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

“ 이 생물학적 이야기를 당시 환경에 놓고서 살펴보자. 진핵생물은 대부분 산소 호흡을 하며, 산소 호흡을 하지 않는 종류는 산소 호흡을 한 조상으로부터 진화했다. 게다가 산소가 없는 곳에 사는 진핵생물도 거의 다 산소를 이용할 수 있는 곳에서만 생기는 생명 분자를 필요로 한다. 이들은 산소가 풍부한 서식지에서 나온 먹이를 먹음으로써 필요한 분자를 얻는다. 따라서 진핵생물은 한 가지 중요한 측면에서 GOE의 자식인 셈이다. ”

“ 진핵생물을 정의하는 특징은 세포핵이지만, 진핵생물의 세포에는 역사와 생태를 알려주는 다른 특징들도 있다. 특히 중요한 점은 세균과 달리 진핵생물이 분자 뼈대와 막으로 이루어진 역동적인 내부 체계를 지닌다는 것이다. 덕분에 진핵세포는 크게 자라고 다양한 모양을 취할 수 있다. 또 진핵생물은 대체로 세균에게는 불가능한 방식으로 살아갈 수 있다. 특히 다른 세포도 포함하여 작은 먹이 알갱이를 삼킬 수 있다. 따라서 포식을 통해서 진핵세포는 생태계에 새로운 복잡성을 도입한 셈이었다. 그리고 다음 장에서 살펴보겠지만, 세포 사이의 새로운 의사소통 방식은 복잡한 다세포 생물로 이어질 길을 열었다. ”

“ 그러나 진핵생물이 출현했다고 해서 생명이 시작된 이래로 지구를 지배했던 세균과 고세균을 대체한 것은 아니라는 점을 명심하자. 진핵생물은 여전히 미생물의 대사에 의존하고 있던 미생물 생태계에 끼워진 것이다. 지금도 생물권에는 동물 1톤당 세균과 고세균이 30톤의 비율로 존재한다. ”

“ 대사代謝란 다양한 한 벌의 화학반응으로, 모든 생명 형태가 이것을 써서 주변의 원자와 에너지를 더 많은 세포 내용물로 바꾼다. 세포들은 마치 조그만 화학공장처럼, 분자 원료와 연료를 섭취하고 힘들게 얻은 그 자원들을 써서 운동, 수리, 성장, 그리고 때때로 번식을 돕는다. 그리고 화학공장과 마찬가지로, 다시 말해 사나운 산불이나 처음으로 원소를 생성하는 항성의 핵 연쇄반응과 달리, 세포는 양성 되먹임positive feedback과 음성 되먹임negative feedback을 써서 이 반응을 절묘하게 통제하고 조절한다. ”

“ 선생님, 그런데 산소가 없으면 생물체가 어떻게 살아가나요? 산소가 없으면 숨을 쉴 수 없었을 텐데……. 네, 맞아요. 그래서 산소가 없었던 원시 지구의 대기에는 산소가 있어야만 살 수 있는 생명체는 없었을 것으로 추정하고 있습니다. 원시 생명체는 산소가 없는 환경에서 살았으므로, 바다에 풍부하게 존재하는 유기물을 분해하여 에너지를 얻었을 것으로 생각하고 있어요. 산소를 이용하지 않고 유기물을 분해하여 에너지를 방출하는 것을 무기 호흡anaerobic respiration 이라고 하고, 스스로 유기물을 생산하지 못하고 바다의 풍부한 유기물을 이용해서 살아가는 원시 생명체를 종속 영양 생물heterotrophs이라고 한답니다. 초기의 원시 생명체는 산소가 없어도 에너지를 얻을 수 있는 코아세르베이트나 마이크로스피어에서 기원된 종속 영양을 하는 원핵생물이었을 것입니다. 그런데 시간이 지나면서 지구에는 변화가 찾아왔어요. 지구의 온도가 점차 낮아지기 시작한 거죠. 지구가 점점 시으면서 유기물이 만들어지는 양도 감소하였지요. 뿐만 아니라 종속 영양 생물들이 유기물을 계속 소모함에 따라서 바다에 풍부하게 존재했던 유기물의 양은 점점 줄어들게 되었어요. 결국, 생명체들은 자신들이 살기 위해 더 많은 유기물이 필요하게 되었답니다. ”

“ 늘어난 종속 영양 생물들 사이에서는 경쟁이 일어났을 것입니다. 경쟁에서 살아남기 위해 유기물을 더 효율적으로 이용하거나 스스로 유기물을 만들 수 있는 독특한 대사 작용을 가지고 있는 생물이 자연 선택될 수밖에 없었겠죠. 이런 과정에서 독립 영양 생물이 번성하게 된 것입니다. 독립 영양 생물(aututrophs)이란, 유기물을 스스로 합성해서 에너지를 얻는 생물을 말합니다. 독립 영양 생물은 공기 중의 이산화탄소를 자신에게 필요한 유기물로 전환할 때 에너지가 필요한데, 그것은 주로 햇빛, 황화수소, 황, 철분 등을 이용했을 것으로 생각되고 있습니다. 이렇게 이용하는 에너지원을 기준으로 독립 영양 생물의 종류를 분류할 수 있답니다. 햇빛을 이용해서 유기물을 얻는 독립 영양 생물을 광독립 영양 생물(photoauototrophs)이라고 하며, 황화수소나 황, 철분 등을 이용해서 에너지를 얻는 독립 영양 생물을 화학 독립 영양 생물(chemoautotrophs)이라고 해요. ”

“ 독립 영양 생물의 탄생 증거는 약 35억 년 전에 형성된 것으로 생각되는 스트로마톨라이트(stromatolites)에서 찾을 수 있습니다. 스트로마톨라이트는 원핵생물이 퇴적물에 얇은 막으로 결합하면서 형성된 여러 층으로 이루어진 암석을 말하는데, 따뜻하고 얕은 바닷물에서 발견됩니다. 그들은 이산화탄소를 유기물로 전환할 수 있었으며, 이 과정에서 빛과 황화수소를 이용하였어요. 이런 작용은 광합성과 매우 유사한 것으로, 스트로마톨라이트는 결국 최초의 광합성 세균인 독립 영양 생물이었을 것으로 추측하고 있지요. 그러나 충분한 양의 햇빛과 황화수소를 제공할 수 있는 장소는 한정되어 있었을 것이므로 그 시기가 언제였는지는 정확하게 추정하지 못한답니다. 물에서 수소를 공급받아 광합성을 하는 원시 남조류도 그 당시에 출현했을 것으로 생각하고 있어요. 남조류는 현재도 발견되고 있는데, 태양 에너지와 물을 이용하여 광합성을 할 수 있지요. ”

“ 생물이 산소를 이용하여 유기물을 분해하는 것을 유기 호흡(aerobic respitration)이라고 합니다. 유기 호흡은 무기 호흡에 비해 에너지 효율이 높은 호흡 방법이므로 과학자들은 유기 호흡 종속 영양 생물은 무기 호흡 생물에 비해 빠른 속도로 번성했을 것으로 생각합니다. 원시 지구의 대기가 환원성 대기 상태에서 산소가 풍부한 산화성 대기로 바뀌면서 산소에 민감한 생명체는 멸종하게 되었고, 점차 유기 호흡을 하는 종속 영양 생물이 번성하게 되었을 거예요. 또한 산화성 대기는 유기 호흡이 가능한 생명체를 탄생시켰고, 이 과정에서 진핵 세포가 등장했을 것으로 생각하고 있답니다. ”

“ 동물은 중요한 존재다. 털이나 비늘, 발톱, 날개를 지니고 자연을 누비며 살아가는 이들은 생명을 유지하는 데 필수적인 영양소를 공급하는 근본 기제이자 생태계 순환을 이끄는 핵심 동력이다. 인류가 수천 년에 걸쳐 지속적으로 자원을 고갈시킨 이후에야 과학자들은 에너지 전달 과정이 이렇게 서로 연결되어 있음을 이해하기 시작했다. 영양소의 흐름을 따라가 보자. 탄소, 질소, 인 같은 필수 원소들은 지질학적 시간 속에서 중력, 바람, 해류를 따라 이동한다. 아래로, 바람을 따라 하류를 향해. 이 원소들이 깊은 바다에 도달하면, 인과 질소의 주 공급원인 인산염과 암모니아 분자는 길게는 수백 년 동안 심해에 갇혀 있을 수 있다. 도달한 곳이 상승류 지역이라면 다시 떠오를 수도 있겠지만, 그런 곳은 드물다. 그런데 이 필수 영양소들이 수천 미터 깊이에서 벗어날 수 있는 또 다른 경로가 있다. 바로 고래의 몸을 통해서다. ”