생명의 탄생

어떻게 충돌과 폭격, 화산이 잇따라 어린 지구의 뜨겁고 생명 없는 지각을 강타하고, 어떻게 화학물질이 복제를 해 미생물로 변하기 시작했을까?

1. 생명의 기원

150년 이상 과학자들은 어떻게 생명에 불리한 원시 지구에서 발견된 이런저런 ‘원시’ 물질 같은 것에서 생명이 발생할 수 있었는지를 실제로 증명해 보이는 것이 불가능했고 생명의 기원에 관해 합의된 의견에 이를 수 없었다.

당시는 프랑스 과학자 루이 파스퇴르가 살아 있는 것이 들어 있지 않은 물질은 아무리 그냥 놓아두어도 생명이 생기지 않는다는 것을 증명한 지도 거의 100년이 지난 뒤였다. 곧 생명이 없는 척박한 땅에서는 가장 단순한 생명체도 저절로 나타날 수 없다는 말이었다

어떤 사람들은 아마도 성경에 쓰인 대로 생명이 어떤 거룩한 창조자, 즉 신의 손에 의해 창조되었을 거라고 믿었다. 이들은 신의 능력은 인간이 이해할 수 있는 범위를 넘어서는 것이므로 과학적 조사 방법으로는 결코 생명이 어떻게 발생했는지 알 수 없다고 주장했다. 

어떤 사람들은 생명이 외계에서 왔다고 생각했다. 우주는 말 그대로 어마어마하게 넓고, 따라서 저기 어딘가에 틀림없이 또 다른 지적 생명체가 있을 가능성이 없을 리 없다는 것이었다. 어쩌면 지구의 생명이 수십억 년 전에 지구 밖에 있는 생명체가 실험삼아 뿌린 씨가 결실을 맺은 것일지도 모를 일이었다.

2. 생명의 탄생

유리는 과학이 언젠가는 해답을 찾아낼 거라고 확신했다. 그는 생명을 만들 때 필요한 아미노산이라는 화학물질이 어떻게 원시 지구에서 만들어질 수 있었는지를 보여줄 방법을 찾고 싶었다. 그는 또 오랜 시간동안 하나의 세포로 이루어진 아주 단순한 생명체가 자연스럽게 또는 불가피하게 발달해 오늘날 우리가 아는 복잡하고 아름다운 세계가 되었을지도 모른다고 믿었다.

유리의 강의를 들은 학생 밀러는 강의가 끝나자 유리를 찾아가 아주 많은 이야기 끝에 유리를 설득해 실험실에서 이런저런 화학 물질을 섞은 것을 가지고 생명을 만들어내는 실험을 함께하기로 했다. 

먼저 정교한 장치에 대부분 화산이 폭발했을 때 분출했을 것으로 추측되는 수소와 메탄, 암모니아 같은 가스를 포함해 원시 지구에 존재했을 거라고 믿어지는 물질을 모두 집어넣을 계획이었다. 그리고 끓는 물이 든 플라스크와 연결된 관을 통해 이 병에 수증기를 집어넣고, 전기봉을 통해 강력한 전류를 한꺼번에 대량으로 흘려보내 원시 지구에 흔했던 강력한 번개를 재현했다.

그러나 아무일도 일어나지 않았고, 그날 밤 실험실을 떠나는 밀러는 자신의 노력에 대해 아무 것도 보여주지 못했다. 그런데 다음 날 아침 실험실에 오니 플라스크에 있는 물이 연한 붉은색으로 변해 있었다. 이는 곧 어떤 종류의 화학 반응이 일어났다는 뜻이었다. 이제 물에는 아미노산이 함유되어 있었다

아미노산은 생명에 없어서는 안 될 중요한 성분으로, 모든 식물과 동물이 살아 있는 세포를 만들 때 쓰는 물질이다. 유리와 밀러는 생지옥 같았던 지구에서 생명이 우연히 발생했다는 결론을 내렸다. 

3. 혜성의 대폭격

학자들은 환경의 변화가 우리 조상들에도 변화를 가져왔다고 말합니다. 오래전 밀러와 유리의 실험은 지구에서 생명이 어떻게 발생했는지를 과학적으로 이해하는 데 큰 전기가 되었다. 세월이 흐르면서 원시 지구에 정확히 어떤 화학물질이 얼마나 존재했는지를 두고 여러 가지 이론이 나오면서 화학물질의 혼합물도 조금씩 달라졌지만, 실험은 그 뒤에도 여러 번 반복되었다. 하지만 아무도 실험실에서 생명이 없는 화학물질로부터 살아 있는 세포를 만들어내지 못했다. 

어떤 과학자들은 생명이 지구의 초기 역사에서 일어난 또 다른 극적인 사건 덕분에 발생했을지도 모른다고 생각한다. 어쩌면 혜성의 ‘대폭격’으로 알려진 것이 생명의 씨앗이 되었을지도 모른다는 것이다. 그것은 약 37억 년 전에 거대한 붉은 행성인 목성 근처 어딘가에서 시작되었다. 

1687년에 영국 과학자 아이작 뉴턴이 모든 물체는 서로 끌어당기지만 물체가 클수록 끌어당기는 힘도 강하다는 것을 발견했다. 목성은 우리 태양계에서 가장 큰 행성이다. 그 안에 지구가 약 1300개나 들어갈 수 있을 정도로 어마어마하게 크다. 그 결과 목성은 끌어당기는 힘이 아주 강하다. 어쩌면 지구의 생명이 바로 여기서 시작되었을지도 모른다.

행성들이 형성된 뒤에도 태양계에는 작은 암석들이 무수히 많이 남아 있었다. 약 27억 년 전에는 그 가운데 특히 많은 암석이 목성의 어마어마한 중력에 이끌려 결국 목성 근처에서 태양의 주위를 돌게 되었다. 태양계는 불안정해 목성과 토성, 혜왕성 같은 큰 행성들이 궤도에서 벗어날 때 큰 행성들의 중력이 이 작은 혜성들과 소행성들을 축구공 차듯이 차는 바람에 태양계 전체가 폭격을 맞았다.

그 가운데 일부는 지구로 향했고, 마치 이상하게 생긴 대포알이 우수수 떨어지듯 지구에 떨어졌다.관찰 결과 수집된 증거는 생명을 만드는 아미노산이 그와 비슷한 혜성 안에서 왔을지도 모른다는 것을 말해준다. 이는 곧 지구의 생명이 무에서 느닷없이 생긴 것이 아닌 수도 있다는 뜻이었다. 

4. 세포의 번식

수많은 혜성들은 초기 지구를 들이받기 바로 몇 초 전에 녹기 시작했다. 지구의 대기와 마찰해 열이 발생하면서 혜성의 얼음이 녹기 시작한 것이다. 혜성 수백만 개가 저마다 길게 구부러진 꼬리가 달린 듯 뜨거운 증기를 내뿜으며 마치 수많은 눈던이처럼 지구로 급강하하는 모습은 정말 장관이었을 것이다.

증기는 응결되어 물이 되었고, 비가 내렸다. 그것도 너무 많이 내려, 어떤 전문가들은 우리의 호수와 강, 바다에 있는 물이 대부분 수십억 년 전에 지구에 떨어진 혜성에서 온 것일지도 모른다고 믿는다.

살아 있는 세포가 신기한 것은 번식할 수 있기 때문이다. 살아 있는 세포는 싹이 트거나 자식을 낳아 자신을 복제할 수 있다. 단세포는 대게 오늘날 바이러스와 박테리아가 그렇듯이, 자신과 똑같은 것을 만들어냈지만, 때로 복제 시스템에 문제가 생겨 돌연변이 세포가 만들어지기도 했다.

번식할 수 있는 능력은 생명으로 알려진 우주에 있는 다른 어떤 것과도 완전히 다른 것으로 만든다. 효모는 그럴 수 있고, 곰팡이도 그럴 수 있고, 박테리아도 그럴 수 있다. 무언가가 이들 물질을 자극해 복제를 시작할 수 있는 상태로 만들어놓은 것이다. 그리고 그 뒤에 일어난 모든 것이 지구 생명의 역사다.

5. 바다의 탄생

우수수 떨어지던 혜성의 빗줄기가 잦아들자 녹아 있던 용암이 딱딱한 지면으로 바뀔 정도로 지구 표면이 식기 시작했다. 하늘에서 떨어진 물은 초기 바다를 이루었고, 이것이 지표면을 더욱 식혔다. 지각 밑에 갇혀 있던 용암과 쉭쉭거리던 가스도 말 그대로 열기를 토할 필요가 있었다. 사방에서 화산이 분출했다. 산더미같이 거대한 불구덩이가 지구 전체에서 뜨거운 용암과 가스를 토해냈고, 계속 분출된 가스가 초기 대기를 형성했다.

초기 대기에는 질소와 메탄, 암모니아, 산소, 이산화탄소가 들어 있었고, 이것들이 바로 밀러와 유리가 생명의 재료를 섞을 때 쓴 기본 재료다. 산소는 지구의 대기로 분출해, 우리의 태양과 태양계를 형성한 대폭발이 남긴 다른 가스와 결합했다. 수소였다.

두 가스는 결합해 더 많은 물을 만들어냈고, 혜성에 의해 시작된 홍수가 갈수록 커져 마침내 물이 거의 지구 표면의 70퍼센트를 덮었다. 단세포 생물체의 또 한 유형은 아마 먹이가 부족할 때 복제 시스템이 오류가 생겨 실수로 태어났을 것이다. 이것은 완전히 새로운 에너지원에 의지해 살 수 있도록 적응되었다. 햇빛을 이용해 이산화탄소와 물을 분해해 식량을 만든 것이다.

이 간단하지만 기발한 양분 섭취과정이 우리가 지금 광합성이라고 부르는 것이다. 메탄 생성 미생물과 달리 이런 시아노 박테리아는 물속에 비치는 햇빛에 기대어 살 수 있을 정도로 해수면과 가까운 곳에서 살 필요가 있었다. 이들의 광합성은 지구의 대기를 변화시켰다. 광합성을 하면 폐기물로 산소가 나오기 때문이다. 수십억 년 동안 시아노 박테리아는 이 잉여 생산물을 배출해 공기 중 산소의 농도가 계속 높아졌다.

6. 풍부한 산소

시아노 박테리아는 공기 속 이산화탄소를 먹어치움으로써 엄청나게 더운 지구의 기온을 떨어뜨리는 데도 기여했다. 이 열을 흡수해 간직하는 ‘온실’ 가스가 줄자 기온이 떨어졌다. 기온의 하락은 생명이 다음 단계로 도약하는 데 도움이 되었다. 단세포 박테리아가 융합해 복잡하고 정교한 생물로 자라기 시작했다

약 20먹 년 전에 자연계에 또 한 번 돌연변이가 일어나 단세포 박테리아가 산소가 풍부한 대기를 먹을 수 있게 되었다. 산소에는 엄청나게 많은 에너지를 주는 속성이 있고, 따라서 호흡이라고 하는 그러한 과정은 다른 생활방식보다도 열배나 많은 에너지를 생산해낼 수 있었다. 머지않아 바다에는 바다에 녹아 있는 산소를 먹고사는 아주 에너지 넘치는 세포들로 가득 찼다.

이 세포들은 현미경으로나 볼 수 있을 정도로 아주 작았지만 어찌나 기운이 팔팔했던지, 어떤 것들은 자기보다 큰 다른 세포 속으로 뚫고 들어가 서로에게 이익이 되는 거래를 하기 시작했다. 작은 세포는 큰 세포의 노폐물로 먹고, 큰 세포는 작은 세포가 호흡을 해서 만들어내는 잉여 에너지를 이용했다. ‘세포 내 공생‘이라고 부르는 이런 협력 관계를 통해 큰 세포들은 이제 갈수록 산소가 많이 세상에서 생존할 수 있는 채비를 더 단단히 할 수 있었다.

미토콘드리아라고 부르는 부분은 음식을 에너지로 바꾸었다. 엽록체라고 부르는 부분은 세포에 해로운 노폐물을 제거하는 선수가 되었다. 또 다른 부분은 무에서 똑같은 세포를 만들어내는 데 필요한 정보를 모두 저장해두는 일을 했다. 이것을 유전자라고 부르며, 유전자는 세포에서 핵이라고 부르는 부분에 살며, 디옥시리보핵산 또는 DNA라고 부르는 화합물로 만들어졌다.

이 에너지 많은 복잡한 세포들 가운데 일부가 또 다른 살아 있는 박테리아를 통째로 꿀꺽 삼키면 훨씬 풍부한 새로운 식량원에 접근할 수 있다는 것을 발견했다. 세계 최초의 입은 이도 없는 아주 작은 구멍에 불과했지만, 이것은 생물들 사이에 잡아먹고 잡아먹히는 강력한 관계를 낳았다. 생물들은 이제 재빨리 진화해 잡아먹히지 않도록 자신을 보호하거나 더 나은 공격 능력을 갖추기 위한 무기 경쟁에 뛰어들었다.

기적같이 생명이 출현할 조짐은 이미 복잡한 박테리아의 형태로 나타났지만, 물고기와 동물, 풀과 나무가 처음 모습을 나타내려면 훨씬 더 많은 시간이 지나야 했다.

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