생명의 기원
-인류의 해묵은 궁금증-


지구상에 최초의 생명은 어디에서 어떻게 출현했는가. 생명의 기원만큼 과학자들에게 불가사의한 문제도 아마 없을 것이다. 수많은 학설이 제시되었으나 완벽한 이론은 아직 나오지 못하고 있다. 단지 생명이 지구상에 처음 출현한 시기에 대해 대부분 동의하고 있을 따름이다.

지구의 나이는 45억 년이다. 생명체는 적어도 35억 년 전에 지구상에 존재하였다. 그 증거는 두 개의 화석이다. 하나는 스트로마톨라이트(stromatolite)이다. 산호초 모양의 갈색 바위로서 35억 년 전에 번성했던 미생물 공동체의 퇴적물이다. 다른 하나는 남조류라 일컫는 현대의 시안박테리아(cyanobacteria)와 비슷한 원시 세균의 흔적이 발견된 화석이다.

현대과학은 생명의 출현 시기는 밝혀냈지만 그 기원에 대해서는 결론을 얻지 못하고 있다. 유사 이전부터 인류가 품어온 해묵은 궁금증의 하나인 생명의 기원은 크게 세 가지 각도에서 그 비밀의 열쇠를 찾고 있다. 신이 생명을 만들었다는 창조론, 저절로 생겨났다는 자연발생설, 그리고 외계에서 생명의 씨앗이 지구로 날아왔다는 지구외기원설이다.

창조론은 지역마다 신화나 전설 속에 다양한 형태로 나타났다. 대표적인 것은 [구약성서]의 창세기에 나오는 천지창조이다. 하나님이 바다에는 고기, 창공 아래에는 새들을 만들었노라는 대목이 기독교 창조론의 근거이다.

그러나 철학이 성립하게 되자 창조론을 대신하여 자연발생설이 나타났다. 예컨대, 고대 이집트 사람들은 개똥벌레는 불탄 삼나무 껍질의 불티에서, 이는 인간의 땀에서, 개구리나 악어는 나일강의 진흙벌에서 발생했다고 믿었다. 자연발생설은 고대 그리스철학에서 집대성되었다. 아리스토텔레스에 의하여 체계화된 고전적 자연발생설은 19세기에 이르기까지 2천 년 동안이나 유럽사회에 그대로 수용되었다. 뉴턴이나 데카르트까지 누구 하나 의문을 품지 않았다.

자연발생설은 19세기 중엽에 이르러 마침내 종지부를 찍게 되었다. 1862년 프랑스의 루이 파스퇴르(Louid Pasteur, 1822-1895)가 실험을 통해 하등의 미생물일지라도 저절로 발생하지 않음을 입증했기 때문이다. 그때부터 생명의 기원 문제는 오늘에 이르기까지 혼란상태에 빠지게 되었다.

자연발생설의 몰락을 계기로 대두된 것이 판스페르미아(Panspermia)이론이라 불리는 지구외기원설이다. 스웨덴의 스반테 아레니우스(Svante Arrhenius, 1859-1927)는 생명이 애초부터 지구에서 생겨난 것이 아니라 태양계의 다른 행성으로부터 지구로 날아온 박테리아 포자가 생명의 씨앗 역할을 했다고 주장하였다. 그로부터 지구 밖에서 생명의 기원을 찾는 각종 이론을 포괄적으로 포자범재설(汎在說)이라 부르게 되었다.



코아세르베이트 가설


판스페르미아 이론은 소련의 알렉산더 오파린(Alexander Oparin, 1894-1980)의 공격을 받는다. 그는 1923년에 발표한 저서에서 생명의 기원에 대한 기존의 관념론적이고 비과학적인 사고를 뒤엎는 이론을 제안하여 마침내 생명과학의 새벽을 열었다.

그는 원시 지구의 대기가 지금과 달리 산소가 없었으며 주로 메탄이나 암모니아 따위의 환원성 물질을 함유하였다고 전제하고, 이런 대기 안에서 태양의 자외선이나 벼락의 방전 영향으로 화학반응이 일어났기 때문에 생명체 구성의 필수요소인 유기화합물이 자발적으로 형성되었다고 주장했다.

그에 따르면 이러한 유기화합물에는 아미노산이 포함되어 있었다. 아미노산은 단백질을 구성하는 기본물질이다. 아미논산은 바다에 녹아 점차 축적되면서 상호반응하여 보다 큰 분자로 성장하였다. 따라서 아미노산에서 단백질 비슷한 물질이 생성되었다. 다양한 원시단백질은 처음에는 바다 속에 혼합된 상태로 있었으나 서로 모여 물 속을 헤엄치고 멍울, 즉 액적(液滴) 모양이 되었다. 이와 같이 용액에서 된 액적을 코아세르베이트(coacervate)라 이른다. 초기의 코아세르베이트는 단순한 구조였지만 자발적인 반응을 반복하는 가운데 점차 복잡한 물질이 되어 마침내 원시적인 최초의 생명에 이르게 되었다.

오파린의 이론에서처럼 원시지구 위에서 단순한 물질로부터 최초의 세포가 발생되는 과정은 그 이후의 생물진화와 구별하기 위하여 화학진화라 부른다. 화학진화에 의하여 진화개념이 생명의 발생 이전으로 확장된 것이다.



무기물에서 생명합성


새로운 자연발생설인 코아세르베이트 가설은 매우 혁신적인 것이었다. 20세기 초만 해도 생명의 자연발생을 부정한 파스퇴르의 입김이 생물학자들의 사고를 지배하고 있었기 때문이다. 더욱이 성서의 창조론에 대한 유일한 대안으로 인정되었기 때문에 이 가설은 1930년대와 1940년대에 걸쳐 폭넓은 인기와 지지를 누렸다. 그럼에도 불구하고 그의 이론에 대한 실험적 확인이 지연된 것은 놀라운 일이다. 그의 학설을 뒷받침하는 실험이 처음으로 시도된 것은 1953년이다.

이 해에는 생명의 기원에 관한 연구에 결정적 영향을 미친 두 가지 사건이 발생했다. 하나는 유전자의 본체인 디옥시리보핵산(DNA) 분자의 이중나선구조의 발견이다.

미국의 제임스 왓슨(James Watson, 당시 25살)과 영국의 프란시스 크릭(Francis Crick, 37살)에 의하여 DNA 분자구조의 비밀이 밝혀짐에 따라 분자생물학이 급속도로 발달되었다. 분자 생물학에서는 유전정보가 DNA로부터 단백질로 흐르는 것을 중심명제(central dogma)로 삼고 있다. 다시 말해서 DNA가 가진 유전정보에 의하여 단백질이 합성된다. 생명이 어떻게 시작되었는가를 밝혀내려면 우선 생물체가 동작하는 방식에 대한 이해가 필요하기 때문에 DNA 분자구조 발견은 생명의 기원 연구에 결정적인 돌파구를 열어주었다.

다른 하나는 밀러-유레이 실험이다. 시카고 대학의 스탠리 밀러(Stanley Miller)와 해롤드 유레이(Harold Urey)는 오파린의 이론을 확인하는 실험을 처음으로 시도하였다. 유레이 교수는 이미 노벨상을 수상(1934년)한 저명한 화학자였지만 그의 제자인 밀러는 23살의 대학원생이었다.

밀러는 실험실에서 원시지구의 자연상태를 흉내냈다. 플라스크 안에 원시대기의 주성분인 메탄, 암모니아, 수증기 몇 리터와 원시대양인 약간의 물을 넣은 다음에 화산폭발이나 번개를 인공적으로 모방한 셈인 전기방전을 일으켰다. 그리고 일주일 뒤에 플라스크 안에서 본래 집어넣었던 것들보다 훨씬 복잡한 분자를 가진 엷은 갈색 국물을 발견했다. 그 국물 속에는 놀랍게도 아미노산을 비롯한 여러 종류의 유기물질이 들어 있었다. 말하자면 생명이 원시국물의 간단한 화학반응으로부터 출현하였음을 보여준 것이다.

무기물질로부터 처음으로 생명을 합성해냄에 따라 밀러-유레이 실험은 대대적으로 보도되어 온 세상을 떠들썩하게 만들었을 뿐만 아니라 생명의 기원에 관한 연구에서 가장 과학적인 국면의 효시가 되었다. 과학자들은 골치를 썩인 최대의 수수께끼가 한번의 간단한 실험으로 사실상 해결된 것으로 행각하기에 이르렀다.



닭과 달걀 논쟁


밀러의 실험이 계기가 되어 오늘날까지 원시지구의 상태에서 단백질과 핵산이 합성되는 것을 보여주는 실험이 잇달았다. 그 결과로 생명의 기원에 관한 닭과 달걀의 문제가 뜨거운 논쟁을 불러 일으켰다. 분자생물학의 중심명제는 핵산(닭)에 의하여 단백질(달걀)이 합성되는 것으로 설명한다. 그런데 미국의 시드니 폭스(Sidney Fox)가 이 중심명제에 도전하는 이론을 내놓은 것이다. 그는 실험을 통해 단백질이 핵산보다 먼저 생겼다는 주장을 했으나 많은 과학자들의 지지를 받지 못했다.

한편 미국의 아더 콘버그(Arthur Kornberg)에 의하여 1956년 어버이 세포의 DNA 사슬이 주형이 되어 자손 세포의 DNA 사슬이 합성될 때 효소(촉매단백질)의 도움을 받고 있음이 발견되었다. 요컨대 DNA(닭)는 단백질(달걀)의 도움 없이 그 기능을 발휘할 수 없다.

단백질은 DNA 없이 생길 수 없다. DNA 또한 단백질 없이 생길 수 없다. 그렇다면 어느 것이 먼저 생겼는가. 단백질인가 DNA인가. 이러한 닭과 달걀의 문제는 1980년대 초에 미국의 토마스 체크(Thomas Cech)와 시드니 알트만(Sidney Altman)에 의하여 그 해답이 나온 것처럼 보였다.

그들은 단백질 합성시에 DNA의 보조역할을 하는 리보핵산(RNA)이 효소의 도움없이 그 자신을 복제할 수 있음을 보여주었기 때문이다. RNA가 닭과 달걀의 역할을 모두 한 셈이다. 두 사람은 RNA의 촉매적 특성을 발견한 공로로 1989년 노벨상을 받았다. 그들의 발견은 곧바로 생명의 기원 연구진들로부터 환영을 받았다. 따라서 일부 학자들은 최초의 유기체가 RNA로 구성되었다는 결론을 내렸다. 그러나 최근에는 RNA가 원시지구에서 생명이 생겨날 때 있음직한 조건에서 합성되기 어렵다고 보는 학자들로부터 심각한 도전을 받고 있다.



자기복제 가능한 RNA


현재 가장 유행하고 광범위한 지지를 받고 있는 초주기(hypercycle) 이론은 애당초 닭과 달걀의 문제를 비껴가고 있다. 1967년 노벨상을 받은 독일의 만프레드 아이겐(Manfred Eigen)은 1971년 천재의 일격이라 부를 만한 모델을 내놓았다. 그는 자기촉매로 작용하는 요소들이 서로 연결되어 있는 닫힌 고리를 제안하고 초주기라 명명했다. 그가 초주기의 한 예로 든 것은 RNA이다.

초주기에 참여하는 RNA 분자는 제각기 그 자체의 자기증식을 위한 정보와 아울러 효소단백질의 생산을 위한 정보를 지니고 있으며, 단백질 분자는 그 다음의 RNA 분자 형성을 위한 촉매로 작용한다. 요컨대 초주기는 정보운반체인 RNA 분자와 우수한 촉매인 단백질의 능력이 합쳐져서 자기증식이 가능하게 된 폐쇄 고리이다.

아이겐은 실험을 통해 초주기에 의해서 살아 있는 생명체의 존재 없이도 스스로 복제가 가능한 RNA 분자를 합성해 냄으로써 무생물에서 생명이 자동적으로 발생한다는 사실을 보여주었다. 초주기는 닫힌 고리이므로 출발점이 달리 없기 때문에 생명의 기원에서 핵산과 단백질의 발생 순서를 따지는 닭과 달걀의 선후 문제를 근본적으로 해결하였다.

초주기 이론은 오늘날 가장 인기 있는 이론이지만 비판이 없지 않다. 영국의 프레드 호일(Fred Hoyle)은 초주기 이론처럼 생명체가 탄생할 수 있는 가능성은 고물수집장을 몰아치는 회오리 바람에 의하여 보잉 707기가 우연히 조립될 수 있는 확률보다 더 적다고 공박하고 있다.



생명의 요람을 찾아서


생명의 기원에서 논란의 대상이 되는 또 하나의 문제는 생명이 생겨난 장소이다. 생명의 요람에 대해서는 오파린이 제안한 바다 원시국물 같은 흙탕물 웅덩이보다 고체의 표면이 더욱 타당하다는 이론이 역시 지지를 받고 있다. 점토이론과 열수분출구 가설이 유명하다.

1966년 영국의 케언스-스미스(A. G. Cairns-Smith)가 제안한 점토이론에서는 유전자점령(genetic takeover)이라는 아이디어가 뼈대를 이루고 있다. 점토는 지구의 어디에나 있다. 최초의 생명체에 있어 중요한 것은 그것이 진화할 수 있어야 된다. 이를 위해서 유전자가 반드시 필요하다. 최초의 유전자는 원시지구의 화학적 조건에서 쉽게 생산될 수 있고 단순한 물질이어야 한다. 아주 흔해 바진 점토 속에 포함되어 있는 결정체는 그 화학적 특성에 따라 유전자 역할을 할 수 있다. 따라서 점토가 원시적 유전자 기능을 가진 최초의 생명체 물질 역할을 했다. 그러나 핵산은 매우 만들기 어렵기 때문에 진화에 있어서 비교적 뒤늦게 나타났다. 이런 전제 아래 케언스-스미스는 저급기술의 유전자(점토)로부터 점차적으로 고급기술의 유전자(핵산)로 진화되면서 유전자 인계 현상이 나타나 점토와는 전혀 다른 유전물질을 지닌 생명체가 탄생하였다고 주장하였다.

한편 열수분출구 가설은 최근에 바다 밑바닥에서 발견되기 시작한 열수분출구, 즉 해저 온천이 물질에 생명을 주는 데 필요한 에너지와 영양을 안정적으로 공급할 수 있는 장소임을 강조하고 있다. 이 중에서 가장 최근에 독일의 변리사인 권터 뵈흐터즈호이저(Günter Wächterhäuser)가 내놓은 이론이 가장 유별나고 그럴 법한 것으로 평가되고 있다. 그는 열수분출구의 황철광 표면에 있는 고무질의 막에서 최초의 생명이 시작되었다는 제안을 하여 학계의 비상한 관심을 모으고 있다.

생명의 기원은 이와 같이 오래된 이론들이 새로운 이론의 공격으로 흔들림에 따라 한마디로 중구난방이다. 그 중에는 재탕되는 것도 있다. 그 좋은 예가 새로이 등장한 판스페르미아 이론이다. 인간을 비롯한 지구의 모든 생명체는 우주먼지 입자에서 비롯됐다는 주장이 다시 제기되고 있는 것이다. 프레드 호일, 프란시스 크릭, 레슬리 오겔(Leslie Orgel) 등 쟁쟁한 학자들이 앞장서서 지구외기원설을 주장하고 있다. 우주의 성간 먼지, 혜성, 지구로 낙하하는 돌멩이(운석), 심지어는 외계인이 보낸 우주선에 의하여 생명의 씨가 지구에 뿌려졌을 것이라는 주장이다. 즉, 탄생 초기의 지구로 날아온 우주먼지 입자에 탄소와 물이 함유돼 있었고, 이를 바탕으로 인체를 구성하는 필수단백질인 아미노산 같은 탄소가 풍부한 분자들이 만들어졌다는 주장이다.

미국 항공우주국(NASA)의 외계지능탐구(SETI) 프로그램 역시 우주의 다른 곳에 생명이 존재할 가능성을 염두에 두고 있다. 최근에는 플라스크 대신에 컴퓨터를 이용하여 생명의 기원을 연구하는 학자까지 생겨날 정도로 점입가경이다.