생명의 나무, 들여다보기(1) : 세포로 만드는 생명체

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<세포로 만드는 생명체>

현재까지 우주는 네 가지 힘 즉 전자기력, 강력, 약력, 중력으로 구성되었다고 알려진다. 이 힘들이 빅뱅이후 138억 광년을 통해 현 우주를 지배하고 있는데 학자들의 염원은 이들을 하나의 이론으로 묶는 것이다. 한마디로 간단한 수식으로 이를 표현하자는 것이다.

전자 와 양전자 가 소멸 될 때 글루온 의 복사를 보여주는 파인만 다이어그램

소위 대통일이론인데 아직 만인이 공감하고 지지하는 대통일 이론은 태어나지 않았다.

일예로 아인슈타인이 에너지는 질량이 변화한다며 그야말로 간단한 식으로 제시했다. 바로 E=mc2것이다. 질량에 광속의 제곱을 곱한 것만큼 에너지가 나온다는 뜻인데 이렇게 간단한 식으로 우주의 에너지를 설명했으므로 환호한 것이다.

그러한 천하의 아인슈타인도 통일장 이론을 만들지 못했다.

그것은 중력 때문이다. 지구인들이 살면서 중력을 가장 많이 접하고 있다. 30층 아파트에서 떨어지면 살지 못한다는 이유가 중력 때문이라는 것을 모르는 사람은 없을 것이다. 비행기에서 문을 열고 뛰어 내리면 지상으로 떨어지지 상공으로 올라가지 않는 것도 중력 때문이다.

 

그런데 학자들이 대통일이론을 완성시키지 못하는 것은 아직 중력을 대통일 이론 속에 삽입하지 못하기 때문이다. 중력의 힘이 다른 세 가지 힘에 비해 너무 작기 때문이다. 지구에서 어느 곳에서나 중력이 작용하지만 우주에서는 작용하지 않는다. 그 이유를 경험으로 볼 때 학자들이 분명히 알지만 그것은 어디까지나 경험치이지 이론으로는 아직 설명되지 않았다는 뜻이다.

그런데 지구에는 이와 버금가는 또 다른 의문이 있다. 그것은 우주의 원리가 아니라 바로 우리의 기원에 대한 의문이다.

다윈의 진화론에 의하면 현 지구에 있는 모든 생명체는 박테리아와 같은 작은 생명체가 장구한 지구 역사를 통한 진화와 진화를 거쳐 탄생했다고 말한다. 그렇다면 처음 박테리아와 같은 생명체가 태어난 이후 어떻게 현재와 같은 생명들의 천지가 되었느냐를 하나의 계통도로 보여주자는 것이다. 다윈이 그린 ‘생명의 나무(Tree of Life)’이다.

찰스 다윈이 《종의 기원》에서 제시한 생명의 나무. (1859년)

이것이 간단하다고 생각하는 사람은 없을 것이다. 지구에는 박테리아를 비롯하여 수많은 동식물 생명체들이 있는데 이를 간략하게 설명할 수 있는 그림이어야하기 때문이다.

이 문제는 타임머신을 타고 생명이 태어날 때부터 살펴보면 가능한 일이다. 그런데 타임머신은 아직 등장하지 않았으므로 이에 기대할 수는 없는 일이다.

그럼에도 불구하고 학자들은 현재까지의 과학 지식을 총 동원하여 지구에서 생명체가 태어난 이후부터 현재와 같은 생명체가 태어날 수 있었던 과정을 생명의 나무에 그리는데 공을 들이고 있다. 

생명의 기원을 연구하는 학자들은 지구에서 일단 생명체가 태어난 이후 몇 가지 중요한 4단계를 거쳐 궁극적으로 현재의 인간이라는 동물이 태어날 수 있었다고 설명한다. 이들 각 단계의 세부사항과 상대적 중요성, 정확한 순서는 아직까지 격렬한 논쟁의 대상이지만 중요단계는 다음과 같은 시나리오를 거쳐야 한다고 설명한다.

 

① 유기물의 합성

1952년 스탠리 밀러의 연구에 세계가 경악한 것은 단 몇일 사이에 유명한 지구의 스프에 의해 부색에서 분홍색, 붉은색을 거쳐 갈색의 스프로 변했다는 점이다. 이는 다양한 유기분자들이 간단한 구성물질로부터 쉽게 생겨날 수 있음을 보여주었다.

스탠리 밀러(1930~2007)

간단한 유기물의 출처가 지구이든 외계이든 이들 화학물질이야말로 초기 지구의 필연적인 구성요소로 볼 수 있다. 특히 질소를 포함한 아미노산 분자는 생물에 필수적인 모든 단백질을 이루는 구성물질이다. 단백질은 생물체를 이루는 중요한 구성 성분이며 세포의 화학반응을 촉매하는 효소로 작용한다. 수백 종류의 아미노산이 합성될 수 있지만 오직 20종만 실제로 각 생물에서 단백질을 만든다. 이런 선택성은 지구상의 모든 생물체가 공통된 조상세포의 진화로 출발했음을 암시한다.

 

② 중합체 합성

단백질, 셀룰로오스, DNA 등 많은 중합체가 생물의 필수적인 구조물을 제공하는데 이는 단량체(monomer)가 중합체로 변환되었다는 것을 의미한다. 단량체란 서로 연결되어 중합체라는 긴 사슬 구조를 이루는 기본 단위다.

두 단량체가 축합 중합하여 나일론과 물을 생성한다

밀러를 포함한 수많은 학자들의 실험에서 작은 유기분자는 쉽게 형성된다. 문제는 이 경우 매우 낮은 농도일 경우에 한한다. 그러나 작은 분자들이 상호 작용하려면 그 용액이 훨씬 더 농축되어 두 분자가 서로 충돌할 기회를 가져야한다. 이는 생물에 필수적인 복잡한 거대 분자들이 고농도의 단량체로 세심하게 고안된 환경에서도 저절로 생겨나지 않는다는 점이다. 이는 이들 거대 분자들이 매우 불안정하기 때문이다.

학자들은 이런 문제점을 해결할 수 있는 방법으로 촉매작용이 개입되면 가능할 수 있다고 제시했다. 촉매작용에서 매개분자는 두 단량채(A와B)가 하나의 중합체로 쉽게 결합할 수 있도록 해주며 이때 매개분자 자신은 변하지 않는다. 여기에 중합반응의 속도가 몇 차수 증가하면 분해 속도를 능가할 수 있다.

크리스티앙 드뒤브(1917~2013) 1974년 노벨 생리의학상

생명 탄생에 대한 설명으로는 드뒤브 박사가 강력히 주장했는데 그는 초기 대기에 티오에스테르(thioester)라는 분자 종류의 합성을 용이하게 하는 황화수소가 풍부했다고 가정했다. 즉 티오에스테르가 단백질의 거대분자를 생성하는데 중요한 촉매작용을 했으며 이것이 다른 중요한 반응에서 촉매로 작용했다는 것이다. 이런 촉매작용은 오늘날 세포의 물질대사에서도 중요한 역할을 담당하므로 많은 학자들의 지지를 받고 있다.

시드니 올트먼(1939~2022) 1989년 노벨 화학상

일부 생화학자들은 RNA의 촉매작용이 그 역할을 담당했을 가능성을 지적한다. 1980년대 중반 예일 대학의 시드니 올트먼 박사는 RNA분자가 유전정보의 조작에서 촉매역할을 할 수 있다고 발표했다. 이는 최초의 자기 복제를 하는 실체는 단백질이 아닌 RNA의 화학적 성질에 기초했을지도 모른다는 뜻이다. 물론 어떻게 RNA 유사 분자가 최초로 형성되었는지는 아직도 명쾌하게 설명되는 것은 아니다.

스튜어트 카우프만(1939~)

센타케이 연구소의 카우프만 박사는 분자들이 자신의 형성을 스스로 촉매하는 ‘자기촉매작용’이 있다고 주장했다. 분자 AB가 분자 A와 B를 결합하여 새로운 분자 BA를 만드는 반응를 촉매하고 BA가 다시 A와 B를 만드는 반응을 촉매한다. A와 B만을 포함하는 용액은 오랫동안 안정된 상태로 있을 수 있지만 AB나 BA가 약간만 첨가하더라도 화학적 폐회로에서 자가촉매가 일어나기 시작한다는 것이다.

이런 생각은 카우프만 박사가 처음으로 제시한 것은 아니지만 그는 여기서 한 단계 앞서 나아간다. 그는 어떤 계(界)에서 여러 분자 종류의 숫자 증가하면 훨씬 더 복잡한 자가촉매망이 발생할 가능성이 높다고 주장했다.

 

‘자체 추진되는 이들 회로의 전체 연결망을 상상하면 충분히 다양한 분자들의 혼합물이 어디엔가 축적된다고 불 수 있다. 자가촉매작용을 하는 계(자기 유지와 자기 생성의 물질대사)가 나타날 가능성은 높아진다. 이것이 사실이라면 생명의 출현은 일반인들이 생각하는 것보다 매우 수월했을지도 모른다.’

 

여기에 그동안의 설명에 반하는 내용으로 촉매작용이 전적으로 유기분자에 의존할 필요가 없다는 지적도 있다. 무기물의 표면도 자동차의 촉매변환 장치처럼 촉매역할을 잘 할 수 있기 때문이다. 학자들은 생명발생 이전의 시기에 이용 가능한 활성 표면으로 암석의 풍화로 만들어진 진흙을 꼽는다. 진흙은 느슨하게 층을 이룬 물질로 그 속에서 강하게 결합된 원자층이 종이처럼 쌓여 있다. 특히 오늘날 토양과 해양 퇴적물에 있는 진흙의 이용가능한 표면은 모두 언제나 유기물로 뒤덮여 있다.

근래 학자들은 생명은 간단한 유기분자, 열에너지, 진흙 표면 등의 적합한 환경을 모두 제공하는 심해의 뜨거운 열 분화구에서 탄생했을 것으로 추정한다. 물론 이에 대해 누구도 확신할 수 없으므로 아직 완벽한 정설은 도출되지 않았지만 많은 학자들이 이에 도전하고 있음은 물론이다.

 

③ 세포막

세포는 모두 같은 종류의 바깥 막 즉 친수성인 인산염이 마치 필통 속에 가지런히 놓인 연필처럼 표면을 이루고 있는 기다란 인지질 분자들의 이중막을 지니고 있다. 충분한 농도로 존재한다면 이들 분자가 모여 세포의 안과 밖을 구분짓는 세포막과 유사한 구조를 이룰 수 있다.

세포막은 모든 생물체의 필수적인 구정요소이다. 모로위츠 박사는 무생물로부터 생물로의 불연속전이를 나타내는 것은 이중막이 닫혀서 소낭을 형성한 것이라고 말했다.

이런 둘러싸기에는 두 가지 설이 제기된다.

해롤드 J. 모로위츠(1927~2016)

모로위츠 박사는 둘러싸기가 생물발생 이전의 과정에서 상당히 초기에 일어났다고 추정한다. 막으로 둘러싸여 격리된 환경이 다른 화학반응들이 진행될 수 있는 안전한 실험실을 제공했다는 것이다. 이에 반해 드뒤브 박사는 막의 형성을 자기 복제 RNA의 형성에 뒤따르는 마지막 단계로 본다.

다행히도 이들 어느 쪽도 아직 확정적이지는 못하다. 그러나 세포막이 간단한 분자의 발생 이후 최초의 세포의 발생 이전의 어느 시점에선가 형성되어있어야 한다는 데는 모두 동의한다. 그러나 생명기원과 관련된 논쟁에서 아직 의견 일치를 보이는 것은 아니다.

 

④ 자기 복제

학자들은 고도로 조직화된 분자들의 집합이 스스로 복제하기 시작할 때 비로소 생명이 시작된다고 설명한다. 최초로 복제를 시작한 대상의 자세한 구조는 알 수 없지만 그것이 주변으로부터 물질과 에너지를 얻는 능력, 이른바 물질대사라고 부르는 과정을 행했다는 데에는 이론이 없다.

 

물질대사는 이산화탄소와 물을 비롯한 몇 가지 간단한 화합물로부터 완전한 세포를 창조한다. 학자들은 생물을 연구함으로써 그 내부에 감추어진 가장 원시적인 물질대사의 화학적 경로를 유추하고 있다. 그런 연구의 결과 흔적 기관이나 정크 DNA, 사람의 눈에서 시세포의 이상한 위치 등 생물계의 비효율성을 발견한다. 이를 학자들은 아마도 오늘날의 생물이 단순한 형태에서 점차 진화했다는 것으로 추정한다.

중요한 질문은 어떤 간단한 자기 복제의 화학경로가 모든 생물 탄소의 원천인 이산화탄소를 보다 큰 분자로 합성할 수 있느냐이다. 여기저기서 분자가 무작위로 생겨나는 것이 아니라 자기 복제가 가능해야 한다.

DNA의 분자 구조

모로위츠 박사는 지질 이중막의 둘러싸기가 먼저 일어나고 이후 자기 복제 회로가 뒤따랐다고 제시한다. 그러한 둘러싸기가 유기물질을 효과적인 농도로 유지하는데 필수적이라는 설명이다. 아마도 이 원시세포는 DNA에 기초한 오늘날 세포와 다를지도 모르지만 자신을 복제할 수 있는 특성을 지녔을 것으로 생각한다.

RNA의 화학적 작용과 뒤이은 DNA의 합성은 생물로의 긴 행로에서 비교적 나중 단계의 진화이다.

 

<다양한 생물체로 진화>

다윈의 진화론은 단세포 생물에서 다세포 생물, 연체동물에서 껍질을 가진 동물, 바다에서만 한정적으로 살다가 육상이나 공중, 나아가 상상할 수 있는 모든 가능한 서식처로 이행해가는 논리적인 변천을 보여준다. 특히 생물의 미세한 변화에서 자연선택의 부단한 과정을 관찰할 수 있다. 가장 놀라운 것은 항생제에 내성을 지니는 새로운 세균종이 태어나는데 이것이야말로 진화의 핵심이라 볼 수 있다. 즉 이런 변화를 거쳐 생물이 진화했고 진화를 계속하면서 변화하는 환경에 대처한다는 점이다.

이런 변화가 함축하는 것은 바로 지구상의 생물이 하나의 공통 조상을 가진다는 사실이다.

지구상 모든 생물의 공통 조상에 대한 강력한 증거는 오늘날 생물은 하나 혹은 그 이상의 세포로 구성되는데 이들 세포는 모두 에너지 생성과 생식 과정에서 유사한 화학 메커니즘을 채용한다. 특히 모든 생명이 똑같은 유전암호 즉 버섯, 이끼, 사람에게서 필수적인 단백질을 구성하는 청사진을 전달하는 화학언어에 의존한다. 가장 간단한 박테리아에 소나 사람의 유전자를 삽입하여 소의 생장 호르몬이나 사람의 인슐린을 쉽게 생산할 수 있는 것도 이 때문이다.

특히 수많은 주요 유전자들과 그들이 생산하는 단백질이 생물들 사이에서 아주 흡사하다. 가령 인간의 세포 유전자가 효모세포의 돌연변이 유전자를 대체할 수 있다. 파리의 형태를 규정하는 중요한 유전자와 기능이나 구조가 비슷한 유전자가 포유류에서도 발견된다. 이는 DNA 구조가 생물의 공통 조상을 지적함을 보여준다.

데이비드 힐스가 제시한 모든 종을 나타낸 생명의 나무

다윈 이전의 선행 진화론자들은 생물이 뚜렷한 목적을 가지고 진화한다고 생각했다. 기린의 길어진 목, 바다표범의 지느러미 모양의 발, 독수리의 날카로운 눈은 예정된 진화의 최종 단계라는 것이다.

반면에 다윈은 형질이 각 세대를 거치면서 임의적인 변이와 자연선택에 의해서 변화한다고 주장했다. 만일 한 개체가 번식할 수 있을 만큼 충분히 오래 살아남을 기회를 증가시키는 어떤 이점을 지녔다면 그 이점은 전달될 확률이 보다 높게 된다는 것이다.

이런 다윈의 설명은 연속적인 세대변이에 대한 유전적 설명과 함께 새로운 종이 나타나게 되는 자연 과정을 가장 잘 보여준다. 이는 우리 인간에게도 적용됨은 물론이다. 인간도 박테리아로부터 진화하였다는 것으로 생명의 나무를 중요시하는 이유다.