생명은 어떻게 시작되었을까?
지구에서 생명은 어떻게 시작되었던 것일까? 최초로 지구 상에 나타난 생명은 어떤 모습이었을까? 현재 존재하는 수많은 생명체가 어떻게 해서 지구에서 살게 되었던 것일까? 스탠리 밀러와 레슬리 오르겔의 <생명의 기원>은 지구에서 최초로 생명이 어떻게 탄생할 수 있었는지에 대해 심도 있게 이야기하고 있다.
생명은 살아있음을 말한다. 하지만 지구 상에 존재하는 생명체의 가장 큰 특징은 죽음이다. 생명이란 살아있는 것이지만 계속해서 살아있을 수가 없는 것이 또한 생명체의 특성이다. 지구 상에서 죽지 않는 생명체란 있을 수 없다. 죽음이 없는 것은 생명체가 아니다. 그렇다면 어떻게 이런 죽을 수밖에 없는 생명체가 그 오랜 기간 동안 지구 상에서 계속 존재할 수 있었을까? 이것이 바로 생명의 기원을 탐색할 수 있는 기초가 되는 것은 아닐까?
하나의 생명체가 죽는 것은 예외가 없지만, 그 생명체의 가장 기본적인 단위는 후손을 통해 계속해서 이어진다. 즉 생명의 특성을 유지할 수 있는 기본적인 단위가 하나의 생명체라는 개체에서 다른 생명체라는 개체로 계속 이어지게 되는 것이다. 이것이 유전이고 진화이다. 생명의 기원을 탐색할 때 중요한 것은 바로 이점이다. 즉, 생명체 하나의 개체보다는 그 생명의 특성을 유지해 주는 생명체의 기본 단위가 핵심이라는 뜻이다. 이것을 가능하게 해주는 것이 바로 DNA와 RNA이다. 그렇다면 우리가 생명의 기원을 알고자 하는 것은 이 DNA와 RNA가 어떻게 해서 지구 상에 나타나게 되었는지를 알아내야 하는 문제로 귀결된다. 이것은 세포와도 밀접한 관계가 될 수밖에 없다.
“세포라는 것은 그 안에서 일어나는 수백 또는 수천 가지의 기본 화학반응들이 원활한 조화를 이루면서 일어나고 있는 공장이다. 이 공장에서 단백질들은 기계, 조종 요소, 그리고 때로는 구조적 성분들과 같은 여러 가지 일을 하고 있다. 효소들은 기계와 비슷한 일을 하는 단백질이며, 세포의 기능에 필요한 여러 가지 반응을 효율적으로 일어나도록 촉매한다. 단백질은 한 개 도는 몇 개의 폴리펩티드 사슬들로 구성된다. 각 폴리펩티드는 여러 가지 아미노산들의 결합으로 이루어진 중합체이다. 모든 생물에 있어서 20가지의 같은 아미노산들이 단백질을 합성하는 데 사용된다.”
생명의 특성을 나타내는 가장 작은 단위가 바로 세포이다. 이 세포는 DNA와 RNA가 있는 핵과 이를 위한 다른 기관들이 다 함께 존재한다. 따라서 생명을 이해하기 위해서는 세포에 대해 우선 알아야 할 필요가 있고 이 안에 있는 기관들이 어떠한 기능을 하며 생명을 계속 유지하게 만드는지 알아야 한다.
“핵산들은 주로 단백질의 일차구조를 결정하는데 관련되고 있다. DNA와 몇 가지의 RNA는 단백질 합성에 필요한 정보 저장의 기능을 가지고 있다. 모든 생물의 유전물질은 두 가닥으로 된 DNA이다. 이 중합체형 분자는 데옥시리보 뉴클레오티드라고 하는 네 가지 단위체형 성분들로 형성된다. 단백질과 핵산은 아미노산, 당, 염기 및 인산들과 같은 성분들로부터 탈수 반응에 의해서 생성된다. 이 생성반응들은 화학 자유에너지의 소모가 수반이어야만 가능하다.”
생명체가 계속해서 존속할 수 있도록 해주는 가장 기본적인 에너지원이 바로 단백질이다. 이 단백질이 만들어지기 위해서는 핵산이 필수적이며, 이 핵산은 뉴틀레오티드라는 물질의 조합으로 이루어진다. 뉴클레오티드는 당, 인산, 염기에 의한 화학결합으로 만들어진다. 따라서 생명체에서 가장 중요한 것은 바로 이 뉴클레오티드가 될 수밖에 없다.
“모든 세포는 인산 지방질과 단백질로 구성된 막으로 둘러싸여 있다. 이 막들은 유용한 분자들이 세포 밖으로 확산해 나가는 것을 막으며, 해로운 분자들이 확산해 들어오는 것을 막는다. 세포막들은 효소와 같은 역할을 하는 단백질들을 함유하기도 하는데, 이들은 농도 기울기에 거슬러서 분자들을 세포 밖에서 세포 안으로 선택적으로 운반할 수 있다. 이 과정에는 에너지가 사용되어야 하는데, 그 에너지는 ATP의 가수분해에서 온다.”
생명체가 그 생명을 유지하기 위해서는 세포 내의 기관들이 자신의 역할을 충실히 해야만 가능하다. 그 역할이 이루어지지 않았을 때 생명체는 더 이상 존재가 불가능해진다. 이러한 세포 소기관들의 기능들은 어떻게 해서 이루어지고 있는 것일까? 아직까지 이에 대한 해답은 없다. 어쩌면 이것은 인간의 영역이 아닐지 모른다. 이 질문은 생명 그 너머의 문제로 귀결되기 때문이다. 우리는 이러한 세포 소기관의 기능만을 알고 있을 뿐 그 이상의 메커니즘에 대한 논의는 영원한 미스터리가 될지도 모른다.
“핵산을 가지지 않은 생명체들은 유전적 연속성을 이룰 수 있는 수단을 가지지 못할 것이며, 한편 단백질을 가지지 않은 생명체들은 환경에 있는 화합물들을 이용하는 능력이 심히 제한받는다. 생체에 있어서는 아미노산들이 폴리뉴클레오티드와 처음으로 특이하게 회합하는 단계는 tRNA에다 아미노산을 결합시키는 단계이다. 이 단계는 활성화 효소들에 의해서 일어나고 있으며, 각 활성화효소는 특이한 아미노산과 그에 상응하는 tRNA를 인식한다. 일단 아미노산이 tRNA에 결합되면 대부분의 경우에는 더 이상 식별됨이 없이 성장하고 있는 단백질 사슬로 전달된다.”
생명체의 가장 큰 특징은 바로 후손에게 생명의 기본 단위를 전해주는 것과 그 생명체가 이러한 임무를 완성할 수 있기까지 존재할 수 있게 만드는 것이다. 따라서 핵산과 단백질의 핵심이기에 생명의 기원을 탐구하는 것은 바로 이 핵산과 단백질이 어떻게 만들어졌는가를 이해해야 한다.
“생명의 진화과정의 어떤 초기 단계에서는 아미노산들과 폴리뉴클레오티드들 사이의 직접적인 결합이 있었을 것이 분명하다. 이러한 폴리뉴클레오티드가 뒤에 유전암호로 진화하게 되었을 것이다. 만일 우리가 말하는 효소들이 폴리뉴클레오티드의 지시에 따라 생성된, 촉매 활동성을 가진 단백질을 뜻하는 것이라면, 생명의 초기 단계에서는 아미노산을 활성화하는 효소들이 전혀 존재할 수 없었을 것이다. 따라서 최초의 회합은 아미노산과 폴리뉴클레오티드 사이의 직접적이고 선택적인 상호작용으로 이루어졌을 것이라고 생각하지 않을 수 없으며, 이러한 상호작용은 이미 형성되어 존재하고 있던 폴리펩티드나 그 밖의 유기물질의 도움을 받았을 것으로 생각된다.”
단백질의 기본 단위는 아미노산이다. 현재까지 알려진 아미노산은 20개 정도인데 이러한 아미노산이 어떻게 만들어졌는지를 이해해야 한다. 이러한 아미노산과 폴리뉴틀레오드의 결합 또한 중요하다. 이것이 바로 진화라는 메카니즘의 핵심이 되기 때문이다.
“최초의 유기체는 이미 생성되어 있는 유기 물질들을 이용하면서 생장하고 번성하였을 것이 틀림없다. 지금 생각하면 이것은 매우 분명한 것으로 보이지만, 오파린의 책이 나오기까지 많은 연구자는 최초의 유기체는 좀처럼 있을 성싶지 않은 어떤 사건에 의해서 생겼으며, 처음부터 유기체의 모든 성분을 이산화탄소와 물로부터 광합성으로 합성할 수 있다고 믿었다. 조만간에 필수 성분들에 대한 수요량이 공급량을 능가하게 되었을 것이다. 이렇게 되면, 그 이상의 생명의 번성은, 유기체들이 그들의 구성 성분들을 합성할 수 있는 방법을 찾아내는 능력에 의존하였을 것이다. 최초의 유기체는 수용액 환경에 풍부하게 존재한 간단한 유기화합물들을 출발물질로 사용하였거나 대기의 성분들을 사용하였을 것이다.”
생명체에서 가장 중요한 핵산이나 단백질이 만들어지기 위해서는 최초의 유기체가 지구 상에 어떻게 만들어졌는가를 알아야 한다. 이 유기체는 어쨌든 화학 원소들의 조합이 될 수밖에 없다. 그렇다면 어떤 화학 원소들의 그 오래전 지구 환경에서 어떠한 조건에 의해 탄생되었는지를 알아내야 하는 것이 생명의 기원에 대한 가장 중요한 단계가 되는 것이다.
“최초의 유기체들은 단백질 합성과 핵산 복제를 성취시키기 위해 환경에서 무생체적으로 형성된 고에너지 유기분자들을 사용하였을 것이 틀림없다. 이 경우에도 이미 만들어진 분자들이 유기체의 신속한 증식을 뒷받침할 만큼 충분하지 않게 되었을 것이다. 이 시점에 이르러서 편리하게 사용할 수 있는 외부로부터의 유일한 에너지원인 태양복사 에너지가 광합성 또는 광인산화반응과 유사한 과정에서 이용되었을 것이다.”
이를 위해서 수많은 과학자가 지구 상에 최초의 유기체가 어떻게 탄생되었는지에 대한 연구에 몰두하여 왔다. 이는 수많은 가능성이 있겠지만, 화학 원소들의 수많은 조합이 이루어지는 가운데 지구의 가장 근본적인 에너지원이 되는 태양에너지로 인한 가능성이 가장 중요하다는 것에는 많은 의견이 일치하고 있다. 하지만 이러한 논의는 아직도 현재 진행형이다. 그 결론은 결코 쉽게 내려질 수 없다.
“어떤 종류의 유기체들을 지금 살고 있는 것들 중에서 제일 원시적으로 인정할 수 있다면, 이 유기체들의 대사 과정은 지구 상에서 처음으로 진화한 생화학반응의 구조를 반영하는 것으로 보아도 무리가 없을 것이다. 박테리아 및 남조류와 같은 원핵생물이 복잡한 진핵생물보다는 지구의 첫 유기체와 더 가까운 관계를 가지고 있다는 것은 확실하다. 산소를 사용하는 효율적인 에너지 대사 형태가 일단 시작된 후로는 진핵생물과 다세포생물들이 진화하였다.”
언제인지는 모르지만 아주 오래전에 이 지구 상에는 최초로 유기체가 만들어졌고 이로부터 핵산과 단백질이 형성되었으며 이를 바탕으로 생명이 시작되는 준비가 마무리되었다. 그리고 어떤 우연인지는 모르지만 이로부터 세포가 형성되어 생명이 시작되었다. 현재 인류의 생명의 기원에 대한 앎은 여기까지다. 더 이상의 탐구는 어떻게 될지 아직 아무도 모른다. 생명의 기원은 우연이었을까, 필연이었을까? 그것은 인류가 끝날 때까지 알아내지 못할지도 모른다. 인간은 신이 아니기 때문이다. 하지만 신과의 대화를 위해 끝까지 노력하는 것에 인간의 위대함이 있는 것인지도 모른다.
