초파리-생물학과 유전학의 역사를 바꾼 숨은 주인공-

“이 책은 현대 생명과학의

숨은 영웅에게 바치는 찬가다”

아시아태평양 이론물리센터(APCTP)가

‘우리 시대의 새로운 과학 고전 50’으로 선정한 책

생물학의 역사에서 큰 변곡점을 맞이할 때마다 한결같이 그 자리를 지켰던 주인공이 있다. 1900년 모델 생물로 데뷔한 이후 벌써 120년 넘게 과학자들의 애정을 독차지한 실험동물, 바로 ‘초파리’다. “이 보잘것없어 보이는 생물을 빼놓고 지금의 빛나는 생물학을 이야기하기란 어렵다”고 많은 과학자가 입을 모은다. 실로 역대 노벨생리의학상 가운데 최소 6개가 초파리를 활용한 연구 성과였다.

과학비평가로서 수많은 대중 과학서를 집필한 저자 마틴 브룩스는, 8년간 직접 초파리를 연구한 진화생물학자이기도 하다. 이 책은 아는 사람만 알고 있던 초파리의 무용담을 뉴욕과 샌프란시스코, 런던, 러시아 등 세계 곳곳의 연구실을 배경으로 그려 나간다. 그 이야기는 발생학, 진화생물학, 유전학의 역사와 궤를 함께하며, 나아가 노화생물학과 뇌신경과학의 발전에도 초파리가 어떻게 이바지했고 세계에 대한 인식의 범위를 얼마나 넓혔는지까지, 호소력 있게 전달한다.

이렇듯 책은 초파리 연구의 역사이면서 동시에, 초파리가 주인공으로 등장하는 한 편의 과학소설처럼 생동감과 유머러스함이 넘친다. 이 책이 “현대 생명과학의 숨은 공신에게 보내는 찬가”라고 일컬어지는 이유이자, 개정판으로 다시 독자들을 찾아가는 이유이기도 하다. 격변의 20세기를 거쳐 21세기 생명과학의 현주소를 이해하고자 하는 독자들에게 영감을 줄 흥미롭고 새로운 고전으로 부족함이 없으리라 기대한다.

초파리, 인류 운명을 바꾼 세기의 만남!

작은 크기와 까다롭지 않은 습성 때문에 초파리는 기르고 먹이는 데 비용이 얼마 들지 않는다. 500밀리리터 크기의 우유병에 썩어 가는 바나나 한 조각만 넣어 두면 초파리 200마리가 2주일 동안 행복하게 살 수 있고, 암컷 한 마리가 알을 수백 개나 낳기 때문에 번식시키기도 쉽다. 게다가 초파리는 한 세대가 사는 시간도 짧다. 태어나서 생식하고 죽기까지 불과 몇 주일밖에 걸리지 않는다. 1900년 초파리가 하버드대학교 연구실에 처음으로 데뷔하게 된 것은 이런 이유 때문이었다.

그 이후로도 초파리가 거의 한 세기 동안 생물학과 유전학의 발전을 이끌어 올 수 있었던 것은 결코 우연이 아니다. 단지 비용이 싸고 구하기 쉽다는 이유로 실험동물로 선택받은 초파리가 생물학사의 한 획을 긋게 될 줄은 아무도 몰랐을 것이다. 이 작은 생명체는 자연 선택설의 실질적인 증거를 발견하고 멘델의 완두콩 유전 법칙을 증명하는 데 있어서, 그리고 최초로 유전자 지도를 완성하는 데에도 누구보다 크게 기여했다.

저자는 직접 초파리를 실험동물로 사용하며 이 작은 동물이 이끈 놀라운 발견들을 목격했다. 그가 이 책에서 보여 주는 초파리의 삶은 우리에게도 큰 공명을 불러일으킨다. 따라서 이 책은 탄생과 학습, 노동, 죽음, 그리고 그 사이에 존재하는 삶의 여러 측면에 대한 보편적 이야기로 읽을 수도 있다. 저자는 각 부마다 초파리 생물학을 통해 삶에서 연속적으로 이어지는 각각의 단계를 보여 준다. 그와 함께 탄생과 죽음의 순환 고리에서 일어나는 중요한 생물학적 사건들을 설명한다. 유전학에서부터 배胚 발생에 이르기까지, 학습에서부터 생식에 이르기까지, 그리고 개체의 죽음에서부터 새로운 종의 탄생에 이르기까지 생물계를 바라보는 창을 제공하는 것이다.

이 책의 1부에서는 ‘초파리의 아버지’라 할 수 있으며 초파리를 생물학계의 총아로 만든 인물인 토머스 헌트 모건Thomas Hunt Morgan이 초파리와 만나 생물학의 새로운 역사가 시작되는 장면들을 흥미진진하게 좇는다. 2부에서는 돌연변이mutation의 원리를 초파리에서 찾는 동시에, 돌연변이 초파리 연구가 유전학 연구의 돌파구가 된 과정을 보여 주고 있다. 3부에서는 모건에 버금가는 초파리 애호가 테오도시우스 도브잔스키Theodosius Dobzhansky가 진화유전학evolutionary genetics을 탄생시키는 이야기를 들려준다. 초파리의 학습 능력과 알코올에 대한 민감성, 생체 리듬 연구를 통해 이런 성질들과 인간 유전자와의 연관성을 이해하고자 하는 4부, 초파리 암수의 사랑 이야기와 부모가 되기 위한 경쟁을 다룬 5부도 흥미롭다. 6부에서는 초파리를 통해 노화의 원리를 찾고 있으며, 7부에서는 하와이의 초파리들을 연구하며 세계적으로 2천 종이 넘는 초파리가 생겨난 까닭과 종의 정의를 어떻게 내려야 하는가에 대해 파고든다. 8부에서는 잊혀진 초파리 연구실의 위상을 회상하면서 초파리 게놈genome의 염기 서열 분석에 관해 자세히 논하고 있다.

현대 생물학과 유전학의 오래된 미래

초파리는 생물학 연구의 현실적⦁재정적⦁시간적 조건들과 최적의 조화를 이루며, 생물학의 실험 재료로 쓰인 수많은 동물 중에서도 단연 유용한 존재로 자리잡았다. 또한 실제로 과학사에서 아주 오랫동안 명성을 이어왔다는 점에서도 특별하다. 19세기 빅토리아 시대의 이상적인 실험동물이었던 개와 생쥐, 토끼 등에 밀려나 있던 초파리는 박물학이 쇠퇴하고 실험생물학이 떠오르기 시작한 20세기에 이르러 새롭게 주목받았다. ‘짧고 굵게 사는’ 초파리의 매력이 실험 실습에서 큰 영향을 발휘한 것이다. 초파리의 재발견은 기초 유전학뿐만 아니라 발생유전학, 진화유전학으로까지 이어졌다. 지금까지 초파리에 관해 발표된 논문만 해도 10만 편이 넘으며 매일 새로운 논문이 쏟아져 나오고 있다.

사실 실험실 밖에서 초파리는 사람들에게 변함없이 쓰레기장을 떠돌아다니는 더럽고 미천한 곤충으로 여겨질 뿐이다. 최초로 완성된 유전자 지도가 초파리의 것이었고, 묻혀 있던 멘델의 이분법을 증명하고, 다윈은 해결하지 못한 고민을 끝낸 것이 바로 초파리였다는 사실은 아는 사람만 아는 과학계의 비사祕史처럼 떠돌아다닌다. 이런 현실은 마치 이 작은 동물이 우리에게 인간뿐만 아니라 그 외의 것들에 대해서 더욱 많은 것을 알려 줄 수 있다는 사실을 인정하지 않으려는 것처럼 보인다.

지금까지 과학자들이 단순히 초파리의 생물학적 세부 사항들을 알아내기 위해 초파리 연구에 몰두했던 것은 아니다. 초파리가 우리 자신을 포함하여 많은 생물을 포괄하는 더 넓은 생물학적 그림을 보여 줄 것이라는 기대를 품고 있기 때문이다. 과연 이제는 초파리의 영향력이 미치지 않은 생물학 분야를 찾기 힘들 지경이다. 초파리는 암 치료법을 찾는 연구, 알츠하이머병과 헌팅턴무도병 같은 신경변성질환 연구, 알코올 중독과 마약 중독, 수면 장애와 시차증時差症의 유전적 연구에 이용될 뿐만 아니라 지구 온난화와 기후 변화에 대한 조기 경보 시스템으로도 널리 쓰이고 있다. 하나의 미천한 생물이 20세기 생물학을 완전히 바꿔놓은 것이다.

노벨상 최다 수상은 다름 아닌 초파리?

초파리의 매력은 세월이 지나도 변할 줄을 모른다. 그도 그럴 것이 초파리를 통해 발견된 다양한 생물학적 사실들이 인간을 포함해 모든 동물에서 성립하는 것으로 밝혀졌기 때문이다. 이런 사실이 알려지자마자 초파리는 유전학자들이 가장 선호하는 실험동물이 되었고, 이후 거의 30여 년 간 유전학 발전의 선두를 이끌었다. 유전자들이 염색체에서 직선으로 늘어서 있는 것을 보여 준 최초의 유전자 지도도 바로 초파리의 것이었다. 인간에게 질병을 일으키는 유전자를 정확하게 알아내는 기술도 맨 처음에 초파리를 대상으로 만든 유전자 지도 작성 원리를 바탕으로 한다. 단세포인 수정란이 어떻게 완전한 생물로 발달하는가에 대한 해답을 제시한 것도 초파리였다. 사실, 유전자 치료에서부터 생물 복제와 인간 게놈 프로젝트에 이르기까지 현대 유전학의 모든 것은 20세기 초에 일어난 초파리 연구가 그 바탕이 되었다고 말해도 과언이 아니다. 1933년 토머스 헌트 모건(염색체 유전자 발견)부터 2017년 홀, 로스배쉬, 영(생체 주기 매커니즘 발견)까지 최소 여섯 차례 초파리는 노벨생리의학상의 숨은 공신이었다.

믿기 어려울지 모르지만 초파리와 인간은 여러 모로 닮았다. 과학자들은 실험을 통해 초파리가 인간에 대해 많은 것을 알려 준다는 사실을 발견했다. 초파리의 학습과 기억에서 온오프 스위치처럼 작동하는 ‘리노트’ 유전자와, 장기 기억 스위치를 켜는 역할을 하는 CREB 유전자는 초파리의 지적 능력에도 발전 가능성이 있다는 것을 알려 준다. 이뿐만이 아니다. 초파리가 알코올을 섭취하면 마치 사람이 취할 때와 같은 행동을 보인다. 밤에는 자고 낮에는 활동하는 일주기를 따라 생체 시계가 흘러가서, 평소의 생활 시간대에 변화가 생기거나 생체 리듬과 관련된 유전자를 조작하면 시차증을 겪기도 한다. 종족 번식을 위한 짝짓기를 둘러싸고 초파리 암컷과 수컷이 벌이는 게임의 전략은 또 어떤가. 그것은 인간 남녀가 행하는 소위 ‘밀당’ 기술을 떠올리게 만들 정도다.

이런 사실들은 그저 인간과 초파리 사이에 비슷한 면이 있음을 보여 주는 정도에서 그치지 않는다. 초파리의 학습과 기억, 알코올에 대한 민감성, 생체 리듬의 작동 과정에 관여하는 다양한 유전자들과 그 기능의 발견은 우리에게 새로운 가능성을 시사한다. 이런 유전자들이 초파리에게 영향을 미치는 과정을 살펴보노라면, 인간 역시 유전자에 따라 또 다른 잠재력을 발휘하게 될지도 모른다는 기대를 품게 된다. 초파리의 교미에서 밝혀진 생존에 대한 갈망과 진화의 전략 역시 양성 간의 갈등을 새로운 시각으로 바라보게 한다. 초파리가 그야말로 인간의 현재와 미래를 통찰하는 생물학적 창구가 되어 주는 것이다. 인간 생명의 비밀을 둘러싸고 앞으로도 풀어야 할 수수께끼는 많다. 차세대 실험동물들이 등장하고 있긴 하지만, 아직까지 초파리를 완벽하게 대신할 수 있는 생물은 없다. 지금까지 그래왔듯 초파리는 생물학과 유전학의 미래에서도 변함없이 주역의 자리를 지킬 것으로 보인다.

드라마틱하고 흥미진진한 한 편의 과학소설

사실 이 책의 저자에게조차도 초파리의 첫인상은 ‘무시할 수밖에 없는 동물’에 불과했다. 순전히 주관적인 저자의 미학적 관점으로 매긴 동물 평가에서도 초파리는 편형동물보다는 위에 있지만, 옆주름고둥보다는 약간 아래, 한마디로 ‘아주 낮은 순위’를 차지했다. 과학자로서의 경력을 시작한 연구 초년생 시절, 저자는 다른 이들처럼 오지에서 살며 화려한 색깔에 깃털이 잔뜩 달린 그럴듯한 실험동물을 찾고자 했다. 물론 그런 그에게 초파리는 일말의 고려 대상조차 되지 못했다. 그러나 학자들의 진정한 승패가 갈리는 학술회의에서 그는 연구자들을 당당한 승자로 만들어 주는 동물이 다름 아닌 초파리라는 것을 실감하게 된다.

초파리의 스타성을 알아본 사람이 비단 저자 혼자만은 아니다. 저자는 이 책에서 초파리가 슈퍼스타가 되는 데 기여한 사람들과 그들의 연구 과정을 이야기한다. 마치 초파리가 주연이고 과학자들은 조연으로 등장하는 한 편의 소설처럼 읽히기도 한다. 저자는 진화생물학을 전공한 학자이지만, 대중 독자들을 위한 교양 과학서를 집필하고, 프리랜서 과학 비평가로도 활동한 독특한 이력을 갖고 있다. 그는 누구나 재미있게 읽을 수 있도록 유쾌한 문장과 에피소드들로 초파리의 과학사 데뷔 과정을 기록한다.

프롤로그의 첫 페이지부터 퍼스펙스 병에서 짝짓기에 몰두하는 한 쌍의 초파리에게 존과 요코라는 이름을 붙여주고 손에 땀을 쥐며 응원하는 극적인 장면으로 시작된다. 이후 존과 요코 커플을 비롯하여 다윈, 멘델, 모건, 도브잔스키, 스터티번트 등 다양한 면면들이 지나갈 때마다 이들의 탐구열이 서로 어떻게 얽히고 풀렸는지가 보인다. 저자가 초파리와 모건을 통틀어 털이 덥수룩한 기회주의자들이라 부르고, 만약 다윈이 초파리를 연구할 수 있었더라면 어떤 대가를 치렀을 것인가를 이야기할 때 독자들은 슬며시 웃음이 나면서도 이 책이 여느 교양 과학 도서와는 다르다는 것을 깨닫게 될 것이다. 또한 저자는 염색체 쌍을 서로 모양이 조금 다른 신발 한 켤레로 비유하거나 초파리의 몸을 미국 지도로 비유하고 멘델의 3:1 법칙을 검은 대문, 흰 대문으로 빗대어 설명하기도 한다. 이렇듯 사전 지식이 없더라도 내용을 쉽게 이해할 수 있도록 배려한 특징도 이 책의 미덕이다.

지은이 : 마틴 브룩스

진화생물학자이자 과학비평가로서 수많은 대중 과학서를 집필하였다. 영국 유니버시티칼리지런던에서 생물학을 공부하고, 8년간 초파리를 연구하기도 했다. 주요 저서로 《손에 잡히는 유전학Get a Grip on Genetics》과 《무엇이 위대한 아이디어일까?-유전학What’ the Big Idea?-Genetics》 《극단적 조치-프랜시스 골턴의 빛과 그림자Extreme Measures-The Dark Visions and Bright Ideas of Francis Galton》 등이 있다.

옮긴이 : 이충호 

서울대학교 사범대학 화학과를 졸업하고, 현재 과학 전문 번역가로 활동하고 있다. 2001년 《세계를 변화시킨 12명의 과학자》로 우수과학도서(한국과학문화재단) 번역상을 받았으며, 《신은 왜 우리 곁을 떠나지 않는가》로 제20회 한국과학기술도서(대한출판문화협회) 번역상을 받았다. 옮긴 책으로 《뇌과학자들》《오리진》《통제 불능》《그러므로 나는 의심한다》《진화심리학》《사라진 스푼》《내 안의 유인원》《루시퍼 이펙트》《동물의 생각에 관한 생각》《우주의 비밀》《미적분의 힘》《유전자는 네가 한 일을 알고 있다》 등이 있다.

개정판 추천의 글 / 숨은 영웅에게 바치는 헌사

초판 추천의 글 / “초파리를 빼놓고 생물학을 논하지 말라.”

프롤로그 / 초파리, 20세기 생물학과 유전학의 상징

1. 유전학의 새로운 역사가 시작되다

현대 유전학의 기초를 세운 만남

최적의 실험동물을 찾아서

진화론의 맹점

더프리스의 돌연변이설

멘델의 유전 법칙

흰색 눈을 가진 초파리

최초의 유전자 지도

2. 돌연변이와 유전자 지도

유전학 연구의 돌파구

즉각적인 돌연변이 시대의 의미

수정란은 어떻게 완전한 생물로 성장할까?

마스터 유전자의 발견

조절 유전자와 발생

유전자 낚시

3. 진화유전학의 탄생

야외로 나간 초파리 실험

수학이 유전학의 방향을 바꾸다

자연 선택을 뒷받침하는 증거

초파리실의 분열

진화유전학은 무슨 쓸모가 있을까?

만약 다윈이 초파리를 연구했더라면……

4. 초파리가 인간에 대해 알려 준 것

초파리의 뛰어난 지적 능력

점핑 유전자를 이용한 새로운 돌연변이

학습과 기억 유전자의 미래

우리는 왜 술을 좋아하는가?

생체 리듬의 수수께끼

5. 짝짓기를 둘러싼 진화 게임

초파리의 성생활 연구

부모가 되기 위한 경쟁은 뜨겁다

무엇이 암컷의 수명을 단축시키는가

양성 갈등에 대한 새로운 시각

6. 노화의 비밀을 밝혀라

장수 유전자의 발견

생물은 왜 늙는가

자유 라디칼의 공격

종마다 수명이 제각각 다른 이유

영원한 삶을 얻으려면 섹스를 포기하라

최선의 답은 무엇일까?

7. 세상에서 종 분화가 가장 활발한 곳

종의 기원이 만발한 장소

지구상에서 가장 외딴 군도

종 분화의 수수께끼

‘종’을 어떻게 정의할 것인가?

도브잔스키의 종 개념이 흔들리다

8. 초파리, 거의 모든 생물학의 역사

사람들에게 잊혀진 초파리실

초파리에 관한 또 하나의 위대한 발견

초파리의 세기

첫 번째 에필로그 / 초파리에 관한 흥미로운 사실들

두 번째 에필로그 / 초파리에 대해 잘 알려지지 않은 사실 열 가지

감사의 말