837년에 공책 한쪽에 계통수를 하나 그려 두었고, 『종의 기원』에 실린 단 하나의 그림도 이렇게 가지를 치는 그림입니다. 뿌리가 있는 계통수에서 뿌리(아래 실험실에서는 왼쪽 끝)는 그 나무 위에 있는 모든 생물의 조상을 나타냅니다. 갈림점 하나하나는 한 계통이 둘로 나뉜 곳을 나타냅니다. 그리고 가지 끝에 적힌 이름은 지금 살아 있는 무리들입니다. 같은 갈림점에서 나온 두 무리를 자매군(sister taxa)이라고 하고, 뿌리 가까이에서 갈라져 나와 홀로 남은 무리를 기저 분류군(basal taxon)이라고 합니다. 가지가 셋 이상 나온 갈림점은 다분지라고 하며, 갈라진 순서를 아직 모른다는 뜻입니다.

두 무리가 얼마나 가까운 친척인지 알려면, 두 무리에서 각각 뿌리 쪽으로 거슬러 올라가 두 길이 만나는 지점을 찾습니다. 그 만나는 점이 둘의 가장 가까운 공통 조상(most recent common ancestor)입니다. 그 조상이 더 최근에 살았을수록 두 무리는 더 가까운 친척입니다. 그런데 계통수를 읽을 때 사람들이 흔히 걸려 넘어지는 습관이 세 가지 있습니다. 첫째, 가지 끝에 늘어선 이름의 순서에는 아무 뜻이 없습니다. 갈림점은 모빌처럼 빙글 돌릴 수 있는데, 그렇게 돌려도 누가 누구와 친척인지는 조금도 바뀌지 않기 때문입니다. 둘째, 나무에 따로 적혀 있지 않다면 가지의 길이는 시간을 나타내지 않습니다. 셋째, 나무 위에 있는 현생 무리 가운데 어느 것도 다른 무리의 조상이 아닙니다. 자매군은 조상을 함께 가질 뿐이고, 둘 가운데 어느 쪽도 다른 쪽을 낳은 것이 아닙니다.

위 계통수에서 도마뱀과 생쥐는 양막알(amniotic egg) 표시가 붙은 갈림점에서 서로 만납니다. 양막알이란 알 속에 막이 있어서 마른 땅 위에서도 자랄 수 있는 알을 말합니다. 개구리는 그보다 더 앞에서 갈라져 나갔습니다. 그러므로 우리 눈에는 개구리와 도마뱀이 닮아 보여도 개구리는 둘 모두에게 더 먼 친척입니다. 악어와 새는 둘만의 갈림점에서 만나므로, 서로에게 가장 가까운 현생 친척이 됩니다. 계통수는 화석과 해부 구조, 그리고 갈수록 더 많이 DNA를 바탕으로 만듭니다. 그리고 계통수는 새 자료가 나오면 고쳐지는 가설입니다. 그렇게 고쳐진 것 가운데 많은 사람이 뜻밖이라고 여긴 것이 하나 있습니다. 하마는 겉보기에는 돼지를 더 닮았지만, 실제로는 고래의 가장 가까운 현생 친척일 수 있다는 것입니다.