<오파린 가설>
초기 과학자들의 공통적인 의견은 초기의 지구 환경에서 물질진화의 필연적인 결과로 원시생명이 출현했을 것이라는 러시아 생화학자인 알렉산드르 이바노비치 오파린(A. I. Oparin)이 1936년에 주장한 이론체계를 수용하는 추세이다.
오파린은 최초의 원시 생물에 필요한 유기물은 무기물로부터 자연 발생됐고, 원시지구의 대기가 메탄 수소 암모니아 수증기 등 환원성 대기였다고 가정했다.
유기물질이란 탄소화합물을 말하는데 이것은 생체를 이루고 있는 물질, 생체 안에서만 생성될 수 있는 물질을 의미한다. 물론 뵐러가 1828년 시안산암모늄에서 요소를 합성함으로서 이러한 설명은 더 이상 설득력을 잃었다는 것은 더 이상 설명하지 않는다.
당연한 이야기이지만 지구에서의 생명은 지구가 태어난 이후에 태어났다고 볼 수 있으므로 지구가 태어난 후 이에 뒤따른 탄수화물과 그 유도체의 생성을 생명의 제1단계로 본다. 이 단원은 이민재 교수의 글에서 많이 참조했다.
그런데 일반적으로 지구는 우주선이나 가스상 성운의 회전운동에 의한 소용돌이에 의하여 물질의 농축화가 일어났고 이것이 냉각되는 과정에서 생겼다는 설이 유력하다. 이렇게 해서 탄생한 지구의 대기권에는 수소와 같은 가벼운 원소, 질소, 이들의 반응에 의하여 생겨난 암모니아, 메탄을 비롯한 탄화수소, 수증기 등이 있었고 지권(地圈)에는 철, 니켈, 코발트 등의 중금속과 그 화합물(주로 코어나이트) 그리고 여러 가지 규산염과 산화물이 존재했다.
여하튼 원시지구의 대기권에는 오늘날에 비추어 자외선 등 화학반응을 촉진시키는 요소들이 많았으므로 수증기로부터 수소와 산소가 유리되고 여기서 생긴 산소가 탄화수소와 반응하여, 아세트알데히드류, 케톤류 또는 알코올류 등의 탄화수소의 산소유도체(酸素誘導體)를 만들었다.
한편 아민류와 같은 탄화수소의 질소유도체도 생길 수 있었고 탄화수소의 복잡화로 에틸렌계나 아세틸렌계 유기물질도 생산될 수 있었다. 즉 환원적인 원시대기는 이들과 같은 여러 물질 등이 생겨날 수 있는 복잡한 유기물질에의 무한한 가능성을 줄 수 있다. 이러한 탄화수소와 그 유도체의 생성을 가능케 했던 에너지원으로는 자외선 이외에도 무성방전(無聲放電)이 있다.
제 2단계로 이들 원시지구의 유기물질의 발전이다. 즉 현재의 생물의 몸을 구성하고 있는 단백질과 그 구성단위인 아미노산, 핵산과 그 구성단위인 누클레오티드, 단당이나 다당류, 여러 종류의 지방, 그 밖에도 엽록소나 헤모글로빈의 중심구조를 이루고 있는 포르피린과 같은 물질이 어떻게 생길 수 있었느냐를 파악하는 것이다.
이러한 논저를 기반으로 오파린은 다음 3단계를 거쳐 생명이 지구상에 태어났을 것으로 생각했다.
① 원시지구에서 메탄 암모니아 등의 반응에 의해 최초의 질소 유도체가 출현했다.
② 간단한 유기물의 중합(重合)에 의해 단백질 등 폴리머(polymer)가 출현했다.
③ 코아세르베이트(coacervate)가 형성돼 물질대사가 가능해졌다. 코아세르베트란 물을 많이 포함한 액상의 미세입자로 서로 다른 전하를 띠는 고분자가 결합해 침전한 액상물질로 콜로이드의 한 형태이다. 이는 핵산 아라비아고무 단백질 용액 등을 혼합하여 만들 수 있다.
오파린의 가설은 최초의 원시 생물에 필요한 유기물은 무기물로부터 자연적으로 발생됐다는 것이다. 그의 가설은 약 46억 5천만 년 전에 우주 공간의 먼지나 운석 등이 덩어리로 뭉쳐서 원시지구가 형성되었을 때 원시대기는 수증기(H2O), 수소(H2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3) 등의 환원성 기체로 구성되어 현재의 대기와는 많이 달랐으며, 오존층이 형성되지 않아 자외선이 지표면까지 쉽게 도달할 수 있었다는 것을 전제한다. 또한 원시지구에는 화산활동, 자외선, 번개, 방사선과 같은 풍부한 에너지가 공급되고 있었다는 것이다
<세계를 놀라게 한 밀러의 실험>
오파린의 가설에 따라 시카고대학교의 스탠리 밀러(Stanley Lioyd Miller)가 해럴드 유리(1934년에 중수소 발견으로 노벨화학상 수상) 교수의 지도 아래 1953년 유명한 환원성대기(원시대기에는 산소가 거의 없었으므로 유기물분자가 합성되면 무기물로 산화되는 것이 방지되었다는 이론)를 이용한 실험장치를 개발했다. 즉 아미노산이 대기 중에서 만들어질 수 있는가를 알아보기 위한 것이다.
밀러는 작은 플라스크에 물을 넣은 다음 공기를 빼 진공상태로 만들고 일정한 비율의 메탄, 수소, 암모니아 가스의 혼합물을 채웠다. 그 다음 플라스크의 물을 끓여 수증기가 이 혼합기체와 섞이게 한 후 60,000볼트의 고주파 스파크(전기 불꽃)를 일으켜 화합물이 생성되는가를 시험했다.
전기 방전 중에 생성된 것은 냉각기에서 액화된 물에 녹아 작은 플라스크로 내려간다. 이런 종류의 장치에서는 휘발성 생성물은 계속해서 수증기와 함께 작은 플라스크 밖으로 증류되어 나가 다시 방전의 작용을 받고 비휘발성 생성물은 작은 플라스크에 축적된다.
밀러의 실험에서 밀폐된 플라스크 안의 물은 지구상의 원시해양을, 밀폐된 유리 실험 장치 안의 수증기, 메탄, 암모니아 및 수소 가스는 오파린이 말하는 원시 대기를 모방한 것이다. 이 가운데 메탄은 유기물이라고도 생각되지만 무기물로도 인정된다. 그리고 고주파의 스파이크는 원시 대기 중의 우레를 모방한 것이며 이것이 유기물 합성을 위한 에너지를 공급할 수 있다고 생각했다.
과거에는 생물 기원의 화합물을 ‘유기화합물’, 그렇지 않은 것을 ‘무기화합물’이라고 불렀다. 그러나 현재는 과거에 유기화합물이라 생각되었던 것들을 무기물로부터 인공적으로 합성할 수 있다는 것이 알려졌으므로 이들 정의는 더 이상 의미가 없지만 여기에서는 설명을 쉽게 하기 위해 과거의 유기화합물과 무기화합물의 정의를 사용하여 설명한다.
밀러의 실험은 매우 놀라웠다. 실험을 시작한지 단 하루 만에 밀폐된 플라스크 안의 물은 분홍색이 되었고 며칠이 지나자 짙은 붉은색이 되었다. 약 1주일 뒤 페이퍼 크로마토그래피를 사용하여 플라스크 안의 생성물을 화학적으로 분석했더니 놀랍게도 가장 단순한 아미노산인 글리신과 단백질을 만드는 중요한 아미노산인 알라닌이 들어 있었고 젖산과 초산, 요산 및 포름산이 발견됐다. 밀러는 아미노산을 중합하면 분자량이 수백만인 단백질이 될 수 있다고 추정했다.
무기물 또는 간단한 유기물로부터 생명의 전구물질을 만드는 과정을 ‘화학 진화’라고 부르는데 밀러의 실험은 생명의 기원을 연구하는 학자들에게 큰 충격을 주었다. 밀러의 실험은 무기화합물이나 메탄 같은 간단한 유기화합물에서 출발하여 생명의 전구물질이 만들어진다는 오파린의 견해가 확인된 것이지만 그 당시까지 몇 억 년이나 오랜 시간을 거쳐 지구상에서 일어난 화학 진화의 과정을 실험실 안에서 단 1주일 정도의 짧은 기간에 실현할 수 있다는 것을 증명했기 때문이다.
1957년에 ‘폭스’는 여러 가지 아미노산을 170℃로 가열하여 폴리펩티드를 합성하는 데 성공함으로써, 뜨겁고 건조한 화산 가장자리나 뜨거운 원시바다에서 아미노산의 중합 반응이 쉽게 일어나 고분자 물질이 합성될 수 있음을 입증하였다고 최승일은 설명했다.
오파린은 원시바다의 고분자 유기물들이 모여서 형성된 콜로이드 상태의 액체 방울을 ‘코아세르베이트'라고 명명하였다. 코아세르베이트는 주변에서 물질을 선택적으로 받아들여 커지며 어느 정도 자라면 분열하는 특성이 있다.
이와 같은 특성 때문에 오파린은 ‘코아세르베이트가 원시생명체의 기원이다.’ 라는 가설을 발표하였다. 반면에 폭스는 폴리아미노산을 물에 담그면 형성되는 작은 액상인 ‘마이크로스페어’가 원시생명체의 기원이라는 가설을 제안하였다. 마이크로스페어는 주위 환경으로부터 선택적으로 물을 흡수하여 성장하거나 적절한 조건 하에서 분열하기도 하는 생물적 특성을 보인다.
코아세르베이트 또는 마이크로스페어 에서 만들어졌을 것이라고 추측하는 최초의 원시생명체는 그 시절에 산소가 없었으므로 원시지구의 바다에 풍부한 유기물을 이용하여 무기호흡을 하는 종속영양생물로 추정한다.
원시바다에 종속영양생물이 번성하면서 대기 중의 이산화탄소 농도가 증가하자, 이산화탄소를 이용하여 유기물을 합성할 수 있는 독립영양생물이 출현한다. 학자들은 최초의 독립영양생물은 빛에너지와 황화수소를 이용하는 광합성 세균으로 추정한다.
실제로 35억 년 전의 암석 ‘스트로마톨라이트’에서 최초의 독립영양생물로 추정되는 화석이 발견되었다. 스트로마톨라이트의 화석은 이산화탄소를 유기물로 전환하는 과정에서 태양의 빛에너지와 황화수소를 이용하는 광합성세균으로 추정하고 있다. 그러나 어느 시기인가부터 풍부한 물에서 H2를 공급받아 광합성을 하는 원시 남조류가 출현하였을 것이고, 이들로부터 산소가 만들어졌다는 것이다.
실험은 계속되어 화학 진화의 실험에 의해 생긴 아미노산과 실제의 생명 과정에 관계하여 생긴 아미노산 사이에 몇 가지 차이점이 있다는 것도 발견되었다. 예를 들면 생명과정과 관계하여 생긴 아미노산은 어느 것이든 여기에 빛을 통하면 편광면을 왼쪽으로 회전시킨다. 그런데 화학 진화에 의해 생긴 아미노산에는 왼쪽형과 오른쪽 형이 반반으로 뒤섞여 있었다. 이것을 두고 학자들은 지구상에서의 생명 탄생에 따르는 어떤 우연이 이런 결과를 초래했을지도 모른다고 추측하기도 하며 이를 학자들에 따라 이것을 우주와 생명의 신비라고도 부른다.
그의 실험이 얼마나 당대 학자들에게 충격을 주었는지 1967년 노벨화학상 수상자인 만프레트 아이겐(Manfred Eigen)은 <셀렉타>라는 학술지에 그의 실험을 다음과 같이 해설하기도 했다.
‘우선 메탄과 암모니아, 수증기 그리고 헬륨(메신저 가스 역할)을 섞어서 태초의 환경을 만들어주었다. 그리고 불꽃을 방전시켜서 에너지를 공급했다. 그러자 증류기의 밑바닥에, 그러니까 ’원시수프‘ 안에서 수많은 유기결합물과 함께 뉴클레오티드(유전자정보를 담고 있는 핵산의 재료)와 아미노산이 발견되었다. 따라서 뉴클레오티드 사슬 그러니까 핵산이 태초의 진화를 일으킨 원인이었다는 사실이 입증된 것이다.’
당시까지는 어느 누구도 그와 같은 실험을 생각하지 못했으며 따라서 실험을 시도한 사람도 없었고 당연히 성공한 사람도 없었다. 무기물 또는 간단한 유기물로부터 생명의 전구 물질을 만드는 과정을 ‘화학 진화’라고 부르는데 밀러의 실험은 생명의 기원을 연구하는 학자들에게 큰 충격을 주었다.
페터 크뢰닝은 이들의 주장을 다음과 같이 설명했다.
‘생명분자들은 ’원시수프‘ 안에서 번개에 의해 탄생했다. 이 분자들은 시간이 흐를수록 점점 더 축적되어 고분자중합체(수백 내지 수천 개의 단위체들이 연결된 사슬)가 된다. 그런 후 시간이 지나면서 어느 순간 스스로 기어 다니는 세포가 태어난다. 그 다음은 이 세포들이 조직을 만들어서 고등생물로, 그리고 결국에는 지금과 같은 동물의 왕국으로 발전했다.’
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