유레카 3 -마흔여덟번째이야기
(한 생명체와 또한 생명체가 합쳐져 전혀 다른 생명체가 되었다. 이것은 진화이고 또한 창조이다)
2부. 생명
18장. 진화1-3
* 이 글은 <유레카3>의 48번째 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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128. 코드-DNA (deoxyribo nucleic acid, 디옥시리보핵산)
생명에 관하여 과학이 공감 한 것 중 하나는 "지구의 모든 생명은 하나의 생명체로부터 시작되었다."는 것이다. 그 이유는 지구상의 모든 생명체는 같은 이중 나선형 DNA구조를 가지고 있기 때문이다.
사람에게는 약 100조개의 세포가 있고 각 세포의 핵에는 23쌍 46개의 염색체 구조를 가진 DNA가 자리 잡고 있다. DNA는 유전물질이다. 이 말은 DNA가 그 생명을 특정하고 지휘한다는 의미이다. 생명체를 유지하기 위해서는 세포를 구성하는 단백질을 만들어야 하는데 단백질은 아미노산의 결합물이다. 아미노산의 종류는 20개가 있고 이 스무 개의 아미노산이 어떤 배열을 하고 있느냐에 따라 그 단백질의 역할이 정해진다. 이것을 명령하는 것이 DNA이다. DNA의 명령이 떨어지면 RNA가 출동한다. RNA는 단백질 생성이라는 DNA의 명령이 떨어지면 그 명령을 가지고 세포내의 리보솜(ribosome)이라는 공장으로 달려가 명령에 따라 아미노산을 만들고 단백질을 결합한다.
DNA는 2열 3조합의 4진법을 사용한다. 컴퓨터는 0,1의 2진법을 사용하고, 사람은 손가락 10개의 0부터 9까지의 10진법을 사용하는 것처럼, DNA 염기에는 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C) 4 종류가 있다. 염기 중 A는 T와, G는 C와 마주보고 있는데 이 A－T, G－C 구조는 DNA가 유전자로서의 기능을 나타내는 데 매우 중요한 의미가 있다. 한쪽 사슬의 배열이 결정되면 다른 한쪽은 자동으로 결정되기 때문이다. 이는 DNA의 중요한 특성으로 DNA가 자기복제를 할 경우 완벽하게 동일한 두 개의 DNA가 생기게 되는 이유이다. DNA 분자는 복제를 위하여 옆으로는 A－T, G－C 구조를 가진다면, 위아래로는 A, G, C, T의 4가지 염기로 암호문을 만드는데, 4가지 중 반드시 3개가 자유롭게 만나 암호문을 만든다. 따라서 AGC, AGT, ATC, ACG 등 4×4×4=64가지의 암호문을 만들 수 있다. 이와 같이 3개의 염기로 된 DNA의 트리플렛 코드(triplet code, 3염기설)는 독특한 아미노산을 지정하게 되므로, DNA 가닥의 염기 배열 순서에 따라 만들어지는 단백질의 종류가 달라진다. 그러므로 DNA 가닥의 염기 배열순서가 바로 유전 정보가 된다. 인간의 경우 23쌍의 염색체로 이루어져 있다. 이를 연결하면 폭 1000억 분의 5cm, 길이 152cm가 되는데, 이 안에 약 30억 개의 염기쌍이 들어 있다. 이 양은 현재 인간이 만든 어떤 슈퍼컴퓨터의 저장능력보다도 뛰어나다.
물 질의 기본 입자인 쿼크와 렙톤, 보존과 힉스의 결합에 따라 기본원자인 수소가 만들어지고, 수소와 수소의 핵융합으로 헬륨이 만들어지고 헬륨의 핵융합으로 다른 원자들이 만들어진다. 원자와 원자의 결합에 따라 전혀 다른 성질을 갖는 분자가 만들어지고. 분자들의 절묘한 조합으로 아미노산이, 아미노산의 조합으로 단백질이 생성된다. 이 과정에 DNA와 같은 명령자, RNA와 같은 시행자, 리보솜이라는 생산자 등이 관여한다. 이밖에도 한 생명이 유지되기 위해서는 수많은 조직들이 움직인다. 이것은 우연히 이루어질 수도 없거니와 짧은 시간에 이루어지지도 않는다.
129. 생명의 시작
약 45~46억 년 전 원시지구가 탄생했다.
지각이 생기고 바다가 생긴 것은 그로부터 7~8억년 후인 38억 년 전이다.
그 사이 지구는 테이아라는 화성만한 미행성과 대충돌을 일으켜 달이 만들어졌다. 원시 지구가 만들어지고 1억 년 쯤 지났을 때의 일이다. 테이아는 거의 박살이 나 산산조각이 되었고 원시지구도 어마어마한 충격을 받는다. 만들어 진지 얼마 되지 않아 그렇지 않아도 뜨거운 지구는 이 충돌로 외핵까지 뒤집혀 지구는 펄펄 끓는 거대한 액체 마그마의 별이 된다. 충돌한 테이아의 일부는 지구에 흡수되고 일부는 우주공간으로 튕겨져 나가 충돌 영향으로 지구에서 튕긴 지구 지각과 합쳐져 달이 만들어진다. 지구와 달은 살과 뼈를 나눈 형제별이라 해도 틀린 말은 아니다.
(원시지구와 테이아의 충돌 상상도)
최초의 달은 지구와 아주 가까웠다. 달은 액체 지구를 잡아당겼다 놓기를 거듭한다. 용암이 솟구쳐 오르면 수 킬로미터 까지 올라가 식어 바위덩어리로 굳어져서 떨어진다. 서서히 지구가 식어가자 마그마의 바다에 바위들이 둥둥 떠다니며 지각은 아주 천천히 굳어지고 지각 아래 맨틀의 대류가 시작되며 지각은 판으로 나뉜다.
지각이 굳어지면서 화산이 터질 때마다 숨어있던 수증기가 대기로 방출되고, 얼음 혜성이 지구로 쏟아져 바다를 이룬다. 이때가 약 38억 년 전이고 캘리포니아공대의 행성과학자 데이브 스티븐슨 교수는 이즈음에 화성에 떨어진 소행성에서 생명을 품은 화성의 암석이 지구로 튕겨와 지구생명체의 기원이 되었을 가능성이 있다고 주장한다. 태양에서 지구보다 좀 더 먼 거리에 있는 화성은 이때쯤에 생명이 존재하기에 충분한 조건이었을 거란 예측에서이다.
어찌되었든 38억 년 전 그 즈음에 혹은 그보다는 1~2억년 후에 지구에서 생명이 시작된 것은 확실하다.
최초의 지구는 박테리아의 세상이다. 사실은 지금의 지구도 박테리아의 세상이다. 지구 전체의 인구가 60억 명이라 하지만 단 한 사람의 몸속에 살고 있는 박테리아 수 만해도 그보다 훨씬 더 많다. 최초의 생명이 시작되고 분열에 분열을 거듭하며 박테리아의 수가 늘어간다. 환경에 적응하느라 아주 느리지만 박테리아의 종류도 늘어난다. 제법 덩치가 커진 세균도 나타난다. 이때 생긴 세균을 고세균이라 한다. 박테리아보다는 훨씬 더 크지만 그렇다고 눈에 보일 정도로 큰 것은 아니다.
130. 첫 번째 사건 - 공생
사건은 지금부터 20억 년 전 쯤 일어났다. 주인공은 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 이용해 메탄(CH4)를 생산해 에너지를 얻는 메탄생성 고세균과, 다른 박테리아의 노폐물을 발효시켜 에너지를 얻고 이산화탄소와 수소를 내보내는 알파프로박테리아이다. 덩치는 세균이 훨씬 크다. 고세균이 이산화탄소와 수소를 얻기 위해 알파프로박테리아와 접촉을 시도한다. 덩치가 작은 박테리아는 요리조리 피해보지만 소용이 없다. 마침내 참다못한 박테리아가 세균의 몸속으로 들어간다. 기적이 일어난다. 박테리아가 고세균에 녹아 소화가 되지 않고 꿋꿋하게 살아남는다. 오히려 세균이 자기 몸속에 들어 온 박테리아에게 영양분을 공급하는 처지가 되었다. 물론 그 영양분으로 박테리아도 세균에게 에너지를 생산해 공급해 준다.
공생(共生).
둘은 함께 살기를 시도한다. 진핵세포의 시작은 이렇게 20억년 전에 지구 어느 바다의 귀퉁이에서 함께 살기로 시작되었다. 우리가 알고 있는 대부분의 동물과 식물 곰팡이류를 비롯한 균류는 모두 진핵세포를 가진 진핵생물이다. 알파프로박테리아가 바로 세포내에서 탄수화물, 지방, 단백질을 분해하여 에너지와 이산화탄소를 만드는 미토콘드리아의 조상이다. 동물의 세포에는 고세균에서 유래된 생명의 특징을 나타내는 DNA와, 이보다 훨씬 간단하지만 박테리아에서 유래한 미토콘드리아의 DNA라는 두 꾸러미의 유전자 조합이 있다. 한 생명체와 또한 생명체가 합쳐져 전혀 다른 생명체가 되었다. 이것은 진화이고 또한 창조이다. 이 결합은 생명에게 3가지 의미를 부여한다. 박테리아는 알이나 막대모양의 아주 작은 크기였지만 고효율의 역동적인 세포 조직을 가짐으로 생명체의 크기가 어마어마하게 크게 될 수 있는 계기가 마련되었고 그와 비례해서 막대한 DNA를 저장할 수 있게 되었다. 또한 시아노박테리아가 생산하는 산소가 지구를 덮어가던 그 즈음 치명적인 살균효과가 있는 산소를 피해 바다 속 깊이깊이 달아나던 다른 생명체와는 달리, 산소를 이용해야 더 높은 에너지를 생산하는 산소를 좋아하는 호기성의 알파프로박테리아를 의지해 산소를 지극히 싫어하는 혐기성의 고세균은 용감하게 산소호흡을 선택하여 오히려 산소가 더 풍부한 바다 표면으로 올라와 경쟁자 없이 마음껏 생명의 향연을 만끽할 수 있게 되었다. 지난 글의 산소부분에서 사람은 산소로 인하여 살지만 그 산소로 인하여 서서히 노화되고 죽어간다는 의미를 되새겨보시기를 바란다.
그리고 한참이나 후에 일어날 일이지만 성(姓)이란 장치를 마련하여 자기복제를 통하여 느릿느릿 진화하는 세균이나 박테리아와는 달리 환경에 신속히 적응하고 생명의 다양성을 확보할 수 있는 계기가 마련된 것이다.
원문 ; 2014년 3월 6일
1차 수정 ; 2014년 9월 9일
2차 수정 ; 2014년 11월 11일