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Dec 31. 2023
(61) 삶에 관하여 -(2)
외계 생명체, 그리고 보편 생물학을 찾아서
그들은 어디에 있는가?
-엔리코 페르미, 고등 외계 문명에 대해 이야기하던 중
외계 생명체는 어디에?
적어도, 2023년 지금까지, 우리 인류가 알기로는, 생명체와 생명 현상이 존재하는 곳은 우리가 살고 있는 지구 한 곳 뿐이다. 이는 광활하다는 말로는 표현도 할 수 없을 만큼 무한에 가까운 우주 공간의 크기를 고려해 보면, 오히려 놀라운 일인지도 모른다. 왜 우리는 지구 밖에서는 아직 생명을 보지 못했을까? 그들은 어디에 있을까? 아니, 있기는 할까(미주 1)?
다름이 아닌 닮음에서 배우기
이러한 고민들은 수많은 학자들이 던져 왔던 질문들이다. 외계 생명체라는 주제는 그저 이유 없이도 상상하고 꿈꾸게 되는 마법의 주제이기도 하지만, 생명의 본질과 다양성을 궁극적으로 이해하기 위해서는 다양한 생명의 형태를 비교해 보아야만 하기 때문이다. 예컨대, 생명과학자들은 생명체의 다름보다는 비슷함에서 더 많은 것을 배운다. 지구상의 수많은 생명체는 어쨌든 거슬러 올라가다 보면 한 개의 공통된 조상에서 발원했고, 따라서 우리는 최소한 약간의 공통점을 가지기 때문이다.
조금 더 쉬운 예시를 들자면, 이 글을 읽는 당신과 글을 쓰는 나는 서로를 모르겠지만, 부모님, 조부모님, 증조부모... 로 거슬러 올라가다 보면, 결국 우리는 머나먼 한 조상에서 갈라진 후손일 것이다(같은 성이라면 좀 더 일찍 만날 가능성이 높을 테고). 이와 같은 현상이 모든 생명체에게 적용되는데, 간단히 말해 우리의 머나먼 조상은 유인원과 인간 모두의 조상일 것이다. 앞서 말한 <모든 생명체의 공통 조상> 을 과학 용어로는 이를 마지막 공통 조상(Last Universal Common Ancestor, 줄여서 LUCA) 라고 부른다. 이들은 약 35억 년에서 38억 년 전, 지구 상 생명체가 시발할 때쯤 있었으리라 추측된다(그림 1). 따라서 이 조상이 가지고 있던 대부분의 유전자는 모든 생명체에게 (잃어버리지 않은 이상) 퍼져 있을 것이다.
그림 1. 세균, 고균(아래 문단 참조), 그리고 진핵생물으로 구분되는 지구의 모든 생명들은 하나의 공통 조상을 가진다. 그림 출처 위키피디아.
사실은 이 공통의 유전자는 약간이 아니고 엄청나게 많은데, 우리 인간을 구성하는 유전자 중 20% 는 박테리아에도 있다. 또한, 이 유전자들을 적는 '언어' 는 인간부터 박테리아까지, 지구 상의 생명체에서 모두 똑같으며(미주 2), 이 유전자들을 조절하는 체계도 박테리아부터 인간까지 거의 유사한 구조를 이루고 있다. 그 덕분에 우리는 인간의 유전자와 유전병을 대장균에서 연구할 수 있으며, 대장균은 우리의 유전학에 지대한 기여를 했다. 아마 대장균이 아니었다면, 화려한 크리스퍼-카스9 유전자 조작도, 코로나를 퇴치하게 도와 준 mRNA 백신도 없었을 것이다. 이러한 사실을 명시하듯, 1965년 대장균의 유전자 조절 기능을 밝혀 노벨 생리의학상을 받은 프랑수아 자콥은 "대장균에서 사실인 것은 코끼리에서도 사실이다" 라는 유명한 격언을 남겼다(그림 2).
그림 2. 프랑수아 자콥(1920.6.17~2013.4.19). 자크 뤼시앙 모노와 함께 프랑스의 파스퇴르 연구소에서 대장균 모델에서 유전자 조절 메커니즘을 연구했다.생명의 <가능성 공간>
다시 본론으로 돌아와서, 그렇다면 생명체들은 어디에 있을까? 우리가 범인을 잡을 때는 범인의 특성을 파악해 어디에 있을 지 파악하고 그곳에 집중하듯, 생명체를 특정짓기 위해선 생명체가 있을 만한 곳을 고려해 보아야 할 테다. 거창하게 들리지만, 그 취지와 기본적 가정은 간단하다. 우리가 생명체를 찾으려면 아무 곳이나 뒤져서는 안 될 테다; 온도가 섭씨 6천도까지 올라가는 태양 표면에서 생명을 찾는 것은 아무래도 비효율적일 것이고, 이런 연구 제안서를 낸다면 심사도 전에 탈락하기 일쑤일 테다.
이런 존재 가능성의 개념을 형상화하여 <가능성 공간> 이라고 지칭해 보자. 예를 들어서, 인간은 다양한 키와 몸무게, 발 사이즈 따위의 특징(변수) 를 가질 수 있을 테다. 예컨대 150cm에서 200cm 까지 키가 분포하고, 몸무게는 40kg 부터 150kg 까지 분포할 수 있다고 해 보자. 그렇지만, 이 무작위의 조합이 모두 가능한 것은 아니다. 150cm이면서 150kg인 사람은, 170cm 에 70kg 이 나가는 사람에 비하면 존재 가능성이 훨씬 작을 것이다. 이와 같이, 제아무리 수많은 변수가 있다고 해도, 이 변수들이 모종의 연관 관계를 가지고 있다면 그 가능성 공간의 차원은 확연히 줄어들게 된다. 우리가 할 것은, 생명의 존재 가능성을 제약하는 그 테두리를 조금씩 좁혀 나가는 것이다.
그림 3. 다양한 탄소 기반 유기화합물들의 구조. 탄소는 사슬부터 평면, 격자까지 온갖 형상을 이룰 수 있다. 유기화학을 공부하는 학생들을 좌절케 만드는 것이 바로 탄소화합물이다.
생명체가 아무리 날고 기는 다양성을 보인다 한들, 그들은 물리적 세계 속에 존재하는 물질 덩어리이고, 우리가 아는 한 물질은 원자들의 결합을 통해 이루어져 있다. 따라서 생명은 본질적으로 다소 특이하게 배열된 원자들의 결합인 셈이다. 그 중에서도 우리가 아는 생명들은 탄소를 기반으로, 수소, 산소, 질소와 나머지 미량 원소를 기반으로 빚어져 있다. 왜 탄소인가? 그것은 탄소가 14족 원소로 다른 원소는 할 수 없는 방식으로 다양한 공유 결합을 형성할 수 있는 유연성을 가지기 때문에, 사슬부터 가지, 격자까지 생명의 구성에 필요한 모양들을 다채롭게 만들 수 있기 때문이다(그림 3).
전 우주에서 물리 법칙은 동일할 테고, 따라서 지구에서든 아니면 100억 광년 떨어진 X 행성에서든 탄소는 같은 결합을 이룰 테니 아마도 외계 생명도 탄소를 기반으로 만들어져 있으리라는 가정은 말도 안 되는 것은 아닐 테다(미주 3). 그에 더해, 우리는 이전의 글에서 다양한 화학 반응이 일어날 수 있는 용매가 필요하고, 이는 아마도 물이 유력한 후보가 될 수 있음을 살펴본 적도 있다. 따라서 물과 탄소 결합체가 존재하는 곳은 유력한 생명의 후보가 될 것이며, 다양한 방법을 통해 외계생물학자들은 이 존재 가능성을 좇는다(미주 4).
춥지도 뜨겁지도 않은 - 생명의 골디락스 존
이렇게 범위를 좁히고 나면, 한결 더 수월해진다. 조금 더 좁혀 보자. 우리의 몸을 이루는 분자들은 끊임없이 이동하고 진동하며 생명을 지속시키는 일을 한다. 이런 입자들의 거동을 결정짓는 중요한 요소는 바로 온도이다. 온도란 곧 입자들이 가지고 있는 평균적인 에너지이라고 볼 수 있는데, 따라서 너무 고온이라면 이 물질들은 정해진 생명의 규칙이 아니라 제멋대로 뛰노는 열적 소음을 따르게 될 것이다(마치 너무 더워서 교관의 통제를 벗어난 훈련생들처럼). 반대로, 너무 낮은 온도라면 이 물질들은 너무나 느려져서, 유의미한 생명 활동을 지속할 수 없게 될 것이다(성장과 물질 대사는 물론이며, 스스로를 수복하고 복구하는 수리 과정도 멈추게 될 것이다. 수리 과정이 작동하지 않으면, 외부에서 오는 방사선 따위에 의한 고장들이 축적되어 생명체는 결국 돌아갈 수 없는 강을 건너게 된다). 따라서 생명체는 너무 춥지도 않고, 너무 뜨겁지도 않은, 적절한 온도의 골디락스 존에서 살아갈 가능성이 높다(그림 4).
그림 4. 동화 <골디락스와 세 마리 곰> 에 묘사되는 곰들의 수프. 너무 뜨거운 수프, 너무 차가운 수프도 아닌 적당히 따뜻한 수프를 골디락스는 먹었다.
그렇다면 생명이 거주 가능한 온도의 범위는 어디까지일까? 우리 인간은 온도에 있어서는 아주 취약한 항온동물(늘 일정 체온을 유지해야 하는) 이기 때문에, 정상 체온인 37도에서 2-3 도만 벗어나더라도 생존에 심각한 위협을 받게 된다. 그렇지만 다양한 생명의 스펙트럼은 우리의 상상을 넘어 멀리까지 뻗어 있으며, 지구에서의 사례들을 살펴보는 것은 우리의 논의를 도와 줄 것이다. 예를 들어, 대장균과 같은 박테리아들은 영하 20도까지 낮춘 냉동실에서도 아무런 문제 없이 멈춰 있다가 적당한 온도가 되면 다시 살아날 수 있다(냉동 식품을 해동 후 재냉동하지 말라는 경고가 적혀 있는 이유다). 그러나 다행히 이들도 60도 이상의 고온 처리를 해 주게 되면 열에 의해 단백질들이 변성되고 흩어져 더 이상 살아갈 수 없게 된다. 이것이 고온 살균의 원리가 아니던가(그림 5, 미주 5).
그림 5. 우유는 상하기 쉽기 때문에, 살균을 거쳐 운송 체인에 오른다. 사진은 원유 멸균기.
그러나 생명은 늘 답을 찾아 내듯, 이런 뜨거운 온도에서도 잘만 살아가는 생명체들도 있다. 1960년대 미국의 미생물학자가 엉뚱한 호기심을 품었는데, 70도가 넘어 김이 펄펄 나는 옐로스톤 국립공원의 온천수에서 생명체의 존재 여부를 테스트해본 것이다. 놀랍게도, 여기엔 무언가 살고 있었다(더 놀랍게도 이들은 눈으로 보인다; 그림 6)! 이 생물들은 메탄을 만들어 내는 독특한 특징을 가진 메탄생성균이었고(미주 6), 이들이 산소를 싫어하고, 뜨거운 곳을 선호하며 메탄을 대사하는 것으로 보아 아마도 아주 오래 전 지구에서 살던 원시적인 세균으로 생각하여 고대의 세균, 줄여서 고균Archaea 이라고 명명되었다(그러나 사실은 이들은 세균들보다 우리 인간에게 더 가까운 친구들이다). 이 고균들에는 다양한 카테고리가 있는데, 그 중 극호열성균은 말 그대로 펄펄 끓는 온도를 좋아해서 80도 이상의 온도에서 증식하고 살아간다(미주 7). 그 중 가장 극단적인 종은 125도까지도 버틸 수 있었고, 이것이 지금 우리가 알고 있는 생명체의 고온 한계선이다.
그림 6. 옐로스톤 국립공원의 그랜드 프리스매틱 온천. 60도에서 80도를 넘나드는 이곳에도 세균들이 산다. 저 형형색색의 띠가 보이는가? 이들이 그들이다.