인간의 기원: 공생과 섹스
[인간을 진화로 설명하거나 과학을 싫어하는 분을 읽지 않기를 바랍니다.]
공생은 독립적인 생명체들이 서로 더 의존적이게 되도록 진화하는 것이다. 공생은 너무나도 흔한 일이었고 이는 진화적인 변화의 가장 복잡한 모습을 보여준다. 즉 경쟁과 협력이 서로 밀접하게 연관되어 있다는 것이다. 비즈니스와 마찬가지로 진화에서도 승자가 독식하는 것이 아니다. 특정 개체의 승리는 다른 생명체의 협력을 필요로 하는 것이다. 극단적인 경우에 공생관계(mutualism)는 독립적으로 존재했던 두 종으로부터 한 개의 생명체의 창조로 이어졌다.
1960년대 마굴리스(Lynn Margulis, 1938–2011)는 진핵생물이 아마도 원핵생물과 그들과의 공생(symbiosis) 형태의 유전물질이 함께 참여하여 진화되었다는 점을 보여주었다. 따라서 어떤 의미에선 진핵생물은 첫 번째 다세포생명(multicelled organism)이라고 할 수 있다. 생물학자인 마굴리스는 서모플라스마(Thermoplasma)라는 세균과 나선상 세균이 합쳐져서 원시 진핵세포로 진화되었고 다시 산소호흡을 하는 박테리아를 흡수하여 미토콘드리아로 진화되었다고 주장했다. 식물의 엽록체도 광합성을 하는 시아노박테리아가 포획된 것이라고 주장했다. 당시에는 터무니없는 주장이라고 비난받았지만, 1970년대 분자진화(molecular evolution) 접근법으로 수용되었다. 분자진화 학은 DNA의 염기서열이나 단백질의 아미노산서열의 분석을 통해 생명의 진화를 규명하는 학문이다. 진화상으로 서로 연관된 종은 염기서열이나 아미노산서열이 비슷할 것이기 때문이다. 미토콘드리아와 엽록체는 염기서열이 일부 박테리아와 꽤 비슷하다는 사실이 확인된 것이다. 이러한 분자진화 연구가 진행되면서 많은 생명의 비밀이 밝혀졌다.
미국의 생물학자 린 마굴리스는 진핵생물은 미토콘드리아나 엽록체(식물) 같은 여러 세포소기관을 갖고 있는데 이들은 원래 독립생활을 하던 세균이었다고 주장했다. 진핵생물은 큰 세포가 작은 세균을 잡아먹었는데 세포 안에서 공생을 하는 방향으로 ‘진화’했다는 주장이다. 마굴리스의 주장을 이어서 영국 옥스퍼드대학교의 생물학자 톰 캐벌리어-스미스는 원시 진핵생물(archezoa)가설을 내놓았다. 고 세균의 세포질 안에서 막이 만들어지고 염색체를 감싸서 세포핵의 기원이 되었고, 이 원시 진핵생물이 먹은 세균이 진화하여 미토콘드리아로 남았다는 주장이다. 그렇지만 모든 원시 진핵생물이 세균을 먹고 공생관계를 이루지는 않았을 것이고 살아남았다면 지구상에 존재해야 한다는 추론이 나온다. 실제로 미토콘드리아가 없는 진핵생물이 발견되었고 캐벌리어-스미스의 가설은 더욱 지지를 받게 되었다. 미토콘드리아는 오랜 진화 끝에 진핵생물에서 세포소기관(organelle)으로 존재한다. 인간의 몸에서도 미토콘드리아 세포소기관은 거의 모든 세포에 존재하면서 인간에게 에너지를 공급한다.
그런데 1990년대 중반 미토콘드리아가 없는 진핵생물의 ‘게놈’에 세균에서 유래한 것으로 보이는 유전자가 발견되었다. 이들이 세균을 먹지도 않았다면 이런 유전자를 가질 수는 없다. 이를 발견한 과학자들은 이 진핵생물이 원래 미토콘드리아를 갖고 있었지만 미토콘드리아가 퇴화되었다고 주장했다. 이들이 기생생활을 하면서 에너지를 숙주로부터 흡수하기 때문에 에너지를 만드는 미토콘드리아가 필요하지 않게 되었다는 것이다.
1998년에는 ‘수소가설(hydrogen hypothesis)’이 제안되었다. 생화학자 윌리엄 마틴은 산소가 없는 환경에서 살고 대사로 메탄을 내놓는 고 세균이 수소와 이산화탄소를 내놓는 세균과 붙어있는 것을 발견했다. 그는 수십억 년 전에도 이렇게 메탄생성 고 세균과 유사한 고 세균이 수소와 이산화탄소를 만드는 세균과 함께 있다가 이 세균을 포획하였다고 추정했다. 수소를 필요로 하는 고 세균 때문에 일어난 일이므로 이를 ‘수소가설(hydrogen hypothesis)’로 명명하였다. 그 후 남세 균의 활동으로 지구에 산소가 많아지자 포획된 세균은 호흡으로 에너지를 만들도록 진화를 하여 미토콘드리아로 바뀌었다. 그런데 일부는 산소가 적은 환경에서 살게 되면서 호흡이 필요 없어져 미토콘드리아가 퇴화되었고 일부는 완전히 사라졌다는 설명이 가능하다. 실제로 2014년 산소가 없는 지중해 심해 바다의 퇴적물에서 작은 해양 동물이 발견되었는데 산소가 없는 환경에서 발견된 최초의 다세포 진핵생물이었다. 이들은 미토콘드리아가 없었고 대신 하이드로게노솜과 비슷한 세포소기관이 들어있었으며 그 옆에서 공생하는 원핵생물도 존재했다. 따라서 수소가설은 유력한 진핵생물의 진화 가설이다.
이렇게 세포 호흡과 관련이 있는 미토콘드리아는 진화를 둘러싸고 여러 개의 가설이 존재한다. 특히 미토콘드리아가 언제 발생했는지는 과학계에서 의견이 분분했다. 원핵생물 안에서 나타나서 진핵세포로 진화했다는 가설과 진핵세포로 진화한 이후에 발생했다는 가설로 나뉘었다. 2016년 진핵세포가 정교하게 진화한 후에 미토콘드리아가 발생했다는 증거를 발견했다는 발표가 있었다.
2021년에는 산소가 아니라 질소 화합물을 먹으면서 에너지를 생성하는 공생관계가 처음 발견되었다. 섬모충 안에 기생하면서 섬모충에 에너지를 공급하는 독특한 혐기성 박테리아(Candidatus Azoamicus ciliaticola)이다. 섬모충은 짚신벌레 같이 몸에 섬모가 나 있는 원생동물이다. 혐기성이란 산소를 필요로 하지 않는 것을 의미한다. 섬모충 안에 사는 혐기성 박테리아는 스스로 에너지를 생성해서 살고, 숙주인 섬모충에도 에너지를 공급한다. 이 혐기성 박테리아는 산소 대신 질소 화합물을 먹으며 에너지를 생성한다. 미토콘드리아는 에너지를 생산하기 위해 산소를 필요로 하므로, 산소가 없는 환경의 진핵생물은 발효를 통해 살아남는다. 발효는 무 산소 섬모충에서 관찰된다. 그러나 미생물은 발효로부터 많은 에너지를 끌어낼 수 없으며, 일반적으로 유산소만큼 빨리 자라고 분열하지 않는다. 섬모충은 질산염을 호흡할 수 있는 능력을 갖춘 박테리아를 삼켜 세포에 통합시켜서 이러한 문제점을 해결했다. 이번 발견은 새로운 질문들을 가져온다. 이러한 공생은 얼마나 오래됐는지, 다른 화합물 호흡에 의한 공생관계도 존재하는 지이다. 공생의 기원이 호수인지 바다인지도 연구대상이다.
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03297-6#citeas
과학자들은 진화와 생명의 다양성이 미토콘드리아로부터 시작됐다고 본다. 원핵생물은 자신 자신과 똑같은 복제를 하지만 진핵생물은 별 개의 개체로부터 유전물질을 합친 후에야 재생산되는 차이가 있다. 이러한 혁명은 섹스를 통한 번식의 첫 번째 단계로서 진화에 의한 변화의 페이스에 중대한 영향을 주었다. 이것은 각 세대마다 매우 다양한 개체에 의한 자연선택의 기능을 부여했기 때문이다. 진핵생물과 섹스에 의한 번식의 출현으로 촉발된 진화속도의 증가는 마지막 십억 년 동안 왜 생명체가 완전히 다른 방식으로 번성하였고 오늘날 지구상에 살고 있는 그렇게도 많은 커다란 생명체들을 만들어낸 이유를 말해준다. 우리 인간을 포함한 지구 생명계는 공생과 섹스를 매개로 탄생한 셈이다.
https://blog.naver.com/ksk0508live/222274809498
