최초의 생명, 즉 이 유기체에 DNA나 RNA의 기원이 밝혀지지 않고 있다
『신을 보여주는 21세기 과학』(도서출판 知와 사랑)의 저자 레오킴Leo Kim은 연구개발 책임자로서 미래의 성과를 위한 전략을 세우면서 신약 개발을 담당하고 있었습니다. 그의 회사는 암 및 다발성 경화증multiple sclerosis 같은 질병 치료를 위한 자연적 방어분자와 같은 계열인 유전자공학 인간 인터페론interferon을 두고 다른 회사들과 경쟁하고 있었습니다. 다발성 경화증은 신경세포의 축삭을 둘러싸고 있는 절연물질인 수초myelin sheath가 탈락되는 질병, 즉 중추신경계의 탈수초성 질환demyelinating disease 가운데 가장 흔한 유형이며, 주로 젊은 연령층에서 발생하는 만성 염증성 질환입니다. 수초란 신경세포의 축삭axon을 둘러싸고 있는 절연물질로 수초가 벗겨져 탈락되면 신경신호의 전도에 이상이 생기고, 해당 신경세포가 죽게 됩니다. 인터페론은 바이러스의 침입을 받은 세포에서 분비되는 단백질로 바이러스의 침입에 저항하도록 생체내의 세포들을 자극하는 물질로서 바이러스의 침입을 받지 않은 세포들의 표면에 붙어 그들을 보호합니다.
레오킴은 최고 연구책임자와 함께 탐방한 몇몇 생명공학 회사들 가운데 한 회사와 5천만 달러에 매매계약을 해야 한다고 임원들을 설득했습니다. 이 특별한 회사가 인터페론을 생산하는 박테리아를 설계한 것입니다. 그래서 그는 임상실험을 위한 인터페론을 충분히 만들 수 있는 거대한 발효시설 건립에 추가자금을 투자하게 되었습니다. 인간 인터페론은 질병, 심지어 암과도 싸우는 건강한 사람들에게서 생산됩니다. 그는 박테리아에서 생산된 화합물을 인체에 투여하여 암과 다발성 경화증 같은 질병 대부분이 화학약품의 부작용 없이 억제되기를 바랐습니다.
몇몇 종류의 인간 인터페론들이 개발되었습니다. 이 흥미로운 기술을 좀 더 이해하기 위해 그는 실험실에서 몇 가지 인터페론 유전자를 분리하도록 했습니다. 십 년이 걸려서야 다발성 경화증 치료를 위한 인터페론이 시장에 나올 수 있었습니다. 인터페론은 재발을 줄이고 다발성 경화증 환자들의 삶의 질과 지적 기능을 향상시키는 것으로 나타났습니다.
인터페론 연구가 끝난 뒤 레오킴은 과학자이자 회사의 부사장으로서 박테리아 진화 연구에 관여했습니다. 이 단순한 유기체에서 그가 발견한 변화는 엄청났으며, 많은 간행물과 특허권들의 주제가 되었습니다. 인간의 질병을 이해하고 치료하는 분자생물학을 이용하는 생명공학 혁명은 또한 유전적 수준에서 다양한 생명 형태들의 차이를 이해하게 해줍니다. 인간으로의 진화론적 진로는 서로 의존하는 공진화가 관여되는 복잡한 과정이므로 진화를 이해하면 우리의 존재를 좀 더 이해할 수 있습니다.
왜 이 이야기를 하느냐 하면, 우주의 창조와 생명의 기원에 관한 과학과 종교 사이의 충돌 너머에는 인간이 어떻게 존재하는가에 대한 또 다른 논쟁적인 주제가 있기 때문입니다. 우주의 창조나 최초의 생명과 달리, 진화는 과학자들이 받아들였으며 그들 내에서는 일반적으로 쟁점이 되지 않습니다. 반면 우리가 다룰 거의 모든 주제와 관련해서는 미스터리, 수수께끼, 모순들이 있습니다. 진화의 수수께끼와 역설은 과학의 다른 영역에서 발견된 것에 비하면 아직도 미미한 편입니다. 그리고 진화는 생명과 우리가 어떻게 창조되었는가를 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
과학자들은 최초의 생명이 어떤 형태였는지, 그것이 어떻게 시작되었는지, 또는 창조주가 관여되었는지에 대해 알지 못한다는 것을 일반적으로 인정합니다. 그러나 과학자들은 생명의 특징을 다양하게 갖춘 생물들이 지구상에 나타난 대략의 시기를 밝혔으며, 진화론을 뒷받침하는 중요한 증거를 발견했습니다.
최초의 생명, 즉기원을 알 수 없는 이 유기체에 DNA나 RNA가 있었는지는 알려지지 않고 있습니다. 19억~39억 년 전, 화학에서 탄소 원자와 질소 원자 사이에 삼중결합으로 이루어진 작용기인 시안기를 함유한 박테리아 같은 유기체는 이산화탄소를 사용하여 산소를 만들어내고 이는 마침내 우리가 숨 쉬는 대기가 되었습니다. 7억 2,000만 년 전,초기 두뇌의 기원인 대합조개가 생겼습니다. 그리고 5억 4,400~5억 4,300백만 년 전, 새로운 형태의 눈eyes이 폭발적으로 증가했습니다.그렇지만 2억 5,100만 년 전에 대부분의 종 가운데 80~95%가 멸종했습니다. 그리고 2억 2,000만 년 전, 사회적 곤충인 벌bees이 등장했습니다.
일부 화석들이 가리키는 대로 일부 과학자들은 일찍이 39억 년 전에 생명이 처음 나타난 것으로 봅니다. 이는 지구가 형성된 지 불과 5억 년 이후이므로 과학자들은 생명이 어떻게 그렇게 빨리 형성될 수 있었는지에 대해 곤혹스러워합니다. 생명이 우주에서 왔다면 이 시기는 논리적일 수 있으나 일부 사람들은 생명이 나타나기까지의 자연과정에 시간이 충분하지 않았을 것이라면서 이 “생명의 이른 출현”을 창조주의 증거로 사용했습니다.
그렇지만 일반적으로 받아들여진 유일한 증거는 약 19억 년 전의 화석으로 지구가 형성된 지 대략 25억 년 후의 것입니다. 최초 생명의 가장 이른 예로는 다양한 출처에서 나온 35억 년 전 화석들이 새로운 증거로서 유력합니다.
진화론에서는 유기체가 환경에 적응하고, 돌연변이를 통해 좀 더 적응할 수 있는 후손을 진화시켰다고 말합니다. 그렇지만 초기 생명에서는 유전자들이 어떻게든 자유롭게 교환되었으며, 따라서 유전자를 교환하는 다양한 유기체들의 공동체가 진화했습니다. 이는 박테리아가 빠르게 유전자를 교환한 이래 지금까지도 여전한 사실입니다.
그런데 이 정보가 왜 중요할까? 그것은 모든 생명이 연관되어 있고 상호 의존하는 정도를 밝혀주기 때문입니다.
초기 지구는 말 그대로 딴 세상이었습니다. 산소가 없었고, 바다는 뜨거웠으며, 대기 압력과 혜성 및 운석들의 끊임없는 충돌로 숨 막히는 곳이었습니다. 최초의 생명이 우주에서 왔든 지구상의 성분에서 출현했든 우리가 아는 건 이렇습니다.
첫째, 39억 년과 19억 년 전 사이에 ‘시안기를 함유한 박테리아cyanobacteria’가 출현하여 우리의 행성을 변화시켰습니다. 이 박테리아가 빛과 물, 이산화탄소를 산소와 유기물질로 전환시켰습니다. 대기 중의 산소는 6억 년 전까지만 해도 현재의 수준에 도달하지 못했습니다.
둘째, 최초의 생명을 어떻게 규정하든 그것은 고도의 적응력을 갖춘 미생물을 생산하도록 진화되었습니다. 최초의 생명과 유기체들은 화학물질 ‘주머니’로서 재생과 같은 생명의 단순한 기능만 했을 뿐입니다.
초기의 모든 생명은 단세포, 즉 전기화학 에너지를 일으킬 수 있는 화학물질 ‘주머니’로 구성된 미생물이었던 것으로 보입니다. 오늘날 박테리아는 좀 더 커다란 박테리아 내에서 발견됩니다. 이는 약 15억 년 전 무슨 일이 일어났는지에 대한 실마리로서, 단세포들이 주머니 안에 주머니를 지닌 유기체로 진화된 것입니다. 이 새로운 주머니인 세포핵은 미생물의 DNA를 둘러싼 세포막입니다.
그 외의 세포막 같은 구조들도 나타났습니다. 세포 내에 있는 이런 상이한 종류의 주머니들은 분리될 수 있었습니다. 재생조직을 수용한 세포핵 에너지를 생산하는 성분을 가진 미토콘드리아mitochondria[세포 소기관의 하나로 세포호흡에 관여하며, 호흡이 활발한 세포일수록 많은 미토콘드리아를 함유하고 있음], 햇빛과 이산화탄소, 물을 당糖과 산소로 전환하는 분화된 화학물질들을 품은 엽록체가 그것입니다. 세포 내에 있는 이런 주머니들의 결과로 생명은 좀 더 복잡해졌습니다.
미토콘드리아와 엽록체들은 포획된 미생물들에서 생겨났습니다. 현대 DNA 분석이 가리키는 대로 미토콘드리아가 되는 본래의 박테리아는 대부분의 유전자들을 숙주인 세포핵에게 기증까지 합니다. 박테리아는 진화하면서 복합적인 유기체가 되었습니다. 그 같은 내부의 주머니들과 함께 유기체들은 수백 수천의 미토콘드리아가 양성자 펌프를 통해 에너지를 생산하기 때문에 박테리아보다 수천 배나 커질 수 있었습니다.
진화된 ‘주머니’들을 가진 단세포 유기체들이 지속적으로 밀집하여 군체群體를 이루었습니다. 현대의 아메바들은 여전히 이런 특징, 즉 점균류slime mold로 밀집하는 능력을 가지고 있습니다. 세포 안에 있는 기능이 분화되면서 주머니들은 좀 더 복잡한 유기체가 되었으며, 세포다발은 좀 더 정교한 생물이 되었습니다. 레오킴은 이런 다발을 ‘자루sack’라고 부릅니다.
최초의 자루는 약 10억 년 전에 발달했습니다. 그것은 세포다발을 감싸는 줄기 같은 구조로 되어 있습니다. 이것이 다른 많은 세포들을 가진 좀 더 복잡한 유기체로 진화했으며, 이 유기체의 세포는 박테리아보다 수천 배나 큽니다. 이 유기체들은 특화된 다양한 세포자루들을 가졌으며, 각 자루들은 특화된 기능들을 수행했습니다. 그 결과 장기organ들과 몸체의 여러 부분들이 생겨났습니다. 단순한 몸체의 윤곽이 입과 창자, 젤라틴 모양의 몸체로 나타난 것입니다. 한 예가 대합조개인데 이것은 일찍이 7억 2,000만 년 전에 생겨났습니다. 대합조개는 뇌의 초기 형태까지 갖고 있습니다.
5억 4,400만 년 전까지만 해도 동물들의 진화는 서서히 진행되었습니다. 이 시기 지구에는 오직 세 과divisions(혹은 유형types)의 동물만 있었으며, 이 과를 필라phyla[동물 분류상의 문門phylum의 복수. 계界kingdom와 종류class/kind 사이의 분류군을 말함]라고 합니다. 이런 속도로는 인간과 같은 복잡한 유기체로의 진화를 설명하기가 어려울 것입니다.
그렇지만 5억 4,400만 년 전부터 백만 년 동안에 필라의 수가 3에서 38로 급증했습니다. 이는 고고학자들이 캐나다와 세계 각지에서 새로운 동물이 급증한 것을 보여주는 화석의 발견으로 알아낸 사실입니다. 찰스 다윈은 이런 급증이 자신의 진화론을 거스르는 잠재적 증거를 보여주는 것임을 알고 당황해했습니다. 19세기에서 20세기에 걸쳐 이 미스터리는 과학자들을 계속 난처하게 만들었으며, 만족할 만한 이론이 나오지 못했습니다. 그 후 21세기가 시작될 무렵 매우 그럴 듯한 하나의 이론이 제기되었습니다.
옥스퍼드 대학의 연구자 앤드루 파커Andrew Parker(1967-)는 저서 『눈 깜빡할 사이에 In the Blink of an Eye』(2003)에서 생명 형태가 급증한 건 가장 최근에 분화된 세포자루인 눈을 가진 생물들에서 비롯되었음을 이론화했습니다. 동물들은 환경을 분별하는 데 단지 감각과 화학적 수용체에 의존하기보다 제한적이지만 시각을 가졌습니다. 시각은 먹이를 쉽게 포획하고 포식자들을 미리 경계할 수 있게 해주었습니다. 눈은 또 생명체들이 시각적으로 배우고 서로 모방하게 해주었습니다. 5억 4,300만 년 전에 발생한 가장 유용한 감각, 시각이 발달하면서 우리가 만들어지게 된 것입니다.