생명의 기원

생명의 기원

                                                                김진국

 옛날부터 생명체는 자연적으로 발생한다고 믿어왔다. 이것을 자연 발생설이라 하며 예를 들어보면 된장 속에서 구더기가 저절로 생겨난다는 것이다. 그러나 레디가 생명체는 생명체로부터 생성된다는 생물 속생설(생명 속생설)을 발표하자 자연 발생설을 주장하는 과학자들과 논쟁이 끊이지 않았다. 그런 와중에 프랑스 학자인 파스퇴르(Louis Pasteur, 1822~1895)가 백조목 플라스크를 이용하여 자연 발생설을 부정하고 생물 속생설을 확립하였다.
 생물 속생설에 따라서 우리의 조상에 조상을 거슬러 올라가면 단세포가 생명체의 원조라고 말할 수 있을 것이다.
예를 들어 달맞이꽃 중에서 돌연변이로 왕달맞이꽃이 생겨났다. 여기서 왕달맞이꽃은 달맞이꽃과는 다르게 되었지만 왕달맞이꽃의 조상과 달맞이꽃의 조상은 같기 때문이다.
지금까지 발견된 가장 오래된 화석도 스트로마톨라이트(stromatolite)이며 약 37억 년 전 원핵 단세포인 남세균(cyanobacteria, 사이아노박테리아)의 성장으로 생성된 퇴적층이다.
 그러면 최초의 생명체로 추정되는 원핵 단세포 생물은 어떻게 탄생된 것일까?
 46억 년 전 지구가 탄생한 이래 생명체가 없었던 지구에 38억 년 전쯤에 생명체가 나타났다는 것은 생명체가 다른 곳에서 지구로 왔던지, 아니면 지구에서 생성되었다고 말할 수 있다. 그런데 다른 외계에서 생명체가 비래 했다는 설에는 B.C.5세기경에 그리스의 아낙사고라스(Anaxagoras, 고대 그리스, 철학자)가 처음 주장한 천체에 널리 존재하는 포자나 박테리아와 유사한 생명의 씨앗인 판스퍼미아(Panspermia, 배종 발달설 胚種發達說, 범종설 汎種說, 포자 범재설 胞子汎在說, 범균설 汎菌說)가 비래 했다는 설을 1903년 스웨덴의 아레니우스(스반테 아우구스트 아레니우스, Arrhenius, Svante August, 1859 ~ 1927, 스웨덴, 화학자, 물리학자, 1903년 전기 해리 이론으로 노벨화학상 수상)가 이론으로 정립하였고, 천체 비래설(Cosmozoa theory, 天體比來說)에는 1865년 독일의 리히터(Herman Eberhard Richter, 1808 ~ 1878, 독일, 생리학자)와 헬름홀츠(Hermann von Helmholtz, 1821 ~ 1894, 독일 생리학, 물리학)와 톰슨(William Thompson, Lord Kelvin, 1824 ~ 1907, 영국, 물리학자) 등이 다른 천체로부터 생명의 씨앗(코스모조아, Cosmozoa)인 유기물이 운석에 실려 지구에 와서 원시 생명체가 되었다는 코스모조아설(Cosmozoic theory)을 제안했으며, 1966년 슈클롭스키(Boris Ionowitsch Shklovski, 1944 ~, 미국, 물리학자)와 칼 세이건(Carl Edward Sagan, 1934∼1996, 미국, 물리학자)이, 1973년 레슬리 오르골(Leslie Eleazer Orgel FRS, 1927 ~ 2007, 영국,  화학자)과 프란시스 크릭(Francis Harry Compton Crick, 1916 ~ , 영국, 분자생물학자, 1962년 DNA 이중나선 구조 연구로 노벨 생리의학상 공동 수상)이 지구상의 생명은 지구외의 다른 외계 문명에 의해 의도적으로 지구에 생명의 씨앗을 뿌렸을지도 모른다는 가설을 세우고 외계의 우주공간에서 무기물이 유기물 분자로 합성될 수 있다는 정향적 팬스퍼미아(Directed panspermia)설 등을 제안했지만 거의 인정을 받지 못하고 있다.
 원시 생명체는 지구에서 자연 발생했다고 대부분의 과학자들은 받아들인다.

1. 생물 속생설(생명 속생설, Biogenesis)

 생명체의 발생을 설명하는 방법으로는 자연적으로 생명체가 발생한다는 자연 발생설과 부모가 있어 부모로부터 자손이 생성되어 생명이 발생된다는 생물 속생설이 있다.
 옛날 아리스토텔레스(Aristoteles, 기원전 384 ~ 기원전 322), 헬몬트(Jan Baptist Van Helmont, 1580 ~ 1644, 네덜란드) 등은 생명은 자연적으로 발생한다는 자연 발생설을 주장했다. 아리스토텔레스는 자연 상태에 활력(생기)이 있으면 무생물로부터 생물이 발생한다고 주장했으며 헬몬트는 땀에 젖은 옷과 밀을 통에 넣어 두었더니 쥐가 생성되었다고 주장했다.
 그러나 프란체스코 레디(Francesco Redi,1626 ~ 1697, 이탈리아)는 생명체로부터 생명체가 생성된다는 생명 속생설을 처음으로 주장했다. 삶은 고기를 넣고 그냥 둔  병(대조군)에는 구더기가 발생했으나 천으로 가린 병(실험군)에서는 구더기가 생성되지 않는 것을 보고 파리가 삶은 고기를 병에 알을 낳아야만 구더기가 생성된다고 주장했다.
이 실험에서 천으로 가려 균의 출입을 막은 것이 독립변인 중 조작 변인이고 균의 발생 여부가 종속 변인이다.
 그런데 자연발생을 주장하는 니담(John Needham, 1713 ~ 1781)은 1745년 파리와 같은 고등 생물은 알에서 파리가 생성되지만 현미경으로 볼 수 있는 미생물은 자연적으로 발생한다고  주장했다. 플라스크 병에 넣은 고기를 삶아서 그냥 두었을 때나 뚜껑을 막아 두었을 때나 모두 미생물이 생성된다는 실험을 하고는 자연 발생설을 주장하였던 것이다(미생물의 자연 발생설 주장).
 생물 속생설 주장자인 스팔란짜니(Lazzaro Spallanzani, 1729 ~1799, 이탈리아)는 1765년 니담 실험을 해본 결과 니담의 실험에서 미생물이 발생한 것은 플라스크를 막은 병마개가 살균되지 않았기 때문이라는 것을 밝혀냈다.
스팔란짜니는 니담의 실험에서 플라스크병의 병마개 대신에 플라스크 병목을 가열하여 봉하였더니 미생물이 발생하지 않았다. 그렇게 스팔란짜니는 생물 속생설을 증명했다.
그러나 자연 발생설을 주장하는 학자들은 플라스크 병에 공기 중에 있는 활력(예-산소)이 자유로이 출입하여야 생명이 자연 발생되는데 스팔란짜니의 실험은 플라스크의 병목을 가열해 녹여서 봉하였으므로 공기 중에 있는 활력(예-산소)이 자유로이 플라스크에 출입할 수 없어 생명이 발생되지 않은 것은 당연하다고 주장했다.
 파스퇴르(Louis Pasteur, 1822~1895)는 이들 자연 발생설 학자들의 주장을 물리칠 방법으로는 공기가 드나들면서도 외부의 균이 들어갈 수 없는 실험 장치를 고안하는 것이었다. 그래서 1862년 백조목 플라스크를 고안하게 되었던 것이다. 백조목 플라스크에 고기를 넣고 가열하여 살균하여 놓으면(실험군) 공기는 드나들 수 있지만 균은 들어갈 수 없으므로 균은 발생하지 않았다.   다시 균이 발생하지 않은 백조목 플라스크의 병목을 제거하여 놓아두었더니(대조군) 플라스크에 미생물이 발생하였다.
이 실험에서 균의 출입 여부가 독립변인 중 조작 변인이고 균의 발생 여부가 종속 변인이다.
이것으로 균이 플라스크에 들어가야만 균이 발생한다는 것을 증명하였다.
이로서 파스퇴르에 의해 생물 속생설이 확립되었던 것이다.

2. 원시 생명체의 기원 

가. 원시 지구 생성

 약 46억 년 전, 먼지 구름으로 이루어진 태양계에서는 이들 먼지 구름(우주 먼지)의 대부분이 인력에 의해 중심으로 합쳐져 태양이 되었으며 충돌 에너지로 인해 고온이 되었다. 그런데 태양 주변에서 돌고 있던 일부 먼지 구름(우주 먼지)은 태양으로 끌려가지 않고 서로 뭉쳐 태양 주위를 도는 지구와 같은 행성이 되었다. 대량의 물질이 충돌하여 합쳐진 태양은 고온으로 올라가 핵융합이 일어나서 빛을 내는 항성이 되었고 지구와 같은 행성은 작게 뭉쳐 온도가 높이 올라가지 못하고 냉각되었다. 이렇게 형성된 초기 지구는 현재 지구 크기의 반 정도이다. 이 원시 지구에 수많은 미행성들이 인력에 의래 끌려 내려와 충돌하고 지구 크기만 한 쌍둥이 지구가 충돌하여 합쳐지면서 만들어진 원시 지구는 충돌 에너지와 지구 내부의 방사능에 의해 다시 매우 온도가 높은 용융 상태가 되었다. 점차 온도가 냉각되면서 지구는 구성물질의 밀도차에 의해서 핵, 맨틀, 지각이 만들어지기 시작했다.

나. 원시 지구 환경

 원시 지구는 시간이 지남에 따라 냉각되어 지각이 만들어졌다.
지구 내부에서는 강한 열 때문에 용암과 수증기가 형성되어 지구 밖으로 분출됨에 따라 뜨거운 수증기가 지표면을 덮었다. 이 뜨거운 수증기가 냉각되어 원시 비가 되고 이 원시 비는 지표면을 식혀 암반으로 만들고 다시 모여 강, 호수, 대양을 형성하였다.
 원시 지구 내부에서 분출된 물질이 고체나 액체로 변하지 않고 남아있던 기체를 원시 대기라 한다. 원시 대기에는 수증기(H2O), 수소(H2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 황화수소(H2S) 등으로 구성되었으며 산소(O2)는 거의 존재하지 않았다. 원시 지구는 많은 양의 태양 자외선이 들어오고, 공중 방전, 고온의 지각, 화산활동 등으로 에너지가 풍부하였다. 이와 같이 원시 지구에는 에너지 공급량이 많아 수소(H2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 황화수소(H2S) 등의 환원성 기체가 주종을 이루었다.  산소(O2)가 존재하지 않아 오존층이 생성되지 않았으므로 태양으로부터 많은 자외선이 지구로 유입되었다.
 그런데 원시 대기에 대한 현재까지의 연구결과로는 메탄의 양은 적게 존재하고 많은 양의 이산화탄소(CO2)가 존재하였다고 한다.
그래서 초기의 원시 대기는 수증기(H2O), 수소(H2), 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 질소(N2) 등이었는데 다시 수소(H2)와 질소(N2)가 반응하여 암모니아(NH3)가 생성되어 원시 대기는 수증기(H2O), 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 암모니아(NH3) 등으로 구성되었다고 한다.

다. 원시 생명체의 발생(오파린의 생명의 기원설)

 원시 생명체는 어떻게 탄생되었을까?
 외계에서 왔을까? 원시 지구에서 생성되었을까?
생물학에서는 원시 생명체는 원시 지구에서 자연 발생되었다고 한다. 자연발생을 처음으로 설명한 사람은 오파린이다. 이를 오파린(Aleksandr Ivanovich OPARIN, 1894 ~ 1980, 구 소련)의 생명의 기원설이라 하며 많은 과학자의 지지를 받고 있다.
 생명의 기원설은 다음과 같다.

(1) 간단한 유기물 합성

 그 옛날 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 황화수소(H2S) 등의 원시 대기가 강한 자외선, 공중 방전, 화산 폭발 등의 에너지를 받아 화학반응을 일으켜 아미노산, 단당류, 퓨린, 피리미딘, 시안화수소(HCN) 등의 간단한 유기물로 합성될 수 있다는 것을 밀러(스탠리 로이드 밀러, Stanley Lloyd Miller, 1930~2007, 미국)가 실험(밀러의 실험으로 증명 : 암모니아→시안화수소, 알데히드→ 아미노산)으로 증명하였다.

(2) 단백질, ATP, 핵산 등 고분자 물질 합성

 이들 유기물이 빗물에 씻겨 내려와 바닷물에 쌓이면 뜨거운 바닷물의 에너지에 의해 이들의 간단한 유기물이 다시 단백질, ATP, 핵산 등의 고분자 물질로 합성되었다(폭스의 실험으로 단백질 합성 증명). 그러나 현대의 일부 과학자는 물에서 단백질이 합성되기는 어렵다고 한다.

(3) 막 구조(오파린-코아세르베이트, 폭스-마이크로스피어) 생성

 대기 중에서 생성된 유기물이 빗물에 녹아 녹아내려 바다에 쌓이면 뜨거운 바닷물 속에서 이런 유기물이 분해와 결합을 되풀이하는 중에 단백질로 된 막 구조(오파린-코아세르베이트, 폭스-마이크로스피어)를 형성하게 되었다.
 이 막 구조에 의해 외부계와 내부계로 구분하게 되므로 생명체라는 하나의 계를 형성하는 가능성이 있게 되었다. 그래서 원시 생명체의 시초를 코아세르베이트(오파린), 마이크로스피어(폭스)라 볼 수 있는 것이다.
 현대에는 단백질이 아니라 2층의 인지질로 된 막 구조로 설명한다.

(4) 원시 생명체의 발생-무기 호흡하는 종속 영양 생물

 인지질로 된 막 구조에 의해 단백질, 효소, ATP, 핵산 등의 물질이 싸이게 되었다. 막 구조 속에 있는 물질 간에 다양한 화학반응이 일어나는 중에 막 구조 속의 핵산이 복제되는 획기적인 변화가 일어나게 되었고 막과 내용물이 둘로 나누어지는 분열이 일어나게 되었다. 이들이 단세포 생물의 기원이 되었다. 이들 단세포 생물은 핵막, 소포체, 골지체, 미토콘드리아, 엽록체 등 막 구조로 이루어진 세포 소기관이 없는 원시적인 원핵세포이다. 원핵세포로는 현재 우리 주위에 있는 박테리아(세균), 남조류 등이 여기에 속한다.
 이렇게 출현한 원시 생명체는 무기 호흡(산소 없이 일어나는 호흡, 발효와 부패로 에너지 얻음)을 하는 종속 영양 생물이었다. 이때 해양에는 원시 지구에서 많이 합성된 유기물이 많이 축적되어 있었기 때문에 이들을 이용하여 살아갈 수 있었지만 산소가 없었으므로 무기 호흡으로 에너지를 취하였다. 이와 같이 코아세르베이트, 마이크로스피어와 같은 막 구조로부터 출발하여 발생된 원시 생명체는 종속 영양 생물이었다. 이들 생명체는 물속에서만 살아갈 수 있을 뿐 육상으로 올라갈 수는 없었다. 육상에서는 태양에서 오는 강한 자외선에 의해 이들 생명체는 죽기 때문이다. 자외선 등 방사선은 물에 흡수되므로 물속 깊이 들어갈 수 없다.
 현대의 일부 과학자는 물에서 단백질이 합성되기는 어렵다고 말하며 우주의 미행성에서 단백질 등이 합성되어 별똥별과 같이 지구로 유입되었고 이들 물질이 지구에서 생명체로 발전했다고 주장하고 있다.

(5) 독립 영양 생물 출현

 세월이 지남에 따라 이들 종속 영양 생물에 의에 바다에 축적되었던 유기물이 감소하고 해양과 대기에 이산화탄소(CO2)가 증가함에 따라 다른 방법으로 에너지를 취하는 생물이 선택되어 번성하게 되었는데 이들이 독립 영양 생물(화학합성과 광합성으로 포도당을 합성하여 에너지원으로 사용)이다. 처음으로 출현한 독립 영양 생물은 홍색황세균, 녹색황세균(12H2S + 6CO2 + 빛 에너지 → C6H12O6 + 6H2O + 12S)과 광합성 생물인 남조류(12H2O + 6CO2 + 빛 에너지 → C6H12O6 + 6H2O + 6O2)등이 있었다. 남조류 등 광합성 생물의 광합성으로 산소가 발생되었다. 공기 중의 산소 농도가 증가함에 따라 자외선에 의해 산소가 오존으로 변화되어 오존층이 생겨나게 되었으며 이 오존층은 태양의 자외선이 지구로 들어오는 것을 막게 되었다.
이때까지 강한 자외선 때문에 육상에서 살지 못하고 물속에서만 살던 생물이 대기 중에 오존층이 형성됨에 따라 물속에서 살던 생물이 육상으로 출현하게 되었던 것이다.

(6) 유기 호흡 생물 출현

 광합성 생물의 출현으로 지구에는 다시 유기물이 풍부하게 되었고 산소도 농도가 높았으므로 이 유기물을 산소로 산화시켜 에너지를 획득하는 유기 호흡(유기물을 산소로 산화하여 물과 이산화탄소로 분해하여 에너지를 얻음)을 하는 생물이 출현하게 되었다. 이들 생물을 유기 호흡을 하는 종속 영양 생물이라 한다. 이들의 유기 호흡에 의해 이산화탄소(CO2) 증가함에 따라 녹색식물이 더욱 번성하게 되었다.
 이들 생물은 지금의 남조류나 세균(박테리아)에 해당하는 원핵세포(핵막 등 막 구조가 없음)들이다.

라. 진핵세포로의 진화

 현재 지구상에 살고 있는 진화된 생물은 대부분이 진핵 생물이다. 원핵세포와는 달리 진핵세포는 세포막 속에 핵막을 비롯하여 세포 소기관(미토콘드리아, 소포체, 골지체, 엽록체, 리소좀 등)이 대부분 막 구조로 되어 있으며 핵 외에 미토콘드리아와 엽록체에도 DNA가 존재한다.
 진핵세포는 어떻게 생성되었을까?
 진화로 진핵세포가 생성되는 과정을 공생설과 세포막 확장설로 설명한다. 공생설은 원핵 숙주 세포(핵막 등 막 구조가 없음)에 호기성 세균(효율 높은 호흡을 함)과 남조류(시아노박테리아, 광합성을 함)가 들어와 공생을 하여 하나의 세포로 되었다는 것이다.
근거로는 핵 외에 미토콘드리아와 엽록체에도 DNA와 리보솜이 존재하며 이들은 숙주세포에 있는 DNA와 리보솜과는 다르기 때문이다.
그리고  시아노박테리아(남세균)와 엽록체에는 공통으로 비슷한 틸라코이드라는 얇은 막으로 된 내부 구조가 있으며 여기에 엽록소가 있고 명반응이 일어난다. 남세균에서 이 막 구조를 메소좀(mesosome)이라 한다. 그러나 메소좀(mesosome)은 동결-파쇄 고정으로 준비한 재료에서는 전자현미경으로 관찰되지 않아 없다고 한다.
본디는 엽록체도 미토콘드리아도 별개의 세포였는데 원핵세포인 숙주 세포에 들어와 공생한 상태라는 것이다.
이들이 공생함으로써 미토콘드리아와 엽록체는 숙주 세포로부터 보호를 받고  원핵 숙주 세포(원생 세균)는 미토콘드리아와 엽록체로부터 ATP와 영양소를 얻을 수 있다. 공생설은 린 마굴리스(Lynn Margulis, 1938~2011, 미국)가 확립하였으며 1981년에 받아들여졌다.
1957년 데이비드 로버트슨(J. David Robertson, 1923~1995, 미국)이 제시한 세포막 확장설은 원핵세포의 바깥 막인 원형질막이 세포 속으로 확장되어 들어가 세포 소기관으로 분화되었다는 것이다. 이렇게 생각하게 된 것은 진핵세포의 세포 소기관이 대부분 막으로 되어 있다는 것이다.

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