生命의 起源

生命의 起源

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목차      

1. 지구에 생명체가 살기 시작한 것은 언제부터일까?
2. 초기 지구에서 생물이 살아남을 수 있었던 조건은 무엇이었을까?
3. 지구의 암석에서 발견된 가장 오래된 화석은?
4. 지구에 생명체의 기본 형태는 언제 생겨났을까?
5. 단세포 생물보다 큰 세포는 언제 생겼을까?
6. 다세포 생물이 생긴 것은 언제였을까?
7. 생명체가 한 번만에 생겨났을까?
8. 최초의 식물이 육지에 생겨난 것은 언제일까?
9. 몸이 딱딱하지 않은 동물이 바다에 처음 나타난 것은 언제일까?
10. 육지에서 가장 오래된 생물의 형태는 무엇일까?
11. 최초의 육지동물은 무엇이며 육지로 이동한 이유는?
12. 최초의 원시 공룡이 나타난 것은 언제일까?
13. 최초의 육지동물에서 공룡으로 진화하기까지 얼마나 오랜 시간이 걸렸을까?

지구에 생명체가 살기 시작한 것은 언제부터일까?

정확히 언제부터 지구에 생명체가 살기 시작했는지는 아무도 모른다. 여기에는 원시 생명체가 단세포였기 때문이라는 이유도 포함된다. 생물이 죽고 나면 연질부가 가장 먼저 부패해서 사라지기 때문에 남는 것이 없다. 게다가 단세포 생물은 너무 작아서 고대 암석에서 흔적을 찾기도 힘들다. 현대의 바이러스 중에는 길이가 18㎚^각주1) 에 불과한 것도 있지만 보통은 1,000㎚ 정도이다. 이 미세한 바이러스도 초기 생물에 비하면 훨씬 크다고 할 수 있다.

뿐만 아니라 발견된 화석이 별로 없기 때문에 초기 생물의 실제 형태를 모두 알아내기는 불가능하다. 과학자들은 초기 생물이 원시적인 단세포의 형태로 바다에서 생겨났다고 보는데, 그 이유는 단순하다. 생물이 살기 위해서는 태양에서 쏟아지는 자외선을 차단해주는 필터가 필요한데 바닷물이 그런 보호막 역할을 할 수 있기 때문이다. 이처럼 파악한 것이 별로 없음에도 불구하고 과학자들은 약 40억 년 전부터 지구에 생물이 살기 시작했다고 추정한다. 이 원시 생물은 산소가 아닌 이산화탄소를 이용해 살아남았다.

생명체가 지구 밖에서 왔을 가능성은?

생명체가 지구 밖에서 기원했다는 학설도 있다. 판스페르미아(panspermia)라는 이론에 따르면 혜성과 소행성이 초기 지구에 접근할 때 복잡한 유기물질을 가지고 왔으며 그중 다수가 지구에 떨어지고 난 후에도 살아남았다고 한다.

우주에 이런 유기물질이 존재한다는 것은 이미 알려져 있는 사실이다. 전파천문학자들이 1960년대 후반에 암흑 성운에서 유기물질을 발견한 이후로 소행성, 혜성, 운석 같은 우주 물체 속에 생체 분자가 존재한다는 증거를 비롯해 여러 증거들이 발견되었기 때문이다. 1969년에 운석을 분석한 결과 운석 한 덩어리 속에서 최소한 74종류의 아미노산이 발견되었다. 그때부터 유기분자가 운석이나 혜성 먼지에 의해 지구로 전해졌거나 혜성이나 소행성에 의해 초기 지구에 떨어졌을 가능성을 추측하기 시작했다.

거대 소행성이나 혜성이 충돌할 때 발생하는 열로 인해 유기체가 모두 파괴되었을 것이라는 의견이 일반적이지만, 그렇게 생각하지 않는 과학자들도 있다. 후자의 주장에 의하면 거대한 물체의 표층만 영향을 받았거나 열을 받지 않은 미세한 혜성 먼지가 지구에 아미노산을 떨어뜨렸을 수도 있다고 한다. 이 학설이 사실이라면 공룡에서 인간에 이르기까지 우리는 모두 '천체 물질'로 만들어졌다고 할 수 있다.

초기 지구에서 생물이 살아남을 수 있었던 조건은 무엇이었을까?

초기 지구에서 생물이 어떻게 살아남을 수 있었는지 설명하는 주요 이론으로는 다음 두 가지가 있다. 첫 번째 이론은 생명이 생체분자와 물로 이루어진 '원시 수프'에서 발생했다는 것이다. 이 이론에 따르면 원시 수프 속에서 태양의 자외선이나 번개, 또는 그 당시 흔히 발생했던 유성 충돌로 인한 충격으로 화학반응이 일어났으며, 이런 반응이 살아 있는 모든 유기체에서 발견되는 단백질을 구성하는 아미노산 등 다양한 탄소 화합물을 만들어냈다고 한다.

이 이론은 1954년, 당시 시카고 대학교 대학원생이었던 스탠리 밀러(Stanley Miller, 1930~2007)와 그의 자문 교수이자 화학자인 헤럴드 유리(Harold Urey, 1893~1981)가 실시한 유명한 실험에 의해 뒷받침되었다. 그들은 실험을 통해 초기 지구의 대기 중에 존재하던 화학물질과 물이 혼합되고 번개에 맞을 경우 아미노산이 생성될 수 있다는 사실을 입증했다.

두 번째 이론은 지난 50년 동안 발견된 열수공에 중점을 두고 있다. 열수공이란 대양저에서 마그마가 솟아나오면서 갈라진 틈을 말한다. 초기 지구는 생긴 지 얼마 되지 않았기 때문에 지구 표면이 차갑고 두꺼운 현재에 비해 얇았을 것이며 따라서 열수공도 훨씬 더 많았을 것이다. 이 열수공 주변의 유기체는 에너지를 얻기 위해서 광합성을 할 필요가 없었다.

오늘날의 화도(火道) 유기체는 화산통로 주변에 사는 박테리아에 의지해서 살고 있다. 이런 박테리아는 햇빛이 들지 않는 대양저의 갈라진 틈 주변에 있는, 황화수소가 풍부한 뜨거운 물에서 에너지를 얻는다. 원시 생물도 똑같은 방식으로 생존했을 가능성이 있다. 실제로는 두 이론이 주장하는 바가 모두 존재하여 초기 지구에 원시 생물이 생겨났을 가능성이 크다.

지구의 암석에서 발견된 가장 오래된 화석은?

가장 오래된 암석 화석은 호주에서 발견되었다. 호주 서부에서 발견된 화석 중에는 34억 5000만~35억 5000만 년이나 된 것도 있다. 이 화석에는 스트로마톨라이트(Stromatolite)라는 층 모양의 줄무늬가 있는 석회암 퇴적물의 흔적이 남아 있다.

이 스트로마톨라이트는 시아노박테리아(Cyanobacteria)라는 남조류(Blue-green algae)와 유사한 원시 미생물에 의해 만들어졌는데 스트로마톨라이트는 현재도 존재한다. 이 화석들은 현재 호주의 해안가 천해에서 발견되는 스트로마톨라이트와 놀라울 정도로 유사하다.

가장 오래된 것으로 보이는 다른 화석도 있다. 아주 작은 단세포가 호주의 고대 규질암^각주2) 에서 발견되었는데, 아프리카에서도 유사한 것이 발견되었다. 이런 세포들은 규질암에 함유된 이산화규소가 일종의 세포벽 역할을 해 보존된 것으로 보인다.

시아노박테리아와 스트로마톨라이트

지구에 살았을 것으로 추정되는 원시 생물 중 시아노박테리아(삽입된 사진 속 이미지)는 스트로마톨라이트라는 특이한 화석암을 남겼다.

지구에 생명체의 기본 형태는 언제 생겨났을까?

지구에는 약 38억 년 전이라는 아주 오래 전부터 생명체의 기본 형태가 존재한 것으로 보인다. 이 생물은 아주 작은 세포 형태였는데 세포막으로 둘러싸여 있어 외부로부터 내부를 보호할 수 있었다. 이 세포는 기본적으로 오늘날의 세포와 유사한 유전계를 갖추어 자기증식이 가능했다. 이런 초기 생명체는 원핵생물로 분류되며, 박테리아나 시아노박테리아 같은 유기체가 여기에 포함된다.

단세포 생물보다 큰 세포는 언제 생겼을까?

현재까지 알려진 화석 기록에 의하면 진핵생물로 분류되는, 원핵생물보다 큰 세포는 약 19억~15억 년 사이에 생겨났다고 한다. 그 전까지는 박테리아나 남조류 처럼 아주 작은 원핵생물만 암석층에 존재했다.

다세포 생물이 생긴 것은 언제였을까?

현재까지 알려진 화석 기록을 보면, 최초의 원시 다세포 생물은 6억 5000만 년 전에 탄생했다고 한다. 그러나 12억 년 된 홍조류를 '분류학상으로 정해진' 다세포 생물로 분류하는 과학자도 있다.^각주3)

최초의 다세포 생물 중에는 해면의 원시 형태도 포함되는 것으로 보고 있다. 최초의 굴 화석 또한 비슷한 시기에 발견되었다. 이런 다세포 생물은 에디아카라(Ediacara) 화석군 또는 에디아카라 집합체라고 불린다.^각주4) 대부분 표면이 넓은데 그 당시 대기 중에 존재한 극소량의 산소를 흡수해야 했기 때문일 것이다. 이런 화석들은 천해에서 살았던 것으로 보인다.

노란 해면

이 노란 해면은 케이맨 제도(Cayman Islands) 근처에서 발견된 것으로 지구에 살았던 최초의 다세포 생물 가운데 하나인 해면의 후손이다.

생명체가 한 번만에 생겨났을까?

지구상에 생명체는 여러 번에 걸쳐 생겨났을 것이다. 소행성이 지구와 충돌하면서 해저 틈 주변이든 천해에서든 생긴 지 얼마 안 된 생물을 모조리 멸종시켰을 것이다. 생물이 살아남아 종이 다양해지고 안정화될 때까지 수백만 년 동안 이런 현상은 여러 차례 반복되었을 것이다.

최초의 식물이 육지에 생겨난 것은 언제일까?

아일랜드에서 발견된 쿡소니아(Cooksonia)라는 화석이 아마도 최초의 거시적 식물일 것이다. 쿡소니아는 4억 2500만 년 전에 육지에 대량 서식했다. 그 후 얼마 지나지 않아 꽃이 피지 않는 이끼, 속새, 양치류 같은 다른 식물도 생겨나기 시작했다. 이런 식물들은 유전자 청사진을 함유한 극미한 유기체나 포자를 퍼뜨려 번식했다. 후에 양치류는 씨앗을 갖게 되었지만 3억 4500만 년 전에야 가능한 일이었다. 뿌리와 줄기, 잎을 가진 관다발식물은 4억 800만 년 전쯤에 진화하기 시작했다.

몸이 딱딱하지 않은 동물이 바다에 처음 나타난 것은 언제일까?

화석을 살펴본 결과 몸이 딱딱하지 않은 동물이 처음 바닷속에 나타난 것은 약 6억 년 전이다. 이 중에는 환형동물은 물론 해파리의 형태도 있었다.

육지에서 가장 오래된 생물의 형태는 무엇일까?

가장 오래된 육지 생물이 언제 생겼는지에 관해서는 아직도 논쟁이 일고 있지만 매우 흥미로운 점들이 발견되긴 했다. 예를 들어 1994년 애리조나에서는 12억 년 된 관처럼 생긴 미생물 화석이 발견되었으며, 2000년도에는 나사 우주생물학 연구(Nasa's Astrobiology Institute)에서 그보다 더 오래된 화석을 발견했다. 남아프리카 트란스발(Transvaal) 주 동부에서 26억~27억 년 전 육지에 살았던 미생물 매트^각주5) 의 화석화된 부분을 발견한 것이다.

2002년에는 또 다른 과학자가 생명지각(biocrust) 형태의 생물을 발견했는데 그는 그것이 최초의 육지 생물일지도 모른다고 생각했다. 이 생물은 얇은 박테리아 층으로 스코틀랜드 토리돈 지역의 모래밭을 덮고 있었다. 특정 암석에서 보이는 줄무늬는 이 지역에 살았던 최초의 유기체가 남긴 수십 억 년 전의 생물학적 흔적으로 추정된다.

최초의 육지동물은 무엇이며 육지로 이동한 이유는?

육지로 이동했던 크기가 큰 최초의 동물은 아마도 전갈이나 거미 같은 절지동물이었을 것이다. 이런 생물은 대부분 실루리아기 암석층에서 발견되었는데 주로 가장 오래된 것으로 알려진 관다발 육지식물 화석과 발견되었다.

최초의 동물이 바다에서 육지로 이동한 이유는 밝혀지지 않았지만 그에 관한 학설은 다양하다. 현재 수많은 동물에게서 보이는 행동 패턴처럼 영역을 넓히기 위해서였을 수도 있고, 점점 더 많은 동물들이 진화를 거듭하면서 보다 나은 먹이가 필요했기 때문일 수도 있다. 육지 생활과 육지에 있는 '새로운' 먹이에 적응하면서 이 생물들의 생존 가능성은 점점 더 커졌을 것이다.

최초의 원시 공룡이 나타난 것은 언제일까?

최초의 원시 공룡은 약 2억 3000만 년 전에 등장했다. 원시 공룡은 우리가 '공룡'이라는 단어를 들을 때면 떠올리는 티라노사우루스 렉스보다 훨씬 몸집이 작고 덜 사나웠다.

최초의 육지동물에서 공룡으로 진화하기까지 얼마나 오랜 시간이 걸렸을까?

나중에 공룡의 모습으로 진화하게 된 최초의 육지동물은 4억 4000만 년 전쯤에 나타났다. 그리고 공룡은 2억 5000만 년 전쯤에 나타났다. 즉 최초의 육지동물에서 공룡이 등장하기까지 약 1억 9000만 년이 걸린 셈이다. 여기서 기억해야 할 점은 이런 계산이 현재까지 발견된 화석 기록을 근거로 산출된 것이기 때문에 새로운 화석이 발견되면 언제든 바뀔 수 있다는 사실이다.