생명 탄생(지구 내부)
과학은 발전하여 다윈이 진화론을 제창할 때와는 많은 부분에서 발전했다. 당시에는 상상도 하지 못했던 DNA, RNA는 물론 미토콘드리아 등이 알려졌으며 우주탐사선이 목성과 화성을 탐사할 정도이다. 계수나무와 토끼가 있다는 달도 직접 방문하여 달과 지구가 거의 같은 년대에 생성되었다는 것도 밝혀냈다.
그럼에도 불구하고 인간이 모태에서 태어날 때의 상황을 기억할 수 없는 것처럼 생명의 기원은 매우 어려운 문제이며 현대 과학이 아직 해결하지 못한 최대의 과제 중에 하나이다.
많은 사상가들과 과학자들은 생명의 기원에 대해 나름대로의 견해를 피력했다.
아주 작은 생명체들이라면 어미가 없어도 자연에 내재한 힘에 의해 생겨날 수 있다고 믿기도 했다. 뱀장어는 갯벌 속에서, 쥐는 나일 강의 진흙탕 속에서 생겨났다고 믿었다. 심지어는 죽은 황소의 뿔을 잘라내면 그 안에서 꿀벌 떼가 쏟아져 나온다는 이야기도 있었다. 벼룩은 톱밥에서 부화된 것이라는 이야기도 그와 비슷하다. 스위스의 의사 파라켈수스는 개구리가 하늘에서 떨어졌다고 설명했다. 고대인들은 대지뿐만 아니라 하늘도 생명을 창조할 수 있다고 믿은 것이다.
그러나 『종의 기원』 즉 다윈의 진화론이 자리잡기 시작하자 학자들은 진화론에 깊숙이 숨겨져 있는 수수께끼를 밝히는데 앞장 서기 시작했다. 지구에서 최초의 생명은 어떻게 출현했을까가 풀어야할 가장 큰 의문점이다.
‘이 행성에는 바다가 없다. 너무 뜨거워 물이 모두 증발해버리기 때문이다. 대부분의 지표면은 용융된 암석으로 뒤덮여 있다. 그나마 생성된 지각은 얇고 무르며 유동적이다. 유성들이 수소와 헬륨으로 이루어진 희박한 대기를 가르며 메탄, 암모니아, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소가 뒤섞여 있는 지표면으로 떨어진다. 이런 상황에서 치명적인 자외선 복사가 태양으로부터 쏟아져 어떤 생물도 한 시간 이상 살아남을 수 없다.’
이것은 태양계의 다른 행성이 아니라 약 46억 년 전 우주 공간의 먼지와 가스가 모여 막 지구가 탄생한 직후의 모습이다. 이 뜨거운 지옥에서 생명이 출현한다는 것은 불가능한 일로 보인다. 그런데 지구에 현재와 같이 수많은 생명체들이 살고 있다.
놀랍게도 지질학적 자료에 의하면 최초의 생명체 흔적은 약 40억 년 전으로 거슬러 올라간다. 그것은 단세포 생물이었다. 암석이 녹아 있던 원시 스푸 상태에서 ‘생명’이라 부를 수 있는 존재가 출현하기까지 어떤 일이 일어났을까가 가장 중요한 질문 중 하나다.
이 의문에 대한 답은 두 가지로 나뉘어진다. 하나는 지구 안에서 열악한 환경이지만 생명체가 태어났다는 것과 둘째는 우주에서 생명체가 전해졌다는 것이다.
<문지방 넘기>
생명 탄생의 핵심이 되는 수수께끼는 ‘문지방’문제다. 유기체의 분자들이 어느 한계 이상의 복잡성을 이루었을 때에 한해서 그것들을 ‘살아있는’것으로 여긴다. 그래야만 그것들은 안정된 형태로 거대한 양의 정보를 암호화하고 자기 복제를 위한 청사진을 저장하는 능력을 지닐 뿐 아니라 실제로 자기복제가 가능하기 때문이다.
문제는 어떻게 해서 평범한 물리화학적인 과정만으로 그 문지방을 넘어설 수 있을까 하는 점이다. 지구의 나이를 현재 공인하고 있는 약 45.6억년으로 간주한다면 지구상의 생명체는 화석의 증거에 의해 최소한 38억 년까지 거슬러 올라간다.
그린란드의 이슈아 지대에서 약 38억 년 전으로 거슬러 올라가는 암석이 발견되었는데 그 속에는 단세포 생물의 분명한 흔적이 나타난다. 이 암석의 얇고 투명한 조각에서 미세한 세포로 보이는 흔적들이 발견되는데 일부는 세포분열 중인 것들도 있다.
이를 볼 때 최소한 38억 년 전에 생물이 지구상에 태어났지만 물론 그전에 원시적인 생명체가 존재했다고 추정한다. 그것은 단세포 중 가장 작은 마이코플라스마 세포는 지름이 약 4,000분의 1 센티미터에 지나지 않는다. 지구상에서 가장 단순한 생물체로 알려지는데 마이코플라스마는 아미노산과 핵상을 비롯한 많은 종류의 유기양분을 주위 환경에 의존한다.
그런데 지구에 큰 영향을 미친 시아노박테리아(남조류)는 단세포이지만 최소한의 기본 구성물질 즉 이산화탄소, 질소, 물 그리고 몇가지 무기양분으로 번식하며 살아갈 수 있는데 이들의 년대는 최소한 35〜38억년이다. 한마디로 마이코플라스마는 이들보다 전에 태어났어야 한다는 내용이다. 대체로 이런 시간은 생명체가 지구가 태양의 탄생 충격에서 벗어나 적절히 식자마자 재빨리 이 지구 안에서 정착했다는 것으로 설명된다.
이것은 생명체를 탄생하는데 어떤 메카니즘이 작용했든 그 메카니즘이 대단히 효과적이었다는 것이다. 즉 지구상에서 어떤 물리화학적인 조건만 주어지면 생명체의 탄생은 거의 필연적이라는 설명이다.
생명체 탄생을 말해주는 시나리오로 1929년 영국의 유명한 과학자 홀데인이 제창한 원시 스프(primeval soup) 가설이다.
지구가 둥근 형태를 갖춘 후에서 지구의 표면은 거의 6억 년 동안 용융상태였으며 내부는 핵의 열로 과열되고 외부는 소행성들의 폭격을 맞아 표면을 흐르는 대양의 온도가 끓는 점에 도달했다. 지구 표면이 그야말로 지옥과 같았던 이 기간을 지질학자들은 ‘하데스 시기’라고 부른다.
계속되던 소행성들의 포격이 점차 진정되고 남은 행성들도 궤도에 진입하여 더 이상 지구에 해를 입히지 않게 된 얼마 후, 탄소, 질소, 수소, 산소로 구성된 다양한 화합물이 한데 섞여 아미노산을 포함하여 생물의 기본적인 구성 단위가 될 수 있는 물질들을 만들었다는 것이다.
여하튼 오물과 대기속에서의 화학반응에 의한 유기적 성분들이 많았던 초기 지구는 광범위한 화학반응들이 일어날 수 있는 수많은 연못과 호수를 갖고 있었다고 볼 수 있다. 어느 땐가 이들 간에 복잡한 분자가 만들어져 마침내 문지방을 넘어섬과 동시에 생명체 그 자체가 순전히 복잡한 분자들의 자기조직을 통해 탄생했다는 것이다.
이 시나리오가 어느 정도 타당성 있다는 것을 1953년 밀러-유레이 실험이 보여주었지만 이들 실험이 공격받은 것은 그러한 지구의 스프를 그냥 내버려두었을 때 수천만 년이 흐른다 해도 단지 화학적인 결합만으로 과연 저절로 생명체가 생겨날 수 있을까 하는 점이다. 이 문제는 일리아 프리고진(Ilya Prigogine)에 의해 어느 정도 가능성이 있다고 제시되었다. 그는 다음과 같이 설명했다.
‘지구의 스프가 가만히 죽치고 있는 것이 아니라 열평형을 교란시키는 어떤 외부적인 영향에 의해 이리저리 뒤섞이면서 원시 스프가 좀더 복잡한 자기조직 반응을 해 나갔다. 외부 영향은 단순히 태양일수도 있다. 또는 다른 어떤 것인지 아무도 알 수 없지만 이러한 일련의 반응을 통해 생겨난 최종적인 산물은 DNA였을 것이다.’
결론적으로 말해 생명체가 생성되기 이전에 모든 필수적인 성분들을 포함하고 있는 어떤 원시 스프가 존재했고 그 원시 스프가 외부의 영향을 받아 자신을 조직화하고 보강하고 재생해 나가면서 점점 높은 차원의 질서 체계를 갖추어 마침내 생명의 문지방을 넘어설 수 있었다는 것이다. 물론 이와 같은 생명의 기원은 아직 과학적으로 완전하게 해명된 것이 아니다. 이의 어려움은 DNA를 발견하여 노벨상을 받은 프란시스 크릭(Francis Crick)의 다음 말로서도 알 수 있다.
‘현재로서는 생명의 탄생이 매우 희귀한 사건이었다거나 또는 거의 확실히 일어날 사건이었다고 결론을 내리는 것은 불가능한 일이다. (중략) 있음직하지 않은 어떤 일련의 사건이 일어날 확률에 숫자를 매기는 것조차 불가능한 일이다.’
근래 지구의 생명체에 대한 연구는 그야말로 놀라운데 그동안 지구의 생명체가 어디에서 태어났느냐로 많은 학자들이 대립했다. 상당수 학자들이 생명이 지구의 깊은 바다에서 시작했으며 땅으로 옮겨왔다는 것이다. 그러나 애초부터 바다가 아니라 땅에서 시작했다는 가설도 만만치 않다.
호주 뉴사우스 웨일즈 대학(UNSW)의 타라 조킥(Tara Djokic) 박사는 땅에서 생명체가 시작했음을 보여주는 화석을 발견했다고 발표했다. 그는 34억8000만 년 된 서부 호주 필바라 크레이튼(Pilbara Craton)의 오래된 드레서 층(Dresser Formation)에의 온천 암석에서 발견된 화석이 지금까지 지구상에서 발견된 미생물의 역사를 5억8000만년을 앞당길 수 있다고 기염을 토했다.
지금까지 지구의 가장 오래된 미생물 화석은 남아프리카 지역에서 발견된 것으로 27억 년에서 29억년 전으로 추정되었다. 조킥 박사는 다음과 같이 말했다.
‘우리들이 발견한 놀라운 사실은 온천에 사는 생명의 기록을 단순히 34억 년 전으로 확대하는 것이 아니라 생명이 지금까지 생각했던 것보다 훨씬 더 이른 시기에 땅에서 거주했음을 보여준다.’
조킥 박사는 이 온천 매장층에서 오로지 지상 온천에서만 존재하는 간헐석(間歇石)이 포된 것을 발견했다. 그는 이 온천 광상이 바다가 아니라 땅에서 형성됐을 것으로 판단할 수 있는 다양한 증거를 발견했다고 발표했다. 가장 중요한 증거는 땅에 있는 온천에서만 발견되는 간헐석이 나왔기 때문인데, 지금까지 간헐석이 발견된 암석 중 가장 오래된 것은 4억 년 전의 것이다.
그는 필바라 온천 광상에서 동시에 녹조류(綠藻類) 활동에 의해 생긴 박편상 석회암인 스트로마톨라이트 (stromatolite)도 발견했다. 또한 스트로마톨라이트 화석과 미생물의 흔적이 남아있는 공기방울도 발견했다. 공동 연구자의 한 명인 반 크라넨동크(Van Kranendonk) 교수는 당시 땅에 매우 다양한 형태의 생명이 존재했다는 것을 보여준다고 평가했다.
이번 발견이 지구상에 초기 생명에 대한 내용도 알려주지만 동시에 다른 행성에서의 생명에 대한 기원에 대해서도 중요한 암시를 제기한다.
‘이번 발견은 화성에서 생명의 기원이 어디에 있을 것인지를 암시하는 내용도 포함하고 있다. 왜냐하면 화성은 필바라의 드레서 층과 유사한 시대의 온천 광상을 가지고 있기 때문이다.’
화성에서 물의 흔적은 지구상의 옛 온천과 유사한 연못의 형태로 존재하는데 특히 화성의 컬럼비아 힐스(Columbia Hills)지역에서 그 같은 증거가 발견된다. 필바라 광상은 화성의 컬럼비아 힐스와 같은 시대에 형성됐으므로 화성에서 생명의 흔적을 찾는데 기여할 수 있다는 것이다. 물론 현재로서는 생명체가 바다에서 태어났다는 것이 대세이지만 땅에서 태어났다는 주장도 완전해 배제되는 것은 아니다. 생명체의 기원 찾는 것이 간단한 일이 아니라는 것을 다시금 확인시킨다.
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