지구생명탄생 시나리오 (뉴톤 2007년3월호)

물질에 ‘생명’이 깃든 순간!
아름다운 이중 나선을 그리는 DNA. 기능적으로 디자인된 단백질. 그들을 에워싸는 세포는 정확하게 자기 자신을 복제하면서 자손을 남겨 왔다. 그렇다면 ‘최초의 생명’은 언제, 어떻게 이 지구에 나타난 것일까?

정신이 아찔한 정도로 복잡하고 교묘한 생명의 메커니즘. 물, 암석, 대기밖에 없던 태고의 지구에서 도대체 어떤 사건이 일어났기에, 이런 놀라운 생명이라는 존재가 태어난 것일까? 아무리 생각해도 답이 나올 것 같지 않은, 인류에게는 궁극적인 난제이다.

이 궁극의 난제에 도전하는 연구자들이 있다. NEWTON은 그러한 연구자들을 찾아가, 생명의 기원을 밝히는 최신 연구 성과를 취재했다. “우리는 왜 여기에 있는가.”라는 질문에 현대 과학은 어떻게 답하고 있을까?

생명 기원의 프롤로그

생명이란 무엇인가?

지구상에 어떤 물체가 출현하면, 그것을 ‘생명의 탄생’이라 부를 수 있을까?

그러기 위해서는 ‘생명’과 ‘생명이 아닌 것’ 사이에 경계선을 그을 필요가 있다. 요컨대 생명에 대한 정의가 필요하다는 것이다. 일본의 ‘생명의 기원 및 진화학회’의 전 회장인 요코하마 국립대학의 고바야시 겐세이 교수는 이렇게 말한다.

“생명의 정의는 연구자마다 다르다. 나 자신은 물질과 생명의 차이를 이렇게 생각한다. 즉 시간이 지나면 파괴되는 것이 물질, 시간이 지나면 파괴되지만 그에 앞서 늘어나기 때문에, 겉보기에 파괴되지 않는 것처럼 보이는 것이 생명이다.”

생명은 자신과 같은 모습을 한 자손을 만들 수 있다.

이 기능을 ‘자기 복제’라 부른다. 예컨대 사무실에 있는 복사기는 문서를 복제할 수 있다. 그러나 복사기는 그 자신을 복제할 수는 없다. 그런데 아메바는 그것을 할 수 있다.

이로써 부모에게서 자식이 태어나고, ‘종’이 유지되어 나간다. 이 때 부모에게서 자식으로 이어져 내려가는 물질이 유전 정보를 갖춘 ‘DNA(디옥시리보핵산)’이다.

또 생명은 ‘개체’를 유지하는 기능도 갖추고 있다.

우리는 식사를 하고, 녹말을 소화해 당을 얻는다. 또 단백질을 소화해 아미노산을 얻는다. 그들을 세포 안으로 흡수하고 당을 태워서 얻은 에너지를 사용해, 아미노산을 스스로가 필요한 단백질로 바꾸어 만든다.

이렇게 해서 우리의 몸은 매일매일 유지되고 있다. 이런 일련의 기능을 생물학에서는 ‘물질 대사(物質代謝)’ 또는 ‘대사’라 부른다. 대사에 필요한 것은 화학 반응을 촉진시키는 장치(촉매)로 작용하는 단백질(효소)이다.

생명의 기원을 밝힌다는 것은, 생명의 양대 기능인 ‘자기 복제’와 ‘대사’가 어떻게 해서 출현했는지를 알아보는 일이다.

 

 

 세포가 만들어지는 과정을 알면 알수록 ‘이것은 누군가가 지구에 떨어뜨렸든다, 어디에서 흘러왔다’고 생각하게 된다.

실제로 DNA 이중나선 구조의 발견자 중 하나인 프랜시스 크릭 박사는 DNA와 단백질이 저절로 합성될 확률이 너무나 낮기 때문에 이렇게 말했다고 한다. “생명은 우주 어디에선가 태어나, 지구로 보내진 것으로 보인다.”

이런 생각은 ‘Panspermia’ 설로 20세기 초 스웨덴 화학자인 스반테 아레니우스에 의해 본격적인 논의가 시작되었다.

 운석 폭격이 끝난 것은 40억년 전 일로 보인다. 지수 표층이 식으며 굳어 지각이 형성되었는데 그린란드에 있는 38억년 전 지층에는 바닷물 안에서 식어서 굳은 것으로 보이는 용암이 남아 있다. 이 것은 이 시대 지구에 이미 광대한 바다가 있었음을 말한다.

1999년 덴마크 지발박물관의 미니크 로싱 박사는 가장 오래 된 생명의 흔적을 보고했다.

1953년 밀러 박사는 메탄, 암모니아, 수중기로 채워진 시험관 에서 수중기를 순환시키면서 전기 방전을 되풀이 했다. 며칠이 지나자, 시험관 바닥에는 아미노산과 염기 등이 서서히 고이게 되었다. 오파린이 말하는 단순환 화합물에서 복잡한 화합물로의 진화가 재현된 것이다.

현재는 원시 지구의 대기 주 성분이 메탄이나 암모니아 등의 반응하기 쉬운 분자가 아니라, 질소나 이산화탄소 등의 반응하기 어려운 분자였을 것으로 생각된다. 고바야시 교수 등은 우주선을 모방한 양자 빔을 쏘이면 아미노산 등이 만들어진다는 사실을 확인했다. 천둥과 번개가 아니라 우주선 에너지가 초기의 생명물질을 만들었을지도 모른다. (따라서 우주에서 생명의 물질 원료 또는 반제품, 또는 완제품이 유입될 을 가능성은 더욱 커진다)

 1969년 흔히 ‘머치슨 운석’이라 불리는 운석을 분석한 미국 아리조나 주립대학의 존 크로닌 박사 등은 지상에서 만들어지지 않은 아미노산 등이 포함된 사실을 발혀냈다.

더욱이 1986년지구에 접근한 헬리 혜성의 성분이 탐사선에 의해 직접 조사되었는데, 복잡한 유기물이 존재 함을 알게 되었다. 우주공간에는 다양한 유기물이 흩어져 있음을 알게 된 것이다.

 열수분출공에는 생명 탄생에 적합한 점이 많다. 우선 열수라는 에너지 원천이 있고 열수에는 메탄, 암모니아 등이 풍부하게 포함되었다. 고바야시 교수 등은 열수를 모방한 환경에서 실험한 결과 아미노산 등의 유기물이 생성되는 것을 확인했다. 또 열수분출공 부근에는 철이나 망간 등의 금속 이온도 풍부한데 화학반응 촉매가 되기에 생명탄생에 유리하게 작용될 가능성이 있다.

“아미노산을 연결하여 단백질을 만드는 화학 반응은 아미노산에서 물을 빼는 반응이다. 이런 반응은 일반적인 물 속에서는 일어날 숭 벗다. 그러나 고온고압의 심층수에서는 이 반응이 진행될 가능성이 실험을 통해 나타난다.”(데구치 그룹 리더)

 “생명현상에는 활발한 화학반응이 필요하다. 그러나 생명재료 분자를 아무리 준비해도 물이 많은 곳에서는 분자가 확산되고 만다. 이렇게 되면 분자끼리 만날 확률이 낮기 때문에, 활발한 화학반응은 일어나지 않는다. 결국 생명이 탄생하는 데는 재료 분자를 고농도로 농축할 필요가 있었을 것이다”(고바야시 교수)

 닭과 알은 어는 것이 먼저 만들어졌을까?

 미국 콜라라도 대학의 체크 박사와 예일 대학의 시드니 울트먼 박사는 스스로 화학반응을 촉진할 수 있는 RNA를 1980년대 초 발견했다. Ribozyme이라 불리는데 리보핵산과 엔자임(효소)를 조합한 말이다. 이에 RNA world 가설이 만들어졌다.

 아ㅖ하라 교수는 한정된 아미노산을 재표로 만들어진 단백질 세계(Protein world)가 RNA나 DNA보다 앞서 출현한 것으로 생각하고 있다.

“글라이신, 알라닌, 아스파틴산, 발린의 4 아미노산의 수용액을 순환 증발시키면 무작위로 결한된 단백질이 형성된다. 이러한 단백질도 단백질 분해 방응을 촉매할 수 있는 능력이 아주 조금이지만 나탄난다. 생명탄생에는 설계도를 필요로 하는 그런 고급 단백질이 아니라. 4 아미노산이 무작위로 이러진 단백질로 충분했던 것이 아닐까?”

 GUC V, GCC A, GAC D(Aspartate), GGC G

Botom-Up: 과거 지구에서 화학진화를 거쳐 생명을 만드는 과정을 증명
Top-down: 현재 지구생명체에서 가장 오래되고 단순한 생명체에서 더 간단한 원시 생명체(공동 조상)를 찾는 방법