칼 세이건의 ‘코스모스’ (2)
제2장 우주 생명의 푸가
제2장 우주 생명의 푸가
최초에 창조자에 의해 몇몇 또는 하나의 형태로 숨결이 불어 넣어진 생명이, 불변의 중력 법칙에 따라 이 행성이 회전하는 동안, 여러가지 힘을 통해 이렇게 단순한 시작에서부터 가장 아름답고 경이로우며 한계가 없는 형태로 전개되어 왔고 지금도 전개되고 있다는, 생명에 대한 이런 시각에는 장엄함이 깃들어 있다(There is grandeur in this view of life, with its several powers, having been originally breathed by the Creator into a few forms or into one; and that, whilst this planet has gone circling on according to the fixed law of gravity, from so simple a beginning endless forms most beautiful and most wonderful have been, and are being evolved). - 찰스 다윈, <종의 기원(On the Origin of Species)>, 1859년, 장대익 번역본
나는 천지를 창조하신 신께 나 자신을 온전히 맡기는 수밖에 없다. 그분은 먼지에서 너희 모두를 창조하셨다. <코란 40장>
칼 세이건은 이 장을 다음과 같이 시작하고 있다.
“지상의 생물들은 모두 유기 화합물, 즉 탄소 원자가 결정적 역할을 하는 복잡한 미세 구조의 유기분자들로 이루어져 있다. 최초의 생명이 그 분자들에서 어떻게 비롯될 수 있었을까? 이 최초의 유기 생물이 어떤 과정을 거쳐서 우리와 같이 정교하고 복잡한 구조의 생물로 진화할 수 있었단 말인가?“
“그리고 그 원초의 생명이 진화하여 어느 때부터인가 인식 기능을 갖추게 됨으로써 이제는 스스로의 기원을 탐구할 수 있게 됐다니! 도대체 어떻게 이런 변화가 가능했단 말인가?”
“우리가 지구 생명의 본질을 알려고 노력하고 외계 생물의 존재를 확인하려고 애쓰는 것은 실은 하나의 질문을 해결하기 위한 두 개의 방편이다. 그 질문은 바로 ‘우리가 과연 누구란 말인가’이다.”
별들 사이의 광대한 암흑 속에는 기체, 티끌 그리고 유기 분자로 이루어진 성간 구름, 즉 성간운이 떠돌아다닌다. 성간운을 전파 망원경으로 관측하면 그 안에서 수십 가지의 유기 분자를 쉽게 발견할 수 있다. 이는 생물의 기본 물질이 우주 어디에나 존재할 것이라는 예측을 가능하게 한다.
생명의 기원과 진화는 시간만 충분히 주어진다면 하나의 우주적 필연인 것이다. 외계 행성들 중에는, 지구인보다 더 발달된 고도의 지성을 소유한 존재들이 지구 문명보다 훨씬 앞선 과학 기술과 문화의 꽃을 피워 낸 곳도 분명히 있을 것이다.
지구상의 모든 생물은 오랜 세월 동안 같은 진화의 코드를 통해서 변신해 왔다. 이를 음악에 비유하면 단성부, 단일 주제 형식의 음악만을 우리에게 들려준다는 말이다.
그에 반해 우주 생물이 들려줄 음악은 외로운 풀피리 소리가 아니라 푸가*일 가능성이 높다. 우리는 우주 음악에서 화음과 불협화음이 교차하는 다성부 대위법 양식의 푸가를 기대한다. 10억 개의 성부로 이루어진 은하 생명의 푸가를 듣는다면, 지구의 생물학자들은 그 화려함과 장중함에 정신을 잃고 말 것이다.
* 푸가(라틴어 Fuga, 영어 Fugue): 다성음악에 의한 대위법적 모방의 한 기법으로, 하나의 선율을 한 성부가 연주한 뒤 이를 따라 다른 성부가 다른 음역에서 모방하는 것을 특징으로 한다.
진화론 - 인위도태와 자연도태
칼 세이건은 지구 생명이 들려주는 음악 중에서 짤막한 한 토막을 소개해보겠다고 하면서 '헤이케(平家)게' 이야기를 꺼낸다. 1185년 헤이케 출신의 천황 안토쿠는 헤이케(平家)파가 숙적 겐지(源氏)파와 단노우라(壇の浦) 해전에서 패하자 천황의 할머니 니이와 함께 바다에 몸을 던져 자살하였다.
몇 세기 후 어부들 사이에 구전되는 전설에 따르면 헤이케파의 사무라이들은 게가 되어 지금도 일본 내해 단노우라의 바닥을 헤매고 있다고 한다. 그런데 이곳에서 발견되는 게의 등딱지에는 기이한 무늬가 잡혀 있는데 그 무늬는 섬뜩하리만큼 사무라이의 얼굴을 빼어 닮았다. 어부들은 이런 게가 잡히면 단노우라 해전의 비극을 기리는 뜻에서 먹지 않고 다시 바다로 놓아준다고 한다.
칼 세이건은 이에 대해 “우연하게 이 게의 먼 조상 가운데 아주 희미하지만 인간의 얼굴과 유사한 형태의 등딱지를 가진 것이 나타났고, 어부들이 그 게들을 먹지 않고 다시 바다로 돌려보냄으로써 진화의 바퀴를 특정 방향으로 계속 돌렸던 것이다”라고 해석하고 있다.
이러한 과정을 ‘인위 도태 혹은 인위 선택’(artificial selection)이라 부르는데, 이 핵심은 인간의 선택적인 조장과 억제를 통해 식물과 동물의 외형적 특성과 행동 형질들이 그대로 유전되고 어떤 종은 크게 번성하고 어떤 종은 그 수가 크게 줄거나 멸종에 이르렀다는 점이다.
자연 역시 그렇게 못할 이유가 어디 있겠는가. 자연적으로 유전 형질이 변하는 과정을 우리는 ‘자연 도태 혹은 자연 선택’(natural selection)이라고 한다.
"자연에서는 생존 가능한 수보다 훨씬 더 많은 수의 개체들이 태어난다....... 함께 경쟁하고 있는 여러 개체들에 비하여 어느 한 개체가 특정 연령대에서든 혹은 특정 계절동안만이든, 아무리 사소한 이점이라도 일단 누릴 수 있거나 또는 그 개체가 주위의 물리적 환경에 아주 조금이라도 더 잘 적응할 수 있다면 진화의 균형은 그 개체에게 유리한 쪽으로 기울기 마련이다. - 찰스 다윈의 《종의 기원》
생물이 오랜 시간 동안 근본적으로 변해 왔음을 우리는 화석을 통해 분명하게 알 수 있다. 인류가 유도한 유전 형질의 변화 속도를 보면(여기서는 토끼, 커피, 사탕무, 양, 젖소 등의 예를 들고 있다) 수십억 년이 넘는 긴 세월 동안 자연에서 진행된 자연 도태가 가져온 변화가 어느 정도의 규모일지는 쉽게 짐작할 수 있을 것이다.
칼 세이건은 '위대한 설계자(Great Designer)론'에 대해서는 비판적인 입장인 것으로 보인다. "식물과 동물이 모두 그 나름대로 완벽하게 만들어졌다면, 이렇게 대단한 능력의 설계자가 처음부터 완전하게 의도된 다양성을 의도할 수 없어서야 어디 말이나 되겠는가? 오히려 화석 기록들은 위대한 설계자가 저지른 시행착오의 과거와 그의 미래 예측 능력에 숨어 있던 한계를 적나라하게 보여주는 것이다."라고 말하고 있다.
생명의 기원과 역사
지구는 대략 46억 년 전에 성간 기체와 티끌이 응축된 구름 속에서 만들어졌는데, 우리는 화석 기록을 통해서 최초의 생명이 대략 40억 년 전 원시 지구의 바다와 연못에서 태어났다고 알고 있다. 최초의 생물은 오늘날의 단세포만도 못한 것이었다. 그 '에덴동산'에는 분자들만이 우글대고 있었다. 한참이 지난 후에 마침내 특정 기능을 수행할 수 있는 분자들이 한데 모여서 일종의 분자 결합체인 세포가 만들어졌다*.
* 'LUCA'(Last Universal Common Ancestor) : 1859년 찰스 다윈이 종의 기원에서 처음으로 제시한 개념으로 현재 지구에 살아있는 모든 생물의 마지막 공통조상이라는 개념이다. 현 과학계는 이 생물이 기원전 35~40억 년 경에 출현했다고 생각하고 있다.
약 30억 년 전 단세포생물이 세포분열 후 두 개의 독립된 세포로 되지 못하고 그대로 붙어있는 것들이 생기기 시작했는데, 이것이 최초의 다세포 생물이 태어나는 과정이었다.
[가봉에서 발견된 21억 년 전 최초의 다세포 생물의 흔적, 출처 구글 이미지]성(性)은 대략 20억 년 전부터 생긴 듯하다. 그전에는 새로운 종의 출현이 무작위적 돌연변이의 축적을 통해서만 가능했다. 성의 출현과 함께 두 개의 생물은 자신들이 가진 유전 설계도를 문단씩, 혹은 여러 쪽씩, 심지어는 몇 권씩 통째로 서로 교환할 수 있게 되었다. 결국 성적 결합에 관여할 줄 아는 생물들은 선택되었고 반면에 성에 무관심한 것들은 빠르게 사라졌다.
원래 원시 지구의 대기는 수소로 가득했는데 10억 년 전부터 식물들이 협동 작업을 통해 엄청나게 지구 환경을 변화시키기 시작했다. 그로 인해 (특히 녹색식물들에 의해) 산소가 지구 대기의 가장 흔한 구성물질 중 하나가 되었고 산소 대기의 출현으로 지구 생명사의 신기원이 세워진 것이라고 한다.
대략 6억 년 전부터 청록색 조류(藻類)의 독과점에 금이 가기 시작해서 새로운 형태의 생물들이 폭발적으로 지구에 나타났는데 이것이 '캄브리아기 대폭발'(Cambrian Great Explosion)이라 부르는 사건이다.
5억 년 전쯤에는 삼엽충이 엄청나게 많이 살았는데 2억 년 전에 모두 멸망하였다. 한때 지구상에 번성했던 동식물 중에 이렇게 완전히 사라진 예가 많이 있으며, 종들은 잠깐 나타나 그럭저럭 살다가 완전히 멸망하고는 한다.
그 이후 최초의 어류, 최초의 척추동물, 최초의 곤충, 육서동물, 날개 가진 곤충, 양서류, 최초의 나무, 최초의 파충류, 공룡, 최초의 포유류, 최초의 새와 꽃, 공룡의 멸종, 최초의 고래류, 최초의 영장류 순으로 차례차례 새로운 생물들이 나타났다. 인간과 아주 비슷한 생물이 처음으로 나타난 것은 1,000만 년 전 그리고 인간이 등장한 것은 불과 수백만 년 전이다.
[지구의 역사와 생명의 등장 출처 구글 이미지]세포와 DNA
칼 세이건은 "알려진 유기분자의 수는 100억 개가 넘지만 이 중에서 생명의 필수 요원으로 활동하는 것은 약 50종뿐이다. 생명 기능이라는 관점에서 볼 때 참나무와 나는 동일한 재료로 만들어졌다고 해도 무리가 없다. 좀 더 먼 과거로 거슬러 올라간다면 동물인 나와 식물인 참나무의 조상은 같다."는 충격적인 이야기를 한다.
그리고 “지구에서 일어난 진화는 어쩌면 다른 세계에서 일어나는 생명 진화의 한 가지 전형일지도 모른다. 그러나 단백질과 관련해서 일어나는 화학적 현상이나 뇌에서 이루어지는 신경학적 현상들처럼 세부적인 면을 살펴본다면 지구의 생명 현상은 은하수 은하 그 어디에서도 기재할 수 없는, 지구 생명만의 고유한 특성이라고 나는 믿는다”라고 언급하고 있다.
살아 있는 세포는 은하와 별의 세계만큼 복잡하고 정교한 체계를 이룬다. 세포라는 이름의 이 지극히 정교한 기구는 40억 년의 긴 세월을 거치면서 힘들게 걸러온 진화의 결정이다.
이제 세포의 핵 속을 들여다보자.
아래 사진 중 중간의 흰색 원형 모양은 혈액 중 항체를 생성하는 임파구 세포의 일종인 B 림포사이트로서 지름이 대략 1만 분의 1센티미터[1 마이크로미터 또는 마이크론(micron, 단위: µ)에 해당]이다.
일단 두께 0.1 마이크로미터의 세포막을 뚫고 들어가면 세포막에 연결된 밧줄 같은 구조물들인 ‘소포체’(endoplasmic reticulum, ER)와 만나게 된다. 소포체는 세포의 골격 유지에 중요한 역할을 한다.
세포질 내부에는 리보솜이 많다. 둥글고 검은 덩어리 다섯 개가 한데 모여 있는 것들도 모두 ‘리보솜’이다(mRNA의 정보를 받아 아미노산과 결합하여 단백질을 생성).
소시지 같이 보이는 흰색 물체가 ‘미토콘드리아’로서 세포에 에너지를 공급하는 역할을 한다. 독자적인 DNA 나선을 가진 것으로 보아, 이들의 조상이 한때 독립된 개체로 살던 미생물이었다고 생각된다.
좀 더 안으로 들어가면 소포체와 연결된 세포핵이 나오고 그 안에는 실타래처럼 엉켜 있는 DNA(Deoxyribo Nucleic Acid, 데옥시리보핵산)가 있다.
[세포핵 안에 있는 DNA]DNA는 10억 개의 뉴클레오티드(*뉴클레오시드와 인산으로 구성된 유기분자, DNA와 RNA 같은 핵산의 기본 단위, 단백질의 기본 단위인 아미노산과 함께 중요한 생체분자)로 연결된 두 개의 나선이 이루는 매우 긴 사다리이다. DNA 분자 하나에서 나선 가닥은 대략 1억 번 휘감아 돌며 DNA 분자 하나는 약 1000억 개 정도의 원자로 구성돼 있다. 1000억은 전형적인 은하 하나에 들어있는 별들의 총수와 엇비슷한 수이다.
DNA의 자기복제를 위해 '헬리카아제'라는 효소(아래 화면의 보라색 표시)가 나선을 해체하고, 해체된 나선이 다시 상대방 가닥을 복제하여 DNA의 복제가 일어나는데 이를 ‘DNA 중합체’(파란색)라는 효소 분자가 교정작업을 진행한다.
DNA 중합체 효소는 거의 실수를 하지 않지만 간혹 복제 과정에서 실수를 범하면 돌연변이가 생긴다. 태양에서 오는 방사능 입자나 자외선 광자도 돌연변이의 요인이 된다.
인간 세포 하나에 들어있는 뉴클레오티드의 총수는 대략 100억 개나 되는데 그중 단 하나가 바뀌면 그 DNA가 지정하는 단백질의 아미노산 하나에 변화가 초래된다. 그 변화로 인해 유럽 사람들의 적혈구는 대체로 둥글고 아프리카 사람들 중에는 적혈구가 초승달이나 낫처럼 생긴 사람들이 있는데 그들은 둥근 것보다 산소를 덜 운반하므로 빈혈증을 유전시키나 말라리아에는 강한 저항력을 제공하는 놀라운 차이를 만든다.
DNA는 완벽한 자기복제를 통해 유전 형질을 보존하고 전달하는 일을 하며, 핵의 DNA는 ‘전달자(messenger) RNA’라고 불리는 또 다른 핵산을 합성하여 세포의 신진대사 활동을 관장한다. 이 것은 핵 밖으로 이동한 후 정확한 시간과 장소에서 특정 효소의 생성을 조절한다.
[리보솜에서 단백질을 생성하는 과정]생물의 기본 물질 생성 실험
1950년 대 초 스탠리 밀러(Stanley Miller)는 원시 지구에 있었을 가장 흔한 종류의 기체들(수소, 수증기, 암모니아, 메탄, 황화수소)을 모아 놓고 거기에 자외선 복사나 전기방전을 하여 화학 결합을 깰 수 있을 정도의 에너지를 공급하자, 생물의 기본 재료가 될 수 있는 물질들이 만들어졌다.
그렇지만 지금까지도 아직 그 이상의 성과는 없었다. 분명히 생명은 단백질을 구성하는 아미노산과 핵산을 구성하는 뉴클레오티드 이상의 그 무엇이었던 것이다.
거대 행성의 생명체 상상
"생명 창조에 기울인 인간의 노력은 이제 겨우 몇 십년의 역사를 말할 수 있을 뿐이다. 이것에 비하면 자연은 우리보다 40억 년이나 앞서 있다. 우리의 눈높이를 분자 수준의 화학반응에 맞춘다면 지구의 그것과 크게 다르지 않을 수도 있다."
"그렇다고 해서 외계와 지구 생물의 모습마저 서로 비슷하다고 기대하지는 말자. 지구라는 행성 하나에서의 상황이 엄청나게 다양할진대, 하물며 태양계를 벗어난 세계의 종과 형태에 따른 다양성은 우리의 상상을 초월할 것이다"
목성과 비슷한 거대 기체 행성의 생물을 굳이 상상한다면, 심연과 같은 고밀도 가스층인 대기권 아래쪽으로 빠져 바짝 튀겨지기 전에 재빨리 번식하여 후손의 일부가 상승 기류를 타고 대기권의 서늘한 상층부로 이동해 가야 하므로 생물들의 덩치가 아주 작아야 할 것이다. 이러한 생물을 우리는 ‘추’(sinker)라고 부른다.
아니면 일종의 커다란 수소 풍선과 같이 헬륨과 그보다 무거운 기체는 자신의 몸 밖으로 내보내고 몸안은 가장 가볍고 뜨거운 수소 기체로만 채우며 부력을 얻어 고온의 지옥으로 떨어지는 운명을 피하는 ‘찌(floater)’ 같은 생물도 생각해 볼 수 있다. 이 기구는 어느 정도까지는 크면 클수록 효율적이기 때문에 그 크기가 수 킬로미터에 달할 수도 있을 것이다.
[추가 떠 있는 상당도]
칼 세이건은 “생물학은 물리학보다 역사학에 더 가깝다. 현재를 이해하려면 과거를 잘 알아야 하고, 그것도 아주 세세한 부분까지 알아야만 한다.“라고 말한다.
역사학에 예견론이 없는 것처럼 생물학에도 확립된 예견론이 없다. 둘 다 연구 대상들이 너무 복잡한 존재이기 때문이다. 그러나 생물학과 역사학이 우리에게 주는 교훈에는 공통점이 있다. 그것은 타자를 이해함으로써 자신을 더 잘 이해하게 된다는 것이다.
마지막으로 칼 세이건은 "외계 생물에 대한 탐구가 중요하다고 누구나 말하지만, 우리는 외계 생명을 찾는 일이 결코 쉽지 않다는 현실적 어려움도 잘 알고 있다. 그럼에도 불구하고 외계의 생명은 우리가 추구할 궁극의 목표이다. 왜냐하면 그것이 우리 자신을 더 잘 이해할 수 있게 해 줄 것임에 틀림없기 때문이다. 자 이제 저 웅장한 우주 생명의 푸가의 남은 성부들에 귀를 기울여 보자."라고 마무리하고 있다.
40년이 훌쩍 지난 현재 시점에서 다시 정리하면서 봐도, 1980년에 이런 대단한 콘텐츠와 영상들로 우주와 생명의 신비를 해설하는 다큐가 나를 포함해서 당시 대중들에게 얼마나 센세이셔널하게 다가왔을지 그리고 그로 인해 당시 사회 전반에 얼마나 큰 임팩트를 주었을지 가히 짐작이 간다^^
<3편에 계속>
