생명은 어떻게 시작했는가?

생명이 형성되고 번성하게 된 자구상의 골디락스 조건이 무엇인가? 생명이 지난 38억년 동안 간단한 원핵 생물에서 매우 복잡한 포유동물에 이르기까지어떻게 변화해왔을까? 지구체의 유기체 종들이 얼마나 살고 있을까?   500만종에서 3000만종 정도가 있을 것으로 추정된다. 생명의 기원부터 알아보자.  우리 자신의 종, 즉 호모 사피엔스는 어떻게 출현은 했을까? 각 임계국면 에서 어떤 새로운 것은 완전히 새로운 특징을 가지고 있는 어떤 것이 나타난다. 우주의 행성, 혹은 별들의 생성, 혹은 새로운 화학원소들의 생성, 혹은 행성의 생성에 대해 이야기할 때도 골디락스 조건이 무엇인지 물었다. 마찬가지로 생명에 대해서도 동일한 질문을 던져본다.

 

살아있는 유기체는 매우, 복잡한 화학원소들로 이루어져 있다. 그리고 매우 정교한 구조로 조직되어 있다. 반면에 무생물은 매우 간단한 분자로 이루어져 있다.  그래서 생명을 갖기 위해서는 정말 색 다르고, 아주 흥미롭고, 굉장히 정교한 화학작용을 할 수 있는 환경이 필요하다.  우주 공간에서도 원자 들이 아마도 10개, 20개, 30개 혹은 100개의 원자를 결코 넘지 않는 수의 원자들과 함께 분자를 형성할 수 있다. 지구와 같은 암석행성은 정교한 화학작용이 일어날 수 있는 놀라운 환경을 제공한다.첫째 암석행성은 매우 다양한 원소들을 가지고 있으며, 특히 유기체 생명에 필요한 원소들을 가지고 있다.   두 번째 골디락스 조건은 에너지이다. 너무 많은 에너지가 있다면 복잡한 분자들이 터져버려 손상이 된다. 에너지가 너무 적어도 안된다. 원자들이 결합되는데 에너지를 사용할 수 없게 된다. 지구는 태양이라는 별에 가까이 있어 에너지를 얻고 있지만, 너무 많은 에너지를 얻는 것도 아니다. 지구는 뜨겁고 융해된 지구핵으로 부터 올라온 에너지를 지니고 있다. 세 번째 골디락스 조건은 물이다.  기체 상태에서는 원자들이 엄청나게 빠르게 움직이며 돌아다니고 있다.  고체 상태에서 원자들은 거의 정지되어있다. 액체상태에서는 원자들은 온갖 복잡한 형태로 더욱 쉽게 얽히게 된다.

 

이 세가지 골디락스 조건이 정교한 화학작용을 위한 완벽한 조건이다. 살아있는 모든 유기체에서 나타나는 가장 간단한 유기분자들이 이러한 조건에서 매우 간단하게 생성된다. 유기분자란 모든 단백질의 기본이 되는 아미노산 혹은, DNA의 기본이 되는 핵산과 같이 겨우 10개, 20개, 30개의 원자로 이루어진 분자들이다. 간단한 분자들은 커다란 사슬로 묶여 단백질이나 핵산분자를 구성하는 것은 그리 어려운 일이다.  거대한 많은 분자들이 결합되어 세포막을 가진 세포가 만들어지고, 그 가운데 DNA가 자리 잡았다. 기초 세포에 유기분자들이 나타난 이후에 생명이 어떻게 변화하며, 다양하게 되었는가? 복잡성이 증가하면, 새로운 특징과 새로운 성질이 출현하게 된다. 임계국면을 살펴보면, 첫 번째가 광합성이다.

 

최초 원핵생물은 화학에너지와 열에너지를 제공한 심해의 대규모 열수구에서 진화한 것 같다. 약 35억년전 어떤 세포들은 바다에 떠다니다가 태양으로부터 엄청나게 풍부한 에너지를 활용할 수 있게 되었다. 태양에너지를 이용하기 위해 발전시킨 과정을 '광합성'이라고 한다. 산소는 광합성의 부산물로 만들어졌기 때문에 수백만년동안 광합성을 하는 엄청난 수의 원핵 생물이 지구환경을 철저히 변화시켜 지구를 이산하탄소가 풍부한 행성에서 산소가 풍부한 행성으로 바꾸어 놓았다.  산소는 많은 종들에게 해로운 것이라서, 그 종들은 사멸 되었지만, 또 다른 새로운 종들이 출현하여 산소를 활용하게 되었다. 

 

두 번째 임계국면은 약 25억년 전 진핵생물의 등장이다. 진핵생물은 '세포소기관'이라는 매우 작은 기관을 가지고 있다. 세포소기관이란, 세포내의 원형질의 분화로 특정한 기능을 수행하도록 된 구조로 핵, 미토콘드리아, 엽록체, 골지체, 소포체, 리소좀, 중심체 등이 있다.  여러분의 몸의 한 기관처럼, 이들은 광합성 혹은 산소의 가공 처리 같은 특별한 기능을 수행한다. 약 10억 년전 세번째 임계국면, 즉 최초의 다세포유기체가 출현했다. 특별한 세포기관들이 모여서 더욱 복잡한 진핵생물을 형성했던 것이다.  다른 진핵생물이 결합하여 더욱 복잡한 생물형태를 만들었다. 이런 유기체는 수십억 개의 세포를 가지고 있고, 각 세포는 다른 기능을 발휘하지만, 동일한 DNA를 공유한다. 특화된 세포의 네트워크와 협력으로 다세포 유기체는 전적으로 새로운 방식으로 환경변화에 대응할 수 있게 되었다. 우리가 '항상성'이라고 부르는 생명의 주요한 생존 특징을 발전시켰다. 네 번째 임계국면은 뇌의 발달이다. 다세포 유기체는 유기체 내부에서 진행되고 있는 모든 활동을 조율하는 방식이 필요 했는데, 이것이 발전하여 특별한 신경세포의 일이 되었다. 어떤 유기체는 이런 세포들이 머리에 모여들고, 아래로 척수가 내려감으로써 두뇌가 형성되었다. 두뇌를 가진 유기체는 더욱더 많은 정보를 처리할 수 있었고, 더욱더 복잡한 방식으로 정보에 반응할 수 있게 되었다.

 

 다섯 번째 임계국면은 생물이 바다에서 육지로 올라온 것이다.  4억7500만년 전부터 어떤 다세포 유기체, 식물과 진균으로부터 시작된 다세포 유기체가 바다를 떠나 육지로 올라왔다.  이들 유기체는 피부가 마르는 것을 피하기 위해 특별한 피부를 발전시켜야 했고, 물에서 나와 호흡하는 특별한 방법을 고안해야 했으며, 개체 재생산을 하기위해 새로운 방법을 마련해야 하는 도전이었다. 이것은 오늘날로 말하자면 우주공간 속에서 인간이 생존하려는 것과 같은 것이다. 여섯 번째 임계 국면이 우리의 선조인 포유류의 등장이다. 육지의 최초 동물은 부례가 폐로 변형되어 공기 호흡을 하는 물고기인 폐어와 같았을 것이다. 양서류와 같은 다른 육상동물로 곧바로 진화했다. 이들은 생식을 위해 물로 되돌아와야 했다. 악어 혹은 공룡과 같은 파충류가 출현했다.  물에서 멀리 떨어져 있더라도 생존할 수 있도록 크고 튼튼한 알을 낳았다. 2억 5000만년 전쯤에 최초의 포유류가 지구상에 출현했는데,  새와 비슷하게 닮은 일종의 파충류로부터 진화했다. 포유류는 온혈이었고 털로 덮혀 있었으며, 알을 낳지 않았다.