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1. 생명의 정의최초의 생명은 어떻게 탄생했을까? 이 질문에 답을 하기 위해서는 먼저 '생명'과 '생명이 아닌 것' 사이에 경계선을 설정할 필요가 있다. 생명의 통일된 정의는 아직 없으며, 생명의 정의 역시 연구자마다 다르기 때문이다. 생명과 생명이 아닌 것의 경계선을 설정하기 위해, 먼저 생명의 특징에 대해 생각해 보자. 1-1. '자기 복제'를 한다.생명은 자신과 같은 모습을 한 자손을 만들 수 있다. 이 기능을 '자기 복제(self-replication)'라고 부른다. 예컨대 사무실에 있는 복사기는 문서를 복사할 수는 있지만, 자기 자신을 복제할 수는 없다. 하지만 '아메바(amoeba)'는 자기 자신을 복제할 수 있다. 이처럼 '자기 복제'를 통해 부모에게서 자식이 태어나고, '종'이 유지된다. 이때 부모에게서 자식으로 이어져가는 물질이 유전 정보를 가진 'DNA'이다. 생명의 기본 단위인 세포도 자기 복제를 한다. 이때 세포는 우선 유전 정보를 가진 DNA를 정확하게 복제한 후, 새로 생기는 2개의 세포에 DNA를 균등하게 분배한다. 이로써 부모와 같은 유전 정보를 가진 자식이 만들어진다. 1-2. '대사'를 한다.우리는 음식물을 섭취함으로써 재료가 되는 '아미노산(amino acid)'과 '에너지(energy)'를 얻는다. 그리고 에너지를 이용해 아미노산을 필요한 단백질로 바꾸어 만들면서, 우리의 몸은 유지된다. 이 과정은 '이화 작용'과 '동화 작용'으로 이루어지는데, 이것을 합쳐 생물학에서는 '물질대사(metabolism)' 또는 '대사'라고 부른다. 대사에 필요한 것은 '촉매(화학 반응을 촉진시키는 장치)'로 작용하는 '효소(세포 내 생화학 반응의 촉매 역할을 하는 단백질)'이다. '바이러스(Virus)'의 경우, 복제에 의해 자손을 남기지만 '대사(metabolism)'는 하지 않는다. 이 때문에 생물학에서는 바이러스를 '생물(Living organism)'로 간주하지 않는 경우가 많다.
 2. 생명은 언제 탄생했는가?생명의 탄생은 지금으로부터 몇억 년 전의 일이었을까? 이에 대해 정확히 알 수는 없지만, 대략적인 시기를 추리할 수는 있다. 태양은 46억 년 전에 탄생했다. 그리고 그것과 거의 동시에 무수한 미행성이 충돌, 합체해 지구가 탄생했다. 그 뒤에도 지구에 미행성이나 운석이 계속 충돌했고, 그 열로 인해 지구의 표면층은 끓어오르는 마그마로 덮여 있었다. 지구의 표면에는 한동안 '마그마의 바다(Magma Ocean)'가 넓게 형성되어 있었다고 생각된다. 2-1. '운석의 대폭격'이 끝난 시기'운석의 대폭격'이 끝난 시기는 지금으로부터 약 40억 년 전의 일로 보인다. 따라서 만약 40억 년 전의 지구에 생명이 탄생했다고 해도, 운석이 쏟아지는 가혹한 환경을 이겨낼 수는 없었을 것이다. '운석의 대폭격'이 진정되자, 지구의 표층이 식으면서 지각이 형성되었다. '그린란드(Greenland)'에 있는 약 38억 년 전의 지층에는, 바닷물 안에서 식어서 굳은 것으로 보이는 용암이 남아 있다. 이는 이 시대에 이미 광대한 바다가 있었음을 말해주는 것이다. 2-2. 가장 오래된 생명의 흔적1999년 덴마크 지질박물관의 '미니크 로싱(Minik Rosing, 1957~)' 박사는 약 38억 년의 지층에서 검은 얼룩을 발견했다. 이 검은 얼룩은 탄소 덩어리었다. 탄소에는 '가벼운 탄소(¹²C)'와 '무거운 탄소(¹³C)'가 있다. 생물이 이산화탄소 등을 흡수할 때 가벼운 탄소가 더욱 빨리 흡수된다는 사실이 알려져 있다. '미니크 로싱(Minik Rosing)' 박사는 38억 년 전의 지층에 남은 탄소의 덩어리를 조사하였다. 그리고 거기서 가벼운 탄소가 농축되고 있다는 사실을 밝혀내었다. 로싱 박사는 이 농축이 약 38억 년 전의 지구에 살았던 어떤 생물의 활동한 결과에 의한 것이라고 주장한다. 이 외에도 여러 연구 결과를 종합하면, 생명의 탄생은 약 40억 년 전~38억 년 전 사이에 이루어졌다고 추론할 수 있다. 3. 생명의 원재료3-1. 대기중에서 생명의 재료가 만들어졌다.러시아의 과학자 '알렉산드르 오파린(Aleksandr lvanovich Oparin, 1894~1980)'박사는 1924년의 저서 '생명의 기원'에서 생명의 탄생은 다음의 3단계를 거쳐서 일어난다고 주장했다. 우선 제1단계로, 원시 지구에서 대기 중의 '메탄(CH₄)'이나 '암모니아(NH₃)'가 반응해 '아미노산(amino acid)'과 '염기(base)' 등이 만들어졌다. 이어 제2단계에서는 단백질과 '핵산(nucleic acid)'이 만들어지고 이것이 바다 안에 괴어 있었다. 이것을 '원시 수프(primordial soup)'라고 부른다. 그리고 마지막 3단계에서는 단백질이나 핵산을 포함한 '원시 세포'가 생기고 그것이 복잡한 '대사(metabolism: 모든 살아있는 세포에서 일어나는 화학 반응들)'를 시작해 최초의 생명이 되었다는 것이다. 하지만 이러한 견해는 곧바로 받아들여지지 않았다. 왜냐하면 아미노산 등의 화합물은 생물만이 만들 수 있는 특별한 물질이라고 생각되었기 때문이다. 3-2. 밀러의 실험하지만 1953년, 미국의 캘리포니아 대학 교수인 '스탠리 밀러(Stanley Miller, 1930~2007)' 박사가 단순한 화합물에서 복잡한 화합물로의 진화를 재현하는데 성공하면서 상황이 완전히 바뀌었다. '스탠리 밀러' 박사는 메탄, 암모니아, 수증기로 채워진 플라스크 안에서 수증기를 순환시켜 방전을 되풀이했다. 원시 지구의 대기를 재현시키고, 그 안에서 벼락이 치도록 만든 것이다. 며칠이 지나자, 플라스크 바닥에 단백질의 재료가 되는 '아미노산'과 DNA나 RNA의 재료가 되는 '염기' 등이 서서히 고이게 되었다. '알렉산드르 오파린'이 말했던, 단순한 화합물에서 복잡한 화합물로의 진화가 재현된 것이다. 아미노산이나 염기는 '시안화수소(hydrogen cyanide)'나 '포름알데히드(formaldehyde)' 등의 중간체를 거쳐서 만들어진 것으로 보인다.
3-3. 생명의 재료를 만든 것은 '벼락'이 아니라 '우주선'이다?현재는 원시 지구 대기의 주된 성분은 메탄이나 암모니아 등의 반응하기 쉬운 분자가 아니라, 질소나 이산화탄소 등의 반응하기 어려운 분자였을 것으로 생각된다. 벼락을 모방한 방전이 아니라 '우주선(우주에서 쏟아지는 방사선)'을 모방한 양성자 빔을 가스에 쬐면, 복수의 아미노산이 만들어진다는 사실이 확인되었다. 따라서 생명의 재료를 만든 것은 '벼락'이 아니라 '우주선'의 에너지였을지도 모른다. 3-4. 생명의 재료는 우주에서도 왔다.1969년 9월 28일, 오스트레일리아 남동부의 작은 마을 머치슨에 많은 운석이 떨어졌다. 미국 애리조나 주립대학의 '존 크로닌'박사 등이 '머치슨 운석(Murchison meteorite)'라고 불리는 이 운석을 분석한 결과, 그 안에 아미노산이 포함되어 있었다. 그리고 이 아미노산이 지상에서 만들어진 것이 아님도 확인하였다. 이 사건으로 인해, 생명의 재료가 운석에 실려 대량으로 공급되었을 가능성도 주목받게 되었다. 또 1986년에는 지구에 접근한 '핼리 혜성(Halley's Comet)'의 성분이 탐사선에 의해 직접 조사되었는데, 거기에 유기물이 존재한다는 사실도 알게 되었다. 게다가 유기물이 항성이 태어나는 우주의 '암흑 성운'이라고 불리는 곳에도 있다는 사실도 알려졌다. 즉, 우주 공간에는 다양한 유기물이 흩어져 있다. 2006년에도 NASA의 탐사선 '스타더스트(Stardust)'가 '빌트 2 혜성(Wild 2)'에서 표본을 채취해 지구로 가져오는 데 성공했다. 그리고 분석 작업에 의해 이 혜성에도 유기물이 다수 있다는 사실이 확인되었다.
이 외에도 아미노산 등의 유기물을 포함하는 운석은 다수 보고되었다. 이런 점에서 미루어 볼 때, 생명이 탄생하기 전의 지구에서도 유기물을 가진 운석이나 혜성이 지구와 충돌해 유기물을 풍부하게 공급했을 가능성이 있다. 즉, 생명의 재료인 아미노산이나 염기는 원시 대기에서만 자연 합성된 것은 아닌 것으로 보인다. 4. 최초의 생명이 탄생한 곳4-1. 생명은 바닷속에서 생겨났다.대부분의 연구자들은 최초의 생명이 탄생한 곳이 '바닷속'이라고 생각하고 있다. 물은 다양한 화학 물질을 녹이기에 적합하다. 따라서 화학 반응의 조합인 생명 현상에서 물은 꼭 필요하다. 또 바닷물의 성분과 세포의 성분이 비슷하다는 점도 바다가 '생명의 모체'임을 암시한다. 그러면 구체적으로 생명은 바다의 어디에서 탄생했을까? 4-2. 열수 분출공가장 유력한 후보로 여겨지는 곳은 '열수 분출공(hydrothermalvent)'이라는 곳이다. '열수 분출공'은 마그마에서 데워진 열수가 해저에서 분출되는 장소이다. 깊은 바닷속에서는 수압이 높아지고 물의 끓는점도 상승하므로, 깊은 바닷속에서는 100℃ 이상의 열수가 존재할 수 있다. 수심 2200m 이하의 '열수 분출공'에서 분출되는 열수의 온도는 400℃나 된다. 태고의 열수 분출공에서도 초임계수가 생명의 탄생에 유리하게 작용할 가능성이 있다는 것이다. '열수 분출공'은 생명이 탄생하기에 적합한 점이 많다. 먼저 열수에는 에너지가 충분히 있으며, '메탄CH4'이나 '암모니아(NH3)' 등도 풍부하게 포함되어 있다. 열수를 모방한 환경에서 메탄이나 암모니아 등의 유기물이 합성된다는 사실도 확인되었다. 또 '열수 분출공' 부근에는 철이나 망간 등의 금속 이온도 충분하다. 이들 금속 이온들은 그 자체가 화학 반응의 '촉매'가 되기 때문에, 생명 탄생에 유리하게 작용했을 가능성이 있다. 4-3. 아미노산은 '탈수 축합' 반응에 의해 연결되었다.아미노산을 연결해 단백질을 만드는 화학 반응이란, 아미노산에서 물을 빼앗는 '축합 반응(condensation reaction)'이다. 한쪽 아미노산에서는 '수소 원자(H)'를 빼앗고, 또 한쪽 아미노산에서는 '산소 원자와 수소 원자(OH)'를 빼앗긴다. 물이 나오는 이런 반응을 '탈수 축합'이라고 한다. 하지만 물속에서는 옷이 마르지 않는 것처럼, 일반적인 물속에서는 보통 탈수 축합이 일어날 수 없다. 하지만 '초임계수' 안에서는 '탈수 축합 반응'이 진행될 가능성이 있다는 사실이 실험으로 확인되었다. '초임계수'란 물을 374℃, 218기압의 조건으로 고밀도 압축하면 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태가 된 물이다. 이 상태의 물은 보통 물과는 달리 기름과 비슷한 성질을 보인다. 5. 원시 세포의 탄생5-1. 생명의 탄생에는 세포막이 필요했다.생명 현상에는 활발한 화학 반응이 필요하다. 하지만 생명의 재료 분자를 아무리 준비해도 물이 많은 곳에서는 분자가 확산되고 만다. 이렇게 되면, 분자끼리 만날 수 있는 확률이 낮아지기 때문에, 활발한 화학반응이 일어날 수 없다. 따라서 생명이 탄생하려면 재료가 되는 분자들을 고농도로 농축할 필요가 있었을 것이다. 이에 '알렉산드르 오파린(Aleksandr lvanovich Oparin)'은 생명의 탄생에는 외부와 경계를 이루는 '막의 캡슐'이 필요하다고 주장했다. 막이 만드는 캡슐 안에 생명의 재료가 가두어지면, 분자들이 확산되지 않고 고농도로 유지될 것이다. 이렇게 되면 분자끼리 충돌하는 기회가 많아지고, 화학 반응이 활발해질 가능성도 높아질 것이다. 이렇게 해서 '대사'를 하는 원시 세포가 탄생했을 것이다. 5-2. 최초의 세포막은 어떻게 형성되었는가?5-2-1. 최초의 '세포막'은 '인지질'이라는 설그러면 '세포막(Cell Membrane)'은 어떤 분자로 이루어졌을까? 세포막은 '인지질(phospholipid)'이라는 분자가 모여서 형성되었다. '인지질'은 분자 내에 '친수성기 부분(물과 친해지기 쉬운 부분)'과 '소수성기 부분(물과 친해지기 어려운 부분)'을 모두 가지고 있다. 이것을 물에다 넣으면 다수의 인지질이 소수성기를 안쪽으로 해서 샌드위치 모양으로 정렬한다. 이 샌드위치 모양의 막이 현재 생물이 가지고 있는 세포막의 구조이다. 최초의 세포막 안에는 여러 분자들이 가두어졌다. 그리고 이렇게 만들어진 최초의 세포 안에서는, 다양한 화합물이 다양한 화학 반응을 통해 결합되었다. 이런 화학 반응의 네트워크가 생명의 시작이었다고 생각된다. '알렉산드르 오파린'은 인지질이나 단백질 등을 재료로 해서 '코아세르베이트(coacervate)'라고 불리는 미세한 구체를 실험적으로 만들어 보이고, 이것을 '세포의 원형'이라고 주장했다. 그 뒤에도 여러 연구자가 '세포의 원형'이 되는 막구조를 제시하였다. 5-2-2. 최초의 '세포막'은 '단백질'이라는 설다만 '인지질(Phospholipid)'은 촉매가 없으면 자연적으로 만들어지기 어려운 유기물이기 때문에, 인지질로 된 막이 자연적으로 출현하기는 어려울 것이라고 생각하는 연구자도 있다. 그래서 최초의 세포막이 '인지질의 막'이 아니라, '단백질로 된 막'이라고 생각하는 연구자도 있다. 물속에 녹아 있는 단백질도 물 분자에 의해 자연히 그 입체 구조가 정해진다. 단백질은 원래 아미노산이 염주처럼 이어진 것이다. 아미노산에는 물과 친하기 쉬운 것과 물과 친하기 어려운 것이 있다. 즉, 물과 친하기 쉬운 아미노산이 연속하는 부분은 물 분자와 서로 잡아당겨 단백질이 바깥쪽으로 접히는 경향이 있고, 물과 친하기 어려운 아미노산이 연속하는 부분은 안쪽으로 접히는 경향이 있다. 그래서 단백질은 물 분자에 의해 자연적으로 접힌다. 6. 'DNA'가 먼저인가?, '단백질'이 먼저인가?DNA는 생명의 주요 기능인 '자기 복제'에 필요한 설계도이지만, 이것만으로는 생명의 또 다른 주요 기능인 '물질 대사'가 일어나지 않는다. DNA는 화학 반응을 촉진시키는 기능을 가지고 있지 않기 때문이다. 따라서 DNA만으로는 '최초의 생명'이 되기 어렵다. 화학 반응을 촉진시키는 재료는 DNA가 아니라 '단백질'이다. 하지만 단백질만 포함하는 세포도 최초의 생명이 되기 어렵다. 왜냐하면 단백질은 유전 정보를 유지하지 못하기 때문에, 자기 복제'를 못하기 때문이다. 즉, DNA와 단백질은 모두 생명에 없어서는 안 될 분자이다. 하지만 DNA와 단백질 모두 각각 단독으로는 나타날 수 없는 분자이다. 단백질이 만들어지기 위해서는 DNA가 필요하고, DNA가 복제되기 위해서는 단백질이 필요하다. DNA와 단백질이 '닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐' 관계에 있는 것처럼 보인다. 어느 한쪽도 단독으로는 지구상에 출현할 것 같지 않다. 그래서 이 문제는 생명의 기원을 밝히려는 과학자들을 오랫동안 괴롭혀 왔다. 7. 생명은 RNA에서 시작되었는가?7-1. 리보자임의 발견그러다가 1980년대 초에 'DNA가 먼저인가? 단백질이 먼저인가?'문제를 해결하는 대발견이 있었다. 미국 콜로라도 대학의 '토머스 체크(Thomas Cech, 1947~)' 박사와 예일 대학의 '시드니 올트먼(Sidney Altman, 1939~)' 박사는 '리보자임'이란 분자를 발견했다. 리보자임이란 이름은 '효소(enzyme)'와 'RNA(ribonucleic acid)'의 이름을 조합시킨 것이다. 이름에서 알 수 있듯이, '리보자임(ribozyme)'은 스스로 화학 반응을 촉진할 수 있는 'RNA(ribonucleic acid)'를 말한다. DNA와 마찬가지로, RNA도 유전 정보를 가질 수 있다. 하지만 RNA는 단백질처럼 화학 반응을 촉진시키는 장치로 작용할 수도 있다. 즉, 리보자임은 두 기능을 모두 갖춘 '생명의 만능 분자'였다.
7-2. RNA 월드 가설이를 바탕으로 해서, 하버드 대학의 '월터 길버트(Walter Gilbert, 1932~)' 박사가 주장하는 것이 바로 'RNA 월드 가설(RNA world hypothesis)'이다. 1986년에 나온 이 가설에서는 '생명의 탄생'을 다음과 같은 시나리오로 설명한다. 원시 지구에서는 'DNA(Deoxyribonucleic acid)'나 '단백질(Protein)'보다 'RNA(Ribonucleic acid)'가 먼저 나타났다. 그리고 그 안에서 자기를 복제할 수 있는 '리보자임(Ribozyme)'이 나타나, RNA로 이루어진 생명 세계인 'RNA 월드(RNA World)'가 출현했다. 그리고 RNA는 나중에 등장한 단백질에게 화학 반응을 촉진하는 기능을 양보했다. 그리고 더 늦게 등장한 DNA에 유전자에 관한 기능을 양보해 현재의 생명으로 진화했다. 7-3. 원시 지구에 등장한 리보자임RNA에서 생명이 시작되려면, 다양한 기능을 가진 리보자임이 나타나야 한다. 이것을 검증하기 위해, 1990년대 이후 '시험관 안의 진화'라는 방법을 이용한 실험이 실행되고 있다. 이것은 인위적 돌연변이에 의해, 시험관 안의 RNA를 무작위로 진화시키는 실험이다. 이런 실험에서 리보자임이 출현 가능하다는 것이 밝혀지고 있다. 실험관 안에서 'RNA의 짧은 사슬을 만들어내는 반응', 'RNA에 아미노산을 붙이는 반응', '산화 환원 반응' 등을 촉매하는 리보자임들이 만들어지고 있다. 8. 유전 암호의 기원현재 지구상에 살고 있는 거의 모든 생물은 같은 유전 암호를 이용하고 있다. 여러 가지 단백질의 모양은 20종의 아미노산이 어떤 순서로 연결되었는지에 의해 결정된다. 그리고 그 순서를 명령하는 것은 DNA나 RNA 등의 설계도이다. 8-1. GNC 가설그러면 현재 생물이 사용하고 있는 64(4³) 종의 유전 암호는 어떻게 해서 결정된 것일까? 8-1-1. 최초의 유전 암호는 4가지그러면 현재 생물이 사용하고 있는 64(4³)종의 유전 암호는 어떻게 해서 결정된 것일까? 'GNC 가설'에 따르면, 생명은 비교적 단순한 구조를 한 '발린(Valine)', '알라닌(Alanine)', '아스파르트산(Aspartic acid)', '글리신(Glycine)' 의 네 종류의 아미노산만을 이용하고 있었다. 그 뒤 RNA가 등장하고 첫 문자가 G고 셋째 문자가 C인 유전암호가 최초로 등장하였다. 유전 암호 GUC, GCC, GAC, GGC는 순서대로 '글리신(Glycine)', '알라닌(Alanine)', '아스파르트산(Aspartic acid)', '발린(Valine)'에 대응한다. 8-1-2. 유전 암호가 16가지로 증가마침내 생명은 더욱 복잡한 구조를 한 6종의 아미노산도 이용할 수 있게 진화하였다. 이로써 이용할 수 있는 아미노산은 10종으로 늘어났다. 이에 수반되는 유전 암호의 첫째 문자와 셋째 문자의 자유도가 늘어나, 유전암호도 4종에서 16종으로 늘어났다. 8-1-3. 64종의 유전 암호가 완성되다.생명은 복잡한 구조를 갖는 10종의 아미노산을 더 이용할 수 있도록 진화하였다. 이로써 이용할 수 있는 아미노산은 현재와 같은 20종이 되었다. 이에 수반되는 유전 암호의 첫째 문자와 셋째 문자의 자유도가 더욱 증가하였고, 현재 쓰고 있는 64종의 유전 암호가 완성되었다. |
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