책보세

한 권의 책은 하나의 사건이다. 한 권의 책에 담긴 지은이, 만든이, 읽는이의 고뇌와 정성을 기억한다.



Title≪생명 최초의 30억년≫-지구에 새겨진 진화의 발자취-앤드류 H. 놀 2021-09-10 07:30
Writer

생명 최초의 30억년-지구에 새겨진 진화의 발자취

 

프롤로그_앤드류 H.

❏ ≪생명 최초의 30억 년역사를 이야기하는 책이다. 공룡이 살기 전에, 삼엽충이 살기 전에, 온갖 동물들이 나타나기 전에 이 지구에 왔다 간 생명의 역사를 돌아보는 책이다.
내 이야기는 동물의 다양화가 막 시작된 캄브리아기 바다에서 막이 오른다. 그런 후 장면은 지구 초기의 바다에서 만들어진 더 오래된 암석으로 넘어갈 것이다.
그 다음에 생명의 오랜 역사를 연구하는 방법을 알아본 뒤, 지구의 초기 생물에 대한 끊어지고 잘린 불완전한 기록을 탐구하며 생명의 기원에 대한 이런저런 가능성을 생각해볼 것이다.
그러고 나서 화석과 분자 흔적을 따라서 지질연대를 차차 거슬러 올라갔다가, 마지막에는 다시 캄브리아기 대폭발로 돌아온다.
그때 여러분은 캄브리아기 대폭발을 선캄브리아 시대의 오랜 생명 역사의 절정인 동시에, 선캄브리아 시대와 이별하는 새로운 출발점으로서 다시 보게 될 것이다.

생물의 역사를 긴 안목으로 바라볼 때, 생명의 초기 역사를 관통하는 대주제가 떠오른다.
생명은 갓 태어난 지구 위에서 진행되었던 물리적 과정으로 탄생했다. 이와 똑같은 과정지각변동, 해양변화, 대기변화은 지구의 표면을 만들고 재구성하면서 오랜 시간에 걸쳐 생명을 키워냈다.
그리고 마침내 생명이 불어나고 다양해져 그 자체로도 지구를 움직일 수 있는 힘이 되었을 때, 생명은 지각변동, 그리고 대기와 해양의 변화를 이끄는 물리화학적 힘과 결합했다.
지구를 규정하는 한 가지아니, 결정적인특징인 생명의 출현은 내게 너무나도 경이로운 사실로 다가온다.
옛사람들의 창조 이야기에는 정의와 겸손이 깃들어 있다. 과학 쪽 창조 이야기에도 이 둘이 함께한다면 더할 나위 없으리라.

01 처음에 무엇이 있었을까?

북시베리아의 코투이칸 강을 따라 발견되는 화석들은 캄브리아기 대폭발을 기다리고 있다.
캄브리아기 대폭발은 약 54,300만 년 전 무렵, 다양한 동물이 폭발하듯 나타난 사건을 말한다. 찰스 다윈은 무려 100년 전에 이 캄브리아기 화석들을 보면서 생물 진화에 대한 근본적인 의문을 품었다.
캄브리아기에 나타난 이미 복잡한 이 동물들 전에는 어떤 생물들이 살았던 걸까?
캄브리아기 암석보다 더 오래된 암석을 찾을 수 있을까? 찾는다면, 거기에는 지구에 맨 처음 탄생했던 생물의 기록이 남아 있을까?

캄브리아기 대폭발이 생물역사의 시작일까? 아니면 훨씬 먼 과거부터 진행되어온 진화의 절정인 것일까?”
우리는 다윈의 추론을 검증해볼 수 있을 것이다.

02 생명의 계통수

다양한 생물의 유전자 염기서열을 비교하여 만든 생명의 계통수에서 보면, 식물과 동물들은 고작 가지 한 개의 끄트머리에 달린 작은 잔가지일 뿐이다.
사실 다양성으로도 한 수 위이며 분명히 역사도 더 깊은 생물은 미생물이다.
선캄브리아 시대 암석에서 초기 생명의 증거를 찾으려면, 우선 박테리아와 고세균이라는 지구 생태계의 자그마한 건축가들을 반드시 알아야 한다.

식물, 동물, 균류, 조류(藻類), 원생동물은 진핵생물이다.
진핵식물이 가동하는 에너지 대사는 기본적으로 산소호흡, 발효, 광합성 세 가지이다.
발효는 하나의 유기분자가 두 개의 분자로 분해되는 무산소 과정이다.
초기 생물의 역사를 탐구하는데 아주 중요한 열쇠는 원핵미생물이 보여주는 물질대사의 놀라운 다양성이다.
원핵생물은 호흡, 발효, 광합성이라는 세 가지 물질대사를 다양하게 변주하는 능력만도 뛰어난데, 여기에다 진핵생물이 전혀 알지 못하는 물질대사를 하나 더 진화시켰다. 그것은 화학합성이다.
원핵생물의 물질대사는 지구생태계의 맥박이다. 원핵생물의 물질대사가 주는 혜택은 지구를 살 만한 행성으로 유지시키는 화학순환을 쉼 없이 가동하는 것이다.

생명의 계통수는 생명의 역사를 보여주는 상세지도다.
나무의 모양이 우리에게 말해주는 사실은 초기의 생태계가 열수분출공과 온천을 중심으로 만들어졌으며, 훗날 광합성이 생기면서 지구 전체로 생물을 퍼뜨렸다는 것이다.
식물과 동물 같은 크고 복잡한 생물은 고작 미생물이 점령한 진핵생물 가지의 끝에 달린 잔가지로서, 진화의 후발주자들일 뿐이다.
생명의 계통수에서 가장 중요한 점은 우리가 현재 접하는 생물과 환경이 비교적 최근에 나타났다는 사실이다.
그리고 하나 더 기억할 것은, 생명이 언제나 그 모습 그대로인 행성에서 진화한 게 아니라는 것이다.
생명과 환경은 처음부터 지금까지, 생명과 환경이 함께 참여하는 생물지구화학적 순환에 의해 공동운명체로 묶인 채 함께 진화했다.

03 암석에 새겨진 생명의 지문

북빙양(북극해)의 스피츠베르겐 섬에 있는 퇴적암들은 캄브리아기 대폭발이 일어나기 한참 전인 6~8억 년 전에 형성되었다.
이 암석에 동물들의 흔적은 전혀 없다.
그러나 현미경 아래에서 보면 시아노박테리아, 조류, 원생동물의 미화석(微化石)이 가득하다.
특히 눈에 띄는 것은 스트로마톨라이트. 이것은 미생물 군집에 의해 만들어진 암초같이 생긴 암석구조다.
그러나 무엇보다 폭넓게 분포하는 것은 미생물 물질대사가 남긴 화학흔적들이다.
이러한 발견들은 우리가 더 오래된 지층에서 초기 생명의 진화에 대한 증거를 찾도록 용기를 주었다.

04 생명이 움트던 시절에

호주 서부에 있는 35억 년 전의 와라우나 층군의 퇴적암은 지구 초기의 생명과 환경을 들여다볼 수 있는 가장 오래된 창이다.
와라우나 층군의 암석에는 스트로마톨라이트와 박테리아 화석으로 해석될 수 있는 미세구조가 존재하지만 이 해석은 아직까지 논란의 여지가 있다.
화학흔적은 생명의 흔적이 언제인지에 대한 설득력 있는 증거를 제공하지만, 그 흔적이 기록하고 있는 생물이 무엇인지는 불확실하다.
지구 초기의 생명에 대한 지질학적 탐사는 아직까지 어두운 유리창 속을 들여다보는 것과 같다.

05 생명의 탄생

생명은 우리 행성의 지각과 바다를 형성한 것과 똑같은 물리적ㆍ화학적 과정으로 만들어졌다.
그러나 다윈이 주창한 진동의 작용을 받는다는 점에서, 생명은 다르다.
자연선택은 동식물의 진화에 중요한 구실을 했지만, 초기의 지구 역사에서도 화학적인 진화를 이끌어 생명의 탄생을 가능하게 했다.
우리는 생물의 분자가 초기의 지구에 존재했던 단순한 지구체로부터 진화한 과정을 대충은 이해하고 있다.
하지만 단백질, 핵산, 막조직이 어떻게 그토록 복잡한 상호작용을 했는지는 아직까지 수수께끼로 남아 있다.

RNA는 생물의 활동에서 이른바 만능박사 분자이다.
RNA는 생명 발생의 한가운데에 있다.
RNA 복제가 너무 높으면 성공한 변이체라도 다음 세대에 성공한다는 보장이 없다. 반대로 오차비율이 너무 낮으면, 진화가 계속될 수 없다.
하지만 생명의 모든 영역에서 그렇듯, 여기서도 골디락스 법칙*이 성립한다. 오차비율이 딱 적당한 것은 늘 우연으로 보이지만, 우연이 아니다. 분자수준의 자연선택에서 비롯된 것이다. 적당한 엉성함이야말로 진화의 미덕인 것이다.
* 골디락스 법칙: 영국의 전래 동화 골디락스와 곰 세 마리에 등장하는 소녀의 이름에서 유래한 용어이다. 동화에서 골디락스가 곰이 끓인 세 가지 수프, 뜨거운 것과 차가운 것, 적당한 것 중에서 적당한 것을 먹고 기뻐하는 데서, 너무 뜨겁지도 않고 너무 차갑지도 않은 최적의 상태를 표현하는 말로 쓰이게 되었다. ) 골디락스 우주, 골디락스 행성.

늦어도 35억 년 전에는, 생명의 장기적인 존속을 가능하게 한 다양한 물질대사의 진화가 거의 확실히 시작되었고, 복잡한 미생물 집단들이 생물권 전체로 탄소를 비롯한 여러 원소들을 순환시켰다.
어쩌면 광합성도 존재했을지도 모른다.
따라서 지구의 가장 오래된 암석들의 시대는 원초의 진화라는 근원에서 올라와 생명의 계통수가 가지를 뻗기 시작하는 (유전자와 생물의 다양화가 시작되는) 중요한 전기에 해당하는 셈이다.

06 산소혁명

미국 온타리오 주 북서부에 있는 건플린트 층군의 처트는 지금부터 20억 년 전에 철이 풍부한 바다에서 살았던 박테리아 화석을 간직하고 있다.
그러나 건플린트 층군이 형성될 때 이미 지구는 굵직굵직한 환경변화를 마무리하고 있었다.
지구가 형성되고 20억 년이 흘렀을 즈음, 산소가 대기의 바다 표면에 퍼지기 시작했던 것이다.
산소혁명은 진화의 방향을 재조정해 먼 미래에 우리 인간의 탄생으로 이어지는 새로운 생물계통으로 안내했다.

원생이언(Proterozoic Eon, 원생누대原生累代) 초기를 환경이 변화한 시대로 보기보다는 환경이 확대된 시기지구가 유례없이 다양한 생명을 부양할 수 있게 된 시기로 보는 것이 훨씬 도움이 된다.
혐기성미생물은 생태계에서 중요한 구실을 하고 있으며, 오늘날까지 그 소임을 잃지 않고 있다.
한편 산소를 이용하거나 적어도 산소를 견딜 수 있는 생물이 엄청나게 불어났다.
산소호흡은 세균이 주로 이용하는 물질대사가 되었고, 산소를 수소나 금속이온과 반응시켜 에너지를 얻는 화학합성세균은 산소가 풍부한 환경과 산소가 희박한 환경의 경계지대에서 다양하게 진화했다.

건플린트 시대에 지구는 전체 역사의 반을 지났지만, 여전히 낯선 장소였다.
하지만 이 시대에 앞으로 진화가 나아갈 길이 결정되었다.
이때부터 줄곧, 산소를 이용하거나 생산하는 생물이 생물계를 지배하게 된다.
사실 지구 표면에서 산소와 이산화탄소만이 몇 마이크론보다 큰 세포에 필요한 양을 충족시킬 정도로 풍부해졌고, 산소는 마침내 커다란 다세포 생물을 부양할 수 있을 만한 농도에 이르렀다.
이때부터 지구는 우리의 세상이 되기 시작했다.

07 생물계의 미생물 영웅, 시아노박테리아

산소가 혁명을 일으켰다면, 시아노박테리아는 그 혁명을 일으킨 영웅이었다.
시베리아의 15억 년 전 처트 속에 고이 간직된 화석들을 보면, 시아노박테리아가 일찍이 진화했으며 그 이후로 거의 변하지 않은 채 오늘에 이르고 있음을 알 수 있다.
빠르게 변하면서도 무한히 존속할 수 있는 능력이야말로 세균 진화의 정수이다.

박테리아는 특히 아무것도 안 하는 능력이 뛰어나다.
주위환경이 유리할 때 박테리아는 우리들 입속의 세균처럼 빠르게 번식한다.
그러나 주위환경이 성장에 불리할 때에는 에너지 소비를 최소로 줄이기 위해 휴먼상태로 들어간다.
실제로 대부분의 박테리아는 대부분의 시간 동안 대사활동을 멈춘 상태로 지내고, 이용할 수 있는 자원이 생기는 순간 활동을 시작한다.
이러한 특성들은 일반적으로 박테리아가, 특히 시아노박테리아가 끈질기게 살아남은 까닭을 설명한다.

08 진핵세포의 기원

박테리아가 유전자 교환으로 진화했다면, 진핵생물(녹조생물 등)은 이보다 한수 위였다.
진핵세포는 엽록체와 미토콘드리아를 세포 째 몸 안으로 들여왔다.
지금까지 전자현미경과 분자생물학 덕분으로 진핵세포의 진화가 많이 밝혀졌다.
하지만 우리는 인류가 속한 진핵생물 영역이 어떻게 생겼는지 아직까지 완전하게 알지 못한다.
생명의 나무는 지금도 자라면서 끊임없이 변한다.

09 초기 진핵생물의 화석

진핵생물은 다양한 세포 형태를 진화시켰고, 박테리아와 고세균에는 없는 다세포성을 지녔다.
이런 특징을 간직한 화석기록을 살펴보면, 진핵생물은 일찍이 생겨났지만 원생이언 후기에 이르러서야 마침내 바다에 산소가 증가한 데 힘입어 해양생태계의 주인으로 떠올랐다는 사실을 알 수 있다.

진핵생물의 계통관계에 대한 논란은 지금도 계속되고 있는데, 논쟁점은 주로 진핵생물 계통수의 초기 가지에 속하는 것들이 무엇이며 그 특징이 무엇인지에 맞춰진다.
학자들은 오늘날 발견되는 다양한 진핵생물들이 비교적 짧은 기간에 빠르게 갈라진 결과라는 데에 대체로 동의한다.
고생물학계는 진핵생물 진화의 이런 빅뱅이 적어도 10억 년 전에 시작되었다고 본다.
진핵세포는 생태계의 복잡성을 넓힘으로써 다양성을 위한 새로운 발판을 마련했던 것이다.
세계가 산소로 충만하기까지는 아주 오랜 세월이 걸렸다. 밑바닥부터 꼭대기까지 산소가 녹아 있는 바다는 원생이언이 거의 끝나갈 때까지 생기지 않았던 것 같다.

10 동물의 등장

원생이언 최후의 암석에 이르러 마침내 찰스 다윈이 오래전에 예견했던 것초기 동물의 흔적을 나타내는 화석이 나타난다.
하지만 그 화석은 다윈이 기대했던 것과는 전혀 다르다.
현대 동물의 조상들은 원생이언 말기의 얕은 바다에 살았음이 틀림없으나, 원생이언 말기 화석의 대부분은 캄브리아기 이후의 동물상과 가까워지기는커녕 오히려 멀어지는 독특한 형태를 갖추고 있다.
캄브리아기의 바다에 친숙한 생물군은 오직 캄브리아기가 시작되었을 때 나타난 것처럼 보인다.

11 마침내 캄브리아기로

현생동물의 복잡한 형태는 캄브리아기에 이르러서야 비로소 나타났고, 적어도 1,000~3,000만 년의 시간을 거치며 형성되었다.
오늘날 발생과 관련한 유전자 지식이 생기면서 캄브리아기에 일어난 진화의 속도와 방식을 밝혀낼 수 있게 되었지만, 생태학적인 조건도 반드시 고려해야 한다.
생태학적 조건이란, 초기의 변이체가 바다에 발판을 마련할 수 있도록 배려한 너그러운 생태환경과 그 후의 진화를 이끌어낸 생물종 간의 생태적인 상호작용을 말한다.

캄브리아기 대폭발을 부각시키는 고생물학에서 가장 유명한 화석군이 있다. 그것은 버제스 셰일로서 캄브리아기 보물창고로 통한다.
해면동물, 유즐동물(빗해파리), 다모류, 새예동물(바다 밑의 진흙 속에 살고 체절로 나뉘지 않았으며 확실히 분류하기 어려운 포식성 생물), 완족동물, 절지동물, 게다가 창고기와 비슷한 척색동물의 놀랍도록 세밀한 압축화석은 버제스 시대에 좌우대칭동물 내에 갖가지 몸 설계가 진화했다는 사실을 말해준다.
하지만 이들이 남아 있는 지층에는 고생물학자의 이해를 가로막는 괘씸한 골칫덩어리도 많이 존재한다.
길이 5센티미터의 오파비니아는 절지동물처럼 키틴질의 껍질에 싸여 있는 체절과 깃털 모양의 아가미를 갖추고 있지만, 다리가 없고 거추장스럽게도 다섯 개의 눈과 움켜잡는 주둥이(입 부분에서 나오는 노즐 모양의 구조)를 달고 있다.
그리고 키틴질 비늘을 쇠사슬갑옷인 양 걸치고 출격하는 듯한, 민달팽이처럼 생긴 위악시아도 특이하다.
아노말로칼로스는 거대한 포식자로(아주 큰 것은 60센티미터에 달한다), 체절로 나누어진 몸에 다리 대신 부채 모양의 엽상구조가 있는 게 특징이지만, 머리 아래쪽에 한 쌍의 관절다리가 붙어 있어서 이것으로 음식을 집어 카메라 조리개처럼 생긴 괴상한 입으로 집어넣는다.
바제스 동물군 가운데 확실히 괴상한 생물이 있다고 치자. 그러나 이들이 딴 세계 동물은 아니다.
캄브리아기가 시작되었을 때 몸 설계의 진화를 추진하기 위한 유전자 엔진이 이미 존재하고 있었다. 조절 유전자 변이(다윈이 예상보다 빨리 진화할 수 있도록) 빠른 다양화를 가능하게 했던 것이다.

12 역동적인 지구, 너그러운 생태계

원생이언에서 캄브리아기로 넘어갈 때 지구에 짧은 환경변동이 있었다.
초대륙이 분열하고 지구가 빙하로 뒤덮이고 산소 농도가 높아졌던 것이다.
이런 큰 사건들은 지구에 너그러운 생태환경을 잇따라 출현시키면서 다양한 후생동물들의 진화를 이끌고 초기 동물이 진화하는 기틀을 다졌다.

생물역사에 대한 고증 외에 고생물학이 진화생물학에 전하는 한 가지 교훈이 있다면, 그것은 생명에게 찾아오는 기회도 위기도, 지구의 환경역사와 떼려야 뗄 수 없는 관계를 맺고 있다는 것이다.
유전학자들이 연구하는 소진화과정(생물종의 개체군 사이의 차이를 일으키는 진화적 변화)과 지구의 역동적인 환경역사를 결합해야만, 비로소 대진화종 이상의 분류군에서 일어나는 시간에 따른 변화를 이해할 수 있는 것이다.
지구 전체에 걸친 빙하작용, 산소로 충만한 바다의 출현, 탄소순환의 갑작스런 변동처럼 초기의 동물 진화를 위한 기틀을 다진 거대한 물리적 사건들은 지구의 환경을 변화시킨 가장 중요한 사건들이다.

13 우주로 향하는 고생물학

화성에서 날아온 작은 운석에 대한 논쟁은 우주에 우리뿐일까?”라는 인류의 가장 오랜 의문에 과학계의 관심을 불러오는 촉매가 되었다.
현재 우리는 무엇을 알고 있을까?
우주 생명탐사가 시작된 이 시대에, 우리는 얼마나 더 많은 것을 알 수 있을까?
우리가 알 수 있는 것에는 사실상 한계가 있을까?

앤드류 H. 놀 지음, 생명 최초의 30억년-지구에 새겨진 발자취, 뿌리와이파리, 2007

생명 최초의 30억년은 시생이언-원생이언 화석과 고생물에 관한 책이지만, 지구과학뿐만 아니라 생명과학과 지구환경을 배우거나 관심이 있는 모든 사람이 읽어야 할 훌륭한 책이다. 자신의 전공에 관한 지식과 실력뿐 아니라 지구와 생물, 지질학과 화석에 대한 상식이 늘리라 굳게 믿기 때문이다. 실제 이 책은 고세균처럼 생명의 시작이 되는 아주 오래된 화석을 연구하는 사람이 그리 많지 않다는 점에서 매우 드물고 귀중한 책이다. _장순근(지구46억 년의 역사저자, 극지연구소 책임연구원)

Comment
Captcha Code
(Enter the auto register prevention code)