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

“ 1. 식물은 육상에서 어떤 형태로 진화했는가? 원시지구에서 엽록소를 가지고 광합성을 하여 산소를 공급했던 남세균을 비롯한 다양한 단세포 광합성 미생물들이 홍조류, 갈조류, 녹조류 등으로 진화하면서 대기 중에 많은 산소를 공급하여 선캠브리아대 말기에는 공기 중의 약 10%가 산소로 채워졌다. 이렇게 증가된 산소의 일부가 오존이 되고 대기 상층에 오존층을 형성하여 태양의 강한 자외선을 막아줌으로써 생물이 더 잘 살 수 있는 환경이 조성되었다. 그러나 물속에 살던 조류가 건조한 육상에서 살기 위해서는 수분 증발을 방지하고 체내의 수분을 유지하기 위한 보호막이 필요했다. 이를 위해 왁스 중합체로 구성되어 물 분자가 스며들지 못하게 하는 큐티클(cuticle)층이 발달했다. 이 큐티클층은 식물체의 표피를 덮어 식물체 내의 수분이 날아가지 않게 할 뿐 아니라 균의 침입이나 기체의 흐름도 제한한다. 그래서 육상 식물은 기체를 안으로 받아들이거나 밖으로 내보내기 위해서는 특수한 구멍을 열고 닫는다. 이 구멍은 기공(stoma, 복수형 stomata)이라고 하며, 그리스어로 '입'을 뜻한다. ”

“ 식물은 큐티클과 기공으로 보호 표피층을 형성함으로써 육상에서 건조해지지 않고 살아갈 수 있게 되었다. 또한 물속과 달리 육상에 있는 식물은 땅속에서 물을 흡수하여 체내에 물을 잘 전달할 뿐 아니라 식물체를 지탱할 수 있는 구조를 갖추어야 했다. 즉, 식물체를 고정하고 물과 무기염류를 흡수할 수 있는 뿌리계와 흡수한 물을 전체 식물체에 전달하는 헛물관(가도관)과 물관(도관) 같은 통도조직이 필요했다. 또한 보다 많은 빛에너지를 이용하기 위해 잎의 표면적이 넓어졌다. 이러한 진화 과정에서 세포들의 형태와 크기가 특수화되고, 비슷한 세포들끼리 그룹화되면서 조직과 기관을 형성했다. 영양기관 세포들의 종류가 일찍 진화한 데 비해 생식세포와 그 체계는 백악기 이후에도 계속 진화되었다. 화석 기록에 의하면 녹조류에서 육상 식물로 진화하는 과정에서 가장 오래된 식물은 쿡소니아라는 양치식물로 알려져 있다. 그러나 선태류의 식물체 구조와 생태가 화석이 되기 어려웠을 수도 있고, 오르도비스기 말경 육상에 이미 이끼류가 있었다는 고생물학 연구결과들을 감안하면 녹조류에서 이끼류를 거쳐서 양치류로 진화했다는 해석이 정석이다. ”

“ 라이니 풍경의 많은 지역을 뒤덮고 있던 상징적인 초기 식물인 리니아Rhynia는 주로 광합성을 하는 헐벗은 축만으로 이루어져 있었다. 이 축은 연필만 한데, 딸기의 기는줄기와 매우 흡사하게 땅을 따라 기다가 이따금 수직으로 가지를 뻗어 올린다. 수직으로 최대 20센티미터까지 뻗어 올라간다. 이 축은 얇은 왁스 층과 큐티클cuticle(식물의 체표를 덮고 있는 얇은 막)이라는 지방산으로 덮여 있다. 현생 식물을 조사하여 알고 있듯이 큐티클이 실질적으로 세포의 수증기가 대기로 빠져나가지 못하게 막지만, 반면에 광합성에 필요한 이산화탄소가 확산되어 들어오는 것도 막는다는 것을 알았다. .... 기공을 지닌 큐티클은 육상식물의 필수 요소다. 라이니 화석에서도 볼 수 있다. ”

“ 이끼(선태)식물 초기 육상 식물 중 우리 주위에서 볼 수 있는 식물은 우물가나 습한 곳에서 자라는 우산이끼류(태류)와 솔이끼류(선류) 같은 이끼류(선태식물)이다. 이끼류는 헛뿌리를 발달시켜 식물체를 땅에 고정시키고 물을 흡수하며, 공기나 물에 포자를 퍼뜨려서 번식한다. 암과 수의 구별이 있는 배우자체일 때 정자를 만드는 주머니인 장정기에서 정자를 만들고, 난자를 만드는 주머니인 장난기에서 난자를 생산한다. 이때 배우자의 핵은 하나의 염색체 세트를 갖고 있어서 반수체(1N)이다. 정자(1N)가 물기를 타고 난자(1N)에게 헤엄쳐가 결합하여 접합자인 배(2N)를 만든다. 이 배가 성숙하면 포자체가 되어 포자낭(sporangium, 복수형 sporangia)을 만들고 포자낭에서 다시 포자를 방출한다. 이 포자는 큐티클보다 더 단단한 보호 물질로 둘러싸여 있어서 건조한 환경이나 자외선을 견뎌내며 생존하다가 생장에 적합한 습기 있는 장소에 닿으면 발아한다. 이들은 수정 과정에 필요한 물이 있는 곳에서만 살 수 있다. ”

“ 양치식물 이끼류보다 조금 더 진화된 식물은 고생대 중기 실루리아기(약 4억3천3백~3억9천3백 년 전)에 강가에 살던 쿡소니아(Cooksonia)로 알려져 있다. 지금은 멸종된 원시적인 육상식물인 쿡소니아는 영국 웨일즈 지방에 화석으로 남아 있는데, 줄기에 유관속조직이 있으며, 비유관속 이끼류에서 유관속 식물로 진화하는 전이 형태를 갖는 작은 식물이었다. 또한 초기 육상 식물로 영국 스코틀랜드 라이니 지방에서 발견된 라이니 쳐트(Rhynie Chert) 지층에 화석으로 남아있는 라이니아(Rhynia)를 들 수 있다. 라이니아는 데본기(약 4억2천~3억2천 년 전)에 나타난 식물로, 줄기에 잎이 없으며 줄기가 둘로 갈라지고 갈라진 줄기 끝에 포자낭을 갖고 있는 단순한 형태의 작은 식물이었다. 이러한 식물들과 가장 비슷한, 현재 남아 있는 가장 원시적인 육상식물은 양치식물의 한 종류인 솔잎란이다. 현재의 작은 양치식물과 달리 고생대 데본기 중기 이후부터 석탄기에는 50m가 넘는 대형 양치식물들이 숲을 이루었고 이는 전 세계에 분포한 대규모 석탄층의 기원이 되었다. 우리나라의 경우는 이러한 대형 석송류(Lepidodendron sp.)와 대형 나무고사리(Pecopteris arborescens) 및 속새류(Annularia stellata)와 같은 화석 양치식물이 강원도 태백에 분포하고 있었다. 양치식물은 체내에 물을 수송시킬 수 있는 관다발(유관속, vascular bundle)을 발달시켰지만 번식은 이끼류와 마찬가지로 포자로 번식하며 물을 필요로 한다. 양치식물은 이끼류보다는 좀 덜 습한 곳에 자라지만 물이 있어야만 유성생식을 할 수 있어서 물가나 습한 환경, 또는 건조한 기후라도 우기가 흔한 지역에 산다. 양치식물에는 솔잎란류, 물솔류, 석송류, 속새류와 고사리류가 있다. ”

“ 육지에 사는 리니아의 홀씨는 바람을 통해 흩날려서 퍼졌기에, 말라붙기 쉬웠다. 그래서 현생 고사리 홀씨나 꽃식물의 꽃가루처럼, 리니아의 홀씨도 스포로폴레닌sporopollenin(포자나 화분의 세포벽을 구성하는 화합물)이라는 복잡한 중합체로 감싸여 있었다. 이 덮개는 물 손실을 억제하는 한편으로 해로운 자외선을 막는 "선글라스" 역할도 했다. ”

“ 리니아의 곧추선 축 끝에는 대개 번식을 위한 홀씨가 들어 있는 길쭉한 기관이 달려 있다. 물에서는 홀씨가 이리저리 헤엄쳐 움직일 수 있으므로, 퍼지기가 비교적 쉽다. 그러나 육지에 사는 리니아의 홀씨는 바람을 통해 흩날려서 퍼졌기에, 말라붙기 쉬웠다. 그래서 현생 고사리 홀씨나 꽃식물의 꽃가루처럼, 리니아의 홀씨도 스포로폴레닌sporopollenin(포자나 화분의 세포벽을 구성하는 화합물)이라는 복잡한 중합체로 감싸여 있다. 이 덮개는 물 손실을 억제하는 한편으로 해로운 자외선을 막는 "선글라스" 역할도 했다. ”

“ 지금부터 30억 년쯤 전에 생겨난 세포들은 그 이후 무기 영양 생물, 즉 단순한 요소들을 합성하여 복합체를 만들어내는 생물로 발전했으며, 이는 크게 두 부류로 나뉜다. 우선 그 하나는 혐기성 세균bacteria이다. 이 부류의 세포들에게 산소는 파괴적인 요소이므로, 혐기성 세균들은 폐쇄된 생태 환경에서 숨어서 살아야 한다. 이러한 세균은 식물도 아니고 동물도 아니며, 다른 세포에 기생하면서 알코올의 발효를 촉진하거나 병을 일으키는 독소균이 되기도 한다. 반면, 또다른 한 부류는 남조류藍藻類(남조식물이라고도 한다)로서, 세균과는 달리 단세포일 수도 있고 다세포일 수도 있다. 이 남조류는 세균에는 없는 동화 색소를 갖추고 있으므로 확실히 식물에 속한다. 섭씨 74도의 온천수, 영하의 눈, 동물의 장 내 등, 장소를 가리지 않고 어느 환경, 어디에서고 살아남을 수 있을 정도로 저항력이 매우 강한 남조류는 당시 지구가 겪고 있던 극심한 환경 변화를 주도적으로 이끌었다. 산소를 배출함으로써 대기층, 다시 말해서 호흡할 수 있는 공기층을 형성하여 지구에 생명체가 살 수 있도록 만든 장본인이 바로 남조류였다. 이렇게 볼 때, 모든 식물과 동물, 심지어 인간들까지 이 지구에 존재할 수 있게 된 바탕에는 남조류가 중요하게 자리잡고 있다고 말할 수 있다. 그리고 이 독특한 식물군은 아마도 먼 장래에도 유일하게 생존하는 생명체가 될 것이다. 왜냐하면 남조류는 적외선 반사광만 있어도 광합성 작용을 할 수 있기 때문이다. 태양이 서쪽 하늘로 사라져버린 후에도 아직 붉은 기운이 남아 있으면, 태양이 이제 빛을 발하지 않는 항성이 되어버려도 아직 적외선을 내보낸다면, 그것으로는 불충분한 다른 녹색 식물들은 소멸되고 그에 따라 동물들도 사라질 테지만, 남조류만큼은 그때까지도 생존할 수 있을 것이다. 남조류가 지구에 처음으로 나타난 생명체였던 것과 마찬가지로, 남조류는 가장 마지막까지 생명의 흔적을 지닌 존재로 살아남을 것이다. 오늘날에도 지극히 미세한 남조류들은 바닷물 표면을 자유롭게 부유하는 식물성 플랑크톤으로서, 공기 중의 산소와 이산화탄소의 비율을 조절함으로써 바닷속과 육지에서 생명을 유지하는 역할을 한다. 이들이 소멸된다면, 모든 생명체가 소멸될 것이다. 남조류가 배출한 산소는, 산소는 산소이되 분자식이 다른 변형체인 오존을 만들어냈다. 산소에서 오존으로의 변화가 자외선의 전리 방사 현상에서 비롯된 것은 사실이지만, 일단 형성된 오존층은 자외선을 차단하는 작용을 한다. 당시까지 전리 방사선은 대기를 불모화했으나, 오존층은 훗날 생명체가 바다에서 벗어나 육지를 정복하는데 커다란 역할을 한다. ”

“ 천상에서 오는 생명의 에너지 요컨대 최초의 생명체는 식물이었으며, 이는 그럴 수밖에 없는 것이, 식물은 무기물에게서 영양을 섭취할 수 있지만, 동물은 전적으로 식물에 의존해서 살아야 하기 때문이다. 식물은 이산화탄소와 물처럼 어디에나 널려 있는 단순한 물질만 있으면 성장할 수 있는데, 이는 엽록소chlorophyll 덕분이다. 그리스어에서 녹색을 뜻하는 클로로스Chloros라는 어근에서도 드러나듯이, 이 녹색 색소는 때로 빨강이나 노랑 또는 파랑 등 다른 색소에 의해 가려지기도 하는데, 조류藻類에서 이러한 현상을 쉽게 찾을 수 있다. 이 색소는 세포의 세포질 속에 있는 엽록체라고 하는 달걀 모양의 세포 소기관에 붙어 있다. 낮 동안 빛을 받은 식물 세포가 물 또는 이산화탄소를 에워싼 다른 액체에서 유기 물질을 만들어내는 광합성 작용의 결과물은 단순하지만 그 과정은 매우 복잡하며, 아직도 상당 부분이 수수께끼 상태로 남아 있다. … 그러나 이처럼 화학 작용이 연속적으로 일어나려면 초기에 엄청난 양의 에너지가 필요하다. 광합성이라고 하는 엽록소의 기적은 바로 이 단계에서 일어난다. 이 용어는 그리스어에서 빛을 의미하는 포스phos 또는 포토스photos와, ‘합하다, 다르게 결합하다’는 뜻을 지닌 쉰테시스sunthesis가 결합된 용어이다. 광합성을 기적이라고 말하는 것은 오직 식물만이 태양 광선 그 자체를 에너지원으로 활용하는 놀라운 업적을 이룩할 수 있기 때문이다. 이는 바꿔 말하면, 태양만이 지구의 생명체를 가능하게 만든 유일하고 진정한 원동력이며, 이 사실은 이미 태곳적부터 숱한 신화나 종교에서 주장해온 바와 다르지 않다. 다시 말해서 생명의 에너지는 지상이 아닌 천상에서 온다는 말이다. 광합성 작용 덕택에 창조의 모든 기적이 이루어질 수 있다. 광합성 작용으로 말미암아 무기물을 유기물로, 무생물을 생물로, 비활성 물질을 생명체로 바꾸는 일이 가능하다. 그러므로 엽록소는 모든 생명체의 근원이다. ”

“ 식물에서 동물로 이처럼 장래의 무궁무진한 가능성을 지닌 조류는 두 가지 계통으로 발전되어갔다. 이 두 계통의 구분이 처음부터 명확했던 것은 아니고, 점차 구분되어갔다고 말하는 것이 좀더 정확하다. 이 두 계통은 다름 아닌 고등 식물과 동물이다. 오늘날에 식물과 동물은 너무도 명백하게 구분되지만, 처음부터 그랬던 것은 아니다. 누구나 다 알다시피 식물은 움직이지 못하고 자신이 자리잡은 그곳에서 필요한 모든 영양소를 얻어야 한다. 반면 동물은 먹이를 찾아 끊임없이 이동해야 하며, 그 먹이라는 것을 거슬러 올라가다 보면 궁극적으로 식물에 도달하게 된다. 왜냐하면 육식동물들의 먹이가 되는 초식동물들의 살과 근육은 결국 식물에게서 얻은 것이기 때문이다. 동물의 이동성은 근육 조직과 밀접하게 연결되어 있으며, 이는 경직된 세포 조직을 가진 식물에게서는 찾아볼 수 없다. 뿐만 아니라 근육 조직은 신경 체계의 지시가 있을 때에만 움직이는데, 식물은 이러한 신경 체계를 지니고 있지 않다. 식물도 신경 임펄스impulse(충격)에 비길 만한 전기파를 만들어내기는 하지만, 이를 즉각적으로 조직의 모든 부분에 전달해주는 신경 세포처럼 특별히 체계화된 전달 방식을 갖추지는 못했다. 식물에게 전위electric potential(전하가 갖는 위치 에너지-옮긴이)는 한 방향으로 집중된 것이 아니라 분산되어 있다. 이에 비해 동물의 경우에는 중앙으로 집중되어 있다는 특성을 지니고 있다. 동물에게서 집중 현상은 호흡(기관지와 폐), 순환(심장), 호르몬 분비와 영양 섭취 등 모든 기관에서 발견된다. 식물의 동화 작용은 세포 수준에서 이루어지며, 동물에서와는 달리 전문적이거나 집중적이지 않다. 이런 관점에서 보더라도 동물의 구조와 식물의 구조는 완전히 다르다. 근본적으로 동물은 두 끝점이 열린 소화관이라고 할 수 있다. 식물은 속이 꽉 채워져 있는 반면, 동물은 원초적인 물, 즉 바닷물만을 내부에 간직한 공백 상태를 이룬다. 이 짠맛 나는 액체, 다시 말해서 림프액과 혈액은 모든 기관을 감싸면서 이 기관들의 가장 은밀한 곳까지 파고 들어간다. ”

“ 광합성이라는 요리에서 요리사는 엽록소다. 나무에 있는 엽록소 중 가장 흔한 종류는 '엽록소 a'와 '엽록소 b'다. 이 두 종류의 엽록소는 빨간색과 파랑-보라색 빛을 효과적으로 흡수한다. 태양은 가시광선 영역을 중심으로 양 끝의 자외선과 적외선 영역을 포함한 넓은 파장대의 빛을 지구로 내뿜는데, 이 빛을 받은 나뭇잎은 무지개의 끝에 해당하는 빨간색과 파랑-보라색 빛을 흡수해 광합성 재료로 쓰고, 나머지 빛은 내보낸다. 이때 방출되는 빛을 우리 뇌는 초록색으로 인지하기 때문에 나뭇잎이 초록색으로 보이는 것이다. 나뭇잎은 초록색이지만 사실 초록색 빛을 배척한다. 자신이 가장 싫어하는 빛으로 자신의 색이 결정된다니, 참 슬픈 일이다. 엽록소는 왜 초록색을 싫어할까? ”

“ 엽록소는 금속 원자를 포함하고 있다는 점에서도 특별하다. 엽록소에는 무려 100개가 넘는 원자가 있지만, 엽록소 a의 분자식에서 볼 수 있듯 꼬리에 붙은 마그네슘Mg 원자 덕분에 광합성을 할 수 있다. 게다가 엽록소의 수많은 분자 안에는 또 수많은 전자가 '갇혀' 있다. 그래서 엽록소의 전자는 레이저의 전자처럼 고전역학이 아닌 양자역학을 따른다. 양자역학에 대한 현학적 이야기가 워낙 많지만 벌써 겁먹지는 말자. 전자의 행동은 자유의지를 가진 인간의 행동보다 평범하다. 사실 양자역학은 그저 전자같이 아주 작은 녀석들의 행동을 정확한 수치로 설명하기 위한 이론일 뿐이다. '역학'은 '그 행동을 예측할 수 있다'는 말과 같다. 오히려 인간은 이상한 행동도 많이 하고, 그것을 전혀 예측할 수 없어 당황스러울 때도 자주 있지 않은가. 만약 '인간행동역학'이라는 이론이 정립되면 양자역학보다 수십, 수백 배는 더 복잡하고 어려울 것이다. 바코드스캐너의 레이저에서 살펴보았듯 양자역학에 따르면 원자와 분자에 '갇힌' 전자는 불연속적인 값의 에너지를 갖는다. 이를 에너지층이라고 한다. 엽록소 분자에 있는 마그네슘 원자가 다른 원자들과 상호작용하며 엽록소 안의 에너지층 간격을 결정한다. 이렇게 결정된 에너지층 간격이 빨간색과 파랑-보라색 빛의 에너지에 해당하기 때문에 나뭇잎은 이 두 개의 빛을 가장 강하게 흡수할 수 있는 것이다. ”

“ 여기까지가 나뭇잎이 초록빛을 띠게 된 원리다. 그렇다면 아예 처음부터 시작해 보자. 엽록소가 초록빛을 띠도록 만들어진 이유는 과연 무엇일까? 솔직히 말하자면 거기까지는 나도 잘 모른다. 태초부터 거듭된 진화의 결과일 수도 있고, 초록빛을 좋아했던 조물주의 설계일 수도 있고, 광합성을 할 수 있는 식물이 최초로 등장했을 때 그 식물 주변에 마그네슘이 풍부했기 때문일 수도 있다. 지금은 그저 이 초록빛을 즐기면 될 것 같다. 탄소 배출과 미세먼지 등 대기 오염이 심각한 문제로 손꼽히는 요즘 같은 때, 이렇게 우거진 숲이 잘 보존되고 있다는 사실만으로도 참 감사한 일 아닌가. ”

“ 그런데 한 가지 신기한 것은, 진보라고 생각되는 것이 사실은 퇴행에서 비롯된 것일 수도 있다는 점이다. 식물 상태에서 동물로 이행하는 과정은, 적어도 초창기에는, 새로운 기관의 생성보다는 기존 기관의 소멸로 인하여 가능했기 때문이다. 광합성 능력과 그에 다른 무기 영양 능력의 소멸은 동물로 하여금 식물을 잡아먹는 포식자의 지위를 갖게 했다. 식물이 지니고 있는 무성 생식력의 소실로 말미암아 동물은 한 가지 성만 갖게 되었고, 식물의 견고성을 보장해주는 셀룰로오스성 막의 손실 또한 동물의 이동성을 가능하게 했다.이런 현상에 비추어, 동물 세포는 원래 병들거나 비정상적인 식물 세포였다고 주장하는 사람들도 있다. 세포가 견고성을 상실함으로써, 동물은 이동할 수 있게 되었다. 바꿔 말하자면, 먹이를 찾아다닐 수 있게 됨으로써 동물은 무기 영양능력 소멸로 인한 불편함을 보상받을 수 있었다. 모든 일은 서로 연관이 되게 마련인데, 동물이 지니는 이러한 이동성은 동물이 암컷 또는 수컷이라는 단일성을 가진다는 특성과 밀접하게 관련을 맺고 있다. 생식 세포만이 독자적으로 다른 생식 세포를 찾아 이동하는 것이 아니라 그 생식 세포의 임자가 직접 움직이게 되자 교배의 가능성이 급증했으며, 따라서 새로운 부류도 등장하게 되었다. 실제로 동물의 종류는 식물의 종류에 비해 훨씬 다양하다. 비록 자주 언급되지는 않지만, 동물의 세계와 식물의 세계를 뚜렷하게 구분짓는 또 한 가지 특징이 있다. 최초의 동물이 물가로 빠져나와 대기를 호흡하며 육지에 둥지를 틀기 전까지, 지구는 침묵 속에 잠겨 있엇다. 들리는 소리라고는 화산이나 온천의 폭발음, 시냇물 흐르는 소리, 급류가 용트림하는 소리 등 물리적이고 내륙적인 소리가 고작이었다. 아니, 대기의 소리라고 하는 것이 더 정확하다. 당시의 소리는 바람의 숨결이 전부였다. 바다를 동요시키는 것도 바람이었고, 구름을 모아 천둥 번개를 동반한 소나기를 내리게 하는 것도 바람이었으며, 나무들끼리 부딪치게 만드는 것도 바람이었기 때문이다. 그런데 동물의 출현 이후로는 울음소리, 지저귐 소리 등, 이전과는 다른 종류의 소리들이 지구에 등장했다. 동물은 자기 내부 중심에 원초적인 생명 발생 환경을 간직(바닷물처럼 짠 림프액과 혈액)하고 있는 것과 마찬가지로, 바람까지도 자기 안에 지니고 있기 때문에, 그 바람을 소리를 집중적으로 관장하는 통로를 따라 몸 밖으로 내보낸다. 이렇게 해서 소리와 그에 따른 소란스러움이 태초의 침묵과 평화를 대체했다. … 이유야 어찌 되었든, 일단 동물의 출현으로 가닥을 잡게 되자, 이 변화의 과정은 거듭 새로워졌다. 초식동물에서 육식동물이 태어났으며, 육식동물은 자기를 만들어준 초식동물을 잡아먹었고, 이렇게 해서 초식동물보다 더욱 강력한 육식동물이 태어나게 되자 초식동물과 마찬가지로 그들 또한 초강력 육식동물들에게 잡아먹히는 신세를 면할 수 없었다. 이 사슬은 인간에게까지 이르는데, 인간이야말로 자기를 먹여 살리는 지구의 모든 생명을 파괴할 수 있는 유일한 포식자이다. ”