유레카 3 -마흔일곱번째이야기
(우리 우주가 단지 물질로만 이루어져 있다면 우주는 마치 컴퓨터가 바둑을 두는 것과 같을 것이다)
2부. 생명
18장. 진화1-2
* 이 글은 <유레카3>의 47번째 글입니다. 우주와 생명에 대한 철학적 진실을 탐구하고, 그를 바탕으로 새로운 삶의 방식을 제시하고자 합니다. 1부 우주, 2부 생명, 3부 길로 구성되어 있으며, 26장 73편의 이야기로 나뉘어져 있습니다. 이 글을 접하시는 모든 분들이 제가 깨달은 것을 함께 깨달아, 지성의 즐거움을 함께 만끽하며, 인류와 생명의 진보와 진화의 길을 함께 걸어가게 되기를 기대합니다.
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125. 밀러-유리 실험(Miller-Urey experiment)
과학은 지구에서의 생명현상이 시작된 이유, 즉 생명의 기원을 대략 세 가지 경우 중 하나 일 것이라고 판단한다.
그 첫벗째가 밀러-유리의 실험이다.
교과서에도 소개 된 이 실험은 1953년 시카고 대학의 스텐리 밀러와 해럴드 유리가 초기 지구의 가상적인 환경을 실험실에서 만들어, 그 조건에서 화학적 진화(chemical evolution)가 일어나는지 여부를 알아보는 실험이다.
지구 초기 대기 성분은 물(H2O), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 수소 (H2)로 이루어졌고, 지구의 표면은 매우 뜨거웠을 것으로 가정하였다. 바다 전체가 수증기가 되어 어마어마한 두께의 구름이 만들어지고 바다가 땅으로 쏟아져 내린다. 비는 땅에 닫기도 전에 다시 수증기가 되어 구름이 되고 다시 비가 내리기를 반복한다. 무시무시한 천둥과 번개가 끊임없이 원시대기로 쏟아진다. 밀러와 유리박사는 이러한 조건을 실험실에서 재현해 보았다.
플라스크에 물은 가열하여 기화시키고, 수증기가 포함된 내부 공기 중에 불꽃을 튀겨, 자연의 번개를 흉내 낸다. 그리고 다시 공기는 식혀져서 수증기는 물이 되고 처음 플라스크로 돌아가는 이 과정을 일주일동안 계속 반복한다.
(밀러 유리실험 설명도)
이 실험의 결과 메탄에 포함된 10~15%의 탄소가 유기물질로 합성되어 있는 것을 관찰하였다. 더욱이 2%의 탄소는 살아있는 세포의 단백질을 구성하는 아미노산 중에 몇 종류의 형태라는 결과도 얻었다. 세상은 깜짝 놀랐다. 최초의 생명이 만들어지는 열쇠를 찾은 것 같았다.
그러나 결과적으로 이 실험은 실패였다. 교과서에도 실렸던 내용이지만 현재 이 이론은 채택하는 과학자는 없다. 왜? 가정이 틀렸기 때문이다. 현재 지구 대기 중 가장 많은 것은 질소와 산소이다. 산소는 물론 이산화탄소의 형태로 있거나 암석에 숨어 있었을 것이다. 과학자들은 원시대기에 질소와 이산화탄소가 있었다는 것을 알아내었고 이들을 포함할 경우 이 실험은 아미노산을 전혀 만들지 못해 성립하지 않는다. 또한 발견된 아미노산도 사실은 생명체로 전환하기에는 부족한 점이 많았다.
126. 심해 열수 분출공
생태계가 유지하기 위해서는 반드시 최초의 생산자가 필요하다. 생산자가 없는 생태계는 지속적으로 유지 될 수 없다. 그리고 생산자에서 시작되는 순환 고리가 필요하다. 지구생태계에서 생산자의 역할을 하는 것은 광합성을 하는 식물이다. 식물은 햇빛을 이용해 광합성을 하여 탄소화합물인 유기물을 생산하고 이는 지구상의 모든 생명의 에너지원이 된다. 식물을 먹는 초식동물, 초식동물을 먹는 육식동물, 그리고 죽은 사체의 분해자 역할을 하는 미생물. 우리 지구 생명은 이렇게 크게 식물, 동물, 미생물로 나뉘어 때로는 먹이가 되기도 하고, 때로는 도움을 주며 생태계를 유지하고 있다.
그런데 지구 생명의 최초의 시작은 어쩌면 그것이 아닐 수도 있다. 지구 곳곳에는 지하의 뜨거운 마그마가 물을 데워 지표 밖으로 내보내는 곳이 많이 존재한다. 육지에 이것이 있으면 우리는 이것을 온천이라 표현한다. 온천은 지각이 살짝 갈라진 틈이라 보면 타당할 것 같다. 만약 이것이 바다에 있으면 바닷물이 그 틈으로 들어가고 이는 다시 뜨거워져 밖으로 분출될 것이다. 이를 열수분출공이라 하고 이는 햇빛이 전혀 닿지 않는 심해에도 존재한다.
1977년 2월 17일 미국 우즈홀 해양연구소(WHOI)의 심해유인잠수정 앨빈(Alvin)은 남아메리카 에콰도르 영해인 갈라파고스제도에서 북서쪽으로 약 380㎞ 떨어진 해역에서 잠수를 시작하였다. 1974년부터 심해탐사를 시작해 이곳에서 활발한 해저 화산활동의 징후를 찾아낸 과학자들은 잠수정을 내려 보내 이를 직접 확인하고자 했던 것이다. 잠수정이 수심 2700m에 도달하자 드디어 바다의 밑바닥에 닿게 되었다. 칠 흙 같이 어두운 이곳에 잠수정이 불빛을 비추자 놀라운 광경이 펼쳐져 있었다. 사막과 같이 황량하고 아무것도 없을 것이라는 예상과는 달리 사람 팔뚝만한 두께에 길이는 2미터에 달하는 관벌레와, 사람의 손바닥만 한 홍합조개가 심해 바다의 바닥에 덕지덕지 붙어 있었던 것이다. 이들 뿐만 아니라 새우, 게, 문어 종류도 많이 살고 있었고 지상생물과는 비교할 대상이 없는 폼페이벌레나 메기를 닮은 어류들도 많이 살고 있었다.
이 사건으로 과학계는 발칵 뒤집혔다. 햇빛이 없어도 생태계가 형성되고 유지 될 수 있다. 생명의 시작은 어쩌면 햇빛과 관계없는 바다 속 깊은 곳에서 시작되었는지도 모른다.
당연히 과학자들은 심해생태계에 대해 정밀 조사를 하였다. 햇빛이 없어 광합성을 하는 식물류가 없는데 이 생태계의 생산자는 무엇일까?
(심해의 세계: 거기에는 우리의 상상을 뛰어넘는 생태계가 존재하고 있었다)
몇 년 간의 연구 끝에 이 수수께끼를 풀었는데, 그것은 열수분출공에서 뿜어 나오는 검은 연기 속 황화수소였다. 심해에는 이 황화수소를 산화시켜 나오는 화학에너지를 이용해 탄수화물을 만드는 박테리아들이 많이 살고 있었던 것이다. 이 황화박테리아들은 식물이 광합성을 해서 탄수화물을 만드는 것과는 달리 화학합성을 하여 탄수화물을 만든다. 즉 심해 열수분출공에 살고 있는 박테리아는 식물이 태양에너지를 이용해 광합성을 해서 생태계를 부양하고 있는 것처럼 화학합성을 해서 열수분출공 생태계를 부양하고 있었다. 이 발견으로 광합성에 의존하지 않고도 유지되는 생태계가 있다는 사실을 알게 되었다.
(심해 해양생태계를 가능하게 한 에너지와 화합물의 이동)
우리는 지금 생명의 기원을 찾고 있다. 생명 시작의 원인은 어쩌면 태양의 햇빛이 아닐 수도 있다. 적당한 온도와 황화수소와 같은 화합물을 에너지원으로 사용할 수도 있다. 어쩌면 어떤 별에서는 황화수소가 아닌 다른 화합물이 사용될 지도 모른다.
심해 열수분출공에서 생명이 시작되었다고 믿는 과학자들은 목성과 토성의 위성들을 주위 깊게 살펴보고, 이곳에 우주탐사선을 보내고 싶어 한다. 유로파와 같은 몇몇 위성에는 지구 심해의 열수분출공과 같은 조건을 가졌다고 생각되기 때문이다. 만약에 이곳에서 생명이 발견된다면 생명체가 존재하는 별은 수없이 많이 늘어나게 될 것이고 우리는 생명의 기원에 대한 근본적인 생각을 바꾸어야 할 것이다.
127. 혜성의 얼음
45억 년 전 지구가 막 생기고 수억 년 동안은 지구는 일종의 혜성과 소행성들의 타겟이었다. 크고 작은 혜성과 소행성들이 수없이 지구를 강타한다. 이중에는 얼음성분이 많은 혜성들도 많이 있다. 지구 바다의 근원을 혜성이라고 생각하는 과학자들도 많다. 실제로 바닷물의 상당 부분은 혜성의 얼음 성분과 일치한다.
바다에 대한 또 하나의 이론은 내부분출 즉 지구 내부로 부터의 가스 방출, 즉 화산활동에 의한 것이다. 45억 년 전 지구가 탄생한 이후, 지구내부에 포함되어있던 물이 활발한 화산 활동을 통하여 용암과 함께 지구표면으로 흘러 나와 뜨거운 증기 형태로 구름이 만들어지고 비가 되어 내리기를 수없이 반복하여 마침내 식은 지구의 낮은 곳에 물이 모여 바다가 되었다는 것이다. 과학자들은 이 시기를 대략 38억 년 전으로 보고 있다.
나의 생각으론 바다는 이 두 원인의 합에 의하여 이루어진 것 같다. 그리고 바다가 유지되기 위해서는 공기 중에 유리산소가 필요한데 35억 년 된 남조류의 화석을 대입해보면 바다가 생기는 시기와 남조류가 광합성을 시작하여 산소를 만들어내기 시작하는 시기는 참으로 적절하게 맞아떨어진다.
생명의 기원을 찾는 일부 과학자들은 혜성을 주목하고 있다.
얼마 전 2014년 8월 6일 혜성 탐사 우주선 로제타호는 혜성 '67P/추류모프-게라시멘코'(67P/Churyumov-Gerasimenko·이하 67P) 궤도 진입에 성공해 130Km상공에서 근접 촬영한 혜성의 표면 사진을 지구로 보내왔다. 로제타호는 2004년에 지구에서 발사되어 꼬박 10년을 날아가서 혜성 67P와 만난 것이다. 로제타호의 목적은 2014년 11월, 100Kg짜리 탐사 로봇 파일리를 혜성 표면에 착륙시켜 혜성의 토양을 정밀분석 하는 것이다. 여기에는 약 2조원이라는 엄청난 돈이 들어간다. 로제타라는 이름에서 알 수 있듯이 이집트의 상형 문자를 푸는 열쇠가 되었던 로제타석과 같이 로제타 프로젝트의 목적은 혜성에서 생명의 기원을 찾는 일이다. 일부 과학자들은 지구 생명의 근원이 되는 아미노산이 지구의 환경에서는 만들어질 수 없고 혜성에서 만들어져 지구로 들어왔다고 믿고 있다.
(상상도 : 혜성 67P에 착륙하는 로제타호와 파일리 탐사로봇)
(로제타호가 근접 촬영한 혜성 67P의 지표면)
과학자들은 왜 2조원이라는 어마어마한 돈을 들여 이런 우주 탐사를 하는 것일까?
그것은 미국의 한 흑인이 쿤타킨테가 자기의 조상임을 찾아가듯 인류가 [나의 근원]을 찾아가려는 노력인 것이다. 과학자들은 과학적인 방법으로, 종교에서는 종교적 방법으로, 그리고 우리는 지금 철학적인 방법으로 근원을 찾아가는 것이다.
로제타호와 파일리가 어쩌면 지구 생명의 기원은 혜성이라고 밝혀낼 수 있을지도 모른다. 만약 그렇다하더라도 아직 우리가 찾아야 할 해답에 도달한 것은 아니다. 지구 생명의 기원이 되는 특별한 아미노산이 혜성에서 왔다 하더라도 또 그것은 어떻게 혜성에서 생성될 수 있는지에 대한 물음은 여전히 유효하다.
결국 우리는 우리 우주에 대한 근본적인 메커니즘에 대해 생각해보아야 한다. 우리는 컴퓨터상의 가상공간에 우주 하나를 만들 수 있다. 그 공간에 작용하는 규칙을 우리는 만들 수 있다. 캐릭터도 만들 수 있다. 그러나 그 캐릭터가 스스로 자기 의지로 움직이게 만들 수는 없다. 캐릭터가 규칙에 따라 움직이게 할 수는 있어도 규칙에 반하여 움직이게 할 수는 없다는 의미이다. 예를 들어 컴퓨터와 사람이 바둑을 둔다고 하면 상황에 따라 사람이 둘 수 있는 수는 여러 가지 이지만 컴퓨터가 둘 수 있는 수는 정해진 규칙에 따라 컴퓨터가 결정한 단 하나의 수가 될 것이다. 즉, 컴퓨터의 수는 이미 결정되어 있고 사람의 수는 그 사람의 실력과 의지에 따라 가변적이다.
우리 우주가 단지 물질로만 이루어져 있다면 우주는 마치 컴퓨터가 바둑을 두는 것과 같을 것이다. 실제로 생명의 힘이 작용하지 않는 공간에서는 당연히 이와 같을 것이다. 바람 한 점, 티끌 한 조각도 정해진 규칙에 의해서만 움직이지 자기 마음대로 움직이거나 변형되지는 않는다. 그러나 지구와 같이 생명이 있는 공간이라면 마치 컴퓨터와 사람이 바둑을 두는 것과 같을 것이다. 공간은 규칙에 따라 움직이려하지만 생명은 그 생명의 의지대로 움직이려 할 것이다. 이 두 조건이 어울려 생명의 공간이 형성된다.
여기에서 중요한 것은 의지는 내재된 규칙이 아니라 외부에서 작용되는 힘이라는 것이다. 즉, 생명은 시스템의 내부에서 스스로 생성될 수 없다.
결국 우리가 찾고 있는 생명의 기원 역시 외부의 힘에서 작용했다고 보는 것이 타당할 것이다. 나의 기원은 당연히 나의 부모이듯이 생명은 스스로 생성될 수 없다.
지구 생명의 기원은 위에 열거한 3가지 중에 하나일수도 있고 우리가 생각하지 못하는 전혀 다른 원인일수도 있고 아니면 3가지의 합일수도 있을 것이다. 그러나 외부의 작용 없이 이러한 일이 일어날 수는 없다. 이것은 창조의 시작이다.
원문 ; 2014년 3월 6일
1차 수정 ; 2014년 9월 9일
2차 수정 ; 2014년 11월 11일