[운동안내서] 초신성의 작품 |생명 탄생과 진화의 빅뱅
초신성이 다했다. "Supernova do it all"
머릿속으로 우주를 종횡무진 여행하며 인생을 보냈다는 (이제는 영원히 우주에서 유영을 즐기고 있을 뉴턴과 아인슈타인의 뒤를 잇는) 천재 이론물리학자 스티븐 호킹이 작고한 후 출간된《호킹의 빅 퀘스천에 대한 간결한 대답》에서 “우주에서 지구를 보면 우리는 우리 자신을 전체적으로 보게 된다. 우리는 개체가 아닌 하나로 통합된 존재이다. 이 단순한 이미지는 무척이나 강렬한 메시지를 담고 있다. 하나의 행성, 하나의 인류.”[1]
라고 했다.
칠흑 같은 우주 공간에 비하면 매혹적인 (보이저 1호가 찍은 사진을 본 후 칼 세이건의 기념비적 묘사인) “창백한 푸른 점”인 푸른 행성 지구와 생명의 탄생은 무엇과 관련이 있을까? <[운동 안내서] 우리는 어디서 왔는가에 대한 해답과 운동하는 우주> 편에서 얘기한 별의 죽음이자 움직임인 ‘초신성 대폭발’로 시작됐다. 그 폭발의 충격파로 성간 물질(Interstellar matter)이 응축하면서 행성이 생성된다.
초신성이 다했다
천문학자들은 초신성이 폭발했을 때 형성된 많은 중금속으로 지구가 만들어지고, 지구상에 생명이 출현하는데 직접적인 관련이 있다고 한다. 이를 천문학자 도날드 골드스미스(Donald Goldsmith)가 그의 저서《수퍼노바, Supernova》에서 이렇게 표현했다.
Supernova do it all
G299.2-2.9는 균일한 밝기의 우주 이정표인 Type 1a 초신성의 잔재로 추정된다. [이미지 출처: cosmosmagazine.com]즉 초신성이 다했다는 것. 다시 말해 별은 우리 몸을 이루는 원자가 탄생한 시원이다. 초신성의 대폭발이라는 움직임이 있었기에 태양계와 지구는 물론 생명체도 태어날 수 있었다. 물론 그 과정은 여전히 미스터리에 쌓여 있다(참고: <[운동 안내서] 우리는 어디서 왔는가에 대한 해답과 운동하는 우주>).
우리 몸속의 철은 그 존재 자체로 우리의 원자적 혈통이 폭발하는 별들까지 이어져 있음을 보여주는 증거이며, 오늘날 관찰되는 초신성과 성운들은 더 앞선 창조의 요람을 보여주는 거울인 셈이다. 그 요람 중 하나인 게성운은 태양계를 탄생하게 한 기체와 먼지의 소용돌이 구름과 공통점이 매우 많다.
- 커트 스테이저Curt Stager의 《원자, 인간을 완성하다: 인간과 지구, 우주를 창조한 작지만 위대한 원자들》 중에서
게 성운(The Crab Nebula) [이미지 출처: NASA, ©: NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University]광대무변한 우주에서 지구라는 행성이 생성된 것도 양자 중첩처럼 무수한 우연의 중첩으로 가능했던 일이지만, 생명이 탄생하는 것 역시 우연의 연속이었을 것이다. 원시 지구에서 어떻게 최초의 생명이 탄생했는지는 여전히 진화 생물학의 최대 미스터리다. 우리는 여전히 이 신비한 존재에 대해 아는 게 전혀 없다.
지금처럼 다양한 생명체가 존재하는 이유는 다윈의 진화론으로 충분히 설명 가능하다. 생명체의 종류가 많아진 것은 진화의 필연적 결과이며, 여기에 창조주가 끼어들 여지는 없다. 그러나 우주에 존재하는 (전자의 질량, 중력 상수, 빛의 속도, 양성자의 전하, 플랑크 상수 등) 20여 종의 상수가 지금과 같은 값으로 세팅된 이유만은 설명할 길이 없다. 이들의 값이 지금과 달랐다면 생명체는 탄생하지 못했을 것이다. 생명체가 번성하게 된 생물학적 이유는 알아냈는데, 그런 환경이 조성된 물리적 이유는 여전히 모른다.[2]
이에 대해 '인류 원리(Anthropic Principle)'를 주장하는 학자들도 있다. 다중 우주가 존재한다면 우리는 그 중 지적 생명체의 존재를 허용하는 우주에 존재한다는 원리다. 그만큼 생명이 지구에서 탄생할 확률이 낮다는 것을 의미한다. 그러나 아무리 확률이 낮더라도 어디선가는 1등 복권 당첨자가 나오는 것처럼, 생명 탄생도 그와 같다는 원리다.
세포의 탄생 | 모든 생명체의 공통 조상, 루카LUCA
일어나지 않을 수도 있었던 신비한 여정인 생명의 역사! 지구의 생명체와 우리 몸을 이루는 세포의 첫 조상은 어떻게 생겨난 것일까? (물론 스탠리 밀러의 유기물 합성 실험을 통한 추정이긴 하지만) 지구를 돌덩어리 행성에서 초록색과 푸른색으로 바꾼 생명은 중간점(Zero Point)[3]에서 존재를 드러낸 세포(Cell, 라틴어로 작은 방을 의미하는 ‘cella’에서 유래)의 탄생으로 시작됐다.
거기에는 에너지의 파동과 물질의 입자 양쪽 모두가 온전히 존재했다. 태양으로부터 온 에너지가 수십억 년 동안 마터(Mater, 라틴어로 어머니라는 뜻), 즉 우리의 어머니 지구(Mother Earth)를 구성하는 물질의 입자에 부딪혀왔다. 파동은 움직임이라는 것을 기억하자. 광파Light Wave 에너지는 광합성이라 불리는 과정을 통해서 지구의 무기화학 속으로 융합되었다. 광파의 합성물과 화학적 입자들은 생체의 화학인 유기화학을 만들어냈다.
한 마디로 태양의 에너지가 광합성을 통해 생명 없는 물질에 생명을 불어넣은 것. 세포가 탄생하는 순간이다. 그러니 “실로 생명은 하늘로부터 온 빛이 물리적인 땅의 물질과 융합한 것으로부터 비롯된 것이다. 정령신앙을 믿는 아메리카 원주민들이 아버지 하늘과 어머니 땅이라는 개념을 어디서 만들어냈는지를 이제 알겠는가?”라고 2009년 고이 평화상(Goi Peace Award)를 수상한 부르스 H. 립튼(Bruce H. Lipton)은 저서《자발적 진화》를 통해 묻고 있다.
빅뱅으로 물질과 빛이 탄생하고, 이 둘이 지구에서 만남으로 인해 40억 년 전 어느 날 원핵세포(Prokaryote: 핵, 핵막, 세포소기관이 없는 세포)가 출현했다, 단 한 번의 거대한 도약이자 물질에 생명이 깃든 순간이며, 자신의 정보를 다음 세대에 전달하는 최초의 생명이 탄생한 것이다. 이 최초의 생명은 ‘자신의 정보를 다음 세대에게 전달한다’는 정보까지도 다음 세대에 전달하는 놀라운 존재였다. 우리는 이 신비한 존재에 대해 아는 것이 전혀 없다.
다만 생명이 다른 생명에게서 온다는 경험적 사실에 근거해 시간을 역추적할 때, 그저 최초의 생명이 있을 수밖에 없다고 추측하는 것뿐이다. 생명 역사 초기에는 진정세균과 고세균만 존재했다. 따라서 진정세균과 고세균의 공통 조상은 최초의 생명이자 현재 지구에서 살아가는 모든 생물의 공통 조상이라 할 수 있다. 이를 ‘루카(LUCA, the Last Universal Common Ancestor)’라고 부른다. 루카가 어떤 생물이었는지에 대한 논의는 생물이 다양하게 분화된 출발점에 서는 일이다.[4]
2016년 4월 11일 '네이처 마이크로바이올로지'에 소개된 진화의 나무. [이미지 출처: NYtimes]*(위 이미지 설명) 캐나다 워털루 대학의 로라 허그(Laura A. Hug) 교수, 텍사스 오스틴대 브렛 베이커(Brett J. Baker) 교수 등 17명이 참여해 완성한 계통도에는 92종의 박테리아와 26종의 단세포 고세균, 그리고 5개 진핵생물 그룹이 포함돼 있다. [Nature Microbiology]
진화의 결정적인 장면은 22억 년 전 진핵세포(Eukaryote)의 등장이다. 진핵세포는 진정한 핵이 있고, 체세포분열Mitosis, 유사분열을 겪으며 세포질에 사립체, 즉 미토콘드리아가 들어 있어 에너지를 공급해주는 세포다. 진핵세포가 원핵세포보다 우위에 있는 한 가지 성질을 꼽으라면, 세포 내부에서 움직임을 일으키고 통제하는 분자적 도구들, 즉 움직임을 만들어내는 단백질을 가지고 있다는 것. 덕분에 동물에게 꼭 필요한 근육이 형성되었고, 체세포분열이라 불리는 염색체들의 복잡한 춤이 벌어질 수 있었다.
이런 발달은 고등 동식물의 진화에 결정적 요인으로 작용했다. 이런 과정들 덕분에 진핵세포는 유전정보를 더 많이 지닐 수 있고, 다른 생물체를 먹을 수 있으며, 내부에서 목적 지향적인 방식으로 분자들을 이동시킬 수 있다. 이 단계를 겪지 않은 세균과 남조류(Blue-green algae, 남세균)[5]는 지금도 상대적으로 매우 단순한 형태에만 머무르고 있다.[6]
한가지 기억해야 할 사실은 20세기 이후 발전한 분자생물학은 원핵생물과 진핵생물의 세포가 구조식상 거의 차이가 없다는 것을 밝혀냈다. 즉 지구상의 생명은 박테리아에서 인류에 이르기까지 기본 메커니즘과 구성 요소가 거의 같다는 사실이 증명된 것. 모든 생명은 그 환경에 적합한 형태로 또는 환경을 선택해 현재형으로 존재한다. 고등도 없고 하등도 없다는 뜻이다.[7] 리처드 도킨스는 그의 저서 《조상 이야기》에서 이렇게 얘기했다.
당신들을 이루는 세포들 자체가 우리 세균들이 10억 년 전에 발견한
낡은 기술들을 똑같이 재현하는 세균 군체들이다
라고.
원핵세포(좌)와 진핵세포(우) [이미지 출처: howstuffworks.com]산소 농도가 대기의 20%에 도달한 6억 년 전에 비로소 다세포 생명체로 진화했다. 혼자서는 살 수 없다는 것을 깨달은 단세포 생명체가 서로를 향해 손길을 내민 것. 기나긴 생명체의 러브 스토리가 시작된 순간이다. 이와 흡사하게 정자와 난자 역시 혼자 살 수 없다. 이 둘은 견우와 직녀처럼 만나게 된다. 본질적으로 유전자를 전달하기 위한 수단으로 고안된 정자세포는 오직 정보만을 담고 있다. 그러므로 모태의 난자 속에서 정자는 물질과 융합하는 파동과 대등한 작용을 한다.
우주의 놀라운 자기 닮음(Self-Similar)[8] 패턴의 통합망 속에서 다시금 생명이 창조되는 것이다. 한마디로 정보와 물질로부터 새로운 생명이 출현한다. 이것은 아무리 연구해도 난자와 정자를 서로 별개의 존재로 보면 예측해낼 수 없는 일이다.[9](양자역학의 상보성 원리와 음과 양이 대립하지 않고 하나임을 떠올려보라). 서로가 서로에게 손길을 내미는 과정에서 감각세포와 운동세포를 연결해주는 신경세포가 출현하게 된다. 세포 간 원활한 소통을 위해 신경세포의 조절작용이 통합 발달하면서 중추신경으로 진화했다.
생명 역사에서 참으로 위대한 사건 중 하나가 우리 몸에 극적으로 기록되어 있다. 이는 우리가 단세포 생물이 아니기 때문에 가능한 일이다. 우리는 수십조 개 세포의 조합이며, 여러 종류의 특화된 세포들은 복잡한 방법으로 협력하여 우리가 살아갈 수 있도록 해준다.
– 월터 앨버레즈(Walter Alvarez)의《이 모든 것을 만든 기막힌 우연들》중에서[10]
생명 진화의 빅뱅 | 캄브리아기 대폭발
생명 진화의 역사에서 다시 한번 극적인 장면이 연출된다. 지금으로부터 약 5억 4,200만 년~약 4억 8,800만 년 전까지 (진화론적 관점에서 볼 때 비교적 짧은 시간인) 약 5,400만 년 동안, ‘진화의 빅뱅’이라 불리는 ‘캄브리아기 대폭발Cambrian Explosion’이 일어난 것. 캄브리아기 전까지 3문 밖에 없던 생물이 캄브리아기에 들어와서는 현재와 같은 38문이 나타났던 것. 다시 말해 다세포 생물이 우후죽순처럼 등장하여 오늘날과 비슷한 동물의 조상이 거의 동시에 나타난 대사건을 말한다.
그러나 이를 제대로 설명할 수 없다고 해서 ‘다윈의 잃어버린 세계’라고 표현하며 책으로 출판되기도 했다. 이는 다양한 생물이 갑작스럽게 폭발적으로 빠르게 등장한 것이, 점진적인 진화를 말하는 진화론보다 신의 개입으로 하루아침에 만들어지는 창조론의 설명에 더 들어맞는 것처럼 보이기 때문이었다. 많은 연구자가 이 시기에 지구 환경의 큰 변화가 있었다는 사실을 밝혀내려 했지만, 여전히 수수께끼다.
여러 가설 중 캄브리아기 대폭발은 산소 증가가 촉발한 것으로 여겨져 왔다. 하지만 산소 증가는 결과물일 뿐 이를 가져온 진짜 원인은 지각판 변동에 있었다는 새로운 연구결과가 2019년에 나왔다.[11] 앞서 <[운동 안내서]모든 것은 운동한다>편에서 판 구조론으로 통하는 대륙 이동설에 관해 이야기한 것을 기억해보라. 빅뱅은 대폭발과 팽창이라는 움직임에 의해 일어났다고 했다. 생명 역사의 빅뱅은 여러 가설 중 대륙의 움직임으로 인해 일어난 것이라는 연구가 더 설득력 있게 다가온다. 지금도 대륙의 독자적인 수평 운동이 지표 위에서 상시로 벌어지고 있다.
5억 4천만 년 전에 일어난 생명 진화의 빅뱅인 '캄브리아기 대폭발'. 다양한 생명이 출현했던 이유가 최근 지각판 이동 때문이었다는 연구 결과가 나왔다. [이미지 출처: 구글]생명이 탄생하고 나서 30억 년 이상 흐르는 동안, 생활의 무대는 물속으로 한정되어 있었다. 그러나 약 4억 년 전, 우리의 까마득한 선조가 바다에서 육지로 진출하기 시작했다. 4개의 손발로 대표되는 육상동물의 다양한 특징은 그 진화 과정에서 획득한 것이다. 척추 안에 척수 즉, 뇌와 연결된 중추신경을 가진 척추동물이 등장한 것은 최소 3억 년 전의 일이다. 고생대를 거치며 동물이 바다에서 육지로 올라와 뼈와 껍데기 같은 단단한 부분이 발달하게 되었으며, 중생대를 거치며 육지 위에서 파충류, 조류, 양서류, 포유류 등이 나타났다.
이후 6,600만 년 전 유카탄 반도에서 있었던 거대한 운석 충돌이 심각한 환경 변화를 일으켰다. 이로 인해 공룡이 멸종하면서 포유류에게 왕좌를 내주게 되었고 영장류, 즉 인간의 조상이 진화할 수 있게 되었다. 대멸종(Mass Extinction)이 진화를 가속하는 역할을 한 셈이다. 지구 탄생으로부터 지금까지 다섯 번의 생명체 대멸종이 있었고, 6,600만 년 전에 지구에 살았던 동식물종의 절반 정도가 이때 사라졌다.
이 대멸종은 지구에서 생명 역사를 중단시킨 다섯 차례 멸종 중 가장 최근에 일어난 것이다. 한편 현생 인류인 호모 사피엔스(Homo Sapiens)가 등장한 것은 20만 년 전의 일이다. 기록된 인류의 역사는 약 5천 년 정도에 지나지 않는다. 그리고 지금 지구에서는 인류세(Anthropocene)[12]라 불리는 여섯 번째 대멸종이 우리 인간종에 의해 자행되고 있으며, 그 시계가 점점 빨라지고 있다는 사실을 자각해야 한다.
46억 년 전 지구가 탄생하고, 지구 위 생명은 무려 40억 년이라는 긴긴 시간을 통해 진화해왔다. 도킨스의 말처럼 “생명은 하나의 주제에 대한 다양한 변주곡”일 수밖에 없는 이유가 태초의 빅뱅이라는 움직임으로 시작해 138억 년이라는 헤아릴 수 없는 긴 시간을 통해 생명 탄생과 진화가 이어져왔기 때문이다. 그리고 그 시작은 바로 ‘대폭발이라는 움직임’이 있었다는 사실이다. 모든 것의 시작은 바로 움직임에 있다는 것을 기억해야 한다.
원문: [운동 안내서] 초신성의 작품들 | 생명 탄생의 신비와 진화의 빅뱅
■ 다음 연재 글: <운동 안내서>는 매주 1회 업데이트됩니다.
[1부 – 안내서에 대한 안내서: 움직인다는 것] 1장. 움직인다는 것_태초에 움직임이 있었으니
움직임과 몸의 탄생
• 슈뢰딩거의 질문
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참고 문헌
[1] p17, 전자책, 스티븐 호킹의《호킹의 빅 퀘스천에 대한 간결한 대답》중에서
[2] p182, 전자책, 마커스 드 사토이의《우리가 절대 알 수 없는 것들에 대해: 인간의 의식에서 우주까지, 과학지식의 한계는 어디까지인가》중에서
[3] 저자 주: 수학의 ‘영점’이란 뜻의 제로 포인트는 한쪽 속성과 다른 한쪽 속성의 사이를 채워주는 ‘사이 공간’을 의미하기도 한다. 생명이 존재하지 않던 시간과 생명이 탄생한 순간의 시간이 만나는 중간점이라고 이해하면 된다.
[4] p11, 전자책, 사라시나 이사오의《폭발적 진화》중에서
[5] 저자 주: 세포내에 핵 또는 색소체를 갖지 않고 여러 부류의 조류 가운데 가장 하등한 조류. 광합성을 하며 남색세균으로도 불린다.
[6] p64, 전자책, 프랜시스 크릭의《생명 그 자체: 40억년 전 어느 날의 우연》중에서
[7] p23, 전자책, 모리 다쓰야의《이상하고 거대한 뜻밖의 질문들》중에서
[8] 저자 주: 수학에서 자기 유사성(self similarity), 즉 자기 닮음은 부분을 확대할 때 자신을 포함한 전체와 닮은 모습을 보여주는 성질이다. 프랙탈(Fractal) 구조가 이에 해당한다.
[9] p142, 브루스 H. 립튼 & 스티브 베어맨의《자발적 진화》중에서
[10] p78, 전자책, 월터 앨버레즈의《이 모든 것을 만든 기막힌 우연들: 우주, 지구, 생명, 인류에 관한 빅 히스토리》중에서
[11] <Plate tectonics may have driven “Cambrian Explosion”, study shows> 영국 엑시터대학 지구시스템연구소의 팀 렌튼 교수 연구팀, 2019.7.19
[12] 저자 주: 질소산화물의 성층권 오존층 파괴에 관한 연구로 노벨화학상을 받은 파울 크뤼첸(Paul J. Crutzen)이 처음 사용했다. 인류를 뜻하는 ‘anthropos’와 시대를 뜻하는 ‘cene’의 합성어로, 인류로 인해 빚어진 지질시대라는 의미다.
By 푸샵 이종구: <남자들의 몸 만들기, 2004> 저자
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