Evolving initial conditions: An alternative developmental route to morphological diversity
이 연구는 말라위 호수 시클리드의 표현형 다양성이 보존된 체절 형성 과정 자체의 변화가 아니라 초기 전체절 중배엽 크기의 진화적 변화로부터 발생할 수 있음을 입증하며, 초기 조건이 형태적 진화의 중요하지만 간과된 동인임을 강조한다.
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생명은 놀라운 역설 위에 세워져 있다. 신체를 만드는 데 필요한 지침은 광대한 동물계 전반에 걸쳐 종종 동일하지만, 최종적인 형태는 끝없이 다양하다는 점이다. 물고기, 인간, 뱀은 모두 척추를 형성하는 유사한 청사진에서 시작하며, 이 척추는 초기 발생 과정 중 리드미컬한 패턴을 따라 형성되는 반복적인 블록들의 연속체로 구성된다. 과학자들은 이 블록의 개수를 변화시키기 위해—예를 들어 뱀에게는 수백 개의 척추를 주고 인간에게는 훨씬 적은 수를 주게 하기 위해—진화가 그것들을 만드는 기계 장치를 만져야 한다고 오랫동안 믿어 왔다. 그들은 분절을 만들어내는 시계의 속도를 높이거나 늦춰야 하거나, 혹은 그 과정을 구동하는 기어를 재설계해야 한다고 가정했다. 그러나 새로운 연구는 자연이 때때로 더 단순하고 미묘한 길을 택한다는 것을 시사한다. 기계를 바꾸는 대신, 진화는 단순히 가공되기를 기다리는 원재료의 크기를 바꿀 수 있다는 것이다.
말라위 호수의 밀접하게 연관된 두 시클리드 물고기를 연구한 연구진은, 이 물고기들이 어떻게 이토록 서로 다른 수의 척추를 진화시켰는지 이해하기 위해 연구에 착수했다. 조상 종은 척추가 될 약 33개의 조직 블록을 가지고 발달한다. 반면, 더 길쭉한 형태의 다른 종은 거의 39개의 블록을 가지고 발달한다. 이 6개 블록의 차이는 물고기의 전체적인 체형을 바꿀 만큼 유의미하다. 원인을 찾기 위해 연구팀은 두 종의 배아가 성장하는 과정을 관찰하며, 첫 번째 블록이 나타나는 정확한 순간을 추적하고 시간이 흐름에 따라 얼마나 많은 블록이 형성되는지 계산했다. 그들은 새로운 블록이 추가되는 속도를 측정했고, 이 블곳들이 만들어지는 조직의 크기를 조사했다.
그들이 발견한 것은 기존의 통념을 뒤엎는 것이었다. 건설 속도는 두 물고기에서 동일했다. 블록은 대략 한 시간마다 하나씩 같은 속도로 형성되었으며, 이 리듬을 조율하는 내부 유전적 신호들도 구별할 수 없을 정도로 닮아 있었다. 기계 장치는 고장 나지도 않았고, 긴 형태의 물고기에서 더 빠르게 돌아가고 있지도 않았다. 대신, 차이는 출발선에 있었다. 길쭉한 형태의 물고기는 훨씬 더 많은 양의 원천 조직을 가지고 과정을 시작했다. 이들의 전구 구역, 즉 이 블록들이 생성되는 배아의 영역은 처음부터 부피가 거의 두 배나 더 컸고 훨씬 더 많은 세포를 포함하고 있었다. 공장에 가용할 수 있는 원재료가 더 많았고 생산 라인이 몇 시간 더 가동되었기 때문에, 결과적으로 더 많은 블록을 생산해 낸 것이다. 과정 자체는 변하지 않았으며, 오로지 초기 조건만이 달랐다.
이 발견은 진화가 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 관점을 제공하며, 특히 짧은 기간 동안의 진화에 있어서 그러하다. 이는 자연이 신체 구조를 미세하게 조정해야 할 때, 발달을 관장하는 복잡한 유전 코드를 반드시 새로 쓸 필요는 없다는 것을 시사한다. 때로는 시작 재료의 크기를 바꾸는 것만으로도 충분하다. 이 시클리드의 경우, 분절 과정이 시작되기도 전의 배아가 성장하는 방식에 일어난 미세한 변화가 성체의 형태를 바꾸는 연쇄 반응을 일으키기에 충분했다. 이 연구는 형질의 역사가 단지 그것이 어떻게 만들어지는가에 관한 것이 아니라, 건축이 시작되기 전 유기체의 상태에 관한 것이기도 하다는 점을 강조한다. 이러한 초기 단계의, 흔히 간과되는 순간들에 주목함으로써, 과학자들은 시작 단계에서의 작은 변화가 어떻게 오늘날 자연계에서 보는 방대한 형태의 다양성으로 이어질 수 있는지를 이해할 수 있다.
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