[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 2부

“ 온천 바이오매트는 살아 있는 화석 리보솜(RNA) 계통수의 뿌리 가까운 곳에 자리 잡은 원핵생물이 서식하는 환경으로는 온천을 들 수 있다. 온천은 고온이므로 진핵생물 등 계통수의 말단에 위치하는 생물들은 서식할 수 없는 특수한 환경이다. 일본에는 다수의 온천과 지열 지대가 있으며, 그들 가운데 원시지구의 생태계를 방불케 하는 곳이 있다. 나가노 현의 유마타 온천, 나카부사 온천, 나가노유 온천 등에서는 황화수소를 함유한 온천수가 끓어오르며, 황화수소를 산화해 에너지를 얻는 원시적인 원핵생물이 마치 흰 고양이털로 만든 깔개(매트)처럼 퍼져 있다. 마치 흐르는 물 속에서 잔디가 자라는 것처럼 보이기 때문에 황잔디라고 부른다. 황잔디는 온천수가 끓어오르는 입구에 있으며, 온도가 낮아짐에 따라 광합성세균인 클로로플렉수스(Chloroflexus, 녹색 비유황 광합성세균), 이어 시아노박테리아(cyanobacteria)로 변해간다. 이러한 온천의 미생물 생태계는 원시지구의 생명 진화를 탐구하는 훌륭한 연구 재료가 된다. ”

“ 생명에 없어서는 안 되는 생체원소bioelement인 황sulfur은 질소의 순환과 비슷하게, 다양한 화학적 형태로 우리의 환경에서 순환한다. 황의 이와 같은 순환은 질소 순환과 마찬가지로 지구상에서 생명체가 살아남기 위해 반드시 필요한 것이지만, 이 순환들은 근본적으로 두 가지 면에서 다르다. 황은 거대한 대기의 저장고를 통과하지 않으며 세포의 구성에도 별로 큰 도움을 주지 않는다. 그래도 황은 단백질과 RNA에 존재하는, 모든 세포에서 꼭 필요한 요소이다. 예를 들어 우리의 핵심 아미노산 중 하나는 황을 포함하고 있는 메티오닌methionine이다. 우리는 미생물이나 식물을 먹어서 메티오닌을 얻는다. 물론 중간에 동물의 조직을 거쳐오긴 한다. ”

“ 지구 대기에 산소를 불어 넣을 수 있는 과정은 오로지 산소를 생성하는 광합성뿐이다. 광합성은 물에서 전자를 추출하는데, 이때 부산물로 산소가 나온다. 지구 대산소화 사건Great Oxygenation Event, GOE은 대변혁이었고, 이 혁명을 일으킨 주인공은 바로 남세균이었다. 남세균은 산소성 광합성을 할 수 있는 유일한 세균이다. ”

“ 현재 광합성량을 제약하는 요인은 대체로 햇빛, 이산화탄소, 물이 아니라, 영양소의 이용도다. 특히 DNA의 성분인 인과 DNA 및 단백질에 필요한 성분인 질소가 그렇다. 일부 세균과 고세균은 질소 기체를 생물들이 이용할 수 있는 분자로 바꿀 수 있으며, 번개도 그럴 수 있다(양은 적지만). 따라서 초기 생물권을 이해하려면 인에 초점을 맞출 필요가 있다. ”

“ 스위트피 뿌리를 뚫고 들어가는 방문자 땅에서 스위트피sweet pea(혹은 다른 콩과 식물)를 뽑아 뿌리에 붙어 있는 흙을 신중하게 털어내면 뿌리에 수십 개의 작고(지름 0.3센티미터 정도) 동그란 혹이 돋아 있는 것을 볼 수 있다. 하나를 칼로 자르거나 짜면 그 안에서 붉은 즙이 나오는데, 이것이 미생물이 있다는 증거다. 이 즙은 인간을 비롯한 포유동물의 적혈구 세포에 들어 있는 빨간색 물질과 밀접한 헤모글로빈hemoglobin이 들어 있기 때문에 실제로 피 같은 빨간색을 띤다. 가끔 우리와 미생물의 친족관계를 부인하기가 어려울 정도다. 스위트피 식물들은 적절한 박테리아가 없는 흙에서 자라는 것을 제외하면 거의 모든 뿌리에 이런 혹이 있다. 사실 스위트피만큼 작은 것부터 나무처럼 큰 것에 이르기까지 콩과 식물leguminous plant의 대부분에 이런 혹이 있다. 콩과 식물은 테 없는 모자(보닛bonnet) 모양의 꽃 때문에 알아보기가 쉽다. 텍사스 사람들은 콩과 식물을 '파란 모자blue bonnet'라고 부른다. 뿌리의 결절은 '뿌리혹root nodule'이라고 알려져 있고, 여기에는 박테리아 세포가 빼곡하게 들어 있다. ”

“ 이 구조는 대단히 흉측하게 보이지만, 이들의 영향력은 이들을 달고 있는 콩과 식물을 넘어선다. 뿌리혹은 지구의 생태에 큰 영향을 미친다. 그 안에 있는 박테리아 세포들이 기체 질소(N₂)를 고정형(비기체)인 암모니아 이온(NH₄⁺)으로 바꾸는 질소고정을 하기 때문이다. 고정된 질소는 이 혹에서 빠져나와 생명체의 복잡하게 연결된 화학물질 통로를 타고 다른 모든 형태의 고정 질소가 된다. 단백질, 세포막 구성 물질, DNA, RNA 같은 모든 생명체의 필수 요소 대부분에 질소가 들어 있기 때문에, 생명체에는 고정 질소 공급원이 있어야 한다. 이런 유기체 안에 있는 여러 형태의 질소들은 한때 대기 중의 기체 질소였다. 지구상에는 동물이나 식물이나 동물 사체의 미생물 덩어리를 먹을 때 얻는 것처럼 한 생명체에서 다른 생명체로 끊임없이 고정 질소가 전달되는 안정적인 자원이 존재하지 않는다. 왜냐하면 일부 고정 질소는 (특정 미생물에 의해 독점적으로) 계속해서 기체 질소로 바뀌어 다시 대기 중으로 돌아가기 때문이다. 후에 이야기할 폐수 처리 공장의 생성물에서 이런 생성자들을 보게 될 것이다. 그러니까 기체 질소를 고정 형태로 끊임없이 보내주지 않으면 모든 생명체는 조만간 종말을 맞이할 것이다. 뿌리혹만이 질소를 고정시키는 것은 아니지만, 이들은 질소를 기체에서 고정형으로 만드는 자연계의 구성요소 중 큰 몫을 차지하고 있다. 나머지 거의 모든 자연계 질소의 흐름은 독립 미생물과 식물이나 흰개미 같은 동물과 공생하는 다른 미생물들의 역할이다. 미생물 중 대표적인 원핵생물, 주로 박테리아와 몇몇 고세균들은 질소를 고정시킬 수 있는 유일한 생명체이다. ”

“ 벼락이나 자외선 복사, 화재 같은 천재지변 때문에 일어나는 자발적 화학반응으로 생기는 아주 적은 양의 고정 질소를 제외하면, 20세기까지 지구상에서 모든 고정 질소를 공급하는 것은 자연계에서 미생물의 역할이었다. 내연기관을 비롯한 고온의 공정 같은 인간의 행위 역시 질소를 일부 고정시키는 데 기여한다. 하지만 1908년 독일의 화학자 프리츠 하버Fritz Haber가 질소와 수소 기체를 암모니아 형태로 고정시키는 화학 공정을 개발하면서 엄청난 변화가 일어났다. 제1차 세계대전 동안 산업적으로 질소를 생산하기 시작한 것이다. 이제 하버법Haber process 및 그와 관련된 산업적 방법을 통한 고정 질소의 생산이 세계 질소 공급의 절반을 도맡고 있다. 의심의 여지없이 하버법은 인류의 복지에 큰 공헌을 세웠다. 하버법으로 다량의 질소 비료를 공급할 수 있게 되었고, 이 비료 덕분에 작물 생산량이 증가하지 않았다면 녹색혁명과 이로 인한 기아 예방은 불가능했을 것이다. 물론 단점도 있다. 하버법은 많은 에너지를 사용하기 때문에 (주로 천연가스 형태로) 부수적인 이산화탄소의 생산과 땅의 지나친 비옥화라는 생태학적 문제를 야기했다. 예를 들어 체서피크 만에서 후자의 영향을 볼 수 있다. 비료에 든 과량의 질소와 인이 주로 농경지에서 만으로 흘러나와서 조류를 과잉 번식시켰고('녹조현상'), 이로 인해 바닷속의 해초들이 햇빛을 받지 못하게 되었다. 그 결과 산소가 부족해져 물고기와 식물을 포함한 해양생물들이 죽어갔다. 만은 빠르게 해양 사막이 됨으로써 하버법의 큰 희생자가 되었다. ”