유성생식의 생물학적 이점

유성생식의 생물학적 이점

 

생물은 감수분열을 어떻게 이용하는가? 유성생식을 하는 생물에서 수정과 배우자 생성 사이 기간에 감수분열이 일어나야 하는 필요성에 대해서는 이미 알아 보았다. 동물의 경우에 감수분열은 곧바로 배우자 생성으로 이어진다. 균류, 조류, 식물 등에서는 감수분열에 의해 포자가 생성된다. 양분이 부족해지면 출아하는 효모는 감수분열을 해서 자낭(ascus)이라고 하는 방 하나 안에 4개의 포자를 만든다. 다시 좋은 조건이 되면 포자는 자낭에서 빠져나와 발아하여 반수성 효모세포를 만든다. 이들은 유사분열을 하여 출아하기 시작한다. 이들 반수성 세포쌍을 후에 융합하여 배수성 접합자를 형성한다(세포들이 서로 다른 교배형 또는 “성”을 갖는다면). 접합자는 그 후 유사분열을 하여 무한히 증식할 수 있다. 좋지 않은 상황이 되면 배수성 세포는 다시 감수분열을 하며 포자를 생성한다. 식물은 반수성 포자를 만들기 위해 감수분열을 한다. 배우자는 후에 이 포자들로부터 형성된다. 배우자가 형성되기 전에 감수분열이 일어나는 식물과 그 밖의 특정 생물의 예로부터 세포분열에 관한 두 가지 추가 사실이 나타난다. 첫째, 유사분열은 배수성 세포뿐 아니라 반수성 세포에서도 일어날 수 있다. 둘째, 반수의 염색체, 즉 단일 유전자 세트(게놈 하나)만으로도 이러한 생물(대부분의 동물은 그렇지 않다)에서 세포 기능을 충분히 조절할 수 있다. 예를 들어 효모세포는 반수체 상태로도 배수체와 같이 성공적으로 살 수 있는 것처럼 보인다.

그러나 유성생식을 하는 모든 진핵생물은 자신의 생활사의 일부를 배수체의 상태로 지낸다. 동물과 보다 복잡한 식물은 그들 생활의 대부분을 배수체의 상태로 지낸다. 그 이유는 무엇인가?

성―그리고 성이 만들어내는 배수성―은 장기적 이점과 단기적 이점을 가진다. 배수성 세포는 두 개의 완전한 게놈을 포함한다. 즉 이들은 생물이 필요로 하는 각 유전자에 대한 또 다른 복사본을 가지는 것이다. 유전자들 중의 하나에 돌연변이가 일어나서 유전자가 잘 작동이 안 되거나 작동 불능의 상태가 된 경우에도 돌연변이가 일어나지 않은 또 다른 유전자 복사본은 기능을 제대로 수행할 수 있다. 더욱이 감수분열 동안 교차과정(앞 절에서 설명했다)은 손상된 DNA를 수선할 기회를 제공한다는 증거가 있다. 다시 말해 돌연변이 유전자는 감수분열과정에서 수선될 수 있다. 따라서 생물이 유성생식과 배수성을 가짐으로써 자신의 손상된 유전자로 인한 유해한 영향을 받지 않는다는 것은 단기적 이점이라 할 수 있다.

 

그러나 돌연변이된 유전자가 남지 않는다면 어떻게 진화적 변화가 일어날 수 있는가? 종들은 어떻게 변화하는 환경에 적응하는가? 여기서도 배수성과 성의 존재가 중요한 역할을 한다. 숙주에게 해를 끼치지 않는 어떤 돌연변이 유전자는 그 생물의 자손세대에서 다른 유전자와 조합을 이룰 수 있는지 살펴볼 수 있다. 다른 유전자와 특정하게 새로운 조합을 이룬 돌연변이 유전자는 어쩌면 그 상황에서 과거의 유전자보다 더욱 유리한 것으로 나타날 수도 있다. 그렇지 않은 경우일지라도 돌연변이 조합체는 적어도 유지될 수 있고, 미래의 상황에서는 아마도 유리할 수도 있을 것이다.

 

 

세포들은 여분의 유전자 복사본을 가지고 다른 방법으로 조작을 할 수 있다. 때때로 교차는 완전히 상보적으로 일어나지 않는다. 예를 들어 침투해 들어가는 DNA의 3' 꼬리가 원래 찾고 있던 뉴클레오티드 가닥의 일부분과 유사한 부분을 DNA의 상류(upstream)나 하류(downstream) 쪽에서 찾는다면, 이러한 일이 발생할 수 있다. 그 결과로 유전자의 복사본이 두 개 포함된 딸염색체와 그 유전자의 복사본을 전혀 갖지 않은 딸염색체가 생겨난다.

한 염색체에 같은 유전자의 복사본이 앞뒤로 배열되어 있음으로 해서 숙주에게 해를 끼치지 않고도 그들 중의 하나에 돌연변이가 일어날 수 있다. 이처럼 돌연변이가 일어난 염색체는 그것이 가질 수도 있는 유용한 특성에 대해 검사를 받게 된다. 사람과 다른 진핵생물의 경우에 유전자들 가족들 중에서 출현한다는 많은 증거가 있다. 이러한 가족들은 그들이 공통적으로 소유하고 있는 뉴클레오티드 서열이나 그 산물인 단백질의 아미노산 서열로부터 확인된다. 아마도 가족의 모든 구성원은 반복적으로 복제되고 돌연변이가 일어난 조상의 한 유전자를 물려받았을 것이다. 돌연변이 유전자가 그 생물에게 새로운 기능을 부여했기 때문에 이 유전자는 보존된 것이다.

배수체 시기와 반수체 시기가 교대로 진행되는 데는 아마도 다른 이점이 있을 것이다. 그러나 어떤 경우라 해도 감수분열과 수정이 교대로 일어나며, 이것이 매우 중요한 삶의 전략이 되었음에 틀림없다. 유성생식은 실제로 진핵생물에서 보편적으로 나타난다. 자웅동체, 즉 한 개체가 웅성배우자와 자성배우자를 모두 생산하는 생물의 경우에도 다른 개체와 수정하거나 수정되는 방법을 택한다. 어떤 식물에서는 사실상 자가수정을 완전히 막는 유전적 장애가 존재한다.