생명 최초의 30억 년 / 앤드류 H. 놀

 

 

 

 

 

 

프롤로그

 

ㆍ캄브리아기가 시작되는 5억 4,200만 년 전, 화석기록에 크고 작은 동물들이 갑자기 폭발하듯 출현한다. 이것을 캄브리아기 대폭발이라고 한다. 이 사건은 이때 현재이 동물들 대부분이 출현한다는 의미에서 오늘날의 세상을 열었다고 할 수 있다. 

 

ㆍ산소는 생물에게 두 번의 생태적 기회를 열어주었다. 

1) 약 22억년 전: 지구에 어떤 계기로 산소가 쌓이기 시작하면서 우리 인간처럼 산소를 이용할 수 있는 생물이 그렇지 않은 생물과 더불어 살아갈 수 있게 되었다.그러나 지구는 곧 바로 지금의 세상이 되었다기보다는 해수면에만 약간의 산소가 있는 여전히 낯선 장소였기 때문에, 산소를 이용하는 진핵생물의 삶은 힘겨웠다. 그러다 역시 어떤 계기로 산소 장벽이 치워지자 그동안 유성생식, 세포골격, 유전자의 조절 스위치 같은 혁신의 도구들을 차곡차곡 마련한 준비된 생물들은 마침내 죽죽 뻗어나갈 수 있게 되었다.

2) 선캄브리아기 시대 막바지: 빙하기와 대멸종 같은 환경 대변동으로 생긴 너그러운 생태계와 맞물려 캄브리아기 대폭발을 이끌었다. 너그러운 생태계가 서투른 새 종을 배려하면서 다양한 생물이 진화할 수 있었다. 

 

 

 

1. 처음에 무엇이 있었을까?

ㆍ다윈은 자연선택을 더디지만 연속된 과정으로 보고, 이런 과정에 의해 생물의 계통이 갈라져 서서히 서로 멀어진다고 생각했다. 두 종을 연결하는 중간형태가 현재의 세상에 드문 것은 자연 선택이 이들을 가차 없이 제거했기 때문이라고 보았다. 

 

ㆍ형태는 어느 날 돌연히 변화하는 것이지 연속적으로 변화하지 않는다. 

 

 

 

2. 생명의 계통수

ㆍ세포의 형태와 기능은 엄청나게 다양하지만, 모든 세포는 똑같은 핵심분자들을 갖고 있다. 세포는 ATP, DNA, RNA, 공통의 유전암호, 유전정보를 DNA에서 RNA로 전사하는 분자공장, RNA 메시지를 몸 구조를 만들고 세포 기능을 조절하는 단백질로 번역하는 분자공장을 똑같이 공유한다. 뒤집어 살펴봐도 놀랍다. 이렇게 기본 분자구조가 같은데도 생물들은 저마다 크기, 모양, 생리구조, 행동이 그토록 다른 것이다. 이처럼 그 나름대로의 방식으로 경이로운 생명의 통일성과 다양성은 비교생물학의 두 가지 거대한 주제가 되고 있다. 

 

ㆍ식물, 동물, 균류, 조류, 원생동물은 진핵생물이다. 계통학적으로 진핵생물은 막으로 둘러싸인 핵 안에 유전물질이 들어 있는 세포구조 패턴을 보인다. 그러나 박테리아를 비롯한 원핵생물은 다르다. 원핵생물의 세포에는 핵이 없다. 

 

ㆍ진핵생물이 살아가는 기본방식은 세 가지다. 인간과 같은 생물은 종속영양생물이다. 종속영양생물은 다른 생물이 만든 유기분자를 소화시켜 성장에 필요한 탄소와 에너지를 얻는다. 에너지를 얻기 위해 우리 몸의 세포들은 산소를 이용해 당을 이산화탄소와 물로 분해한다. 이 과정을 1) 산소호흡이라고 한다. 종속영양생물은 비상사태가 발생하면, 2) 발효라는 2차대사를 가동해 약간의 에너지를 얻을 수 있다. 발효는 하나의 유기분자가 두 개의 분자로 분해되는 무산소 과정이다. 양조에 이용되는 효모 같은 몇 가지 진핵생물은 삶의 대부분을 이런 방법으로 살아간다. 진핵생물이 가동하는 세 번째 에너지 대사는 3) 광합성이다. 식물과 조류가 광합성을 한다. 엽록소를 비롯한 광합성 색소들이 태양으로부터 에너지를 거두어들여 식물이 이산화탄소를 유기물로 고정할 수 있도록 한다. 빛을 생화학 에너지로 바꾸려면 전자가 필요한데, 물이 여기에 필요한 전하를 공급한다. 이 과정에서 부산물로 산소가 생긴다. 

 

ㆍ원핵생물은 호흡, 발효, 광합성이라는 세 가지 물질대사를 다양하게 변주하는 능력만도 아주 뛰어난데, 여기다가 진핵생물이 전혀 알지 못하는 물질대사를 하나 더 진화시켰다. 그것은 화학합성이다. 화학합성을 하는 미생물은 광합성을 하는 생물과 마찬가지로 이산화탄소에서 탄소를 얻지만, 에너지원으로 햇빛이 아니라 화학반응을 이용한다. 산소나 질산염을 수소, 메탄, 또는 환원된 형태의 철, 황, 질소와 결합시켜, 이 반응에서 나온 에너지를 세포가 포착하는 것이다. 

 

ㆍ많은 박테리아는 진핵생물과 마찬가지로 산소를 이용해 호흡한다. 

 

 

 

 

3. 암석에 새겨진 생명의 지문

 

 

4. 생명이 움트던 시절에

 

 

5. 생명의 탄생

ㆍ생명은 우리 행성의 지각과 바다를 형성한 것과 똑같은 물리적, 화학적 과정으로 만들어졌다. 

 

ㆍ생명은 척 보기에도 물과 바위와 뚜렷이 구별되지만, 지구의 물리적인 특성을 빚어낸 것과 똑같은 과정으로부터 탄생했을 것이다. 

 

ㆍ물질대사와 복제를 통합하는 결정적 열쇠는 막조직의 합성을 명령하는 단백질의 유전암호를 지시할 수 있는 핵산서열의 진화에 있었을 것이다. 그 다음에 막은 세포의 통제를 받으면서 자연선택에 종속되었고, 마침내 막에도 분자수준의 노동분업이 일어났다. 

 

 

6. 산소혁명

ㆍ산소혁명은 진화의 방향을 재조정해 먼 미래에 우리 인간의 탄생으로 이어지는 새로운 생물계통으로 안내했다. 

 

 

 

7. 생물계의 미생물 영웅, 시아노박테리아

ㆍ산소가 혁명을 일으켰다면, 시아노박테리아는 그 혁명을 이끈 영웅이었다. 

 

ㆍ빠르게 변화하면서도 무한히 존속할 수 있는 능력이야말로 세균 진화의 정수이다. 

 

 

 

8. 진핵세포의 기원

ㆍ박테리아가 유전자 교환으로 진화했다면, 진핵생물은 이보다 한 수 위였다. 진핵세포는 엽록체와 미토콘드리아를 세포째 몸 안으로 들여왔다. 

 

 

9. 초기 진핵생물의 화석

ㆍ진핵생물은 다양한 세포형태를 진화시켰고, 박테리아와 고세균에는 없는 다세포성을 지녔다. 

 

 

10. 동물의 등장

 

 

 

11. 마침내 캄브리아기로

 

 

 

12. 역동적인 지구, 너그러운 생태계

ㆍ원생이언에서 캄브리아기로 넘어갈 때 지구에 짧은 환경변동이 있었다. 초대륙이 분열하고 지구가 빙하로 뒤덮이고 산소 농도가 높아졌던 것이다. 이런 큰 사건들은 지구에 너그러운 생태환경을 잇달아 출현시키면서 다양한 후생동물의 진화를 이끌고 초기 동물이 진화하는 기틀을 다졌다. 

 

 

13. 우주로 향하는 고생물학