중1: 3. 생물의 다양성

개요

이 단원은 생물학(biology)의 시작입니다. 생물학은 인간을 안전하고 윤택하게 하는 고부가가치 산업입니다. 현대의 생물학은, 특히 분류학은 과거 린네의 분류부터, 생김새를 넘어 유전자 분석에 이르렀습니다(단지 비슷한 생김새만으로 그들이 친척인지 알 수 없다는 뜻입니다). 생물의 분류 체계를 이해합시다.

본문

생물의 정의

생물이란 물질대사(metabolism, 생존에 필요한 물질과 에너지를 획득), 생식(reproduction, 자손의 번식), 성장(growth, 크기, 세포의 수) 등의 활동을 하는 것을 말합니다. 우리가 '생명은 이것이다'라고 명확하게 인식하는 것과는 별개로, '~등의 활동'과 같은 생명의 애매한 범주 때문에 바이러스(virus)도 생명으로 간주할 수 있는가에 대한 논의가 있습니다. 바이러스는 유전물질, 진화, 증식을 할 수 있으나, 세포구조가 없고, 숙주가 반드시 존재해야 하는 특징이 있습니다.

분류체계

생물의 분류 또는 분류학(생물)(Taxonomy (biology))는 인간의 (연구) 편의에 의해서 분류한 체계입니다. 각자 발달하던 학문은 린네(Carl von Linné, 1707~1778)에 의해 체계화되었습니다. 다음 표와 같이 8개의 큰 기준에 의해 구분합니다(역 - 계 - 문 - 강 -목 - 과 - 속 - 종).

각 기준은 하위 기준을 아우르는 범위로써 정의됩니다('속'은 자신의 모든 하위 '종'을 포함합니다). 이 기준은 상당히 애매할 수 있습니다. 예를 들어, 동물은 척삭의 유무로 Phylum(문)이 갈리지만, 여타 생물은 해당 기준으로 분류할 수 없습니다. 최종적으로 린네의 체계를 기준으로 조금씩 수정되어 사용되고 있습니다. '역'과 '계'사이에 공통의 조상이 추측되는 경우 '상계'단위를 고려할 수 있습니다.

분류
Giga
 		 Mega
(거)		 Gran
(대)		 Hyper
(중)		 Super
(상)		 Ultra
 		 분류명 Nan
 		 Hypo
 		 Min
 		 Sub
(아)		 Infra
(하)		 Subter
(준)		 Parv
(소)		 Micro
(미)
Domain
(역)
super
kingdom
(상계)		 Kingdom
(계)		 Sub
kingdom
(아계)		 Infra
kingdom
(하계)
Super
phylum
(상문)		 Phylum
(문)		 Sub
phylum
(아문)		 Infra
phylum
(하문)		 Parv
phylum
(소문)		 Micro
phylum
(미문)
Super
class
(상강)		 Class
(강)		 Sub
class
(아강)		 Infra
class
(하강)		 Subter
class
(준강)		 Parv
class
(소강)
Mega
order
(거목)		 Grand
order
(대목)		 Hyper
order
(중목)		 Super
order
(상목)		 Order
(목)		 Nan
order		 Hypo
order		 Min
order		 Sub
order
(아목)		 Infra
order
(하목)		 Parv
order
(소목)
Giga
family		 Mega
family		 Grand
family		 Hyper
family 		Super
family
(상과)		 Family
(과)		 Sub
family
(아과)		 Infra
family
(하과)
Genus
(속)		 Subgenus
(아속)
Species
(종)		 Subspecies
(아종)
Variety
(변종)		 Subvariety
(아변종)
Cultivar
(품종)		 Subform
(아품종)

종의 가장 기본적인 기준은 번식의 가능성을 기준으로 합니다. 다만, 라이거(호랑이와 사자)나 노새의 경우 같은 속에서 번식이 가능한 경우가 있고, 박테리아와 같은 경우 생식의 개념이 다르므로 조금 더 정확한 논의가 필요합니다. 실제로 종 개념(Species concept) . 종 개념: 위키피디아, https://en.wikipedia.org/wiki/Species_concept 에 대한 다양한 논의가 있습니다. 종이란 무엇인지 정의하기 위해 무려 26가지 종 개념에 대해 정의하기도 합니다 종 개념: A list of 26 Species "Concepts", By evolvingthoughts on October 1, 2006.

호랑이(동물계 - 척삭동물문 - 포유강 - 식육목 - 고양이과 - 표범속 - 호랑이)
사자(동물계 - 척삭동물문 - 포유강 - 식육목 - 고양이과 - 표범속 - 사자)
말(동물계 - 척삭동물문 - 포유강 - 기제목 - 말과 - 말속- 야생말-말)
당나귀(동물계 - 척삭동물문 - 포유강 - 기제목 - 말과 - 말속- 아프리카야생당나귀-당나귀)
다만, 라이거나 노새는 생식능력이 없다. 2세대의 생식능력 여부로 종을 구분하면 대체로 맞는다.

대분류

생물의 분류 및 정의
분류 특징
원핵생물 prokaryon 유전물질이 내핵으로 보호되지 않고 그대로 노출된 단일핵생물
(vs 고등생물은 핵막으로 한 번 더 보호)
식물계 plants 광합성으로 물질대사를 하는 생물
균계 fungi 사체로부터 물질대사를 하는 생물
동물계 animals 운동능력이 있는 생물. 세포벽이 없음
원생생물 protist 기타 생물. 原근원 원生날 생: 진화하지 못하고 그대로의 상태, Protist(protos: 원시의)

주로 인용되는 아래 그림은 박테리아 + 고세균 = 원핵생물에 해당합니다. 진핵생물 = 식물계 + 균계 + 동물계 + 원생생물이 포함됩니다. 생명은 다양합니다. 아래 그림들은 생물이 공통의 조상으로부터 분화되었다는 사실을 암시합니다. 이는 돌연변이(mutation)로 인해 다양해진 개체가 생존능력을 기반으로 선택되었다는 가정을 하게 합니다.

대분류, 트리 "Phylogenetic_tree.svg", Eric Gaba, NASA Astrobiology Institute, 2006.9.22, 퍼블릭 도메인
/2차 수정: 한글화(기타언어 제거), 2024, @iseohyun.com
대분류, 원형 "Collapsed tree labels simplified.png", TimVickers, wikipedia.org, 퍼블릭 도메인
/2차 수정: 한글화/svg파일로 변경, 2024, @iseohyun.com

화석

생물군은 계속 증가하는 것은 아닙니다. 우리는 현재의 패턴에서 과거를 유추하고(지질학), 과거의 기록에서 변화를 추적해 왔습니다(화석). 아래 그림은 위 그림에서 "진핵생물" - "동물" - "척추동물"에서의 분화와 절멸에 대한 그림을 보여줍니다. 지구는 지금까지 수번의 대폭발(생명의 객체가 늘어나는 사건)과 멸종을 겪었습니다. 환경의 급격한 변화는 생물양의 변화를 가져오고, 시대를 구분하는 기준이 됩니다.

척추동물의 분화와 멸종 "Spindle_diagram.jpg", Petter Bockman, wikipedia, 퍼블릭 라이선스
/2차 수정: SVG파일로 변경, 한글 추가, 2024, @iseohyun.com

분화의 특성

환경의 변화에 따라 수많은 돌연변이가 분화했을 것입니다. 일부는 실패했고, 또 일부는 성공했습니다. 아래는 진핵생물 중에서 성공한 돌연변이들의 계보를 보여줍니다.

진핵생물의 예시 "PhylogeneticTreeOfAllLife.jpg", 미상, 나무위키, CC BY-NC-SA 2.0 KR DEED
/2차 수정: SVG,위치 변경, 2024, @iseohyun.com
진핵생물 상세도, 용어설명
용어 설명
미트콘드리아, 핵 유전물질을 보호하는 핵막이 생깁니다.
엽록체 에너지를 얻기 위해 광합성을 하는 기관
기관 특정 목적을 위한 분업화, 고도화
신경계, 혈관계 신경계: 두화(뇌)의 발달을 암시
혈관계: 에너지 순환(호흡)을 암시
선구 vs 후구 배아 발생시 원구(최초의 구멍)이 입(선구)가 되는지, 항문(후구)가 되는지 여부
물관부(체관부) 뿌리에서 잎과 열매까지 물(영양분)의 이동로가 있는지
속씨 vs 겉씨 씨가 겉으로 드러나는지 여부, 속씨(활엽수), 겉씨(침엽수)
천공 vs 온혈, 털 천공: 신체의 구멍, 체온 조절 등의 이유로 추측
온혈: 일정 이상의 체온을 유지, 보온의 목적
태반 vs 유대류 태반: 태아에게 영양분을 전달하고, 태아의 노폐물을 모체로 전달하는 기관
유대류: 암컷의 육아낭에 어린 짐승을 기르는 동물. 캥거루, 코알라, 주머니쥐 등

종합

분화와 분류체계를 종합하면 대략 아래와 같은 모형이 됩니다. 공통의 조상으로부터 사람까지 다음과 같은 계보를 갖습니다.

계통도 "taxonomy.svg", @iseohyun.com, 2024, CC BY-SA 4.0
"Chilopoda icon.svg", Shyamal, wikimedia.org, CC0 1.0 DEED
"FP Snail icon.svg", MaxxL, wikimedia.org, CC BY-SA 3.0 DEED
"Jellyfish - Lorc - game-icons.svg", FSock, wikimedia.org, CC BY 3.0 DEED
"Sea-star - Delapouite - game-icons.svg", FSock, wikimedia.org, CC BY 3.0 DEED
"202112 Japanese earthworm.svg", Togopic, wikimedia.org, CC BY 4.0 DEED 테두리 차용
"Silhouette of a woman walking.svg", Mettiina, wikimedia.org, CC0 1.0 DEED
"Bird 1010720 drawing.svg", Nevit, wikimedia.org, CC BY-SA 4.0 DEED
"Frog or Toad Shape Icon SVG Repo.svg", JOGOS Public Assets CC0 1.0 DEED
"Heraldry Fish 103.svg", Mrmw, wikimedia.org, CC0 1.0 DEED
"Monkey icon svg.svg", Perexil, wikimedia.org, CC BY-SA 4.0 DEED
"Mushroom - Lorc - game-icons.svg", FSock, wikimedia.org, CC BY 3.0 DEED
"Tree-12361.svg", MikeRun, wikimedia.org, CC BY 3.0 DEED
"Prokaryote cell-es.svg", Ali Zifan, wikimedia.org, CC BY-SA 4.0 DEED 흑백적용
"202002 Microorganism amoeba.svg", Togopic, wikimedia.org, CC BY 4.0 DEED 흑백적용
"Simple diagram of virus (blank).svg", Domdomegg, wikimedia.org, CC BY 4.0 DEED 아이디어 차용
계통도 설명
주제 내용
박테리아 질병을 일으키는 대부분의 세균(황색포도상구균, 살모넬라균)이 여기에 속합니다.
고세균 고등생물의 경우 세포안에 핵을 보호하는 막을 추가로 갖습니다. 세포가 서로 포식하는 과정에서 다른 세포의 일부를 기관으로 받아들이고, 본인이 핵막으로 보호되는 공생에 대한 가설이 있습니다.
원생생물 범위가 매우 넓습니다. 식물의 특징(광합성)기관과, 곰팡이 + 동물의 특징을 제외한 모든 생물을 원생생물로 볼 수 있습니다.
원핵생물, 비척추동물 not진핵, not척추와 같은 분류는 통상적이고 편의적인 분류입니다.
선구 vs 후구 배아 발달과정에 대한 연구입니다. 해부학 지식이 첨가되었습니다.
포유류 vs 포유강 '~류'는 '~하는 부류'라는 용어입니다.
포유류와 같이 정확하게 공통의 조상을 갖는 경우 포유강으로 쓰지만, 어류와 같이 "네발 달리지 않으면서~" 와 같이 정의되는 경우는 분류명으로 사용되지 않습니다. (어강(X))
Sauropsid
석형류		 용궁강(석형류)로 양막류의 분파, 아래로 조류와 파충류를 포함함
(양막류(폐호흡) = 석형류 + 단궁류)
아모르페아 단편모생물, 편모(flagellum, flagella)는 운동성을 제공하기 위해 특정 식물과 동물의 정자 세포와 다양한 미생물이 가진 돌출된 털이 있는 부속 기관
vs 편모충류: 편모가 있는 많은 원생생물
지질역사 "geologic time scale.svg", @iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0

진화

돌연변이는 유전(heredity) 정보의 착오로부터 시작합니다. 돌연변이의 발견은 현대사회에서도 비교적 흔하게 발현됩니다. 이는 특성이 되기도 하고, 질병이 되기도 합니다. 다운 증후군(Down syndrome)은 21번째 염색체가 정상적인 2개가 아니라 3개 존재하여 정신 지체, 신체 기형, 전신 기능 이상, 성장 장애등을 일으키는 유전 질환입니다.
클라인펠터 증후군(Klinefelter syndrome)은 성 염색체 이상 증후군으로 XY가 아닌 XXY를 가집니다. 무정자증, 경계선 지능, 불임, 학습장애 등이 원인이 됩니다.
넓은 의미의 유전병은 '윺전자로 인한 질병'이며, 좁은 의미의 유전병은 '유전되는 병(hereditary disease)'으로 봅니다. 유전병: 다운증후군, 서울대학병원 진화론은 (성공적인) 변이의 누적으로 인해 가시적 다양성이 드러났다고 가정하였습니다(자연 선택설, natural selection).

변이의 누적을 확인하는 방법은, 화석(fossil)을 연구하는 것입니다. 어떤 화석들은 두 종간의 차이가 큽니다. 이 둘 간의 진화 과정을 보여주는 화석을 중간 화석(Transitional fossil, 중간 단계 화석)이라고 합니다. 우리는 현재까지 지역, 시기, 모습을 종합하여 진화가 이루어지고 있다고 확신하게 되었습니다.

진화의 증거 중에는 안타깝게도 거짓 증거가 있었습니다. 필트다운인 조작사건(1912)
  새로 발견한 연대 측정법을 이용해 검증: 두개골(현대인), 턱뼈(오랑우탄), 이빨(침팬지, 갈아낸 흔적) 및 화학처리
네브라스카인 오해(1917)
  페커리(돼지아목-패커리과)의 이빨로 판명, 논문 철회
오스트랄로피테쿠스 아파렌시스(Australopithecus afarensis) 애칭: 루시(Lucy)
  오해1: 3km 떨어진 곳(아파르 삼각주)에서 같은 팀(도널드 조핸슨)의 발굴이 있었다(1974).
  오해2:  네이처>에 두 발보행을 병행했을 것으로 추측(2000)
Evidence that humans evolved from a knuckle-walking ancestor
 주먹-보행의 진화 증거: "Evidence that humans evolved from a knuckle-walking ancestor", Brian G. Richmond, nature, 2000.3.23 그것은 단순한 착오도 있었지만, 부와 명예를 노린 범죄도 있어왔습니다.

창조론과의 대립

창조론은 구약성경 창세기 제1장, "7일 동안 하나님이 세상을 창조했다."는 대목이 진실이라는 믿음에서 시작합니다.

1982 McLean v. Arkansas: 창조과학이 진화론과 동등한가? => 아니다.
1987 Edwards v. Aguilard : 창조론(creationism)은 과학인가? => 과학X 특정 종교를 공교육에서 가르치는 것은 헌법에 위배된다.
훗날, 창조론에서 지적설계로 이름을 바꾸는 계기가 된다. 창조론은 과학인가? : 에드워드 vs 아길레라 재판
2005 Kitzmiller v. Dover Area School District : Intelligent Design(ID, 지적설계)는 과학인가? => 과학X 사건
  도버 지역 교육 위원회가 과학시간에 지적설계론을 가르치겠다는 계획을 발표
원고
  Tammy kitzmiller(학부모 외 11명)
  Kenneth Miller(브라운대학 생물학 교수 외 7명)
피고
  Dover Area School District(도버 지역 교육구)
  Michael Behe(디스커버리 연구원 8명)
  Discovery Institute(디스커버리 연구소)
쟁점
  1. 환원불가능한 복잡성이 보이는가? (아니오)
    박테리아 편모는 약 40개의 단백질이 결합하여 모터기능을 수행하며, 한 개라도 부족하면 모터기능을 수행하지 못 하므로 한꺼번에 누군가에 의해 제작되었을 것(환원불가능한 복잡성)이라는 주장
"박테리아의 편모는 그 어떤 모터보다 인간이 만든 모터를 닮았다", David DeRosier(1998. 브랜다이스대학 생물학 교수) -> 반박: 굴절 진화 예시로, 다른 기능을 수행 할 수 있다.
  2. 종교적 의도를 가지고 있는가? (예)
    저서 "Of pandas and people"는 헌법을 우회하기 위해 '창조'에서 '지적설계'로 단어적 변경만 있었다.
판결 후 기사: judge rules intelligent design is 'not science' 지적설계는 과학인가? : 키즈밀러 v. 도버 지역 교육 위원회 재판

결론

  1. 지적설계는 초자연적인 인과관계에 기반한다. 아직 밝혀지지 않은 자연 현상의 원인을 검증 불가능한 초자연적 힘으로 돌리게 되면, 우리는 호기심을 가질 이유가 없어진다. 우리는 항상 답을 알고 있기 때문이다.
  2. 환원불가능한 복잡성 논증은 모두 반박되었다. 만약 반박되지 못한다 하더라도 이는 진화에 대한 검증이지, 설계론에 대한 반증이 아니다.
  3. 창조론은 진화론에 대한 논란만 가르치려 한다. (지적 설계는 동료 검토를 거치는 학술지에 논문을 발표한 적이 없다.)

한국의 사례

한국이 창조론자들에 의해 고등교과서에서 진화론의 사례를 제거하기로 결정한 사례가 있습니다. 한국의 창조론: "South Korea surrenders to creationist demands", nature, 2012.6.5.

물질대사

모든 생물은 에너지를 필요로 합니다. 물질대사(Metabolism)란, 양분과 물질을 습득하는 과정을 말합니다. 가장 기본적인 물질대사는 포식입니다. 포식 활동은 손쉽게 에너지를 획득할 수 있습니다. 하지만 모든 생물이 포식을 하는 것은 아닙니다. 왜냐하면 피식자의 생물양에 따라 번성할 수도 멸종할 수도 있기 때문입니다.

포식의 경쟁에서 태양 에너지를 이용한 광합성은 또 다른 생존 가능성을 제시합니다(식물). 어떤 생명은 사체로부터 남은 에너지를 흡수하여 생존합니다(균류). 일부의 생명은 다른 생명의 에너지를 훔치는 방향으로 진화했습니다(박테리아와 면역계, 공생관계 등). 어떠한 형식이든 영양이 충분하면 번성의 기회를 갖습니다.

단어

영어단어
No 영어 국어 영어 국어
1 biology 생물학 mushroom 버섯
2 metabolism 물질대사 sponge 스폰지
3 reproduction 생식 jellyfish 해파리
4 growth 성장, 생장 insect 곤충
5 virus 바이러스 starfish 불가사리
6 taxonomy 분류학 lizard 도마뱀
7 domain 역(생물학), 영역 snake 뱀
8 kingdom 계(생물학), 왕국 crocodile 악어
9 phylum 문(생물학) whale 고래
10 class 강(생물학), 학급 chimpanzee 침팬지
11 order 목(생물학), 순서, 정돈 heredity 유전
12 family 과(생물학), 가족 natural selection 자연 선택설
13 genus 속(생물학) fossil 화석
14 species 종 transitional fossil 중간 화석
15 prokaryote 원핵생물 creationism 창조론
16 plant 식물 metabolism 물질대사
17 fungus 균류, 곰팡이류 bloom 번성
18 animal 동물
19 protozoa 원생생물류
20 bacteria 박테리아
21 archaea 고세균류
22 eukarya 진핵생물류
23 reptile 파충류
24 mammal 포유류
25 vertebrate 척추동물

퀴즈

  1. 생물의 정의는 생존에 필요한 에너지와 물질을 획득하는 , 자손을 번식하는 , 세포의 수를 증가시켜 몸집을 불리는 등의 활동을 하는 개체를 말합니다.
  2. 생물의 분류는 큰 분류부터 -------으로 분류한다.
  3. 생물을 분류하는 학문을 (생물)이라고 합니다.
  4. 속에 대한 정확한 정의는 매우 어렵지만, 이 가능한 개체들로 분류할 수도 있습니다.
  5. 대분류를 5종으로 했을 때, (핵막이 없음), (광합성을 함), (사체로부터 물질대사), (운동 능력이 큰 생물), (기타 생물)로 분류할 수 있습니다.
  6. 원핵생물은 과 로 분류할 수 있습니다.
  7. 원핵생물과 달리 새포핵이 막으로 보호되어 진화한 생물을 이라 합니다.
  8. 의 발굴을 통해, 과거에 생존했던 생물을 관찰할 수 있습니다.
  9. 화석을 통해, 서서히 외형이 변화하는 모습을 관찰할 수 있습니다.
  10. (도전) 사람은 진화의 과정에서 (장기), (두뇌 등), (뼈 대), (지상 진출), (지상 진출2), (생존 효율성), (번식 효율성)의 순서로 진화하였습니다.
  11. 환경에 적합한 개체가 살아남아 자손을 번식할 것이라는 이론을 이라고 합니다.
  12. 화석 증거가 항상 진실되게 발표되지 않습니다. 면밀하고 정확하게 검증을 해야 합니다.
  13. 종교적 교리로 신이 모든 것을 창조했다는 주장은 이라고 합니다. 아직 검증된 증거가 발견지 않았습니다.
  14. 어떤 식이든 생물이 양분을 구하기 쉬워지면(단어: ) 개체 수는 증가합니다.