다윈과 진화이야기.

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1 다윈과 진화이야기

2 생물의 다양성과 통일성 다양성: 지상에 살고 있는 종의 수: 10억종 통일성:
-모든 생물은 세포로 이루어져 있고 생명체 유지를 위해 물질을 합성하고 분해한다. -유사한 생화학 반응이 일어나며 참여하는 효소도 거의 같다. -특정한 유전자를 암호화하는 사람의 유전자는 초파리나, 쥐, 유인원의 유전자와 거의 차이가 없다. -상동기관: 하는 일이나 기능은 다르나 해부학적으로 같은 구조로 되어 있다. 고래의 앞 지느러미, 박쥐의 날개, 고양이의 앞다리 -척추동물의 초기 배가 발생할 때의 모습이 매우 유사하다.

3 진화의 흔적 흔적기관: - 충수 (꼬리뼈) - 일부 뱀들과 고래 (다리뼈와 골반) 말 (끝나지 않은 2개의 작은 다리뼈)
생물진화의 사례 -통일벼 (기적의 볍씨) -갈라파고스의 핀치의 부리모양이 기후와 먹이에 따라 달라짐 -산업화로 오염된 멘체스터 지방에서 흰 나방이 사라지고 검은 나방이 대부분을 차지함. -항생제에 내성을 갖는 수많은 박테리아 변종 갈라파고스의 핀치의 부리모양

4 화석을 통한 진화의 증거 그러나 이런 작은 변화가 축적되어 새로운 종이 탄생할 증거가 없지 않나?
화석: 고생물의 유해나 흔적이 퇴적물에 매몰된 채 발견되거나 지상에 그대로 보존되어 남아 있는 것, 약 30만종 규칙적: 특별한 생물체가 특정 연대의 암석에서 발견되며 새로운 생물체가 더 최근의 암석에 순서적으로 발견된다. 고대 지질시대에서 현재로 올 수록 화석종이 현생종과 점점 더 많이 닮게 된다는 점 걸어다니는 고래

5 고래가 5천만년전 발이 달린 육상 포유동물에서 진화해 온 경로를 보여주는 화석
-고래와 육상조상간의 중간 단계의 화석은 고래가 수중생활에 적응하게 되고 그들이 뒷다리를 잃게 되는 중요한 변화를 보여준다. -고래가 다리를 발달시킬 수 있는 유전적 잠재력을 가지고 있고 뒷다리를 가진 고래가 발견되기도 한다.

6 다윈의 <종의 기원> 인간과 원숭이는 까마득한 옛날 같은 조상에서 갈라져 나온 것이라 주장 1900년대 초 에디오피아에서 발견된 아르디피테쿠스 라미두스 (Ardipithe cus ramidus) 원숭이와 비슷하지만 인간에 더 가까운 특징: - 입을 다물면 윗니와 아랫니가 맞는다 (인간). - 척추가 두개 골 아래쪽에 연결되어 있다(인간). 얇은 에나멜질에 싸인 거대한 송곳니(침팬지): 부드러운 과일이나 연한 잎만 먹을 수 있다.

7 (3) 흔적 기관 상동기관: 사람의 팔, 고래의 옆 지느러미, 박쥐의 날개,새의 날게, 말의 앞발: 골격구조는 비슷하지만 기능은 다르다. 상사기관: 유사한 환경에 적응하면서 서로 다른 종 간에 독립적으로 진화해왔지만 비슷하게 된 구조: 새와 곤충의 날개와 기능, (새의 날개- 척추동물의 팔뼈; 곤충의 날개- 몸체를 덮고 있는 큐티클층이 자란 것 상동기관과 상사기관은 어떤 기능을 수행하도록 만들어진 구조가 새로운 기능을 갖도록 변화하는 과정을 보여준다.

8 (4) 진화적으로 연관되어 있는 개체들의 배 발생과정이 매우 유사하다.
-척추 동물 모두 배 발생기에 목 옆에 아가미 주머니를 지닌다. 초기에 유사하다 마지막 단계에서 구별되는 것은 그들이 진화하는 동안 돌연변이가 일어나 그들 사이에 변화를 일으켰고, 이 돌연변이가 나중에 작용하는 경향이 있기 때문이다.

9 아미노산 서열로 본 유연관계 (5) 분자 생물학적인 중거 서로 연관된 생물 종간의 DNA나 단백질은 유연관계가 적은 생물종보다 유사하다. -붉은 털 원숭이와 사람은 8개의 아미노산이 다르다. 쥐와 닭, 개구리로 가면서 많은 차이가 나고, 칠성장어에 이르면 125개의 아미노산이 다르다. -초파리나 포유류같이 매우 다른 생물종이 갖는 호메오 유전자들이 매우 유사하다. 종 사람 시토크롬 C단백질 서로 다른 아미노산 개수 침팬지 붉은털 원숭이 1 토끼 9 소 10 비둘기 12 황소개구리 20 초파리 24 맥아 37 효모 42

10 진화는 어떻게 일어나는가? 라마르크의 용불용설: 사용하는 기관은 유전하고 사용하지 않는 기관은 퇴화한다.
기린의 목이 길어진 이유: 원래 기린의 목은 길지 않았다. 목이 짧은 기린이 나뭇잎을 따 먹기 위해 목을 뻗으려 애쓰다 목이 길어졌고 그 형질이 자손에게 전달되었다. !! 획득 형질은 유전되지 않는다.

11 다윈의 자연선택설 목이 긴 기린도 있고 짧은 기린도 있었다. 유리한 형질을 가진 개체가 번식하게 되는 과정, 불리한 형질을 가진 기린은 도태된다. 돌연변이를 통해 유리한 형질을 획득하게 된다. 반론제기 1. 당시 지구의 나이는 1억~2억년으로 추정, 진화는 세대를 거듭하며 점진적으로 일어난다고 생각했기 때문에 공통의 조상으로부터 현재의 다양한 생물이 나오려면 충분한 시간이 필요하다 방사능의 연대측정법으로 계산한 지구의 나이 46억년 2. 유전 사용 혹은 불사용에 의해서 획득된 형질은 유전한다고 생각함.

12 자연선택의 예 -페니실린: 20~30년간의 빈번한 페니실린 사용은 페니실린 저항성 세균을 출현시킴
-낫형 적혈구병: 빈혈과 참기 힘든 통증속에 악성빈혈과 뇌출혈로 20세 전후에 사망 아프리카, 중남미, 동남아시아 사람에게 이 유전자가 많이 발견된다. 말라리아가 만연한 지역에서 (특히 서아프리카) 낫형 적혈구를 가진 사람은 말라리아에 저항성을 갖는다. -미국에 온 서아프리카 출신의 흑인: 낫형 적혈구 유전자빈도가 매우 낮은 5%정도.

13 진화란 무엇일까? ‘핸드폰의 진화’ ‘한국 자동차의 진화’ 투니버스의 파워디지몬 ‘진화’ ‘에볼루션 (evolution)’ 진화란 말이 어떤 한 개체가 그 개체의 일생 중에 모습이나 형태가 갑자기 변화하는 것을 진화하고 하지 않는다. 디지몬의 진화, 나비의 한살이, 사람의 성장, 쌍꺼풀 수술과 같은 성형수술, 운동으로 강화된 근육 그렇다면 진화란? 한생물의 일생에 걸친 변화 (변태나 성장)가 아니라 집단 내에서의 유전자의 빈도 변화, 즉 개체들이 모인 집단의 변화

14 영국 맨체스터 지방의 숲: 후추 나방 검은 나방, 흰 나방
산업 혁명이후 대기 오염으로 인해 숲의 나무껍질들이 어두운 색깔을 띄게 됨 얼마 지나지 않아 흰 나방은 거의 찾아 볼 수 없고 검은 나방만 살아 남았다. 숲에 살고 있는 나방의 종류가 흰 나방에서 검은 나방으로 바뀐 것과 같은 것을 진화라고 한다.

15 살충제 처음 뿌릴 때 : 99 %의 해충이 구제됨 반복해서 뿌릴 때 해충이 죽지 않는다 해충의 진화로 인해 살충제의 종류를 바꾸어 주어야 한다. 처음 살충제를 뿌렸을 때 대부분이 해충이 죽었지만 아주 적은 해충이 살충제에 대한 저항성을 가지고 살아남아 자손을 퍼뜨려 다음엔 살충제에 저항성이 잇는 해충이 더 많이 퍼져 구제에 실패하게 된다. Q 이 해충의 진화나 후추나방의 진화는 디지몬의 진화, 사람의 성장과 어떻게 다를까?

16 자동차의 진화 드럼통을 펴서 만든 시발 자동차 1960년대 새나라 1970년대 피아트, 브리사, 제미니
1980년대 엑셀, 프라이드, 봉고, 르망 1980년대 티코, 엘란트라, 에쿠스, 카니발, 소나타, SM5 2000년대 싼타페, 렉스턴, 스포티지, 오피러스

17 유전자 풀 집단을 구성하는 모든 개체들이 가지고 있는 유전자를 통틀어 유전자 풀이라고 한다. 어떤 한 집단이 변화한다는 것은 무엇을 말하는 걸까요? 예) 맨체스터 숲의 흰나방이 검은 나방으로 변함 나방의 표현형이 변화 (형질의 변화) 바깥으로 드러난 형질의 빈도가 변화한 것 유전자의 빈도 변화 즉, 집단을 구성하는 모든 개체들이 가지고 있는 유전자 상에서의 빈도 변화가 진화다. 완두콩의 둥근것과(Rr, RR) 주름진것 (rr) 유전자 풀운 한집단이 가지고 있는 모든 대립유전자의 합이므로, 유전자 풀의 변화는 한 집단의 유전자 풀에서 대립 유전자의 빈도변화라 할 수 있다.

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19 집단의 진화: 대립유전자 빈도의 안정과 변화에 의존
하디-바이베르크의 법칙 :대립인자 빈도의 평형 지점에서는 집단은 진화하지 않는다. 평형조건 -돌연변이가 없음. -집단이 무한히 큼. -이주/이입 없음(고립집단) -대립인자의 산물이 생존과 생식에 영향을 미치지 않음. -모든 짝짓기는 무작위적 420 나비의 날개 색에 영향을 미치는 두 유전자 A와 a의 빈도를 각각 p, q라고 했을 때의 평형 조건이 유지된다면 세대가 바뀌어도 두 유전자의 빈도는 변화하지 않는다.

20 하디-바인버그 평형(집단이 진화하지 않는 시기)
이 그림에서 첫 세대 각 대립인자의 빈도는 p(A인자 빈도)= [490x2 +420]/2000 =0.7 q(a인자 빈도)=[ x2]/2000=0.3이고 p+q=1.0이다.(개체들이 만드는 배우자의 빈도 역시 동일) 다음 세대는 다음과 같이 형성된다. p A q a p A AA (p2) Aa (pq) aa (q2) q a AA 유전자 형의 빈도는 p2 , aa 유전자형의 빈도는 q2, Aa 유전자형의 빈도는 2pq이고 p2 + 2pq + q2 = 1.0 이다. 개체수가 1,000이고 각각이 2개의 배우자를 생산할 경우 490 AA 개체들은 980 A 배우자를 생산한다. 420 Aa 개체들은 420 A와 420 a배우자를 생산한다. 90 aa 개체들은 180 a 배우자를 생산한다.

21 2,000 배우자 중 A와 a 대립유전자의 빈도는 A= 2 x = 1,400 =0.7 = p a = 2 x = 600 = 0.3 = p 2,000 대립유전자 2,000 따라서 이 집단은 다음 세대가 되어도 역시 개체들의 빈도와 유전자 빈도가 변화하지 않는다. 진화하지 않는다. 2,000 대립유전자 2,000

22 하지만 Q어떻게 유전자 풀에서 대립 유전자의 빈도가 변화하는가? 나방의 색: 검은색 (B), 흰색 (b)
잡종 1세대: 검은색 (우성) 여러 세대를 지나면 나방 집단은 점점 검은 색이 될거라고 예상 하지만 유전자 풀에서 각각의 대립 유전자가 차지하는 비율은 다른 요인이 작용하지 않는 한 일정하다. 하디바인베르크의 법칙 대립 유전자의 빈도와 유전자형의 비는 자연선택이 작용하지 않는 한, 대를 거듭해도 변하지 않고 평형상태를 유지한다. 검은 나방의대립 유전자 B의 빈도 p, 대립 유전자b의 빈도 q p+q =1 자유로운 교배가 이루어 질때 (p+q)(p+q)=p2 + 2pq +q2 =1 BB의 유전자 형을 받은 자손 p2, Bb의 유전자형 빈도 2pq, bb의 유전자형 빈도 q2 B의 빈도 p2 + 2pq x ½ = p(p+q)= p b의 빈도 q2 + 2pq x ½ = q(p+q)= q

23 하디-바이베르크 법칙 자유로이 교배 가능 돌연변이가 없는 집단 이입과 이출이 없고 대립 유전자가 멘델의 법칙에 따라 분리되며 집단의 크기가 대단히크고 자연선택이 작용하지 않는 집단에 적용된다. 특정 유전병의 대립 유전자의 빈도를 구하는 데 사용 페닐케톤뇨증: 혈중에 페닐 알라닌이 축적되어 정신지체를 야기하는 선천성 대사이상증 빈도 1만명당 1명 q2= q=0.01, 정상 유전자1-q=0.99 2pq=2 x 0.01 x 0.99=0.198 따라서 =0.1999 약 20%에 해당하는 사람이 페닐케톤뇨증 유전자를 갖고 있다.

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25 집단에서 유전자의 빈도변화는 어떤 상태에서 일어나게 될까?
유전적 부동: 어떤 특수한 사건에 의해 유전자의 빈도가 변화한다. 자연선택 이외의 방법으로 대립 유전자의 빈도가 변화하는 것을 말한다. 예)천제지변으로 집단의 크기가 줄었을 때 나타나는 병목현상 산불, 지진, 홍수 등의 재난, 사냥

26 예) 미국 캘리포니아 북부의 바다코끼리 19세기말 사냥으로 바다코끼리의 수가 약 20마리 정도까지 줄어듬 현재 살고 있는 바다코끼리 조직에서 얻은 24개의 단백질에 변이가 없다. 사냥을 받지 않은 남부 바다코끼리는 훨씬 다양한 유전적 변이를 가진다. -창시자 효과: 모집단에서 떨어져 나와 새로운 환경에 적응하는 경우 (임신한 동물, 하나의 식물 씨앗이 새로운 집단을 형성 할 때)

27 2. 두 집단간의 유전자 이동 -한 집단이 서로 공간적으로 분리될 때 두 집단은 유전자 풀에 차이가 있다. 한 집단의 구성원이 다른 집단으로 이주했을 때 유전자 이동이라 한다. 3. 돌연변이 -한 개체의 DNA가 변하여 새로운 대립 유전자가 생성되는 것 -확률:1/10~100만 -새로운 유전자를 만들어 내는 유일한 방법 4. 자연 선택에 의한 변화 우연히 나타나는 변이가 생존과 번식에 유리한 형질이면 집단 내에서 증가되도록 하고 유리하지 못하면 사라지도록 한다.

28 다인성 유전: 하나 이상의 유전자가 형질을 나타내는 데 관여한다.
예) 피부색, 키, 몸무게 다인성 유전의 경우 형질의 분포는 종모양 4.1 안정화 선택 -자연선택이 평균크기의 개체를 선호 -평균값의 변화가 없다 4.2 방향성 선택 -한쪽 극단의 개체가 선호되면 개체형질의 평균값이 변화된다 (예, 기린의 목) -개체군 내에 진화적인 경향성이 나타난다. 3. 분단형 선택 -양 극단에 치우친 개체에서 동시에 유리한 선택인 경우 -두 개의 작은 집단으로 분리된다. 개체수 몸체 크기

29 예) 서 아프리카의 핀치 새 -단단한 씨-큰 부리를 가진 새에게 유리 -부드러운 씨-작은 부리를 가진 새에게 유리 -중간크기의 부리를 가진 새에게는 불리

30 종의 형성 종이란? 서로 교배하여 자손을 낳을 수 있는 한 집단 종을 구분하는 기준:
1. 서로 교배하여 번식력있는 자손을 낳을 수 있는 한 집단을 하나의 종이라 한다. 예) 말과 당나귀는 교배는 가능하지만 여기서 나온 노새는 불임이므로 말과 당나귀는 같은 종이 아니다. 사자와 호랑이: 라이거 2. 유전적, 표현형질로 분류 특정 집단 또는 계통에서 발견되는 독특한 염기 배열순서나 신체구조 같은 유전적 형질과 표현형질을 분류의 기준으로 삼는다.

31 Q 두 집단의 유전자가 교류하지 않기 위해 생식적 격리가 이루어지기 위해서는 어떻게 되어야 하나?
1. 지리적 격리 지리적 종 분화의 과정 지리적 격리유전자 풀의 변화 생식적 격리

32 신종 형성의 다른 예 미국 캐리포니아와 네바다에 걸쳐있는 죽음의 계곡 약 5만년전 호수와 강 약 4천년전 사막, 흩어진 연못 몇몇 연못에는 세계 어느 곳에서도 발견되지 않은 독특한 퍼피쉬가 살고 있다.

33 2. 배수체 형성 단 한번의 돌연변이에 의해 돌연변이체와 어버이 종간이 교배가 불가능하게 될 때 종의 분화가 생긴다. 2n n n x n n x 2n 2n n 2n x n 3n (정산적인 배우자를 형성하지 못한다)

34 AB는 서로 다른 염색체가 만나서 형성된 것으로 이들 사이에 상동 염색체가 없어서 감수분열이 일어나지 못하므로 불임이 된다.
자가수분 자가수분

35 -격리 돌연변이 유전적 부동 자연선택 배수체형성 종 분화의 과정

36 영국의 박물학자(博物學者), 진화론자. 에딘버러대학 의학부 중퇴, 케임브리지대학 신학부 졸업. 실제로는 박물학을 연구.
생물진화론을 정하여 뜻을 세운 영국의 생물학자이다. 해군측량선 비글호에 박물학자로서 승선하여, 남아메리카·남태평양의 여러 섬과 오스트레일리아 등을 항해·탐사했고 그 관찰기록을 《비글호 항해기》로 출판하여 진화론의 기초를 확립하였다. 1859년에 진화론에 관한 자료를 정리한 《종(種)의 기원(起原)》이라는 저작을 통해 진화사상을 공개 발표하였다. 갈라파고스제도에서의 관찰, 즉 다른 환경의 섬과 거기에서 생활하는 같은 계통의 생물에서 볼 수 있는 사소한 변이(變異)와의 관련은, 다윈으로 하여금 진화사상의 심증을 굳히는 주요 요인이 되었다. Charles Darwin

37 다윈의 <종의 기원> 인간과 원숭이는 까마득한 옛날 같은 조상에서 갈라져 나온 것이라 주장 1900년대 초 에디오피아에서 발견된 아르디피테쿠스 라미두스 (Ardipithe cus ramidus) 원숭이와 비슷하지만 인간에 더 가까운 특징: - 입을 다물면 윗니와 아랫니가 맞는다 (인간). - 척추가 두개 골 아래쪽에 연결되어 있다(인간). 얇은 에나멜질에 싸인 거대한 송곳니(침팬지): 부드러운 과일이나 연한 잎만 먹을 수 있다.

38 아디가 아프리카 원숭이들과 공유하고 있지 않은 독특한 모습 예) 아디의 발구조
인류는 ‘아디’로 부터 진화했는가? 창조론자의 입장: 아르디피테쿠스의 신체구조는 독특한 사람모습으로의 객관적이고 논쟁의 여지가 없는 그 어떠한 전이형태도 보여주지 않는다. (유일한 상호의존적 생식기관, 발목 및 근육구조, 유일한 엉덩이 구조, 유일한 이빨들, 유일한 두개골, 완전히 유일한 지적능력, 구별되는 소화기 구조, 직립보행, 유일한 발성기관, 후각 감수체의 급격한 감소, 안정정 크기를 유지하는 유선, 고에너지 효율의 뇌 등등) 아디가 아프리카 원숭이들과 공유하고 있지 않은 독특한 모습 예) 아디의 발구조 인간의 엄지발가락과 전혀다르며, 침팬지와 고릴라의 발뼈와도 같지 않다. 결론: 아디의 하나의 독특한 영장류이다. 아르디피테쿠스 침팬지 인간 커다란 엄지 발가락

39 신다윈주의: 변이와 자연선택에 의해 새로운 종으로의 진화가 이루어진다는 이론
후추나방…… 진화의 증거인가? 유전자의 다양화가 진화의 추동력이 되는데 공업암화에서는 유전자의 획일화가 이루어졌다. 환경이 바뀌어 검은 나방이 불리해지면 자연선택의 결과가 유전자의 다양성을 막고 종의 멸종을 부르게 된다. 단순히 흑백의 비율이 줄어든 것이라면 자연선택의 의미가 없다. 백색나방이 완전히 없어진 게 아니라면 그 종은 커지는데 한계가 있다. 즉 진화의 발목이 잡히게 된다.

40 인류의 조상은 결국 모두 한 종이었다! - 조지아(Georgia)의 드마니시(Dmanisi)에서 발견된 잘 보존된 두개골들에 대한 연구 결과, 주장되던 다양한 인류 종들은 모두 한 종 호모 에렉투스(Homo erectus)로 재분류해야 한다는 주장이 제기되었다. -드마니시의 한 구덩이에서 성인 남성 2명, 노인 1명, 여성 1명, 그리고 어린이 1명 등, 5구의 유골이 완벽한 상태로 발굴됐고, 드마니시 호미닌스라고 명명됐었다. (연대: 약 180만 년 전. 아프리카에서 호모 에렉투스가 등장한 시기보다 약 10만 년쯤 앞선 시기) -연구자들은 5개의 두개골들이 서로 다른 많은 형태학적 변이를 가지고 있는 것을 발견했다. 이들의 형태학적 차이들은 주장되던 여러 호모 종들(호모 루돌펜시스, 호모 하빌리스 등) 사이의 차이보다 이들 사이에서 더 컸다. 이것은 이들 주장되던 여러 인류 종들이 호모 에렉투스 하나로 함께 묶여져야 한다는 것을 의미한다.