생명은 어떻게 시작됐을까요? 오래된 암석에 남은 생명의 흔적과 생명 구성 물질을 만드는 실험은 이 질문에 다가갈 단서입니다. 오늘날 생물들이 공유하는 공통조상을 찾는 일도 중요합니다. 다만 그 공통조상이 지구에 처음 등장한 생명과 같지는 않을 수 있습니다.

생명의 재료가 만들어졌다고 곧 생명체가 되는 것은 아닙니다. 재료를 한곳에 모으고 반응을 이어 갈 에너지가 필요합니다. 바닷속에서 알칼리성 물이 솟는 열수구는 이 조건을 갖췄을 후보지입니다. 한편, 지금 살아 있는 생물들의 유전정보를 비교하면 먼 조상이 어떤 환경에서 살았을지 거슬러 추측할 수 있습니다.

복잡한 세포의 탄생에는 서로 다른 미생물이 함께 살아가는 공생이 중요한 역할을 했습니다. 유전정보 분석과 오랜 배양 연구는 그 만남의 상대와 과정을 찾는 데 도움을 줍니다. 관찰된 모습과 과거에 대한 가설을 구별하며, 긴 미생물 역사 속에서 우리의 기원을 찾는 일입니다. 이런 기초연구에는 당장의 활용 가능성만으로 평가하기 어려운 시간도 필요합니다.

강연 목차

1. 생명의 시작을 탐구하는 과학

인간과 동식물은 핵이 있는 세포로 이루어진 진핵생물입니다. 세균과 고균은 핵이 없고 겉모습도 비슷하지만, 유전적 특성이 서로 다른 생물입니다. 이 생물들이 공유하는 먼 공통조상을 루카(LUCA)라고 부릅니다. 그러나 루카가 최초의 생명이라는 뜻은 아닙니다. 더 먼저 생겨났다가 멸종해 오늘날까지 후손을 남기지 못한 생명도 있었을 수 있습니다.

과거 생명의 흔적은 암석에 남아 있습니다. 현미경으로 살펴야 할 만큼 작은 생물의 화석이 미화석입니다. 미생물의 활동으로 퇴적물과 광물이 층층이 쌓인 구조는 스트로마톨라이트라고 합니다. 다만 흔적이 발견됐다고 그 미생물이 산소까지 만들었다고 단정할 수는 없습니다. 바닷물 속 철이 산화되어 쌓인 줄무늬 철광층도 지구 환경이 달라져 온 역사를 읽는 단서입니다.

생물이 무생물에서 저절로 생긴다는 자연발생설은 실험으로 시험됐습니다. 파스퇴르는 유리병의 목을 백조의 목처럼 구부려 공기는 통하게 하되 먼지와 미생물은 걸리게 했습니다. 끓인 영양액에서는 미생물이 자라지 않다가, 병을 기울여 오염원과 접촉시키자 자랐습니다. 이 조건에서는 기존 미생물이 들어와야 증식한 것입니다. 다만 이 실험만으로 초기 지구에서 최초의 생명이 어떻게 생겼는지까지 답할 수는 없습니다.

옛 생명의 흔적을 찾는 일과 최초 생명이 생긴 과정을 밝히는 일은 다릅니다. 발견한 증거가 어디까지 설명해 주는지 살펴야 합니다.

2. 무기물에서 유기물로, 합성 실험이 밝힌 가능성

러시아의 생화학자 오파린과 영국의 유전학·생화학 연구자 홀데인은 생명 탄생 이전의 화학 반응에 주목했습니다. 초기 지구에 생명의 재료가 되는 유기물이 만들어져 바다에 쌓였을 것이라는 생각이 원시 수프 가설입니다. 오파린은 유기물 분자가 모여 농축된 작은 액체 방울인 코아세르베이트에도 주목했습니다. 살아 있는 세포는 아니지만, 물질이 한곳에 모이는 모습을 생각할 모형이었습니다.

이런 생각을 실험한 것이 1953년 밀러와 유리의 연구입니다. 메탄·암모니아·물·수소를 초기 대기의 성분으로 가정하고, 번개처럼 전기 방전을 일으켰습니다. 그 결과 단백질의 재료인 아미노산이 생겼습니다. 밀러는 수증기를 분사해 화산 분출을 모방하거나 황화수소를 넣는 실험도 했습니다. 훗날 남아 있던 시료를 더 정밀하게 분석하자 다양한 아미노산과 관련 물질이 확인됐습니다. 생명체 없이도 생명 구성 물질이 만들어질 수 있다는 근거입니다.

1969년 호주에 떨어진 머치슨 운석에서도 아미노산과 여러 유기물이 발견됐습니다. 생명의 재료는 우주에서도 만들어질 수 있지만, 이것이 외계 생명 자체의 발견은 아닙니다. 다음 문제는 재료들이 연결되고 한곳에 모이는 과정입니다. 아미노산을 가열하거나 반응을 돕는 점토를 이용하고, 세포막과 비슷한 경계를 만드는 실험은 그 가능성을 살핍니다. 그래도 재료를 모아 두는 것만으로는 부족합니다. 반응을 계속할 에너지가 필요합니다.

생명의 재료를 만드는 데 성공해도 생명체가 완성된 것은 아닙니다. 그 재료들이 모이고 반응을 계속할 조건까지 설명해야 합니다.

3. 에너지와 유전자로 거슬러 찾는 공통조상

생물은 외부에서 에너지를 얻어 몸속의 반응을 유지합니다. 생명 탄생을 설명할 때도 재료를 어떻게 모으고 에너지를 어떻게 공급할지가 중요합니다. 햇빛 없는 깊은 바다의 관벌레 속에는 황화수소에서 에너지를 얻는 미생물이 삽니다. 이 미생물은 그 에너지로 이산화탄소를 몸의 재료가 되는 유기물로 바꿉니다. 빛 없이도 생태계가 유지될 수 있다는 사례입니다. 이 미생물이 최초 생명이라는 뜻은 아닙니다.

알칼리성 해저 열수구 가설은 바닷속에서 알칼리성 물이 솟는 곳을 생명 탄생의 후보지로 봅니다. 암석의 작은 구멍은 유기물이 흩어지지 않고 모일 공간이 될 수 있습니다. 열수와 주변 바닷물 사이의 수소 이온 농도 차이는 반응을 이어 갈 에너지원으로 제안됩니다. 물높이 차로 발전하듯 농도 차이를 이용한다는 생각입니다. 루카를 처음부터 독립한 한 세포가 아니라, 이 작은 공간들에 모인 초기 생명들의 집단으로 보는 가설도 있습니다. 조장천은 이 환경을 유력하게 보지만, 실제로 그곳에서 생명이 탄생했다는 사실이 확정된 것은 아닙니다.

지금 살아 있는 생물에서도 조상의 흔적을 찾습니다. 세포에서 단백질을 만드는 장치인 리보솜에는 RNA가 들어 있습니다. 생물 사이에서 이 RNA를 비교하면 족보처럼 진화적 관계를 살필 수 있습니다. 실험실에서 기르기 어려운 미생물까지 조사하면서 진핵생물을 고균에서 갈라진 계통으로 보는 설명이 등장했습니다. 세균과 고균이 공유하는 유전자를 비교한 연구는 루카가 뜨겁고 산소 없는 곳에서 수소를 이용하고 이산화탄소로 유기물을 만들었을 가능성을 제안했습니다. 과거 생물을 직접 본 결과가 아니라 현재의 자료로 거슬러 추측한 것입니다.

현재 생물의 유전정보에는 오래된 생명의 흔적이 남아 있을 수 있습니다. 바닷속 환경과 유전자를 함께 살피며 과거의 생명을 추론합니다.

4. 공생으로 열린 진핵생물의 길

세포 안에서 호흡을 통해 에너지를 얻는 미토콘드리아는 원래 별개의 세균에서 유래했습니다. 서로 다른 생물이 함께 사는 공생이 세포 안에서 자리 잡은 것입니다. 다만 진핵세포가 먼저 생겨 이 세균을 받아들였는지, 공생하면서 진핵세포가 만들어졌는지는 중요한 쟁점이었습니다. 미토콘드리아가 없는 것처럼 보였던 생물에서도 그것에서 유래한 세포 내 기관이 발견됐습니다. 지금 모습만으로 먼 조상에게도 미토콘드리아가 없었다고 판단할 수는 없습니다.

바다에서 얻은 시료의 유전정보를 분석하자, 진핵생물과 가까운 관계로 여겨지는 아스가르드 고균이라는 무리가 주목받았습니다. 세포의 모양을 지탱하는 구조와 관련된 유전자도 있었지만, 그것만으로 다른 세균을 삼킬 수 있다고 단정할 수는 없습니다. 2019년 8월에는 12년에 걸친 연구 끝에 배양한 고균의 모습이 공개됐습니다. 연구진은 밖으로 뻗은 돌기가 다른 미생물과 접촉하고 함께 살게 된 과정과 관련됐을 가능성을 제안했습니다. 당시에는 심사가 끝나기 전 공개한 논문이었으며, 옛 생명의 탄생을 그대로 재현한 실험은 아니었습니다.

공생은 세포 안의 역할 분담으로도 이어졌습니다. 미토콘드리아가 에너지를 공급하고 바깥 세포막은 먹이를 받아들이는 역할에 집중할 수 있었다는 것이 세포의 복잡성을 설명하는 관점입니다. 식물에서는 남세균에서 유래한 엽록체가 빛을 이용하게 됐습니다. 긴 지구 역사의 대부분은 미생물의 세계였고, 그 만남은 인간을 포함한 다양한 생명의 배경이 됐습니다. 이를 밝히는 연구에는 긴 시간도 필요합니다. 다윈과 멘델의 연구처럼 당장 쓸모가 뚜렷하지 않은 기초연구도 훗날 생명을 이해하는 방식을 크게 바꿀 수 있습니다.

복잡한 세포의 역사는 한 생물이 변해 온 과정만으로 설명되지 않습니다. 서로 다른 생물이 함께 살며 세포의 일부가 된 역사도 담겨 있습니다.