1 시아노박테리아가 바다 부유물과 엉긴 후 암석화된 스트로마톨라이트 화석(곡괭이 오른쪽 부분).
2 샤크만의 카블라 포인트 인근 해안. 시아노박테리아가 살고 있는 스트로마톨라이트를 관찰할 수 있다.
“꿈은 이루어진다!”라는 말이 아무 때나 적용되는 건 아니다. 필자는 10여 년 전 독일 유학 시절 옆집 꼬마의 꿈이 절대로 실현되지 못했을 것이라고 확신한다. 그 꼬마의 꿈은 ‘입에서 불을 내뿜으며 하늘을 나는 초록색 공룡’이 되는 것이었다. 그런데 우리는 과연 그 꿈이 실현되지 못했을 것이라고 단언할 수 있을까? 불을 내뿜는 파충류, 물속에서 숨 쉬는 포유류, 하늘을 날아다니는 물고기는 정말로 없을까? 지구의 물리학적·생물학적 조건이 어떠했기에 지구의 동물들이 지금처럼 진화했을까? 이런 질문에 대답을 하면서 생명에 미치는 지구의 조건을 추적하는 게 바로 자연사다.
많은 생물학자들은 자연사 연구를 위해 다양한 생물의 몸 설계의 기원, 즉 시간을 다루는 질문을 탐구한다. 스티븐 제이 굴드는 만약 진화의 시계를 거꾸로 돌려서 진화를 처음부터 다시 작동시킨다면 지구 생명체가 지금과는 다른 모습으로 되었을 것이라고 생각했다. 우주생물학이라는 새로운 학문 분야에선 우주에는 지구처럼 생명체가 살기에 좋은 공간이 무수히 많다고 전제한다. 우주생물학자들의 생각은 스티븐 제이 굴드와는 다르다. 예를 들어 케임브리지대학의 사이먼 콘웨이 모리스는 ‘조건이 같다면 같은 진화의 경로를 겪을 것이고, 지구와 비슷한 시간이 지났다면 지구에서와 비슷한 생명체들이 등장했을 것’이라고 주장한다.
이롭고도 해로운 산소의 두 얼굴
3 바다에 녹아 있는 철이 산소와 반응해 침전되면 철광이 된다. 이때 산소가 풍부하지 못하면 띠무늬가 있는 호상 철광층이 형성된다.
산소는 생물 체내에서 두 가지 필수 역할을 수행한다. 첫째는 당(糖)을 태워서 에너지를 만드는 것이다. 산소가 존재하면 포도당이 쪼개지고 여러 반응을 거쳐서 결국에는 ATP라는 생활에너지가 얻어진다. 산소 없이도 비슷한 반응이 일어날 수 있지만 이때 얻어지는 ATP 양은 훨씬 적다. 둘째는 생명의 기능을 수행하는 단백질 효소의 부품 역할을 하는 것이다. 효소 외에 스테롤, 지방산, 혈색소 등 200여 가지 물질도 산소가 없으면 완성되지 않는다. 따라서 산소가 적은 곳에서 적응한 일부 생명체가 있지만, 산소가 전혀 없는 곳에 사는 동물은 존재하지 않는다.
산소는 생명에 필수적이지만 동시에 독(毒)이며 노화·죽음의 주요 원인이기도 하다. 예를 들면, 철판에 산소가 결합하면 녹슨다. 멀쩡한 양초가 산소와 결합하면 불에 타서 사라진다. 세포도 마찬가지다. 반응성이 높은 형태의 산소 분자, 즉 활성산소는 세포의 생물 분자들을 손상시킨다. 물론 세포에는 방어 체계가 있지만 완벽하지 않다. 활성산소에 의한 손상은 서서히 축적돼 방어체계를 무력화시키고 몸은 점점 퇴화된다. 이는 노화와 죽음으로 이어진다.
생명의 지속가능성은 산소가 주는 이점을 최대한 이용하고 위협에 대처하면서 죽음을 맞기 전에 번식하는 능력에 달려 있다. 우리는 지금 살아있다. 이것은 우리가 진화를 거듭하면서 산소 환경에 적절히 적응해 온 생명체의 후손이라는 뜻이다. 후손이라면 무릇 선조를 찾아야 하는 법이다. 생명의 고향은 어디일까?
생명은 지금으로부터 최소한 38억 년 전에 생겼다. 최소한이라고 표현하기는 했지만 더 오래됐을 가능성은 극히 희박하다. 왜냐하면 46억 년 전 지구 형성 후 39억 년 전까지는 소행성과 혜성의 충돌이 끊이지 않았기 때문이다. 지구 형성 초기의 열에다 충돌로 발생한 열로 인해 물은 쉽게 증발돼 바다가 만들어질 수 없었다.
38억 년 전인가, 35억 년 전인가
탄소에는 가벼운 동위원소 12C(양성자 6, 중성자 6)와 무거운 동위원소 13C(양성자 6, 중성자 7)가 있다. 탄소의 경우 가벼운 동위원소가 무거운 동위원소보다 100배쯤 더 많은 게 정상이다. 12C는 가볍기 때문에 반응성이 더 좋다. 그래서 살아 있는 생명체에는 가벼운 12C가 정상보다 조금 더 많다. 그런데 이수아 퇴적암에는 12C가 정상보다 조금 더 많다. 이것은 이수아 지층이 형성될 무렵에 생명활동이 있었음을 말해주는 간접 증거다. 이걸 바탕으로 생명의 역사가 38억 년 되었을지도 모른다고 말하는 것이다.
자연사 연구자들은 탄소 동위원소의 간접증거 말고 직접적인 화석 증거를 원했다. 서호주 지질국의 마틴 반 크레넨동크 박사는 호주 서부 필바라 지역의 와라우나 층군에서 가장 오래된 생명의 흔적을 찾았다. 여기에는 모종의 미생물 세포와 탄산칼슘으로 형성된 것으로 추정되는 암석덩어리가 있는데, 형성 연대는 35억 년 전으로 판명되었다. 이 암석덩이는 ‘스트로마톨라이트’로 불렸다. 퀸즐랜드대학 연구진은 스트로마톨라이트 핵심부에서 채취한 표본을 전자현미경으로 분석한 끝에 ‘미생물의 흔적’이라는 결론을 내렸다. 그 미생물의 정체는 시아노박테리아다. 아마도 필바라 지역은 지구 최초의 생명체가 탄생한 곳일지도 모른다(사진 1-스트로마톨라이트).
지금도 필바라 지역의 얕은 바다 샤크베이에는 시아노박테리아가 낮에는 광합성을 하면서 물속의 부유물과 뭉치다, 수명을 다하면 스트로마톨라이트를 성장시키는 장면을 목격할 수 있다. 두 곳의 관찰지가 있는데 하나는 일반인에게 공개된 해멀린 풀이며 다른 한 곳은 연구 목적으로 과학자들에게만 공개되는 카블라 포인트다. 서대문 자연사박물관 우주생물학 탐사팀은 지난 9월 필바라 일대를 탐사할 때 카블라 포인트를 방문하여 스노클링을 하면서 살아있는 시아노박테리아가 산소를 발생시키고 스트로마톨라이트가 성장하는 모습을 목격하였다. 마치 35억 년 전 바닷속을 들여다보는 느낌이었다(사진 2-카블라 포인트).
생명의 역사를 1년으로 환산하면
탄소 동위원소에 따른 생명의 흔적은 확실하지는 않지만 약 38억 년 전에 시작됐고 가장 오래된 스트로마톨라이트는 35억 년의 것이다. 평균하여 약 36억5000만 년 전에는 생명이 발생했다고 생각하자. 우리가 직관적으로 이해하기에는 너무나 긴 시간이지만 1000만 년으로 이것을 나누면 몫이 365가 된다. 즉 생명의 역사 1000만 년을 하루로 축소하면 딱 1년 365일짜리 달력을 만들 수 있는 셈이다. 지금부터 우리는 생명의 역사를 1년, 365일로 생각하고 이야기하자.
1월 1일 0시에 운석이나 혜성을 타고 우주에서 왔든, 뜨거운 열수공에서 등장했든 어쨌든 간에 바다에 생명이 등장했다. 이 생명체는 느리게 진화하면서 보름을 보냈다. 1월 15일 시아노박테리아가 등장하여 광합성을 하면서 산소를 조금씩 바다에 내보내기 시작했다. 4월까지 발생한 산소는 바다에 녹아 있거나 암석에서 노출된 철(Fe)을 산화시키는 데 소모되었다. 하지만 산소량은 그리 많지 않았다. 이것은 이때까지 적철광 같은 산화된 철 광물이 풍부한 퇴적층이 형성되지 않고, 대신 부분적으로만 산화된 여러 종류의 철로 이루어진 호상(縞狀) 철광층 계통이 보이는 것으로 알 수 있다(사진 3-호상철광층). 그래서 4월까지는 대기에 산소가 거의 없었다.
5월이 되자 시아노박테리아의 산소 발생량이 급격히 늘어났다. 여기서 우리는 왜 생명은 광합성이라는 장치를 발명했을지 생각해 봐야 한다. 자외선으로 물이 분해되면서 발생하는 활성산소에 대응하려면 위협적인 활성산소로 산소 기체를 만들어 노폐물로 방출하는 장치가 필요해 광합성을 발명했을지도 모른다.
7월이 되자 유전자 정보를 핵막으로 둘러싸서 보호하는 진핵생물이 등장했고, 8월에는 다세포 생물이 나타났다. 다세포 생물은 광합성으로 산소 농도가 점점 높아지자 이에 공동 대응하기 위해 떼를 지어 모인 세포들이 진화해서 생겼을 것이다. 8월까지의 진화는 지루하도록 늦었다. 생명이 생기고 24억 년이 지났지만 첫 번째 생명체와 큰 차이가 없었다. 이것은 끊임없는 자기복제의 결과다.
9월이 되자 비로소 진화에 속도가 붙기 시작했다. 마침내 암컷과 수컷이라는 양성이 발명되었기 때문이다. 이제는 번식을 하려면 암·수컷의 유전자가 조합해야 했다. 변이가 발생할 확률이 급속히 높아진 것이다. 10월 무렵엔 엄청난 종류의 생명체들이 바닷속에 살았을 것이다. 하지만 이때까지, 즉 지구에 생명이 등장한 지 30억 년이 지났을 때까지의 생명체는 현재 남아 있지 않다. 그들의 수가 적었기 때문이 아니다. 그들은 단단한 껍질이 없었기 때문에 화석으로 남기 어렵고, 설사 화석으로 남았더라도 여전히 너무 작았기 때문에 우리가 발견할 수 없는 것이다.
생명 최초의 역사 30억 년은 지루한 시간이었다. 아직 삼엽충이나 암모나이트는 등장하지도 않았으니 불을 내뿜는 파충류, 물속에서 숨 쉬는 포유류, 하늘을 날아다니는 물고기가 없는 이유를 속 시원하게 알려줄 리가 만무하다. 하지만 이 시간은 생명의 도약을 준비하는 험난한 시간이었다. 이제야 비로소 생명의 빅뱅이라고 할 대사건을 일으킬 준비가 끝났다.
이정모 연세대 생화학과와 동 대학원을 졸업했다. 독일 본 대학교에서 공부했으나 박사는 아니다. 안양대 교양학부 교수 역임. 『달력과 권력』『바이블 사이언스』 등을 썼다.
이정모 서대문자연사박물관장