지구 생명체의 진화(1). 생명체의 대폭발

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학자들은 문지방을 넘은 지구의 생명체는 지구가 태양계에서 태어난 지 대체로 10억 년이 지난 시기에 태어난 것으로 추정한다. 약 35억 년 전이다. 다윈의 진화론에 의하면 인간의 선조는 약 35억 년 전에 지구에 태어났다는 것을 의미한다.

학자들은 지구의 생명체가 지구의 나이에 비해 매우 느리게 진화했다고 생각한다.

이 기간에 원핵생물이 출현했고 약 27억 년 전 남세균(시아노박테리아)이 출현하여 광합성이 시작되었으며 약 21억 년 전에 진핵생물이 등장했다. 이후 약 10억 년 전에 비로소 다세포생물이 출현했다. 다세포생물은 이름 그대로 여러 세포로 구성된 생물로 세포와 세포 사이에 세포벽도 있다. 초기 다세포생물은 같은 형태의 세포들이 모인 집합체에 가까운데 나중에는 세포마다 일을 나눠서하는 분업화도 일어난다.

그런데 캐나다 퀘벡 주의 누부악잇턱 녹색암대(Nuvvuagittuq Greenstone Belt)에서 37억 7000만〜43억 년 전 지구상에 생물이 존재했다는 것을 나타내는 지구에서 가장 오래된 화석이 2017년에 발견되었다. 이 발견은 지금까지 지구에서 가장 오래된 화석으로 간주했던 것보다 약 3억 년 더 오래된 것으로 알려진다.

 

지구에서 가장 오래된 생명체(37 억  7000 만 〜 43 억 년 전 철을 먹는 해양 박테리아에 의해 형성된 실 구조와 빨간 관이 보임)

이들 생명체의 존재는 인간의 머리카락 보다 가는 길이 최대 0.5mm의 해양 박테리아로 알려지는데 초기 지구의 섭씨 60도 바다에 살고 있었던 것으로 생각된다.

철과 규소가 풍부하게 들어있는 암석에서 화석이 발견되었는데, 화석이 발견 된 장소에서는 심해저에 존재하는 열수 분출공의 흔적도 발견되었다. 철분이 풍부한 열수 분출공은 현대에도 존재하는데 거기에 서식하는 철 산화 세균이 이번에 발견 된 화석의 박테리아와 비슷하다는 설명도 있다.

그런데 근래 매우 흥미로운 연구 자료가 발표되었다.

지구의 나이를 약 45억 년으로 볼 때 생명체 기원을 40억 년 전으로 올릴 수 있지만 일반적으로 약 10억 년 후인 35억 년 전에 지구에 생명체가 있었다는 것은 잘 알려진 사실이다. 그런데 이들이 지구 내에서 발생했는지 지구 외에서 유입되었는지는 모르지만 당시 그들이 간신히 생존하고 있었는지 혹은 번성하고 있었을까에 대한 의문이 들지 않을 수 없다.

션 맥글린 박사는 2019년 수십 억 년 간의 황 동위원소 비율에 기록되어 있는 미생물의 대사가 자신의 연구 예측과 일치하는 것을 보면 고대의 해양에서도 상당히 많은 생명이 번성하고 있었다고 주장했다.

세계 전역의 박물관에서 공룡의 뼈를 볼 수 있는 것은 그 이전 수십 억 년 동안 미생물이 존재했고 이들을 통해 공룡이 태어났다는 것을 모르는 사람은 없다. 그러나 오래된 지질학적 기록에 미생물의 존재를 보여주는 물리적 증거를 찾아내는 것은 간단한 일이 아니다. 아주 특별한 경우 미생물의 흔적이 나타나기는 하지만 보통 미생물은 화석으로 잘 남지 않으므로 과학자들은 지질학 기록에 생명이 존재했는지를 이해하기 위해 다른 방법을 사용한다.

인류를 포함하여 모든 살아있는 존재는 ‘먹고 배설한다.’ 다시 말해 생명체는 음식을 섭취하고 노폐물을 배출한다. 미생물은 종종 주위환경에 존재하고 있는 단순한 화합물을 섭취한다. 예를 들면 어떤 미생물은 이산화탄소(CO2)를 탄소원으로 이용하여 세포를 만들어낼 수 있다. 자연적으로 존재하는 이산화탄소에서 C12 와 C13 의 비율은 거의 일정하다.

하지만 C12가 들어있는 이산화탄소는 C13이 들어있는 이산화탄소에 비해 2% 가벼워서 C12로 구성된 이산화탄소 분자는 약간 빨리 확산 및 반응을 일으키기 때문에 이들이 죽어 화석 기록에 흔적을 남기므로 이를 통해 그 비율이 측정가능하다. 미생물의 종류마다 이러한 과정을 통해 만들어내는 동위원소의 조성, 혹은 ‘흔적’은 독특하기 때문에 미생물의 종류를 파악할 수 있다는 뜻이다.

 

황산염을 호흡하는 미생물 세포의 전자현미경 사진.

탄소 외에도 생명에게 필수적인 화학 원소들이 있다. 예를 들면 16개의 양성자를 가지고 있는 황은 S32(16개의 중성자), S33(17개의 중성자), 그리고 S34(18개의 중성자) 이렇게 세 종류의 자연적인 안정 동위원소를 가지고 있다. 따라서 미생물이 남기는 황 동위원소 패턴은 황을 포함하고 있는 화합물에 기반한 생물학적 대사의 역사를 35억 년 전부터 기록해 왔다고 볼 수 있다.

많은 미생물들이 황산염을 연료로 사용하고 그 과정에서 다른 종류의 황 화합물인 황화물을 배설한다. 오래전에 살던 미생물의 대사에서 만들어진 ‘노폐’ 황화물은 지질학적 기록에 저장되고 그 동위원소 비율은 FeS2 광물인 황철석과 같은 광물을 분석하여 측정할 수 있다는 것이다.

슈미트 박사는 미생물의 황 대사에서 주된 생물학적 제어 단계를 밝히면서 어떤 세포의 상태가 어떤 종류의 황 동위원소 분별로 이어지는지를 분석하여 대사를 동위원소와 연결지었다. 대사가 어떻게 동위원소 비율을 바꾸는지 파악할 수 있게 되자 어떤 유기체가 어떤 동위원소 흔적을 남기는지 예측할 수 있게 된 것이다.

이 연구는 한국의 심민섭 교수와 직결된다. 심박사는 황산염을 이용해 숨을 쉬던 25억년 전 미생물의 ‘숨결’ 흔적을 처음으로 발견했다. 미생물은 황산염이나 질산염, 산화철 등 산호가 포함된 물질에서 산소를 떼어내는 독특한 호흡을 통해 산소 없이도 에너지를 확보할 수 있다는 것은 잘 알려진 사실이다.

 

예를 들어 황산염 호흡 미생물은 황산이온(SO42-)을 물(H2O)와 황화수소(H2S)로 바꾸는 과정에서 에너지를 얻는다. 지구는 45억 년 전 탄생한 뒤 약 20억 년 동안 대기 중에 산소가 거의 없는 환경이었으므로, 이 같은 무산소 호흡을 하는 미생물이 많았을 것으로 추정하는 그 증거이다.

심 교수는 미생물이 황산염을 환원시킬 때 참여하는 효소의 반응속도에 주목해 이들 미생물의 숨결 흔적을 찾았다. 황에는 무거운 동위원소(S34)와 가벼운 동위원소(S32)가 있는데, 미생물이 지닌 ‘아데노신 5’-포스포황산염(APS) 환원효소’는 이 가운데 가벼운 동위원소 황과 반응할 때 약 2% 빨리 반응하는 특성이 있다. 심 교수팀은 만약 황을 이용하는 미생물이 25억 년 전에 존재했다면, 이 미생물이 대기 중의 가벼운 황을 호흡을 통해, 결과적으로 대기 중 S32의 비율을 줄일 것이라고 추정했다.

심박사가 실제로 25억 년과 현재의 퇴적암 속 황 동위원소 조성 변화를 조사해 비교한 결과, 25억 년 전에는 지금보다 S32의 비율이 낮고 S34의 비율은 높은 것으로 확인됐다. 그는 ‘당시 미생물이 환원에 필요한 전자를 지닌 유기물이나 수소에 쉽게 접근할 수 있는 곳에 존재했음을 확인시켜주는 것’이라고 해석했다.

반면 25억 년 전 이후로는 S34의 비율이 과거보다 증가했는데, 연구팀은 이를 대기 중 산소 농도가 증가하면서 산소를 이용하는 미생물이 등장해 황산염 환원을 이용하는 미생물 대신 번성한 결과로 추정했다. 결론적으로 35억 년 전부터 바다에는 수많은 미생물이 존재했고 이것이 결국 현대의 인간으로 진화할 수 있었다는 것이다. 한마디로 이 기간 동안 바다에 비록 거대한 생명체는 존재하지 않았을지 모르지만 미생물은 수없이 많이 존재했다는 것이다.

그런데 약 6억 년 전 갑자기 생물이 다양해진다.

 

에디아카라

몸길이가 약 5센티미터로 3개의 도출부를 지닌 트리브라키디움, 몸길이 15〜60센티미터로 바다 밑바닥에 달라붙어서 사는 원형과 타원형의 디킨소니아, 몸길이 약 1미터에 나뭇잎 모양인 카르니오디스쿠스, 말미잘처럼 몸 가운데 부분이 텅 빈 3센티미터 정도의 에르니에타 등인데 이들 대부분 몸 두께가 1센티미터도 되지 않을만큼 매우 얇다.

이들은 오스트레일리아의 에디아카라 구릉 지대에서 발견되어 에디아카라 동물군이라 부른다. 이후 러시아, 아프리카 등에서도 발견되어 동시기 지구 전체에서 생물의 진화가 활발히 일어났다는 것을 알 수 있다.

이후 지구의 역사에서 매우 중요한 캄브리아기(-紀, Cambrian period)가 등장한다. 지질시대를 크게 두 부분으로 구분할 때 캄브리아기 이전과 이후로 나눈다. 캄브리아기 이전은 은생누대, 그리고 캄브리아기 이후는 현생누대라고 불렀는데, 은생(隱生)은 암석에서 생물(즉, 화석)이 보이지 않는다는 뜻이고, 현생(顯生)은 암석에서 생물(즉, 화석)이 보인다는 뜻이다.

현재 공식적으로 정해진 캄브리아기 이전과 이후의 경계는 5억 4100만 년 전이다.

애덤 세지윅(1785~1873)

‘캄브리아(Cambria)’라는 용어를 처음 사용한 사람은 영국 케임브리지 대학의 지질학 교수 애덤 세지윅(Adam Sedgwick)이다. 19세기 초엽 영국 웨일스(Wales) 지방을 조사한 세지윅은 그 지역의 지층에 대해서 캄브리아기라는 이름을 붙였는데 이들 지층이 겹친다는 지적이 있었다. 결국 많은 토론과 연구에 의해 두 기간이 겹치는 부분을 오르도비스기(Ordovician)라는 새로운 지질시대로 명명했다.

당대의 학자들은 화석이 많이 들어 있는 층을 캄브리아기 시작의 기준으로 삼았는데 이들 지층에는 삼엽충 화석이 특히 많았고, 따라서 삼엽충은 캄브리아기의 시작을 알려주는 좋은 징표였다.

 

삼엽충

그런데 삼엽충은 지구상에 최초로 출현한 동물이라고 보기에는 지나치게 복잡한 모습이다. 삼엽충이라는 최초의 동물이 갑자기 태어났다면 생명체가 진화에 의한 것이 아니라 고도의 지적인 생명체로부터 시작되었다는 것을 의미하기 때문이다.

이것은 진화론을 제창한 다윈에게 치명타를 안겨 준 것으로 유명하다.

당대 진화론을 철저하게 부정한 학자들은 지구 최초의 생물이 삼엽충처럼 복잡한 동물이라는 사실이 바로 진화론이 틀렸기 때문이라고 공격했다. 다윈이 그들의 공격을 막아내는데 어려움이 겪었음은 물론이다.

물론 현대는 삼엽충이 출현하기 훨씬 이전에도 다양한 동물들이 살고 있었음을 알고 있다. 년대 서술에 여러 자료마다 약간씩 다른 점은 있지만 일반적으로 지구 최초의 동물은 6억 3500만 년 전에 출현하였고, 5억 7000만 년 전에는 에디아카라 생물군이 등장하는데 에디아카라는 식물 잎 모양이다.