오파린 가설 문제점 - opalin gaseol munjejeom

Q: 최초의 세포는 어떻게 생겨났는가?

슐라이덴과 슈반은 모든 생물은 하나 이상의 세포로 구성되어 있으며, 세포는 모든 생물의 구조적, 기능적 단위이고, 모든 세포는 이전에 존재하던 세포로부터 유래한다는 세포설을 제창하였다. 최초의 세포는 약 35억년 전에 지구 상에 출현한 것으로 추정되고 있다.

뿌리를 아려는 호기심은 과학의원동력이 된다. 생명은 어떻게 시작된 것일까. 우주는 언제 시작됐으며, 앞으로 어떻게 되는 것일까. 20세기 과학의 특징은 이러한 호기심을 체계화하는데 있다. 때로 어떻게 과학이 발전해 왔는지를 돌아보는 일도 중요한 호기심이 된다. 오늘날 안방을 점령하고 있는 텔레비전은 어떻게 개발됐고, 반도체, 레이저 등 첨단제품의 이론적 배경이 된 양자역학은 누가 이뤄냈을까.중세까지만 해도 사람들은 썩은 고기에서 구더기가 끓는 것을 보고 생명은 스스로 태어난다고 생각했다. 벨기에의 의학자 반 헬몬트(1579-1644)는 밀이나 치즈를 더러운 아마포로 덮어두면 생쥐가 태어난다고 주장해 이러한 자연발생설을 뒷받침했다. 17세기에 들어서자 이러한 자연발생설은 부정되기 시작했다. 1668년 이탈리아의 생물학자 레디(1626-1697)는 썩은 고기를 헝겊으로 싸 파리가 접근하지 못하도록 하면 구더기가 생겨나지 않음을 처음으로 확인했다. 그는 구더기가 썩은 고기에서 나오는 것이 아니라 파리가 그 위에 낳은 알에서 깨어난다고 보고했다. 그러나 이러한 연구 결과로 자연발생설이 수그러들지는 않았다. 생쥐나 구더기는 자연적으로 생겨나지 않지만 미생물들은 자연발생한다는 주장이 새롭게 제기된 것이다. 그것은 눈에 보이지 않는 미시세계를 보여주는 현미경의 등장 때문이었다. 현미경은 효모를 첨가하지 않았는데도 포도주가 발효되고, 삶아놓은 고기가 썩어가는 과정을 보여주었다. 자연발생설에 대한 길고 지루한 논쟁은 1861년 프랑스의 미생물학자 루이 파스퇴르(1822-1897)에 의해 끝이 났다. 그는 고니의 목을 닮은 주둥이를 가진 플라스크를 만들어 공기는 통하되 박테리아는 들어갈 수 없게 했다. 그리고 플라스크에 영양액을 넣고 열을 가한 후 식혀 놓았다. 그 결과 고니목 플라스크 안에는 어떤 미생물도 자라지 않았다(파스퇴르가 고니목 플라스크 안에 넣어둔 영양액은 1백여년이 넘도록 썩지 않았다고 함). 과학자들은 파스퇴르의 실험으로 자연발생설이 더 이상 고개를 내밀지 않을 것이라고 생각했다. 그런데 의외의 분야에서 자연발생설이 부활했다. 지구를 흔히 ‘우주의 오아시스’라고 한다. 현재까지 우리가 알기로 생명체가 살고 있는 천체는 지구말고는 없기 때문이다. 지구에 처음 생명체가 등장한 것은 대략 38억년 전. 그렇다면 그 생명의 씨앗은 어떻게 생겨난 것일까. 파스퇴르의 실험에 따르면 생물은 생물에서 생겨난다. 결국 태초에 지구에 뿌리를 내린 생명의 씨앗은 지구가 아닌 우주에서 날아와야 한다. 그러나 이러한 설명도 한계를 지닌다. 생명의 씨앗이 우주방사선으로부터 해를 입지 않고 긴 우주여행을 거쳐 지구로 날아오기가 쉽지 않기 때문이다. 또 그 씨앗은 도대체 어디서 생겨났을까. 이러한 궁금증을 푼 사람은 러시아의 생화학자 알렉산드르 이바노비치 오파린(1894-1980)이었다. 1922년 봄 모스크바에서 열린 식물학회에서 오파린은 처음으로 원시지구에서 자연발생적으로 생명체가 탄생할 수 있다고 소개했다. 그의 생명탄생 시나리오는 이렇다. 지구의 원시대기는 수소, 메탄, 암모니아와 같은 환원성 기체(수소 또는 수소와 결합한 기체분자)로 충만해 있었다. 이 기체들은 지구 내부에서 분출되는 고온의 니켈, 크롬과 같은 금속들의 촉매작용으로 인해 단순한 유기분자들로 변한 다음, 암모니아와 다시 결합해 점차 복잡한 질소화합물로 변해갔다. 이러한 화합물은 바다에 농축되기 시작했고, 콜로이드 형태의 코아세르베이트(coacervate)로 변했다. 코아세르베이트는 막을 가진 액상의 유기물 덩어리로 외부환경과 구별되는 독립된 내부를 지녔다. 조잡하나마 세포의 형태를 갖춘 것이다. 이들이 점차 스스로 분열하고, 외부와 물질을 주고 받는 기능을 갖추면서 원시생명체로 진화했다. 오파린의 생명기원설은 화학 진화(che-mical evolution)를 통해 생명의 탄생을 설명함으로써 다윈의 진화론을 생명탄생의 순간까지 끌어올렸다. 한편 그의 이론은 사회주의국가의 이념이었던 유물론(唯物論)에 큰 힘을 실어 주었다. 오파린의 생명기원설은 1929년 영국 런던대학의 생리학교수인 존 홀데인(1892-1964)에 의해 계승됐고, 오파린은 생명기원설을 담은 불후의 명저 ‘생명의 기원’을 1936년에 출판했다. 오파린의 가설이 실험으로 입증되기까지는 30년의 세월이 필요했다. 1952년 시카고대학의 교수인 해럴드 유리(1893-1981, 1934년 중수소 발견으로 노벨화학상 수상)는 지구의 원시대기가 목성이나 토성의 대기처럼 환원성 대기(메탄, 암모니아, 수소, 수증기)로 이뤄졌다고 가정하고, 이러한 조건에서 생명이 탄생할 수 있는지 실험하기로 했다. 그 실험은 대학원생인 스탠리 밀러(1930-)가 맡았다. 밀러는 플라스크 안에 원시바다와 같은 상태를 만들어놓고 이를 끓인 다음, 여기서 발생한 수증기가 수소, 메탄, 암모니아와 같은 환원성 대기와 섞이도록 했다. 그리고 마치 벼락이 떨어지는 것처럼 그곳에 전기방전을 일으켰다. 그랬더니 오파린의 예언처럼 그곳에서 아미노산이 만들어졌다. 밀러의 실험 이후 오파린의 생명기원설은 지구 역사와 생명의 기원을 설명할 때 교과서처럼 인용되기 시작했다. 하지만 오파린의 생명기원설은 결정적인 약점을 지니고 있다. 우선 오파린이 가정했던 지구의 원시대기가 환원성대기가 아니었다는 반론이다. 지구와 가까운 금성과 화성에 산화성대기인 이산화탄소가 존재한다는 사실이 이를 뒷받침한다. 그래서 과학자들은 밀러의 실험장치에 이산화탄소를 넣고 실험해 봤다. 그 결과는 환원성대기만으로 실험했을 때보다 아미노산의 생성률이 현저하게 떨어졌다. 이러한 생명기원설의 약점은 진화론을 반대하는 창조론자들에게는 좋은 무기가 됐다.

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지구에서 최초의 생명체는 어떻게 출현?
생명은 어떻게 탄생했는가?
최초의 세포는 어떻게 생겨났는가?

지구로부터 1400광년가량 떨어진 백조자리에서 생명체가 존재할 가능성이 높은 외계행성 ‘케플러-452b’가 발견됐다. 사진은 미국 항공우주국(NASA)이 지난달 23일 공개한 이 행성의 상상도(오른쪽)와 지구의 모습. 나사(NASA) 제공

DNA구조 밝힌 프랜시스 크릭
“40억년전 우주선 타고 온 미생물
지구 ‘원시국물’서 생명 발아”

생명 그 자체:
40억년 전 어느 날의 우연
프랜시스 크릭 지음, 김명남 옮김
김영사·1만3800원‘믿기 난처한’ 이야기라도 일단 그 분야에 정통한 사람의 말이라면 귀기울이게 되는 법이다.지구에 생명이 어떻게 생겨났는가는 오랜 논쟁거리였다. 1923년 러시아의 알렉산드르 오파린은 원시지구에서 화학반응으로 최초의 세포가 만들어졌다는 가설을 제기했다. 오파린 가설은 그 20년 전인 1903년 스웨덴 물리학자 스반테 아레니우스가 주장한 ‘범종설’(汎種說, 판스페르미아)에 대한 이론적 반격이었다. 범종은 ‘모든 씨앗’, ‘두루 존재하는 씨앗’이란 뜻으로, 범종설은 생명이 우주에서 떠돌던 미생물을 씨앗으로 삼아 탄생했다고 본다.오파린으로부터 30년 뒤, 1953년 미국의 스탠리 밀러가 원시지구의 자연상태를 흉내낸 ‘닫힌계’(산소 없는 플라스크에 메탄, 수증기, 암모니아, 수소 기체를 넣음)에 방전을 하여 무기물질에서 생명(유기화합물)을 생성시키는 데 성공했다. 밀러의 실험은 지구에서 생명이 절로 생겨났다는 오파린 가설을 실험으로써 증명한 것으로 여겨지는 분위기였다.그런데 여기에 생명의 비밀을 풀 열쇠로 일컬어지는 디엔에이(DNA) 분자구조를 제임스 왓슨과 함께 밝혀낸 영국의 분자생물학자 프랜시스 크릭(1916~2004·사진)이 가세한다.

1953년 디엔에이 구조를 밝힌 프랜시스 크릭은 20년 뒤 지구 생명 외계 기원설을 주장한다. 사진은 디엔에이 이중나선 모형 앞에 서 있는 크릭. <한겨레> 자료사진

크릭은 노벨상 수상 11년 뒤인 1973년 지구 생명의 외계 기원론을 주장한다. 화학자 레슬리 오겔과 함께 범종설을 다시 끄집어냈다. 두 사람은 밀러의 실험이 놀라운 과학적 성과지만, 그것이 생명의 지구 기원론을 전적으로 뒷받침하는 건 아니라고 봤다. 두 사람은 범종설을 약간 변형한 ‘정향(定向) 범종설’을 제안하는데, 요는 40억년 전쯤 외계 고등문명이 무인 우주선에 실어 보낸 미생물(세균)들이 지구 원시바다에 떨어져 증식을 시작하였고 그리하여 지구에서도 생명이 시작되었으리라는 것이다.<생명 그 자체>(Life Itself)는 크릭이 ‘정향 범종설’을 대중적으로 널리 알리고자 쓴 책이다. 크릭은 생육 가능한 포자가 우주에서 오랜 시간을 여행하고도 복사에너지에 손상되지 않은 채 지구에 도착하기 어렵다는 점에서 그 미생물들이 우주선에 실려 왔을 것이라고 본다. ‘무인’ 우주선인 까닭은 이동 범위를 최대로 넓히기 위해서다. 우주선을 보낼 만큼 고등문명을 지닌 외계 존재가 자신들이 아니라 미생물을 태운 것은 그 우주선이 빛의 속도로 달린다 해도 ‘시간의 한계’(지구와 가장 가까운 다른 은하계의 별 빛이 지구에 닿는 시간이 300만~400만년 걸린다)로 인해 수명을 뛰어넘을 수 없기 때문이며, 생물 발생 이전의 지구 대기는 산소가 거의 없었을 가능성이 높으므로 산소 없이 존재할 수 있는 세균을 탑승시켰다는 것. 이 세균들이 원시지구의 생명도 없고 썩지도 않는 바다, 곧 묽은 닭고기 육수 비슷한 상태의 ‘원시국물(수프)’에 도달하여 생명을 만들어냈다는 것.과학이라기보다는 맹랑한 과학소설적 발상이라는 생각이 들 법도 한데, 오래도록 생명의 기원을 연구해온 크릭 역시 스스로 생각해도 난감했던 것 같다. “난처하게도, 오겔과 내가 정향 범종설을 떠올린 것은 유전부호의 보편성 때문이었다.”지구의 생물들은 미토콘드리아를 제외하고는 모두 유전부호가 같다. 미토콘드리아도 차이가 크지 않은데, 크릭은 이 까닭을 생명이 어느 단계에서든 한번은 병목을 거쳤기 때문일 것이라고 추측한다. 곧, “상호 교배하는 하나의 작은 개체군으로부터 이후의 모든 생명들이 유래했다”는 것이다. 지구에서 스스로 생명이 생겨 진화했어도 다른 유전부호를 지닌 형태들은 죄다 멸종하고 결국 하나의 형태만 남았을 가능성도 있지만, 그는 그보다는, 지구 생물 유전부호가 보편성을 띠는 것은 생명의 외계 기원설을 지지하는 증거일 수 있다고 본다.그는 생명 씨앗 외계 기원설(정향 범종설)에 대한 반론 중 하나인 ‘외계에서 미생물이 왔다면 진화에 주어진 시간이 지나치게 짧다’는 반론을 이렇게 반박한다. 우주의 나이는 약 138억년, 지구의 나이는 약 45억년인 만큼 “90억년 전 어느 먼 행성에서 생명이 시작되고, 40억~50억년에 걸쳐 우리 비슷한 생물체가 발달하고 그들이 가장 단순한 생명형태를 지구로 보내기에 충분한 시간이다.”모두 15장으로 이뤄진 이 책에서 크릭은 ‘우주의 시간과 거리’에서부터 ‘원시지구’, ‘생명 탄생에 적합한 원시국물을 지닌 다른 행성들’, ‘고등 문명들’, ‘국물에서 인간이 되기까지 장대한 과정’까지 열다섯 화두를 풀어놓는다. 이 열다섯 관문은 생명 탄생과 우주에 관한 흥미로운 개설서가 탄생하는 과정이자 지구가 생명을 스스로 만들었다는 이론을 반박하는 과정이지만, 반박의 근거가 이 주제의 성격상 이런저런 추론일 수밖에 없는 것이 사실이다. 정향 범종설은, 그의 말을 요약하면, 이론으로서 유효하지만 안타깝게도 몇가지 결함이 있고, 따라서 이론으로서 미숙하기 때문이다.지구 생명 외계 기원설은 과학계에서 소수의견으로 존재한다. 1981년에 쓴 비교적 오래된 책이지만 유머를 섞어 간결한 문체로 써내려간 뛰어난 과학자의 글을 읽는 건 흥미로운 일이다. 크릭과 함께 정향 범종설을 주장한 오겔은 유기화합물 생성 실험을 성공시킨 밀러와 함께 1973년 <생명의 기원>이란 책을 쓰기도 했다.허미경 기자 [email protected]