자연발생설(Spontaneous generation)과 생명 속생설(Biogenesis), 생명속생설의 의미

자연 발생설(Spontaneous generation)과 생물 속생설(생명 속생설, Biogenesis)

                                                                     김진국

 생물학에서 가장 생물학다운 주제가 생물 속생설이 아닌가 한다.
생명이 자연에서 저절로 생겨난다고 주장하는 학설을 자연 발생설이라 하고 부모로부터 만이 자손이 생성될 수 있다는 학설을 생물 속생설(생명 속생설, Biogenesis, 생명연 속설)이라 한다.
 어릴 때 송아지와 돼지새끼 같은 가축들은 어미가 있어 생긴다는 것을 알고 있었지만 된장독에 구더기가 살아있는 것을 보고 저렇게 짠 곳에 구더기가 어떻게 생겼으며, 살 수 있는지 의문이 들었다. 또 속옷에 이가 생겨 간지러웠던 기억도 있다. 된장독의 구더기나 속옷의 이는 저절로 생겨났다고 그때 어른들은 말씀하셨다. 학교에 다니고부터 파리 알이 된장독에 들어갔고 이가 옮겨와서 알을 낳아 수가 늘어났다는 것을 알게 되었지만.
옛날에는 우리 조상과 마찬가지로 서양에서도 생명이 저절로 생겨난다고 믿었으며 과학자들도 그렇게 주장했다.
 서양에서 부모로부터 만이 자손이 생성될 수 있다는 생물 속생설(생명 속생설, Biogenesis, 생명연속설)이 확립되기까지 과학자와 철학자들의 수많은 논쟁이 있었다. 기원전 4세기 아리스토텔레스의 자연 발생설(Abiogenesis, Spontaneous generation)부터 19세기 파스퇴르에 의해서 생물 속생설(Biogenesis)이 확립되기까지 서양에서 일어난 논쟁 과정을 알아보자.

1. 자연 발생설(Abiogenesis, Spontaneous generation)

가. 아리스토텔레스(B.C. 384 ~ 322)의 활력설

 고대 그리스에서는 물질을 이루는 것이 4 원소(공기, 물, 불, 흙)라고 생각했다. 아리스토텔레스는 이 4 원소에 어떤 활력이 작용해서 동물이 생긴다고 하였다.
아리스토텔레스(Aristoteles, B.C. 384 ~ 322)는 이(Louse, 복수 Lice, 虱 슬)는 살에서, 빈대(bedbug)는 동물의 체액에서 저절로 생기며 뱀장어는 알을 낳지 않고 늪의 물과 진흙이 말라 바닥이 완전히 드러났다가 비가 와서 다시 물이 고이면 뱀장어가 나타난다고 하며 뱀장어는 진흙에서 저절로 생긴 지렁이가 변한 것이라고 하였다.
아리스토텔레스는 이렇게 생물은 무생물로부터 우연히 생긴다는 자연 발생설을 주장하였으며, 이 주장은 기원전 4세기부터 기원 후 17세기까지 광범위하게 받아들여졌다.

나. 헬몬트(1579~1644)의 자연 발생설 주장

 1664년 헬몬트(Jan Baptist van Helmont, 1579 ~ 1644, 벨기에)는 통속에 땀에 젖은 옷가지와 밀알을 함께 넣어두었는데 21일 후에 쥐가 있는 것을 보고, 땀에서 유래한 활력으로부터 쥐가 자연히 발생한다고 주장하였다. 이때까지 서구에서는 일반인뿐만 아니라 많은 과학자들도 자연 발생설을 믿었다.

2. 자연 발생설과 생물 속생설의 논쟁

가. 레디(1621 ~ 1697)의 생물 속생설 주장

 자연 발생설에 대한 의문을 과학계에 공식적으로 제기한 사람은 프란체스코 레디(Francesco Redi, 1621 ~ 1697, 이탈리아)였다. 1668년에 프라치스코 레디는 실험을 통해 자연 발생설을 검증했다. 레디는 썩은 생선에서 생기는 구더기는 파리의 알로부터 생길 것이다(생선에 생기는 구더기는 생선에 파리알이 들어갔을 때 생길 것이다.)라는 가설을 세우고 실험을 실시하였다.  파리알이 들어가(독립변인 중 조작 변인) 파리가 생성된다(종속 변인)는 것이다.
레디는 최초로 대조 실험(對照實驗, control experiment)이라는 방법을 사용하였다. 대조 실험이란 다음과 같이 하는 것이다. 실험 장치를 여러 개를 준비하여 한 개는 실험에 영향을 주는 요인(독립변인)을 자연 상태(wild type)와 같이 그대로 유지하게 하는데 이것을 대조군이라 하며 실험의 기준이 된다. 다른 실험장치에는 실험에 영향을 주는 요인(독립변인) 중 하나씩 대조군과 다르게 하고(조작 변인) 다른 독립변인(통제 변인)은 동일하게 하여(변인통제) 실험을 하는 것으로 실험군이라 한다. 각 실험장치의 결과를 종속 변인이라 하는데 어느 조작 변인에 의해 결과(종속 변인)가 변했는지를 알아내는 실험이다.
 레디는 3종류의 생선 도막을 1가지씩 넣은 3개의 플라스크를 2세트 준비하여 가열한 다음 1세트는 마개를 연 채로 두고(대조군), 1세트는 얇은 천으로 막았다(실험군).
얼마 후 마개가 열린 플라스크에는 구더기가 생겼는데 얇은 천으로 막은 쪽에는 구더기가 생기지 않았다(결과).
 생선에 생기는 구더기는 생선에 파리알이 들어갔을 때 생긴다(결론).
  얇은 천위에서 파리의 알을 발견하고는 얇은 천이 파리 알이 유입되는 것을 막아 파리가 생기지 않았고 얇은 천을 가리지 않은 쪽은 파리 알이 유입되어 파리가 발생하였다고 해석하여 썩은 생선에서 생기는 구더기는 파리의 알로부터 생겼다는 결론을 내리게 되었다.

나. 레벤후크(1632~1723)의 자연 발생설 주장

 레벤후크(Antonie van Leeuwenhoek, 안톤 판 레이우엔훅, 1632 ~ 1723, 발명가, 미생물의 아버지, 네덜란드)는 레디의 구더기에 대한 실험이 있은 몇 년 후인 1673(1676)년 자신이 만든 현미경(배율 273배가량, 최초로 현미경을 만든 사람은 1590년경 안경 제조가인 얀센 부자이며 로버트 훅 등의 현미경은 10배가량)으로 미생물을 최초로 발견하였다. 그 이전에는 아무도 미생물의 존재를 알지 못했다.
 레벤후크는 레디가 실시한 실험에서 구더기가 생기지 않은 플라스크를 현미경으로 관찰한 결과 미생물을 발견하였다. 그래서 레벤후크는 레디의 실험처럼 파리 같이 큰 생물은 부모로부터 생성되지만 미생물은 빗물 등에서 우연히 생긴다고 하여 미생물의 자연 발생설을 주장하였다. 레벤후크(1632~1723)의 위대한 발견은 오히려 자연 발생설로 되돌아가게 하였다.

다. 니담(1713~1781)의 자연 발생설 주장

 1745년 영국의 니담(John Turberville Needham, 1713~1781)은 양고기 즙을 끓여 시험관에 넣어서 밀봉하고 시험관을 통째로 뜨거운 재 속에 넣어 시험관 속 공기를 살균했다. 며칠 후 마개를 열고 양고기 즙을 현미경으로 조사한 결과 수많은 미생물을 발견하였다. 그는 미생물은 고기즙 속에서 저절로 생긴다고 주장하였다. 그리고 양배추 수프나 다른 고기즙에서도 같은 결과를 얻었다. 자연 발생설을 주장하는 연구자들은 실험에서 미생물을 살균하기 위해 액체 준비물을 끓이기도 하였지만 미생물이 발견되었던 것이다. 그 결과로 많은 사람들이 자연 발생설을 믿게 되었다.  

라. 니담(1713~1781)의 자연 발생설 실험에 대한 스팔란차니(1729~1799)의 반박 실험

 1765년 스팔란차니(Abbé Lazzaro Spallanzani, 1729~1799)는 니담이 충분히 살균하지 않았기 때문에 미생물이 생긴 것이라고 생각하였다. 어떤 미생물은 끓인 상태에서도 오랜 시간 견딜 수 있으므로, 이들을 완전히 멸균하지 않았기 때문이라 생각하였다. 그래서 야채 수프를 용기에 넣고 1시간 끓인 후 놓아두었더니 이 용기에서는 미생물이 발생하지 않았다. 그래서 생물은 생물에서만 발생한다고 주장하였다.

마. 스팔란차니(1729~1799)의 생물 속생설 실험에 대한 니담의 반박

 이에 대해 니담은 스팔란차니의 실험에서 1시간이나 끓였기 때문에 수프가 지니고 있는 활력(생명력, 산소 등)이 없어져 생물이 발생하지 않은 것이라고 반박하였다.
스팔란치니의 실험은 대조군에서 균과 공기가 자유로이 출입할 수 있고 실험군에서는 균과 공기 모두 출입할 수 없다. 이는 독립변인 중 조작 변인이 균의 출입 유무와 공기의 출입 유무, 즉 두 가지가 조작 변인이 되는 잘못 설계된 실험이란 것이다.

바. 파스퇴르(Louis Pasteur,1822~1895, 프)의 생물 속생설 확립

 자연 발생설과 이를 반박하는 논쟁은 19세기까지 계속되었다. 1862년 파스퇴르(Louis Pasteur, 1822 ~ 1895, 프)는 자연 발생설 학자들이 공기를 가열하면 활력(생명력)이 없어진다는 주장을 반박하기 위해 끓인 고기즙에 가열되지 않은 신선한 공기를 들어가게 하여도 미생물이 생기지 않는다는 것을 증명하고자 하였다.
즉 미생물이 들어가야(독립변인 중 중 조작 변인)  미생물이 증식하게 된다(종속 변인)는 실험을 하고자 했던 것이다.
 파스퇴르(1862)는 먼저 유리관 속에 솜을 채우고 24시간 동안 공기를 관속을 지나도록 한 다음 그 솜을 알코올과 에테르의 혼합액에 담갔다가 이 용액을 관찰하여 그 속에 미생물과 포자가 있음을 발견하였다. 공기 중에는 많은 미생물과 포자가 있다는 것을 증명한 것이다.
파스퇴르는 스팔란치니 실험의 독립변인 중 조작 변인이 균의 출입 유무와 공기의 출입 유무, 즉 두 가지가 조작 변인이 되는 잘못된 실험 설계를 수정하여 대조군에서는 균과 공기 모두가 자유로이 출입할 수 있고 실험군에서는 공기는 자유로이 출입할 수 있지만 균은 출입할 수 없도록 하여 균의 출입 여부만이 조작 변인이 되도록 실험 설계를 하였던 것이다(공기는 독립변인 중 통제 변인이므로 대조군과 시험군에 모두 자유로이 출입할 수 있도록 변인통제를 한 것이다). 그래서 효모 추출액을 플라스크에 담고 플라스크 주둥이를 S자로 구부린 후(학목 플라스크), 플라스크를 가열한 다음 냉각시켜 두었더니 그 속에 미생물이 발생하지 않았다(실험군). 그러나 S자로 꾸부린 주둥이 부분을 잘라버렸더니 플라스크 속에 미생물이 발생하였다(대조군). 주둥이가 S형으로 구부린 플라스크 속의 고기즙을 끓이면 구부러진 부분에 수증기가 응결된 물이 고여 막히므로 공기 중의 먼지나 세균이 플라스크 속으로 들어가지 못하여 미생물이 번식하지 않았던 것이다(그때에도 공기는 물을 통과할 수 있다는 것이 알려져 있었으므로 S형으로 구부린 플라스크에는 공기가 속으로 드나들 수 있다고 할 수 있었다.). 그러나 S자로 꾸부린 주둥이 부분을 잘라버리면 공기 중의 미생물이 플라스크 속으로 들어가서 미생물이 생긴 것이다. 결론적으로 미생물이 들어가지 못하면 미생물이 생기지 않는다는 것을 증명한 것이다.
파스퇴르의 학목 플라스크를 이용한 생물 속생설 실험에서 독립변인 중에서 조작 변인은 S자형 플라스크를 이용한 미생물의 유입여부이고 독립변인 중에서 통제 변인은 S자형 플라스크, 공기 유입, 고기 국물, 온도 등이며 종속 변인은 플라스크 속의 미생물 발생 여부이다. 자연 발생설 주장자들이 이 실험에 더 이상 반론을 제기하지 못하였다. 파스퇴르의 실험이 자연 발생설에 종지부를 찍은 것이다. 마침내 자연 발생설은 부정되고 생물은 생물로부터 생긴다는 생물 속생설이 확립되었다.
그때 생물 속생설은 교회의 성경 논리를 뒤받침 하는 논리로 받아들여져 파스퇴르는 교회로부터 강력한 후원을 받았다.

 3. 생물 속생설의 의미

 생물 속생설에 따라 우리의 조상을 거슬러 올라가면 단군이든지 아담과 이브든지 간에 우리 모두는 같은 조상의 자손이란 것을 알 수 있다. 더 나아가 여기에 진화의 개념을 적용하여 보면 우리가 속하는 포유류, 그리고 조류, 파충류, 어류 등의 조상이 같다는 것을 의미한다. 예를 들어 달맞이꽃 중에서 돌연변이로 왕달맞이꽃이 생겨났다. 여기서 왕달맞이꽃은 달맞이꽃과는 다르게 되었지만 왕달맞이꽃의 조상과 달맞이꽃의 조상은 같다는 논리이다.
더더욱 거슬러 올라가면 모든 생명은 단세포 생물이 생물의 시초가 될 것이다. 생물 속생설은 단세포 생물이 진화하여 수많은 종류의 생물이 되었다는 생물계통수를 그리게 하는 것이다.

4. 최초의 생명

 파스퇴르에 의해 무생물에서 우연히 생물이 생긴다는 자연 발생설은 완전히 부정되고 생물은 생물로부터 생긴다는 생명 속생설이 확립되었다.
  근연종은 조상이 같다.
그래서 생물 속생설에 따라 생물계통수를 거슬러 올라가면 원핵 단세포 생물이 생명체의 시초가 될 것이다.
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, 포자범재설 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.
 지구상의 최초의 생물은 무생물에서 생명이 탄생되었다는 자연 발생설로 설명한다. 오파린(Oparin, 1894 ~ 1980, 소련)이 최초로 1938년에 생명의 기원에서 자연 발생설을 주장하였으며 많은 학자들이 화학 진화설(化學進化說, Theory of Chemical Evolution)로 설명하려고 하고 있다.
현대에도 화학적 진화(chemical evolution)로 생명체가 저절로 발생한다는 것이 아니다.
원시 지구에서 생명체가 처음으로 생성되었을 때는 지구환경이 지금과 매우 다르다는 것이다. 생명체가 최초로 발생할 무렵에는 지구가 고온에서 냉각 중이었으므로 지구의 모든 지역의 온도가 매우 높아서 지금의 지구 환경과는 전혀 다르다는 것이다. 생명체가 최초로 발생할 무렵의 지구는 고온의 대기나 육지, 바다에서 많은 유기물이 합성될 수 있는 에너지의 공급이 있었다. 수억 년 동안 고 에너지에 의해 환원된 유기물질들이 바다에 모였으며 특수 지형(심해 열수구, Hydrothermal Vents 등, 열영동, thermophoresis)에 따라 어떤 곳에서는 분자가 크기 별로 분리되어 높은 농도를 형성할 수 있음에 따라 반응이 쉽게 일어날 수 있다는 것이 증명되고 있다. 그동안 일부 학자 들은 고온에 유기물이 합성되어도 바닷물에 유기물의 농도가 낮아 대량의 고분자 유기화합물이 생성될 수 없다고 주장하였던 것이다.
그리고 핵산(TNA → RNA → DNA 순으로 생성)도 생성되고 이어서 지질 주머니에 이들이 싸여서 합성과 분해되고 부서지며 또 새로 만들어지고를 수많은 곳에서 수억 년 동안 반복하는 중에 생명체가 자연에서 저절로 발생했다는 것이다.

* 화학 진화설(化學進化說, Theory of Chemical Evolution)
무기물에서 간단한 유기물, 복잡한 유기물, 막구조가 생성되어 최초의 원시세포가 생성되기까지의 과정을 화학적 진화(chemical evolution)라 한다. 고온이었던 원시 지구의 환경에서 무기물이 간단한 유기물로 합성되고, 이 유기물이 오랜 세월 동안 복잡한 유기물로 변화하며 특히 단백질이 합성되고 막구조가 생성되었으며 복제에 필수 물질인 핵산도 TNA → RNA → DNA 순으로 화학적 진화를 하였다는 학설이다.
1938년 알렉산드로 오파린(Aleksandr Ivanovich Oparin, 1894 ~ 1980, 러시아, 생화학자)과  홀데인(John B. S. Haldane, 1892 ~ 1964, 스코틀랜드)은 이렇게 생성된 복잡한 유기물이 막 구조 속에 싸여서 최초의 생명체로 탄생되었다는 생명의 기원(生命起源, Origin of life)이란 가설을 제시하고 무생물 기원설(abiogenesis)을 주장하였으며, 1953년 스탠리 로이드 밀러(Stanley Lloyd Miller, 1930 ~ 2007)와 해럴드 클레이턴 유리(Harold Clayton Urey, 1893 ~ 1981, 미국)가 실험을 통해 일부를 입증하였다.

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