자연선택

얼룩나방의 어두운 형태는 1811년 영국에서 처음 발견되었고, 이후 150년 동안 그을음 낀 숲으로 퍼져 나갔습니다.

얼룩나방

얼룩나방(Biston betularia)은 낮 동안 나무줄기에 앉아 쉬는 나방입니다. 1800년대까지 영국에 사는 얼룩나방은 대부분 회색과 흰색 얼룩이 점점이 박힌 밝은 형태였고, 이 형태를 티피카(typica)라고 부릅니다. 그러다 1811년 영국에서 처음으로 어두운 형태인 카보나리아(carbonaria)가 발견되었습니다. 그 뒤 150년 동안, 공장에서 나온 연기로 나무가 검게 그을린 지역에서는 어두운 형태가 빠르게 퍼져 나갔습니다. 반면 공기가 깨끗한 시골에서는 밝은 형태가 여전히 더 흔했습니다. 교배 실험을 해 보니 이 색은 유전자 단 하나에 달려 있었습니다. 그 유전자에는 밝은 색을 내는 대립유전자와 어두운 색을 내는 대립유전자가 따로 있었습니다.

1950년대에 버나드 케틀웰은 실제로 새가 나방을 고르고 있다는 생각을 시험해 보았습니다. 그는 밝은 나방과 어두운 나방 수백 마리에 표시를 한 뒤 숲에 풀어 주었고, 이틀 뒤 불빛 덫을 놓아 다시 잡으려 했습니다. 그 결과 오염된 숲에서는 어두운 나방이 더 높은 비율로 다시 잡혔고, 깨끗한 숲에서는 반대로 밝은 나방이 더 높은 비율로 다시 잡혔습니다. 다시 말해 앉아 있는 배경과 색이 맞는 나방이 새에게 덜 잡아먹힌 것입니다. 오염된 곳에서 동물의 색이 어두워지는 이런 현상을 공업 암화(industrial melanism)라고 하며, 같은 모습이 다른 종에서도 관찰되었습니다.

실험 모형의 규칙

이 실험에서는 가상의 딱정벌레를 씁니다. 딱정벌레의 색은 0(아주 밝음)부터 4(아주 어두움)까지 다섯 가지이고, 이들은 같은 다섯 색 가운데 한 가지 색을 띤 나무껍질 위에서 삽니다. 세대가 바뀔 때마다 딱정벌레 한 마리 한 마리가 살아남을 확률은 1 − 선택압 × (차이 ÷ 4)입니다. 여기서 차이란 그 딱정벌레의 색이 나무껍질 색에서 몇 칸 떨어져 있는지를 뜻합니다. 예를 들어 그을린 나무껍질(4) 위에서 선택압이 50퍼센트라면 아주 어두운 딱정벌레는 차이가 0이라 늘 살아남고, 중간 색(2)은 1 − 0.5 × 2 ÷ 4 = 75퍼센트, 아주 밝은 색은 50퍼센트의 확률로 살아남습니다. 그다음 살아남은 딱정벌레들이 다시 100마리가 될 때까지 번식합니다. 새로 태어난 딱정벌레는 부모의 색을 그대로 물려받습니다. 다만 돌연변이율만큼의 확률로 부모보다 한 칸 밝거나 한 칸 어두운 색이 됩니다. 이 숫자들은 가르치기 위해 지어낸 것이지만, 그 바탕에 있는 논리는 나방의 경우와 똑같습니다.

여러 번 돌려 보세요. 선택압이 0이면 색은 아무 상관이 없고, 개체군을 어느 쪽으로든 미는 힘이 전혀 없습니다. 선택압 100퍼센트에 돌연변이율 0이면, 알맞은 색의 딱정벌레가 하나도 없는 개체군은 이미 가진 색 가운데 가장 가까운 색까지만 갈 수 있습니다. 선택은 이미 개체군 안에 있는 변이 가운데서만 고를 수 있기 때문입니다. 이번에는 돌연변이율을 조금 올려 보세요. 새로운 색이 계속 나타나므로, 개체군이 한 칸씩 천천히 나무껍질 색으로 다가갈 수 있습니다. 그다음 나무껍질을 그을린 색에서 아주 밝은 색으로 바꾸고, 개체군이 얼마나 빨리 되돌아오는지 지켜보세요.

핀치와 세균

갈라파고스 제도의 대프니메이저섬에서는 피터 그랜트와 로즈메리 그랜트, 그리고 동료들이 해마다 빠짐없이 핀치를 재 왔습니다. 중간땅핀치의 부리 깊이는 개체마다 다르고, 그 차이는 유전됩니다. 엘니뇨 때문에 비가 많이 내린 뒤로 작고 무른 씨앗은 넘쳐났고, 부리가 큰 새가 먹는 크고 단단한 씨앗은 귀해졌습니다. 그러자 부리가 작은 새들이 더 잘 살아남고 더 많이 번식했고, 그 뒤 몇 해 동안 개체군의 평균 부리 크기가 작아졌습니다. 그러다 1987년부터 큰 씨앗이 다시 많아지자 이 흐름은 멈추었습니다. 이 기간에 살면서 부리 모양이 바뀐 새는 한 마리도 없습니다. 평균이 바뀐 것은 어떤 새가 새끼를 남겼는지가 달라졌기 때문입니다.

세균에서는 이와 같은 일이 훨씬 더 빨리 일어납니다. 항생제를 쓰면 내성 유전자가 없는 세균은 죽고, 내성 유전자를 가진 몇 마리가 살아남아 분열하므로 개체군 전체가 내성을 띠게 됩니다. 여러 실험에서 항생제가 내성 돌연변이를 일으키는 것은 아니라는 사실이 드러났습니다. 그런 변이는 이미 개체군 안에 있었고, 낮은 빈도로 섞여 있었던 경우가 많습니다. 또 진화에는 정해진 목표가 없습니다. 오늘 잘 맞는 형질이 환경이 바뀌면 내일은 짐이 될 수 있고, 자연선택은 생물이 실제로 사는 그때 그곳에서 쓸모 있는 것만 남깁니다. 운도 한몫을 합니다. 배경에 완벽하게 숨은 나방이라도 떨어지는 나뭇가지에 맞을 수 있습니다. 선택이란 많은 개체를 한꺼번에 놓고 본 평균의 문제입니다.