우리가 비자연선택의 시대에 살고 있는 이유

의도적이든 비의도적이든 생물체에 대한 인류의 영향은 생물체를 새롭고 특이한 방식으로 진화시키고 있습니다. 하지만 인간이 주도하는 것은 어디까지 가능할까요? 나는 주황색 얼룩은 뜨거운 접시 위에서 춤추는 팝콘일 수 있습니다. 그러나 그들이 움직이는 방식에 이상한 점이 있습니다. 개별 커널은 단단한 원으로 회전합니다. 페어 드 듀스 슬로우 댄스 . 클러스터는 분산되기 전에 시계 반대 방향으로 한 바퀴 완전히 회전합니다. 각 충돌은 새로운 동작을 시작합니다. 그들은 행동하는 것 같습니다 .

이 짧은 비디오 에서 팝콘 알갱이처럼 보이는 것은 사실 미세한 "xenobots" 떼입니다. 개구리 세포에서 조립된 작은 살아있는 로봇입니다.

살아있는 로봇은 이상한 개념으로 보일 수 있지만 사실 최초의 로봇은 금속이 아닌 살로 만들어졌습니다. 이 단어는 1921년 체코의 극작가 Karel Ĉapek의 희곡에서 만들어졌습니다. Rossum의 Universal Robots 는 인공 사람을 만들고자 하는 과학자의 욕망에 대한 Mary Shelley의 Frankenstein 라인을 따른 사고 실험이었습니다. 문제의 과학자인 Rossum은 "자연은 생명체를 구성하는 단 하나의 방법만을 발견했습니다. "그러나 아직 자연에 전혀 발생하지 않은 더 간단하고 유연하며 신속한 또 다른 방법이 있습니다."

"그가 시험관 위에 앉아서 전체 생명 나무가 어떻게 그에게서 자라날지 생각한다고 상상해보십시오."라고 다른 등장인물이 말합니다.

그러나 다음 세기에 로봇은 살아있는 조직이 아니라 강철과 철사로 발전했습니다. Tufts 대학의 발달 생물학자인 Douglas Blackiston은 "공학은 생물학보다 더 빠르게 움직였습니다."라고 말합니다. 그러나 생물학은 빠르게 따라잡고 있습니다. Blackiston은 "xenobots"를 설계하는 과학자 팀 중 하나입니다. 작은 살아있는 로봇 은 아프리카 발톱 개구리인  Xenopus laevis 에서 채취한 조직으로 공들여 제작되었습니다.

최초 의 제노봇 은 2020년 초에 세상에 공개되었습니다. 피부 세포로 형성되고 심장 근육으로 만들어진 두 개의 뭉툭한 다리로 움직이는 아주 작은 큐브입니다. 그들은 컴퓨터 알고리즘에 의해 설계되었으며 제노봇을 걷게 할 목적으로 연구원들이 손으로 만들었습니다. (우연히 Xenopus 는 "이상한 발"을 의미합니다.) 이 유기 자동 기계는 또한 함께 작동하여 주변 환경에서 입자를 이동할 수 있으며 기계 로봇과 달리 부상당하면 자가 치유됩니다.

Tufts University의 과학자들이 만든 살아있는 로봇은 머리카락과 같은 섬모와 같은 독특한 신체 기능을 개발하여 이동을 돕습니다(Credit: Douglas Blackiston/Sam Kriegman).

그러나 유기 로봇에 대한 생각이 충분히 이상하다면 다음 세대에서는 상황이 정말 이상해집니다.

"만약 내가 당신 차의 모든 부품을 가지고 무작위로 서로 연결한다면, 당신은 그것이 나쁠 것이라고 예상할 것입니다."라고 Blackiston은 말합니다. "그러나 생물학은 그보다 훨씬 더 많은 유연성을 가지고 있음이 밝혀졌습니다." Xenobots 2.0 은 개구리 배아에서 추출한 줄기 세포로 만들어졌으며 알고리즘에 의존하지 않고 개발할 수 있었습니다. 독립적으로 세포는 완전히 새로운 신체 계획을 개발하기 시작했습니다. 머리카락과 같은 운동성 섬모가 표면 전체에서 자라며 일반적으로 폐에서 발견되지만 이 섬모는 사지와 비슷하여 제노봇이 주변 환경을 헤엄칠 수 있도록 빠르게 펄쩍펄쩍 뛰었습니다. 이 비디오에서 제노봇 은 측면을 건드리지 않고 프레첼 모양의 미로를 탐색합니다 .

올챙이를 만드는 대신 줄기 세포는 실험실 환경의 독특한 조건에 반응하여 양서류 기원과 완전히 다른 몸을 만들었습니다. 그들은 자발적으로 자가 조립되어 (말하자면) 진화를 뛰어 넘었습니다.

제노봇의 성능을 더욱 향상시킬 방법을 찾던 Blackiston과 그의 팀은 AI에게 개선된 디자인을 제안하도록 요청했습니다. AI 청사진은 입처럼 움푹 들어간 부분이 있는 팩맨 모양의 제노봇을 생성했습니다. 이 3세대는 더 놀라운 사실을 발견했습니다. 수백 개의 줄기 세포를 "입"에 모아 새로운 제노봇을 만들 수 있었습니다(이 페이지 상단의 이미지 참조). 다른 말로 하면, 그들은 자연의 다른 곳에서 볼 수 있는 것과는 달리 번식하는 완전히 새로운 방법을 진화시켰습니다.

미래 세대는 그들이 상호 작용하는 환경을 설계함으로써 개발될 수 있습니다. Blackiston은 "이제 시스템에 대한 입력을 이해하고 있으므로 화학적 신호, 끈적한 환경, 압축 등 디자인 자체를 형성하는 데 도움이 되는 환경을 얻을 수 있는 방법을 절대적으로 찾고 있습니다."라고 말합니다.

이제 인간이 어떤 식으로든 지구의 거의 모든 환경을 지배함에 따라 새로운 요소가 진화 방정식에 들어왔습니다.

제노봇은 "불완전한 유기체"라고 그는 말합니다. 비록 그들이 살아있는 시스템에 대한 대부분의 기준을 충족하지만, 그들의 번식은 "기능적 자가복사"를 만드는 것, 즉 같은 방식으로 보이고 행동하지만 동일하지 않은 새로운 버전을 조립하는 것을 포함합니다.

그러나 제노봇의 생성은 유기체가 우리가 그들에게 부과하는 압력에 창의적으로 반응함에 따라 전 세계적으로 훨씬 더 광범위하게 일어나는 일의 축소판으로 간주될 수 있습니다. 모든 생물은 환경과 끊임없는 교섭을 하고 있으며 이러한 상호작용이 진화를 주도합니다. 그러나 이제 인간이 어떤 식으로든 지구의 거의 모든 환경을 지배함에 따라 새로운 요소가 진화 방정식에 들어왔습니다. 바로 우리입니다.

인간은 개가 약 30,000년 전에 길들여진 이래로 다른 생물의 몸을 만들어 왔습니다 . 그러나 산업화된 농업, 도입된 종, 도시화, 오염 및 기후 변화가 결합하여 전례 없는 선택 압력을 가하고 있습니다. 우리는 세계 최고의 진화 세력이 되었습니다.

진화 시간 - 최소한 더 크고 복잡한 유기체의 경우 - 느릴 수 있습니다 . 이로 인해 많은 동물이 인간이 지배하는 행성에 대처할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 적응할 수 없게 되었으며 현재 멸종 위기 는 인간의 간섭 없이 사라질 것으로 예상되는 종보다 최대 1,000배 더 높습니다.

그러나 개별 동물이 새로운 기회와 압력에 가장 적합한 다양한 신체 계획과 행동을 그릴 수 있도록 하는 내재된 게놈 가소성을 통해 급격한 변화도 가능합니다. 소위 소진화(microevolution)는 단지 소수의 세대의 시간에 일어날 수 있습니다. 아마도 가장 유명한 예는 영국 산업 혁명의 굴뚝에서 발생하는 그을음과 대기 오염에 대한 반응으로 얼룩덜룩한 흰색에서 검은색으로 변한 후추 나방일 것입니다. 리버풀 대학(University of Liverpool)의 연구원들은 색 변화를 일으킨 유전적 돌연변이를 정확히 찾아냈고 언제 발생 했을지(1819년)로 계산했습니다.

후추 나방은 인간 오염이 동물의 소진화를 촉발한 가장 초기의 사례 중 하나입니다(제공: Bill Coster/Alamy)

후추나방의 색이 변하는 것은 1878년 Charles Darwin과 자신의 발견을 공유한 나비 수집가에 의해 처음 관찰되었습니다. 위대한 사람은 나중에 다른 사람들에 의해 자연 선택에 대한 그의 생각에 대한 증거로 제안되었지만 그 발견을 무시한 것 같습니다. 그러나 후추나방 의 "산업적 흑색증" 은 부자연스러운 선택의 한 예였습니다. 그리고 그것은 시작에 불과했습니다.

인간이 유발한 형질 변화는 남극 대륙을 제외한 모든 대륙 의 동물에서 관찰되었습니다 .

오늘날 트럭 호송으로 미국 전역의 농장에서 농장으로 운송되는 산업용 벌집의 일벌은 야생 사촌보다 3분의 1이 더 크고 더 온순합니다. 지난 100년 동안 북미 명 금류 는 삼림 벌채로 인해 파편화된 서식지에 대처하기 위해 날개 모양을 수정했습니다. 밀렵의 압박으로 잠비아 코끼리 는 엄니 없이 태어납니다. 1935년에 사탕수수 두꺼비가 호주에 도입된 이후, 원래 사탕수수 농장의 딱정벌레 침입을 처리 하기 위해 다음 세대가 두꺼비 크기의 먹이를 피하는 법을 배우면서 검은 뱀 의 입은 줄어들었 습니다. 포식자로서의 성공.

파푸아뉴기니 의 바다뱀 은 그들이 서식하는 아연으로 오염된 물의 독소에 반응하여 더 어두운 몸을 만들고 더 자주 피부를 벗어났습니다. 모기 의 한 종은 런던 지하철의 터널에서만 살도록 진화했으며 표면에 사는 사촌들과 번식할 수 있는 능력을 잃었습니다. 뉴욕과 시카고 지하철 시스템 의 모기에서도 유사한 유전적 다양성 감소가 관찰되었습니다 . Blackcaps 는 기후 변화가 범위를 확장함에 따라 이베리아 반도에서 영국으로 이주 경로를 변경했습니다.

브리티시 컬럼비아 대학의 진화 생물학자인 사라 오토(Sarah Otto)는 "진화 과정을 이렇게 빠르게 변화시킨 종은 없었다"고 말했습니다. "다윈은 충격을 받을 것이다!"

Otto는 그것이 작용하는 가소성인지 또는 뚜렷한 하위 개체군이 형성되는 분지 형성의 시작인지에 관계없이 특정 변화를 일으키는 원인이 무엇인지 항상 알 수는 없다고 말합니다. 그러나 더 깊은 일이 일어나고 있다는 것을 알 수 있을 만큼 유전적 변화가 관련된 충분한 예가 있습니다.

" 도시를 피하는 백조 는 인간에게 관대한 백조와 유전적 차이가 있습니다."라고 그녀는 말합니다. 그리고 그녀는 영국에서 이주하는 흑모래 와 여전히 이베리아로 이주하는 새 의 차이 가 "매우 분명한 유전적"이라고 지적합니다. "젊은이들은 이 차이를 가지고 있습니다."라고 그녀는 말합니다. 이와 같은 변화는 새로운 종의 출현을 위한 첫 번째 단계입니다. "런던 지하철 모기는 우리가 새로운 틈새 시장을 형성하고 종분화를 위한 새로운 기회를 창출할 수 있는 예입니다."라고 Otto가 덧붙입니다. 

나는 그녀에게 우리가 환경과 상호 작용하여 종의 진화 기회를 좁히는지 물었습니다 . 지구의 육지 표면의 36%가 농업에 주어지는 반면 전 세계의 도시 환경은 점점 더 서로 닮아갑니다. 한 연구에 따르면 플라스틱의 덩어리는 이제 살아있는 모든 바이오매스보다 큽니다 . 많은 분석에 따르면 생물다양성은 인간 활동으로 인해 출혈 을 일으키고 있습니다. "우리는 어떤 면에서 행성을 균질화하고 있습니다."라고 그녀는 동의합니다. "반면에 우리는 이러한 극단적인 환경 변화를 만들고 있습니다. 도시 환경은 우리의 농업 환경과 완전히 다릅니다."

기후 변화로 인해 블랙캡과 같은 새의 이동 경로가 변경되었습니다(제공: Alamy)

광산 광미 웅덩이와 같이 심하게 오염된 장소는 다른 종류의 극단을 나타냅니다. 공통분모는 우리입니다. 가속화된 진화는 멸종 위기 의 균형을 맞추는 데 가까이 오지 않을 것 입니다. 그러나 그것은 우리와 함께 살 수 있는 생물과 식물에 의해 점점 더 정의되는 세상을 만들 것입니다. "진화는 이 놀라운 창의적 과정이며 멈추지 않을 것입니다."라고 Otto는 말합니다. "우리를 더 잘 견딜 수 있는 변종을 계속 생산할 것입니다."

미생물조차도 동일한 인간의 압력을 받으며 어떤 경우에는 혁신을 촉진하고 어떤 경우에는 혁신을 억제합니다. 농업용 비료는 얼룩말 홍합 및 기타 침입 유기체가 선박의 평형수에서 이동하는 것처럼 박테리아 를 새로운 토양 환경으로 옮길 수 있다고 Otto는 말합니다. 미생물학자 Michael Gillings에 따르면 환경으로 흘러들어가는 방대한 양의 항생제 (돼지와 유제품 분변에서 매일 최대 5억 개 )는 침입종과 유사하여 미생물 진화의 기본 속도를 가속화합니다 . 동시에, 포유류 왕국의 균질화는 점점 더 많은 미생물 바이오매스가 우리가 먹거나 함께 살고 싶어하는 제한된 수의 동물의 장내 미생물로 구성된다는 것을 의미합니다.

박물학자이자 방송인인 Gillian Burke는 평생 동안 전 세계의 동물 군집을 관찰해 왔습니다. 나는 그녀에게 어떤 변화를 목격했는지 물었다. Burke는 "나는 모든 곳에서 모든 것을 말할 것입니다."라고 말합니다. "내가 케냐에서 자란 곳에서 육지와 수로가 나란히 움직인 매우 유동적으로 보였던 풍경을 기억합니다. 공중에서 보면 이제 사각형과 직선이 된 것을 볼 수 있습니다."

우리가 행성을 종의 진화에 대한 거대한 실험으로 변화시켰다고 말하는 것이 공정합니까? 내가 물었다. Burke는 "저에게 그 언어는 우리가 실험을 진행하고 있음을 암시하기 때문에 중요하지만 우리는 실험의 일부입니다."라고 말합니다. "Covid는 우리에게 그것을 상기시키는 데 탁월했습니다. 우리는 변이를 이끄는 선택 압력입니다. 더 많이 순환할수록 더 많은 바이러스 돌연변이가 발생합니다. 백신은 새로운 혁신이지만 바이러스는 'OK, I '그냥 방향을 바꾸고 다른 일을 할 것입니다.' 우리는 실험 중입니다."

도시의 불협화음은 일부 새들이 부모로부터 노래를 제대로 배울 수 없다는 것을 의미합니다.

그녀는 대부분의 사람들이 봉쇄 기간 동안 동물 행동의 변화를 알아차렸을 것이라고 덧붙였습니다. 도시 지역의 노래 새는 교통 체증 및 기타 주변 소음에 대처하기 위해 더 크게 노래하는 법을 배웠습니다. "하지만 첫 번째 잠금은 사람들이 실제로 그것을 경험한 첫 번째 때였습니다."라고 그녀는 말합니다. "사람들은 '아, 조용하네, 이제 새 소리가 들린다'고 했지. 하지만 새들도 처음으로 서로의 소리를 들을 수 있어!"

Burke에 따르면 동물의 행동은 문화이며 이러한 문화는 인간의 압력에 따라 진화하고 있습니다. 코끼리는 이주 경로를 포함하여 대대로 지식과 정보를 전달합니다. 그러나 밀렵꾼 과 분쟁 지역이 잠식하고 기후 변화로 인해 식량과 물을 찾기가 더 어려워 지면서 이 문화 유산이 바뀌고 있습니다. 다른 동물 문화도 쇠퇴하고 있습니다. 도시의 불협화음은 일부 새들 이 부모로부터 노래를 제대로 배울 수 없다는 것을 의미합니다. 혹등고래 는 또한 발성 학습자이며, 각 개체군은 다른 꼬투리와의 접촉을 통해 복잡성이 진화하는 독특한 노래를 공유합니다. 그러나 선박에서 발생하는 해양 소음 으로 인해 일부 사람들은 노래를 바꾸거나 심지어 잠잠해지기까지 합니다.

문화는 인간의 진화에도 한 몫을 했습니다. 우리는 아웃소싱을 통해 우리 자신의 진화를 가속화했습니다. Gaia Vince가 저서 Transcendence 에서 설명했듯이 기술을 통해 신체를 바꾸지 않고도 새로운 기능을 채택할 수 있었습니다. 공유 문화는 우리에게 집단적 마음, 방대한 정보 및 통찰력 저장소에 대한 액세스를 제공했습니다.

이 혁신의 대부분은 동물에게서 빌렸거나 동물이 할 수 있는 것을 복제하려고 했습니다. 석기 도구는 포식자의 절단 이빨을 모방했습니다. 가장 초기의 기술은 동물 가죽과 식물 합자와 같은 살아있는 조직을 사용했습니다. 인간 사회는 동물에게서 빌리고 동물처럼 배우면서 발전해 왔습니다. 이제 아이러니하게도 많은 종이 인간 행성의 삶에 적응해야 하기 때문에 우리가 살고 있는 세계는 점점 더 다른 생물의 몸과 행동을 모델로 삼고 있습니다.

지하 네트워크에서 발견되는 유전적으로 구별되는 모기 변종은 결국 새로운 종으로 진화할 수 있습니다(제공: Tolga Akmen/AFP/Getty Images)

생체모방 이라는 용어를 대중화한 생물학자 Janine Benyus는 "우리는 천재들에게 둘러싸여 있습니다  . 그 천재들로부터 배우려고 하는 새로운 분야"라고 말했습니다. 흰개미 더미  는 보다 효율적인 에어컨 설계에 영감을 주었습니다. 세계에서 가장 빠른 열차 중 하나는  물총새 부리 모양을 모방하여 186mph(299km/h)의 속도를 달성합니다 . 우리는 모기 코 를 기반으로 하는 더 미세한 수술 바늘  , 딱따구리 두개골 의 충격 흡수 특성을 모델로 한 블랙박스 레코더  , 해달 가죽 이후에 더 나은 잠수복  , 나비 날개 의 무지개 빛깔을 모방한 위조가 어려운 지폐를 만들었습니다  .

동물의 독창성은 또한 가장 시급한 환경 문제를 해결하기 위한 새로운 아이디어를 제공합니다. 생체모방은 혹등고래 지느러미 의 울퉁불퉁한 표면이나 벌새의 날개 모양 을 모방한 공기역학적 풍력 터빈 블레이드에서 해바라기 처럼 태양을 추적하는 태양 전지판 에 이르기까지 재생 에너지 생산을 지원할 수 있습니다 . 콘크리트 에 대한 대안은 산호가 해수에서 광물을 끌어와 미래의 도시를 '성장'시키면서 건물의 기초와 직물에 과도한 탄소를 가두어 구조를 만드는 방법을 모방할 수 있습니다. 굴 과 같은 천연 필터 피더는 고갈된 해양 서식지를 복원하는 데 도움이 될 수 있습니다.

미생물도 역할을 할 수 있습니다. 박테리아 중 하나인 Ideonella sakaiensis 는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 대사하도록 진화한 반면 일반적인 토양 미생물인 Methylorubrum extorquens 는 핵폐기물의 가장 위험하고 수명이 긴 두 가지 성분인 아메리슘과 큐륨을 결합할 수 있는 단백질을 생성합니다.

제노봇은 또한 지구에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 로봇이라는 단어는 강제 노동을 의미하는 체코 로보타( robota )에서 파생되었으며 다음 세대의 제노봇은 우리의 혼란을 청소하는 일에 투입될 수 있습니다. 생물학적 로봇은 바다에서 미세 플라스틱을 제거하거나 오염된 토양에서 오염 물질을 제거할 수 있습니다. 특정 단백질을 운반하는 제노봇은 특정 파장에서 녹색 으로 빛나지만 다른 파장에 노출되면 빨간색으로 변하여 몇 시간 후에 노출을 "기억"합니다.

"당신은 '독성 물질을 감지하면 그 쪽으로 헤엄쳐 가 독소와 반응하는 화학 물질을 방출'하는 컴퓨터 프로그램과 거의 같은 특정 화학 물질을 감지하도록 설계할 수 있습니다."라고 Blackiston은 말합니다. 동일한 속성이 비침습적 치료를 수행하거나 질병을 찾아내는 제노봇과 함께 의학적 응용을 가질 수 있습니다.

혹등고래의 노래는 바다에서 인간이 생성한 소음으로 인해 변경되었지만 그 생물은 인간 발명가에게도 영감을 주었습니다(제공: Alamy)

현재 형태에서 세포에 저장된 음식이 모두 소모되면 제노봇은 단순히 소멸됩니다. 그들이 환경에서 에너지를 얻는 방법을 발전시킬 가능성은 희박합니다. "피부 생검은 물에 담그면 살아남을 수 없습니다."라고 Blackiston은 말합니다. "매우 통제된 세포 배양 환경이 필요합니다. 마찬가지로 자연의 개구리는 종종 피부 세포를 잃으며 이러한 세포는 에너지를 얻기 위해 증식하거나 진화하지 않습니다."

Blackiston은 진화가 놀라운 방향으로 바뀌는 미래를 보고 있습니다. "우리는 생명공학, 줄기세포 생물학, 컴퓨터 생물학이 발전함에 따라 인간과 컴퓨터가 점점 더 살아있는 시스템을 설계하는 방향으로 나아가는 것을 보게 될 것입니다."라고 그는 말합니다. 과학자들이 공개적으로 연구를 수행하는 것이 중요합니다. "나는 우리가 윤리학자, 변호사 및 지역 사회 구성원이 연구 설계에 더 많이 참여하는 것을 보기를 희망하며, 일단 실험실에서 나온 기술에 대해 논평하는 것이 아니라 세상에."

새로운 세대의 제노봇은 생명체의 놀라운 가소성을 증언합니다. 그러나 그들의 모든 약속에도 불구하고, 그들은 또한 동물들이 우리가 지배하는 세계에 대처하기 위해 얼마나 자주 자신의 몸을 적응시켜야 하는지를 상기시켜줍니다. 얼마나 많은 종들이 빠르게 변화하는 행성을 따라갈 수 있는지 두고 봐야 합니다. 확실한 것은 생명체의 적응성에 대한 우리의 계획되지 않은 전 지구적 실험이 가속화됨에 따라 동물 발명이 전례 없는 방식으로 테스트되고 있다는 것입니다.