글로벌 세계 대백과사전/생물II·식물·관찰/생명과 물질/생명과 기원/원시 생물의 탄생

우주 먼지에서 지구가 생성되었을 당시 지구상에는 생명이 존재하지 않았을 것이라고 생각된다. 그런 지구에 어떻게 해서 생물이 탄생한 것일까.

생명의 기원을 탐구하는 방법에는 두 가지가 있다. 하나는 고생대의 지층이나 암석에 남은 화석을 찾는 방법이다. 고생대 지층에서는 여러 가지 생물의 화석이 발견되고 있는데 그 이전, 즉 6억년 이상 이전의 선캄브리아대라고 불리는 지층에까지 거슬러올라가 보면 화석이 갑자기 모습을 감추어 생물에 대해서는 암흑 시대라고 불리는 시기가 있다.

그러나 최근에는 현미경이 아니면 보이지 않는 미세한 생물 화석이 10억년, 20억년, 그리고 30억년 이상 이전의 암석(케츠석)에서 발견되고 있다. 이를 미(微)화석이라 한다. 그 대부분은 현재 세균이나 남조류(藍藻類)로 분류된 것과 유사하다.

이와 같이 원시적인 형태의 세포를 가진 생물(원핵 생물)이 적어도 35억년 이전에 존재하고 있었다는 것이 밝혀졌다. 최근에는 약 38억년 전의 화석이 북극 부근에서 발견되었다. 만약 그것이 가장 오래된 지표 암석이라고 하면 지구의 탄생이 약 45억년 전이므로 생명 기원의 암흑 시대는 7-8억년간 정도로 단축될 것이다.

세균이나 원생 동물 같은 아주 단순해 보이는 세포들조차 매우 복잡한 구조를 갖고 있으며, 무기 화합물에서 간단히 자연 발생할 리는 없다. 어떤 성질을 가진 구조가 가능하면 더욱 원시적인 생물이라고 부를 수 있을지 원시 생물에 관한 구체적인 것에 대해서는 아직 일치된 견해는 없다. 그런 점에서 암흑 시대는 말하자면 가설의 시대라고 해도 좋을 것이다.

생명의 기원을 연구하는 또 한 가지 방법은 가설을 세워 그것을 실험으로 확인해가는 것이다. 현재의 가설은 오랜 옛날의 지구에는 지금의 지구와는 달리 생명이 탄생하는 특수한 환경 조건이 존재하고 있었을 것이라고 추측하고, 그것이 어떤 것이었나에서 출발한다.

러시아의 오파린은 만약 원시 지구상에 다량의 유기 화합물이 존재했다면 그것들이 점차 복잡한 구조를 만들어낼 수 있도록 반응하고, 결국에는 원시 생물이라고 부를 수 있는 구조를 갖게 되었을 것이라고 생각하였다. 오파린의 이러한 생각은 현재의 생명 기원설의 기초가 되고 있다.

생명 기원설과 진화

현재 생명의 기원에 관한 가설의 기초에는 생물은 환경에 의해 변천해간다는 다윈 이후의 진화라는 견해가 있다. 오파린이 다량으로 존재하고 있었다고 추정하는 유기 화합물은 현재는 생물만이 만들 수 있는 물질이다. 이들이 자연 상태로 무기 화합물에서 만들어지는 과정을 화학 진화라고 부르는데, 이것도 진화의 일부이다.

화학 진화를 포함하여 원시 생물이 탄생하기까지의 진화와 원시 생물에서 현재의 생물에 이르기까지의 생물 진화 사이에는 환경의 변화에 적응하거나 선택을 받아 멸종하거나 하는 공통점이 있다. 그러나 다음과 같은 다른 점도 있다.

생물에는 화석에 의해서만 존재를 증명할 수 있는 절멸종을 포함하여 다종 다양한 것이 있다. 생물 진화는 그들 모두가 공통된 조상형에 이르는 것을 예상할 수 있다.

바꾸어 말하면 지구상의 생물은 어떤 원시 생물을 근원으로 하여 그 나무에 난 가지처럼 갈라져나와 발전한 것이라고 생각할 수 있다.

이와 같이 하여 생물의 형태나 생활 양식은 다양하게 되어 있는데, 물질의 수준으로 보면 기본적으로는 공통점이 많다. 예를 들어 생활 에너지를 조달하여 이용하는 구조라든가 자손에 조상의 형태나 성질을 전하는 유전자의 정보 전달 구조 등이 그것이다. 이것이 생물 진화에서 원시 생물의 존재를 가정하는 유력한 증거의 하나이다. 이같이 화학적 제일성(齊一性)에서 다양성으로 나아가는 것이 생물 진화의 특징이다.

이와는 반대로 화학 진화와 그것이 좀더 원시 생물로 향하는 과정은 다양성에서 제일성으로 향하는 것이 특징이다. 무기 화합물에서 유기 화합물을 생성하는 데 필요한 에너지는 자외선, 지열(地熱), 방사선 등일 것이다. 또 생성된 물질에는 생물과 무관한 것이 많이 있었음이 분명하다. 이들 유기 화합물에서 점차 결합하기 쉬운 조합이 생겨 생명의 골격이 되는 구조나 작용이 나타났다.

그러나 그것이 능률적인 것으로 바뀌어 생물체로서 정리된 계층 구조가 완성되기까지는 여러 가지 생명체로의 과정을 생각할 수 있다.

따라서 생물 진화와 화학 진화의 또 한 가지 차이점은 생물 진화가 지구상의 생물 진화임에 비해 화학 진화는 지구에서만 일어난다고 한정할 수 없다는 것이다. 최근의 운석을 분석해 보아도 화학 진화가 다른 천체에서도 일어난다는 것이 분명하다고 할 수 있다.

유기 화합물

생물체를 구성하는 주요 물질은 물·당질(탄수화물)·지질·아데노신 인산·단백질·핵산의 여섯 종류에 지나지 않는다. 또 그들의 구성 원소도 수소(H)·산소(O)·탄소(C)·질소(N)·황산(S)·인(P)의 여섯 가지이다. 물은 다른 물질을 녹인다는 점에서 가장 뛰어난 용매로, 물질이나 열을 운반하는 역할을 한다. 또한 단백질 등 다른 물질과 결합하여 직접 그 구조에 참가하여 분자의 형태나 상태를 유지한다.

당질과 지질은 둘다 생명 활동의 에너지원이 되는데, 물에 녹기 쉬운 당은 빨리 이용되고 물에 잘 안 녹는 지질은 에너지 저장에 도움을 준다. 또 당질과 지질도 단백질과 결합하여 세포 구조의 성분이 된다.

아데노신 인산은 당이나 지방 에너지를 받아 이것을 세포 내의 필요한 활동 부위로 전하는 화학 반응에 관계한다. 단백질과 핵산은 가장 기본적인 생명 물질이다. 세포의 모든 구조는 단백질로 이루어지며, 또 여러 가지 화학 반응을 촉진하거나 조절하는 효소(촉매의 일종)의 주성분도 단백질이다. 핵산은 이 단백질과 밀접한 관계가 있는 물질이다.

단백질은 많은 아미노산이 결합되어 만들어진 큰 분자(고분자 화합물)이다. 아미노산에는 약 20종이 있으며, 그 아미노산의 결합과 배열 순서에 따라 작용이 달라진다. 핵산도 염기·당·인산으로 이루어진 뉴클레오티드라는 단위 화합물이 사슬 모양으로 결합되어 만들어진 고분자 화합물이다. 염기에는 다섯 종류가 있는데, DNA(디옥시리보 핵산)·RNA(리보 핵산) 모두 네 종류의 염기 배열 순서에 의해 아미노산의 배열이 지시되고 단백질 구성이 결정된다.

이들 여섯 가지 주요 물질 중 물 이외의 다섯 종류의 공통 원소는 탄소로서, 이 다섯 가지 탄소 화합물이 주된 유기 화합물이다.

지금과 옛날의 대기 성분

현재 지구에서는 유기 화합물을 만드는 6원소 중 O와 N은 O2(산소 분자), N2(질소 분자) 형태로, H와 C는 H2O(수증기), CO2(이산화탄소) 형태로 대기중에 함유되어 있다. 그러나 오랜 옛날의 지구에서는 대기 성분이 지금과는 완전히 달랐다. 오파린과 홀덴, 과거에는 케네 등에 의하면 O2가 존재하지 않았던 것이 그 특징이 되고 있다. 케네 이후 O2는 식물의 광합성에 의해 생긴 것이라고 추정된다. 이것은 생물의 작용에 의해 환경이 변화한 한 예이다.

원시 대기에는 H가 H2, N은 H가 결합된 NH3(암모니아), C와 H가 모두 결합된 CH4(메탄)이었다고 오파린은 상상하였다. O는 H와 결합된 H2O뿐이라고 하지만 다음과 같이 생각하는 학자도 있다. 생물의 작용(광합성)이 없어도 자외선에 의해 H2O가 분해되어 O2가 발생하기 때문에 탄소는 CO2나 CO로도 존재한다. 그리고 이것이 CH4보다 많았을 것이라고 생각한다.

여기서 수소와 산소의 존재 상테에 대해 H2, H2O, O2

관계만을 생각해 보자. H가 결합되는 것을 환원, O가 결합되는 것을 산화라고 정의하면 H2O는 산화와 환원이 중화된 상태이다. 만약 H2와 O2가 2：1로 결합된 H2O에서 H2와 O2가 여분으로 존재하지 않으면 산화와 환원 어느쪽의 화학 변화도 볼 수 없는 중화 상태이다. 그러나 H2O 외에 H2가 많으면 환원 상태, O2가 많으면 산화 상태라고 할 수 있다.

따라서 오파린의 학설에 의하면 현재 지구의 대기는 산화 상태이며, 원시 지구의 대기는 환원 상태였다고 할 수 있다. 그러나 당시의 대기가 극단적으로 환원 상태였다는 견해와 비교적 중화 상태에 가까웠다는 견해가 있다. 전자는 N은 NH3, 황산은 H2S(황화수소), C는 CH4가 많았다는 견해, 후자는 CO2와 N2이 많아 그다지 환원적이지 않았다는 견해이다.

원시 지구의 대기가 지금보다 환원 상태였다는 근거의 하나는 화산 활동에 의해 분출하는 대기가 H2O, NH3, H2S, CH4 및 다량의 CO2를 함유하는 것이다. 이들 화산 가스가 원시 대기를 만들었다고 한다. 또 하나의 근거는 선캄브리아 시대 초기에 다량의 환원 상태인 철(Fe2+)이 축적된 것이다. 철은 환원 상태에서 축적하면 2가의 철(Fe2+) 상태가 되고, 효소가 있으면 3가의 철(Fe3+) 상태가 되는 성질을 갖고 있다.

그러나 이러한 사실만으로는 원시 대기가 극단적으로 환원 상태였는지, 그렇지 않으면 중화 상태에 가까웠는지는 결정할 수 없다. 그것은 실험으로 확인해야 한다.

화학 진화

1953년에 미국의 밀러는 원시 대기 성분에서 유기 화합물이 생기는 것을 처음 실험적으로 증명했다. 이 실험 장치는 암모니아·메탄·수소의 혼합물을 수증기와 함께 계속 환원시키면서 에너지로서 전기 불꽃을 쬐게 만들어져 있다. 일주일 후에 관찰해보니 기체에는 일산화탄소·이산화탄소·질소 분자가 있고, 차게 하여 농축한 액체는 많은 유기 화합물이 함유되어 있었고, 짙은 색을 띠고 있었다.

이 액체에는 생물체에 흔히 볼 수 있는 알라닌 같은 아미노산도 함유되어 있었다.

전기 불꽃은 자연 상태에서는 공중 방전에 의한 번개에 해당한다. 또 원시 지구에는 유리(遊離) 상태의 효소가 없었기 때문에 거기에서 생성되는 오존(O3)도 존재하지 않았다. 그 때문에 현재의 지구처럼 자외선의 대부분이 오존층에 흡수되는 일 없이 풍부한 에너지를 가진 자외선이 지구 표면에까지 풍부하게 내리쬐였을 것이라고 상상할 수 있다.

오파린이나 밀러가 원시 대기라고 생각했던 혼합 기체에 자외선을 쬐기만 해도 아미노산과 여러 가지 유기 화합물이 생성된다.

또한 이산화탄소·일산화탄소·질소 및 수소로 이루어진 기체도 자외선이나 방전에 의해 에너지를 받으면 유기 화합물이 만들어진다. 그러나 이산화탄소·질소·물만이라든가 효소 분자를 포함한 기체에서는 아직 아미노산을 합성하는 것이 증명되지 않았다. 따라서 현재의 대기 성분에는 생명의 기원을 생각할 수 없다는 것, 화학 진화는 현재보다 환원적인 원시 대기로 행해지고 있었다는 것이 이들 실험으로 추정할 수 있다.

화학 진화의 과정은 방전이나 자외선을 가하는 것 외에 열로도 진행한다. 원시 지구에는 지금보다 방사성 원소가 많아 그 붕괴로 생기는 열 때문에 온도도 지금보다 높은 섭씨 80도 정도였을 것이다.

화학 진화의 특징은 아미노산이나 아데닌 같은 질소 화합물이 시안화수소(HCN)나 그 유사 물질을 재료로 만들어지며, 또 합성에 필요한 에너지 종류에는 관계가 없다는 점이다. 밀러는 시안화수소와 포름알데히드(HCHO)에 방전하면 아미노산의 글리신이 생긴다는 것을 관찰하였다. 또 오로는 포름알데히드가 없어도 시안화수소와 암모니아 수용액을 데우면 며칠 내에 아미노산과 아데닌이 생성된다는 것을 관찰하였다. 아데닌은 핵산 염기나 ATP(아데노신 3인산) 성분인데, 시토신이나 우라실 등 다른 핵산 염기도 N=C－라는 시안기(基)를 가진 화합물 시아노아세틸렌에서 만들어진다.

시안화수소는 일명 청산(靑酸)이라고도 하며, 생물에 유해한 호흡독이다. 이 같은 물질도, 포름알데히드 같은 알데히드 종류도 앞에서 말한 밀러의 실험에서는 아미노산이 만들어지기 전(前 )과정에서 만들어진다는 것이 밝혀졌다.

우주의 분자

최근에는 전파 분광학이 발달하여 지구에서 멀리 떨어진 우주의 물질이 어떤 것인지 쉽게 알 수 있게 되었다. 그 물질은 수소 분자나 일산화탄소 외에 물·암모니아·포름알데히드·시안화수소·시아노아세틸렌 등이 검출되고 있다. 이들은 아미노산· 당·핵산·염기 등 생명과 관계가 깊은 유기 화합물의 모체가 되는 분자이다.

또 지구에 날아오는 운석 중에도 핵산의 염기나 아미노산이 존재하는 것이 밝혀졌다. 따라서 화학 진화는 지구만이 아니라 우주의 다른 천체에서도 일어나는 것이며, 생명의 기원은 지구 외에서도 생각할 수 있다.

고분자 생성에서 세포까지

아미노산 같은 비교적 작은 분자에서 단백질 등의 고분자가 만들어진 과정, 그것이 나아가 세포로까지 발전한 과정은 완전히 베일에 가려져 있으며 상상의 범위를 넘지 못하고 있다.

화학 진화로 생성된 아미노산에는 분자의 입체 구조가 경상(鏡像) 관계에 있는 D형과 L형이 50%씩 존재한다. 그러나 생물체의 아미노산은 거의 모두 L형으로, 화학 반응에서 D형인지 L형인지를 고르는 것은 촉매로 작용하는 효소 단백질이다. 영국의 버날은 L－아미노산만을 흡착하여 이것을 상호 연결시키는 반응의 촉매로 작용하는 물질은 점토일 것이라고 생각하였다. 오늘날에는 여러 가지 점토의 촉매 작용이 연구되고 있으며, 포름알데히드에서 당을 만드는 반응이나 글리세린과 지방산으로 지방을 만드는 반응에서 촉매가 되는 것도 밝혀지고 있다. 또 인회석도 유기 화합물에서 고분자 화합물을 만드는 작용이 있다고 알려지고 있다.

물질의 농축은 비교적 높은 온도에서 물을 증발시켜도 일어난다. 미국의 폭스는 화산 활동으로 분출한 용암이 식을 때 아미노산이 농축하여 단백질이 생성된다는 가설을 주장하였다.

고분자 화합물은 물과 한결같이 섞여서 녹지 않고 분자끼리 모여 코아셀베이트라는 콜로이드 방울이 되는 성질이 있다. 코아셀베이트에는 많은 유기 화합물을 받아들이거나 흡착하는 성질이 있기 때문에 오파린은 이것이 원시적인 세포의 모델이 된다고 생각하였다.

원시 생물과 영양

광합성 식물은 가시광선을 흡수하여 그 에너지로 대기중의 이산화탄소와 땅속의 물로 당을 만든다. 그리고 다른 유기 화합물을 만들기 위한 재료나 에너지도 스스로 만든 당에서 얻는 독립 영양 생물이다.

식물이 생산한 이들 유기 화합물을 모든 영양원으로 하는 것이 동물 같은 종속 영양 생물이다. 이런 이유에서 생각하면 원시 생물은 광합성을 하는 독립 영양 생물이었다고 볼 수 있다. 또 옛날에는 그렇게 믿고 있었다.

그러나 광합성은 아주 복잡한 구조여서 원시적인 초기의 생물에는 생각할 수 없는 작용이다. 따라서 오늘날에는 오파린이 상상했듯이 원시 생물은 종속 영양 생물이고, 그것은 화학 진화에 의해 생성된 유기 화합물을 먹고 생활해나갔음이 틀림없다고 볼 수 있다.

이 원시 생물이 스스로 여러 가지 유기 화합물을 만들 수 있게 진화하여 광합성을 하는 독립 영양 생물이 출현하였다. 그리고 종속 영양 생물도 이것을 이용하게 되었을 것이다. 이리하여 광합성에 의해 산소가 많이 방출되자 대기의 성분도 점차 산화적인 상태로 되어간 것이라고 생각할 수 있다.