자연선택은 특정한 환경 속에서 살아남기에 유리한 형질을 가진 개체군이, 그렇지 못한 형질을 지닌 개체군에 비해 '생존'과 '번식'에서 이점을 얻게 된다는 이론이다. 이를 자연도태라고도 부른다. 진화가 일어나는 주요 메커니즘 가운데 핵심적인 원리로 여겨진다. '자연선택'이라는 용어는 찰스 다윈이 '인공선택'과의 대비 속에서 보급시킨 개념으로, 다윈이 사용한 인공선택은 오늘날 품종개량이라는 용어로 더 널리 쓰이고 있다. 인공선택이 인간의 목적과 선택에 의해 이루어진다면, 자연선택은 개체군 내에서 존재하는 변이가 주체가 된다. 실제로 모든 유기체 집단에는 다양한 변종이 존재하고 있다. 자연선택 개념은 1858년 다윈과 알프레드 러셀 월리스가 거의 동시에 제시하였다. 다윈은 같은 종이라도 환경이 달라지면 그에 맞게 변이가 생기고, 그 가운데 생존에 유리한 변이가 남아 후대에 전달되면서 점차 진화가 일어난다고 설명하였다. 그러나 당시에는 개체의 변이가 유전되지 않는다고 여겨졌기 때문에 다윈의 이론은 비판도 받았다. 자연선택의 대표적인 사례로는 공업암화현상이 알려져 있다. 19세기 산업혁명 시기 영국에서 산업화가 진전되면서, 회색가지나방의 생존 양상이 달라졌다. 원래는 회색과 흰색 개체가 있었는데, 산업화로 환경이 어두워지자 밝은색의 나방은 눈에 잘 띄어 포식당하기 쉬웠고, 어두운 색의 나방이 상대적으로 더 많이 살아남게 된 것이다. 반대로 오염이 덜한 시골 지역에서는 흰색 나방의 생존율이 더 높았다. 이러한 현상은 실제 자연선택이 작동하는 모습을 잘 보여준다. 또한 장기간에 걸친 대장균 진화 실험 등에서도 비슷한 원리가 재현되는 것이 확인되었다. 자연선택은 기본적으로 유전 가능한 변이와 차별적 번식을 통해 작동한다. 산업혁명 당시 오염으로 인해 지의류가 줄고 나무줄기가 검게 변하면서, 원래 밝은 색을 띠던 회색가지나방 집단은 점차 어두운 색 개체가 우세해졌다. 새와 같은 포식자가 시각적으로 먹이를 탐색하기 때문에, 환경색과 더 잘 어울리는 어두운 개체가 생존에 유리했던 것이다. 생물 집단에서는 언제나 변이가 존재한다. 그중 일부 특성은 생존과 번식 기회를 늘려 더 많은 자손을 남기게 하며, 이러한 특성이 유전 가능하다면 세대를 거듭할수록 그 형질을 가진 개체의 비율은 증가한다. 설령 번식에서의 이점이 미약하더라도 지속적인 세대 변화 속에서 점차 집단을 지배하는 특성이 될 수 있다. 이렇게 환경은 번식에서 이점을 주는 특성을 선택하게 되고, 그 결과 종은 점차 변화한다. 다윈이 강조했듯이 이는 진화를 이끄는 과정이다. 겉으로는 마치 목적을 지닌 선택처럼 보일 수 있으나, 자연선택에는 의도나 목적이 존재하지 않는다. 인공선택은 인간의 목적에 따라 진행되지만, 자연선택은 단순히 환경과 변이의 상호작용일 뿐이다. 학자들이 설명 과정에서 목적론적 언어를 사용할 수는 있으나, 이는 단지 설명상의 편의일 뿐 본질적으로 자연선택은 목적이 없는 과정이다. 영국의 회색가지나방 사례는 이를 잘 보여준다. 산업혁명 시기 맨체스터 지역에서는 나무줄기가 그을음으로 어두워져, 어두운 나방이 눈에 덜 띄게 되어 생존 확률이 높아졌다. 그 결과 불과 50년 만에 어두운 개체가 지역 집단의 대부분을 차지하게 되었다. 그러나 1956년 청정대기법이 시행되면서 환경이 다시 밝아지자 균형은 뒤집혔고, 어두운 나방은 다시 드물어졌다. 이 변화는 자연선택이 실제로 집단의 형질 변화를 이끌어내는 힘이라는 것을 명확히 입증하였다. 적응도라는 개념은 자연선택에서 가장 중요한 개념 가운데 하나다. 일반적으로 '더 적합한 개체가 살아남는다'는 의미로 알려져 있으며, 흔히 적자생존이라는 문구로 표현된다. 하지만 실제 과학적 의미는 단순히 생존 가능성에 국한되지 않고 훨씬 더 정교하다. 현대 진화론에서는 적응도를 개체가 얼마나 오래 생존했는지가 아니라, 얼마나 번식에 성공했는지로 정의한다. 예를 들어, 한개체가 평균보다 짧은 기간만 살아도, 성체까지 자란 자손을 두 배 더 많이 남겼다면 그 개체의 유전자는 다음 세대 집단에서 더 큰 비율을 차지하게 된다. 자연선택이 개체 차원에서 작동한다 해도, 실제 적응도는 집단 내 개체들의 평균적 효과로 정의된다는 점이 특징이다. 따라서 특정 유전자형의 적응도란, 그 유전자형을 지닌 개체들이 전체적으로 나타내는 평균적인 번식 성공과 연결된다. 생물학에서 경쟁은 한 개체의 적응도가 다른 개체의 존재로 인해 낮아지는 상호작용을 뜻한다. 이 현상은 개체들이 먹이, 물, 서식지, 영역과 같은 제한된 자원을 공유하려 할 때 발생한다. 경쟁은 같은 종 내부에서도 나타나며, 서로 다른 종 사이에서도 발생할 수 있다. 또한 직접적으로 일어날 수도 있고, 간접적인 형태로 나타날 수도 있다. 일반적으로 경쟁에서 덜 적합한 종은 변화된 환경에 적응하거나, 그렇지 못하면 멸종하게 된다. 다만 룸 투 롬 이론에 따르면, 더 큰 계통군 사이에서는 경쟁보다는 서식지 확장 같은 요인이 상대적으로 더 중요한 역할을 한다고 해석되기도 한다. 이러한 경쟁 개념은 로버트 맥아서와 E. O. 윌슨이 정립한 섬생물지리학의 틀에서 발전한 r/K 선택 이론으로 모형화된다. 이 이론에서는 선택 압력이 개체군을 r-선택 또는 K-선택이라는 두 가지 양상 중 하나로 진화시키는 방향을 제시한다. 여기서 r과 K는 개체군 역학의 로지스틱 성장 방정식에 등장한다. r-선택 종은 빈 생태적 지위를 활용해 많은 수의 자손을 낳지만, 개별 자손이 성체까지 생존할 확률은 낮다. K-선택 종은 이미 밀도가 높은 환경에서 강한 경쟁력을 보이며, 수는 적지만 성체까지 살아남을 가능성이 높은 자손에 투자한다.
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