생명의 기원

☞ 45억-46억년전으로 추정되는 지구의 역사에서 그린란드에 37억년전 화석이 발견되어 최초의 생명체에 대한 증거가 되었지만, 지구가 어느 정도 안정된 43억년정도에 최초의 생명체가 나타난 것으로 추정하고 있다. 

 

37억년전 그린란드에서 발견된 화석 -Allen Nutman/University of Wollongong via AP

화성에서 바다로 보이는 흔적들이 발견되었지만, 물이 말라버린 것은 지구가 얼마나 생명체가 존재하기에 적당한 환경인가를 보여주는 것으로, 태양과의 적당한 거리와 적당한 크기를 통해 대기와 바다를 중력으로 유지하면서 잃어버리지 않는 힘과 자기장을 통해 태양의 강력한 자외선을 방어하는 환경 등 여러가지 요인들이 생명체의 출현에 영향을 끼쳤다. 얼어있는 태양계 소행성이나 혜성, 운석 등에서 물이 존재하고 있고, 여러 먼지와 소행성들이 결합된 지구에도 얼어붙은 물이 존재했을 것으로 보여지며, 잦은 운석과 혜성의 충돌로 물이 지구로 유입되었고, 이들이 소행성의 충돌로 뜨거운 암석대기가 되어 식어지면서 하늘에서 비가 되어 내리면서 바다가 된 것으로 보인다.

 

☞ 우주에서 온 운석이나 혜성의 성분을 분석해보아도 아미노산이 발견되듯이 지구 생성 과정에서 우주속에 있던 성분들이 지구에도 들어온 것으로 추정된다. 지구가 생성되고 10억년도 안된 원시 지구 대기속에 원자 상태의 원소들이 결합하여 메탄, 암모니아, 수증기, 수소 등의 환원성 기체들이 있었으며, 유기화합물인 수십가지의 아미노산이 존재한 것으로 추정된다. 이러한 아미노산으로 부터 최초의 생명체가 출현한 것으로 보이는데, 생명의 기원과 관련하여 원시스프가설, 심해열수구가설, 암석모델, 진흙촉매가설, 작은연못가설, 배종발달설, 운모시트사이가설 등 여러 가지 가설이 있다. 

☞ 세포막이라는 기름주머니안에 단백질, 핵산이 들어있는 유기물이 환원성 기체에 불꽃을 튀겨 만들어진다는 유리-밀러의 실험을 통해 원시지구가 무기화합물에서 유기 화합물로 합성되기 좋은 환경이었다는 것을 증명하는 오파린과 홀데인이 이러한 실험을 통해 생명의 기원에 대한 원시스프가설을 주장하였다. 

밀러-유리의 실험

☞ 밀러의 유기물 실험에서는 메탄, 암모니아, 수소 등 원시 지구의 대기에 존재하던 기체들을 밀폐 용기에 넣고 물을 끓여 열을 가하면서 1주일 동안 전기 방전을 주었다. 그 결과 글라이신, 알라닌 등의 아미노산, 또 유기산 등의 유기물이 생성되었고 이 실험을 통해 원시 대기 상태에서 무기물이 간단한 유기물로 될 수 있다는 것을 입증하였다. 

 

☞ 1977년 잠수함을 통한 바다속 해저열수구 탐사를 통해 과학자들은 바다가 생명의 기원일 수 있다는 가설을 제시하였는데, 초기 유기물들은 이 열수구 주위의 황철석의 촉매작용을 통해서 초기 대부분의 화학진화가 열수구에 축적된 유기물 층에서 발생했을 것으로 추정하였으며, 이를 심해열수구 가설이라 한다. 실제로 섭씨 100도가 넘는 해저 열수구에서 고미생물인 초호열성 메탄생성균이 살고 있어 심해열수구가설을 뒷받침한다. 이러한 해저 열수구 주변의 독립 영양 박테리아들이 열수구에서 뿜어져 나오는 황성분을 영양분으로 사용하는 것처럼, 초기 세포들도 이러한 물질들을 에너지로 사용했을 것으로 추정된다.  최근에 이루어지는 레이저 핵산 실험과 화산폭발에 기반한 스탠리 밀러의 제자들의 실험, 그리고 미항공우주국 NASA에서 진행되는 실험들이 심해열수구 가설을 지지하는 논거로 사용된다.

 

 

☞ 지구가 처음 생성되었을 당시에는 원시 대기 중에는 메탄, 암모니아, 수증기, 수소 등의 환원성 기체들로 구성되어 있었으며, 산소가 없어 당연히 오존층도 존재하지 않았다. 조그마한 미생물이라도 오존층이 없어 태양의 자외선이 그대로 지표면에 도달하여 지상에서는 생존하기가 어려웠고, 첫 생명체의 탄생을 비롯해서 생물들의 생존지역은 태양의 자외선이 덜 미치는 바닷속으로 한정될 수밖에 없었다. 이러한 생물들이 대기속의 원소들중에 이산화탄소를 흡수하면서 산소를 만들어 내기 시작하였는데, 남세균이 대표적인 미생물이다. 

남세균(Cyanobacteria) 등 광합성을 하는 미생물들이 대기의 이산화탄소를 흡수하고 그 부산물로 산소분자를 배출하면서 대기 중의 산소 농도가 급격히 높아지게 되었고, 덕분에 지구 상공에 오존층이 형성될 수 있었다. 

   

☞ 지구를 보호하는 오존층 덕분에 미생물을 비롯해서 균류와 식물들이 물 밖으로 나와 지상에서도 생존할 수 있게 되었고, 약 4억 년 전에는 물고기의 일종이었던 척추동물마저 땅으로 이주하면서 오늘날 육지동물의 조상이 되었다. 오존층이 형성되지 않았더라면 오늘날의 인류 역시 애당초 출현할 수 없었을 것이고, 광합성 식물들은 지구상에서의 산소생성을 통해 다양한 생물들이 진화할 수 있는 기초를 마련해 주었다.

 

☞ 1936년의 오파린의 가설에 따르면, 유기물이 원시 바다에 축적되는 과정에서 유기물 복합체가 되고, 이로부터 생명체가 형성되었다고 주장하는데, 오파린은 최초의 유기물 복합체인 코아세르베이트라 명명하고 이를 최초의 생명체라고 주장하였다. 코아세르베이트는 생명체라고는 할 수 없지만 외부 물질을 받아들이고 내부 물질을 밖으로 내보내기도 하며, 일정크기 이상이 되면 둘로 분열되는 등의 특징을 보이기 때문에 원시 생명체의 기원으로 추정하였다. 하지만 생물의 특징 중 없는 것이 있어 마이크로스피어나 리포솜 등 생명의 기원에 대한 다른 가설을 세우게 되었다.

 

Coacervate - Tian L, Martin N, Bassindale P, Patil A, Li M, Barnes A, Drinkwater B, Mann S

☞ 1959년 폭스는 고분자 물질 형성실험을 통해 폴리펩티드를 합성하는데 성공하였는데, 이 실험을 통해 아미노산이 뜨거워진 원시 바다에서 오랜 시간 농축되면 더 복잡한 고분자 물질로 합성될 수도 있다는 프로테노이드설을 주장하였다. 아미노산을 다량 함유하는 아미노산 혼합물을 가열하면 생기는 일종의 폴리아미노산인 프로테노이드를 뜨거운 물에 넣었다 식히면 형성되는 액상의 유기물 복합체인 마이크로스피어는 2중막으로 싸여 있고 물질을 선택적으로 투과시키며, 성장하다가 출아하여 증식하고, 간단한 대사 작용이 가능한 점에서 코아세르베이트에 비해 구조가 안정적이고 고등한 단계의 생물체이다. 또한 물질을 외부로부터 선택적으로 흡수하고, 효모와 같은 번식 방법인 출아를 하기도 한다. 

 

리포솜의 구조

 

☞ 리포솜(liposome)은 머리부분의 인산과 꼬리부분의 지방산으로 구성된 인지질을 수용액에 넣었을 때 생성되는 인지질 이중층이 속이 빈 방울 같은 구조를 이룬 것을 말하는데, 막을 통해 주변 환경으로부터 물질을 선택적으로 흡수해 크기가 커질 수 있고, 부피가 커지면 작은 리포솜 방울이 형성되어 분리되어 증식함으로써 원시세포로 발생했을 가능성이 높다. 이는 단순한 의미의 생식이 가능하다는 증거이며, 리포솜의 막을 형성하는 인지질이 세포막의 주성분이라는 점에서 리포솜을 세포막의 원조라 추측된다. 초기 리포솜이 유전물질을 포획해 생명체로 진화한 것으로 추정된다.

세포막과 비교해보면, 세포막은 세포를 보호하기 위한 구조이나, 리포솜은 외부에서 생명체 내부로 물질을 안전하게 운반하기 위한 구조라는 차이점이 있다.

☞ 코아세르베이트, 마이크로스페어 또는 리포솜에서 만들어졌을 것이라고 추측하는 최초의 원시생명체는 산소가 없던 원시지구의 바다에 산재한 풍부한 유기물을 이용하여 무기호흡을 하는 종속영양생물이었을 것으로 추정되며, 이러한 종속 영양 생물이 번성하면서 대기 중의 이산화탄소 농도가 증가하게 되고, 이산화탄소를 이용하여 유기물을 합성하는 독립 영양 생물이 출현하게 되는데, 최초 독립 영양 생물로는 빛에너지와 황화수소를 이용하여 광합성 기능을 하는 세균이었을 것으로 추정하고 있다. 실제로 호주의 해변에서 35억년전의 암석인 스트로마톨라이트에서 최초의 독립영양생물로 추정되는 화석이 발견되었다. 이후에 남조류가 번성하여 산소의 농도가 증가하게 되었다고 추측하고 있다.

호주 해변에서 발견된 스트로마톨라이트 화석

☞ 스트로마톨라이트의 화석은 이산화탄소를 유기물로 전환하는 과정에서 태양의 빛에너지와 황화수소를 이용하는 광합성세균으로 추정하고 있다. 그 이후 바다의 풍부한 물에서 광합성을 하는 원시 남조류가 출현하여 산소를 배출하였을 것이고, 산화성 기체인 산소가 증가하면서 산소에 민감한 생명체는 도태되고 산소호흡을 하는 종속영양생물이 번성하게 되었으며, 산소가 대기 중에 축적되면서 오존이 만들어져 지구 전체에 오존층이 만들어졌을 것이다. 지구 대기의 오존층 생성은 생물이 바다에서 육상으로 진출할 수 있는 조건을 만들어 준 계기가 되었다.