"생명, 최초의 30억 년"을 읽고 정리한 고생물학에 대해
도대체 캄브리아기 대폭발은 왜 일어났을까? 어찌 보면 ‘생명의 역사, 최초의 30억 년’은 그것에 대한 하나의 대답을 제시하고 있는지 모른다.
‘생명의 역사, 최초의 30억 년’은 지질시대의 선캄브리아기라고 불리는 광활한 영역을 담고 있다. 그와 동시에 저서는 직접 층군을 방문하면서 고생물학자들이 그러한 정보를 어떻게 얻었는지를 설명하고 있다. 따라서 이 책을 이해하기 위해선 고생물학자를 이해하는 게 먼저라고 본다.
그들의 연구 방식은 본 저서에서 여럿 소개된 바 있다. 이를 테면 “flow tank”라는 것은 실질적으로 예상되는 환경을 조성한 뒤에 지층 위에 나타난 무늬가 바로 나타나는지 알아보는 장치이다. 이것은 일종의 사건재현 장치라고 할 수 있다. 또, “SHRIMP"라는 장치도 있는데, 이는 시생이언 당시의 지르콘의 시간 관계를 알아낼 수 있다. 지르콘은 너무 안정해 다른 무언가로 외부가 둘러싸인 경우가 많은데, 이온광선 같은 걸 쏴주어 한 겹씩 벗겨내는 장치인 것이다. 그렇다면 그들은 어떻게 시간을 안다는 것일까?
고생물학자들이 시간을 아는 데에는 두 가지 방식이 있다. 하나는 층서분석이라는 방식이다. 이는 상대적인 지질학적 시간을 척도하는 방법으로 지층에 담겨 있는 암석의 특징이나 화석으로 인접한 지층 간에 시간을 비교하는 것이다. 지층누적의 법칙, 관입의 법칙, 부정합, “현실은 과거의 열쇠이다”와 같은 것이 바로 여기에서 나온 것이다. 한편, 이것은 구체적인 척도가 아니기 때문에 이용이 용이하지 못하다. 따라서 도입된 게 절대적인 시간의 척도, 방사성 동위원소 분석이다.
원자량 14인 C는 5500년의 반감기를 가지고 원자량 14인 N으로 변한다. 원자량 238인 U는 45억 년의 반감기를 가지고 원자량 206인 Pb으로 변한다. 원자량 235인 U는 7억 년의 반감기를 가지고 원자량 207인 Pb으로 변한다. 동위원소들은 그 자체로 불안정하기 때문에 일정 시간을 주기로 다른 원소로 붕괴하게 된다. 이를 통해 어떤 광물 혹은 지층의 시간을 알아낼 수 있다. 우라늄과 같은 경우는 두 가지 형태의 붕괴가 가능하므로 서로 보완하여 보다 정밀한 시간 분석을 가능하게 한다. 바로 이것이 지질학자, 고생물학자가 U를 애타게 찾는 이유이다. 또, 저어콘은 U를 함유하는데, 이를 분석할 수 있는 “SHRIMP"가 개발되었을 때 그들은 이를 매우 반가워했다.
이외에도 분별효과(생물은 방사성 동위원소 중 선호하는 게 존재하기 때문에, 그 차이를 분석하여 생물의 영향의 정도를 알아보는 방법), 고지자기학(암석이 형성될 때 철을 함유하는 광물은 지구의 자기장과 나란히 배열되어 결정됨을 이용하여 위도 등을 알아내는 방법) 등의 방식이 그들에게 적용되고 있다. 이렇게 그들의 작업은 지질학적, 분자생물학적 방법이 총동원되어 그 하나의 진실을 캐내는 직업이라고 할 수 있다.
현재의 생명의 세계는 어떻게 창조되었을까? 다윈은 이것에 대해 진지하게 고민하고 진화론이라는 매력적인 대답을 제시하였다. 현재의 생명은 원시조상에서 다양하게 갈라지면서 생겨난 존재임을 알고 있다. 또, 그러한 진화에 점진론과 단속평형의 논란이 있었다. 다윈은 진화가 서서히 진행된다는 점전론을 주장하였다. 그는 중간형태가 없는 건 발견을 못한 것이거나 자연선택에 의해 쉽게 멸종된 것이라고 주장한다. 하지만 하나의 종이 연속적으로 나타나는 지층에서조차 중간형태를 발견하기 힘들며, 따라서 진화로 인한 다음 형태는 갑자기 발생한다는 단속평형이 더 맞다는 게 일반론이 되었다.
한편, 진화론의 설명에는 계통수라는 개념이 존재하게 되며 (가까운 종은 계통수가 가깝다), 계통수라는 하나의 나무는 세 개의 커다란 줄기, 진정세균, 진핵생물, 그리고 고세균의 이름표가 달려 있다. 그런데 그런 계통수가 결과가 아닌 오히려 방법으로서 고생물학자에게 연구되고 있다. 예를 들면, 광합성 세균은 계통수 나무에서 가지 위쪽을 차지하는데 이로써 초기에는 화학합성이 우세였다는 사실을 알아낸다.
밀러는 플라스크에 메탄, 암모니아, 수소 가스와 수증기 혼합물(해롤드 유리가 초기 지구의 대기와 가깝다고 생각한 조건)에 전기방전을 한 후 며칠을 기다렸더니 아미노산을 포함한 유기물을 발견할 수 있었다. 이렇게 최초의 생명의 탄생의 가능성은 열렸다. 그렇다면 그 이후는 어땠을까? 아무래도 생명현상에 있어 가장 중요한 건 효소이므로 그 효소로서 사용된 것이 화두가 되었다. 이에 크릭은 그 최초의 효소로서 RNA를 지목하였고, 정말 RNA는 기질특이성을 가지는 등의 효소로서의 자질이 충분했다.
그렇다면 RNA는 어떻게 만들어지는 지는 다음과 같다 "비키랄 분자로 이중나선을 이루는 화합물을 자신과 대응하는 상보적인 RNA가닥을 형성하도록 할 수 있다. 이것은 진화의 과정에서 원초의 전구체가 RNA로 대체되었다는 가설을 뒷받침한다."
즉, RNA는 생성될 수 있다! (그렇지만 실험실에서의 재현은 이루어지지 않았다.) RNA는 워낙 만능이라 다음 단계가 수월하다. 또, 이러한 RNA 복제 중 어쩌다 일어난 실수가 진화의 중요한 계기가 되었다.
한편, 막성의 지질과 DNA의 혼합물을 만든 다음, 적시고 말리기를 몇 차례 하면 DNA의 일부가 막 안으로 들어간다. 이러한 DNA는 거기 안에서 복제도 가능하다. 단, 조건은 작은 분자는 못 들어오게, 중합체는 붙잡아둘 만큼 크게 인지질이 길어야 한다는 점이었지만, 이로써 원시 세포 또한 만들어질 수 있다는 것을 알게 되었다.
물론 원시세포에 대한 것은 다른 시나리오도 가능하다. 열수분출공에서 생성된 황철석의 화학적 환원력으로 유기화합물을 생성한다(실제로 펩티드 사슬까지 만들어지게 되었다)는 가설이다.
어찌 되었든 간에 최초의 세포는 원시 지구에서 생성되었고, 초기 유전자의 수평이동(시아노 박테리아에서 기능으로 묶인 유전자군이 통째로 포장되어 이송되었다는 증거도 있다), 만능 효소를 이용한 물질대사를 통해 점점 더 다양한 세포가 만들어지게 되었다. 그 뒤 세포도 진화하면서 막이 견고해짐에 따라 유전자의 수평이동이 원활해지지 못하게 되어 유전자 복제가 등장하기 시작한다.
이렇게 38억 년 전쯤엔 생명은 이미 지구에 발판을 내렸다. 이때는 주로 화학합성이 주를 이루었다. (바다에는 철이 주로 있어, 철대사가 많았을 것이다.)
호주 노스폴(north pole) 와라우나 층군, 시생이언(40억 ~ 25억)
저자는 SHRIMP를 이용하여 약 35억 년 전의 층군임을 밝혀냈다. 그리고 그는 여기서 스트로마톨라이트를 발견한다. 모든 시대의 셰일에는 미화석(현미경으로 관찰해야 여러 흔적을 관찰할 수 있는 화석)이 많은데, 부패를 막아주는 점토광물(주로 실리카)과 착 달라붙은 상태로 존재한다. 또, 처트는 탄산염 퇴적암 속에서 형성된 렌즈, 단괴, 엽층으로서 나타난다. 와라우나 층군에서도 그런 구조를 발견할 수 있다. 여기에는 광물처럼 보이는 필라멘트가 발견되는데 이를 그저 물리학적인 결과로 볼 것인지 생명활동의 결과로 볼 것인지 학계에서는 의견이 분분하다.
그렇다면 스트로마톨라이트란 무엇일까? 미생물 군집이 퇴적물의 표면을 덮으면서 서로 엉겨붙어 끈적끈적한 매트를 형성한다. 이 매트 표면에 있는 시아노 박테리아(때때로 조류)가 파도와 조류에 밀려온 고운 입자들을 잡아 묶는다. 이렇게 해서 진흙이나 모래층이 한 층 쌓인다. 미생물 군집은 그 위로 자라서, 다시 새로운 퇴적물의 표면에 새로운 매트를 형성한다. 매트의 깊숙한 고에서는 박테리아가 죽은 세포를 잡아먹어 주변의 화학적 성질을 변화시킴으로써 탄산염 결정을 만든다. 이리하여 형성된 큰 암석이 스트로마톨라이트인 것이다. 앞으로 스트로마톨라이트는 10억 년 전까지 꾸준히 등장하게 된다.
한편 와라우나 층군에서 32억 년 전의 열수광상에서 발견된, 생물임이 틀림없는 필라멘트를 발견했다는 것으로 볼 때, 정말로 그 스트로마톨라이트는 최초의 생물의 흔적이라는 생각이 든다.
27억 년 전의 셰일에서 태곳적 시아노 박테리아의 분자 지문인 2-MeBHP가 발견된다. 또,주로 진핵생물에서 발견되는 스테란도 발견되었다. 이로써 이미 생명의 계통수는 가지치기를 시작한 것을 알 수 있다.
미국 온타리오 주 북서부에 위치한 건플린트 층군 원생이언(25억 ~ 5억 4천만 년 전)
여기서 꼭대기 층군의 지르콘으로 연대를 측정한 결과 약 19억 년 전의 것이라는 결과를 얻었다. 여기에서는 호상철광층을 발견할 수 있었는데, 이는 산소가 적었다는 증거이다. 현재는 철이 바다에서 바로 산화철이 되기 때문에 발견될 수 없다.
이곳의 미화석은 앞으로 나올 스피츠 베르겐에서와 비슷하나 생성 원리가 다르다. 오래된 처트(철 풍부)들은 바다 밑바닥에서 실리카가 직접 침전하여 생성된 것이다. 여기서 스트로마톨라이트는 물리적 과정의 산물일 가능성이 크다. 미화석에서 철세균으로 보이는 게 다수 발견된다. 그런데 비슷한 시대의 지층에서 시아노 박테리아(산소가 많다는 증거) 화석도 존재한다.
하지만 이렇게 철이 많은 시대도 지나가고 18억 년 전쯤 철광층이 사라지게 된다(산소가 많아져서).
대략 22억 년 전에 산소가 현재의 1%였다. 이후 산소가 급격히 증가하는데 이를 저자는 ‘산소혁명’이라고 이름지었다.
건플린트 층군에서 탄소 동위원소를 면밀히 분석한 결과 학자들은 메탄생성 고세균이 우세했다는 것을 알 수 있었다. 그런데 그 환경이 산소가 고갈된 호수와 너무 흡사했다.
이에 황 동위원소 비율까지 분석해 보면 다음과 같은 사실을 유추할 수 있다.
건플린트에서 발견된 철 풍부 암석들은 19억 년 전으로 접어들면서 생겼고, 다른 곳에서는 이보다 더 나중에 생긴 철광층도 있었다. “황화수소가 바다의 철을 싹쓸이했다.”
빌랴흐 층군 (시베리아의 코투아칸 강을 따라 우뚝 솟은 그레이트 월) 약 15억 년 전
여전히 시아노 박테리아는 존재한다. 그런데 그 형태가 오래전과 상당히 비슷하다.
이에 대해 두 가지 설명이 존재한다.
- 빌랴흐 층군과 아카데미케르브린(앞으로 나올 스피츠 베르겐 섬의 층군)의 처트에 많이 존재하는 시아노 박테리아는 모두 저마다 비슷한 현생종이 있었다. 즉, 경쟁이 있었다.
- 시간이 흐르면서 환경 변화가 있었다.
약 10억 년 전에 녹조류가 등장하기 시작한다. 또한 12억 년 전에는 홍조류가 단순한 종류의 다세포 동물로 진화한다. 이러한 바닷말이 미생물 매트가 지배하던 곳을 뒤덮기 시작했고, 뒤이어 다양한 동물(진행동물)이 등장한다. 이로써 스트로마톨라이트의 터전은 좁아진다. 다만 의문이 생긴다. 앞서 언급한 27억 년 전의 셰일에서 나온 스테란 분자는 무엇인가? 진핵생물의 흔적이라면서 이 이유로 세 가지가 제시 가능하다.
1. 완전한 진핵세포는 아니었던 것이다.
2. 빨리 출현했지만 분화 속도가 늦었던 것이다.
3. 사실 화석이 우리가 생각한 것처럼 단숨에 일어난 게 아닐 수도 있다.
약 12억 년 전의 화석을 보면 갑작스럽게 종류가 늘어난 것을 알 수 있다. 이는 무슨 까닭인가? 유성생식, 세포골격, 유전자조절, 환경 변화 등의 이유가 여기에 작용했으리라 예상한다. 그 중 환경에 대해 서술하면, 만약 원생이언 중기의 바다가 우리가 추측했던 대로라면 질소는 희박했을 것인데, 시아노 박테리아는 질소고정을 하니 상관없는 데 반해, 광합성 진핵생물은 질소 고정이 힘들다는 것이다. 약 12억 년 전부터 질소 부족이 해소되면서 그 종류가 다양해진 것이다.
참고
메레츠코프스키는 1905년에 내부 공생 이론(두 세포가 상호 이익을 위한 협력 관계로 맺어져, 한 세포가 다른 세포의 내부에서 사는 상태)을 제시했다. 그것은 이내 잠적을 감췄다가 마굴리스에 의해 부활된다. 왜냐하면 마굴리스는 분자생물학적인 해석을 성공하였기 때문이다.
이를테면 다음과 같다. 엽록체와 시아노 박테리아가 공통의 구조를 공유한다. 광합성의 분자 시스템이 거의 같다. 엽록체의 항생물질에 대한 반응은 세포핵이나 세포질과 같지 않고 오히려 박테리아와 비슷하다. DNA, RNA, 리보솜이 존재한다. 생명의 계통수에서 엽록체의 DNA는 딱 시아노박테리아와 비슷하다.
부활한 내부 공생이론의 추가적인 설명을 붙이겠다. 먹힌 세포는 숙주 세포에게 물질 교환으로 공생한다. 또, 엽록체는 숙주의 단백질을 가져다 쓰면서 상당수의 DNA가 필요 없어지게 된다.
그러한 내부 공생은 2차, 3차 내부 공생도 가능하게 된다(실제로 그런 예시가 있다). 진핵생물은 세포질을 딱딱하게 고정시키지 않고, 세포 골격이라는 내부 지지대를 확장한다. 그리고 핵만 있는 진핵생물의 계통수가 뿌리에 가깝다는 사실은 이것을 증명한다.
그런데 어떤 논문에선 ‘프로테오박테리아(산소호흡+발효) + 메탄생성 고세균’에서 산소혁명으로 메탄생성 고세균이 세포벽은 버리고 이어 세포 내용물을 안정하게 유지하는 세포골격이 진화하여 미토콘드리아가 없는 진핵세포도 설명될 수 있다고 말한다. (모든 진핵세포가 프로테오 박테리아의 유전자를 갖고 있다는 것과 수소발생소포라는 특이한 기관을 설명할 수 있다.) 그밖에도 이전에 진정세균, 고세균 이외의 제 3자가 있었다는 가설도 있다.
스피츠 베르겐섬(8억 년 전이 가장 오래됨)
많은 원생이언 화석들이 현생의 시아노 박테리아와 비슷하다는 가설을 유추할 수 있다. 처트 단괴에 있는 화석은 현재 개펄과 다르다. 현미경 아래에서 화석을 보면 시아노박테리아, 조류, 원생동물의 미화석이 가득하다. 여기 화석들은 아주 보존상태가 좋은데 스트로마톨라이트의 엽리구조가 잘 관찰된다.
구이저우 성의 인산염암, 더우산퉈 층군 (6억)
처트, 셰일 외에도 인산염암은 화석을 잘 보존할 수 있다. 저자는 이러한 더우산퉈 층군에서 생식세포도 발견하고, 절지 혹은 무척추 생물 같은 생물을 발견한다. 진핵생물이 그 외에도 다수 발견한다. 이것은 동물의 진화가 막 시작함을 알려준다.
더우산퉈 층군이 퇴적된 직후 플랑크톤의 절멸(원핵생물의 절멸)이 기록되었다. 이는 급속한 한랭화에 대한 영향으로 저자는 추측하고 있다.
* 한랭화 혹은 빙하기가 닥치면 고세균을 제외한 다른 생명은 쉽게 절멸된다.
원생이언 막바지에 퇴적된 나미비아의 지층, 나마층군(5억 4000만 년 전)
태고의 두터운 지층이 잘 보존되면서 돌출된 것으로 아주 훌륭한 곳이다. 해안 평야에서 역질 사암, 셰일 등이 퇴적된 것으로 원생이언의 최후까지 계속해서 퇴적된 지형이다. 과거에는 열대 바다였던 곳이었을 거다.
여기에 특이한 점은 인상 화석이 많다는 것이다. 일명, ‘에디아카라’ 화석군이라고 불리는 화석들이다.
키클로메두사, 마우소니테스, 오바토스쿠툼, 히에발로라 등의 원반화석은 다른 동시대의 지틍에 비해 적었다.
또, 벤도비온트라고 불리는 나뭇잎모양의 화석군에는 랑게아, 프테리디니움, 스와트르푼티아, 에르니에타, 카르니오리스쿠스, 카르니아, 필로준, 디킨소니아 등이 있었다.
앞서 열거한 화석 대부분은 그 계통수가 아직도 논란 중이다. 하지만 저자의 생각으론, 대부분의 벤도비온트는 현생의 자포동물과 유연관계가 있는 군체동물이라고 생각한다.
또, 이외의 화석들 중에는 고생대에서 주로 보게 되는 친숙한 화석들을 몇몇 발견하게 된다(실제로 삼엽충 같은 화석도 있었다).
캄브리아기 대폭발 당시(5억 4천만 년 전)를 담은 코투이칸 강 상류, 절벽
여기에서 종속 영양생물(꽃병 모양 화석)인 현생 유각 아메바를 발견한다. 해면동물은 원생이언, 캄브리아기 경계선 근처에서 무기질 골격이 진화한 후에 비로소 고생물학 무대의 주역으로 떠오르게 된다.
그러한 복잡한 다세포의 세 가지 요건이 있는데, 이는 다음과 같다.
- 세포끼리의 접착 : 세포 외 단백질을 이용 콜라겐 등
- 세포 간의 커뮤니케이션 : 실모양의 세포질이 세포벽의 구명으로 세포 연결 or 갭결합
- 발생 과정에서 세포 분화를 조절하는 유전 프로그램(이웃한 세포로 복잡한 상호작용)
동물은 해면동물, 자포동물, 좌우대칭동물로 나눌 수 있다. 실제로 캄브리아기 직전에는 해면동물이 매우 우세하였으나 그 직후에는 90% 이상이 멸종되었고, 이로써 자포동물, 좌우대칭동물이 부상할 수 있게 되었다.
참고로 말하면 해면동물과 자포동물의 차이는 별개로 분화되는 조직이 형성되는가(자포동물), 그렇지 않은가(해면동물)이다. 또, 인간이나 다른 많은 동물이 좌우대칭동물에 포함된다.
한편, 캄브리아키 이후의 동물은 탄산칼슘이나 인산칼슘, 또는 규질로, 아니면 퇴적입자들을 모아서 골격을 형성했다.
또다시 한편. 좌우대칭동물은 후구동물(척색동물문, 극피동물문, 반색동물문), 탈피동물(절지 동물 등), 촉수담륜동물(연체동물 등)로 나뉜다.
캄브리아기 대폭발 이해하기
그 5000만 년 만에 그 엄청난 생물의 다양함이 생겨날 수 있었는가? 이에 저자는 그렇다고 대답한다.
캄브리아 대폭발은 바로 조절유전자의 변이로 빠른 다양화가 가능하게 되었던 까닭이다. 이로써 몸 설계의 진화를 추진하기 위한 유전자도 마련되었던 것이다. 이로써 마지막 공통조상(에디아카라 시대에서 발견)에서 아주 다양한 종이 새로이 생겨났다.
한편, 거기에는 변이체가 반드시 살아남아 번식을 하고 또 거기서 다양한 변이의 발생이 필연적이었던 것이다. 그것을 설명하기 위해서는 캄브리아기 초기에는 그게 가능한 너그러운 생태계였다고 봐야 한다. 하지만 여기에는 분자시계 가설(계통수 분석을 통한 진화의 시간지표)이 나타내는 시간과 작지 않은 차이가 있어 설득력이 떨어진다.
그런데 지구의 대기는 원생이언말기에 이르러서야 후생동물의 생리기능을 받쳐줄 만큼의 산소농도에 이르렀다는 사실이 밝혀졌다. 이 때문에 원생이언 말기에 이르러 산소가 증가하기 시작하자 몸집이 큰 (따라서 화석으로 남기 쉬운) 동물들이 살 수 있게 되었다. (이는 고생물학과 분자시계를 화해시킴)
산소 혁명 이후에도 산소의 양은 현재처럼 풍족하지 않았다. 그런데 여러 차례 빙하기를 거치고 나서 산소가 증가하게 되고(구체적인 이유에 대해서는 밝혀진 게 없으나 지질기록-탄소 동위원소 또는 황 동위원소-으로는 그 상황이 기록되어 있다) 대기중에 메탄 공급이 저하된다(메탄 생성 고세균의 감소로). 따라서 지구는 열을 담아둘 수 없어 빙하기가 찾아온다. 빙하기가 막 끝난 시점에서는 비록 자연선택을 받지 못해도 살아갈 수 있는 ‘너그러운’ 생태계가 재현되었으리라.
마무리하며
결국 이렇게 답을 찾고 말았다. 키워드는 ‘빙하기’였고 진핵생물은 그 시기를 기회삼아 자신만의 세계로 확고히 만들어 버린 것이다. 그리고 그것을 이해하기 위해서는 바로 전의 과정을 이해할 필요가 있었고, 따라서 저자는 굳이 부연설명을 그렇게 길게 한 것일 테다.
저자가 결론을 단도직입적으로 제시해 놓고 그것을 실타래 풀 듯 이야기로 풀어나가는 것은 제법 흥미로웠다. 그런데 그 실타래가 우리에게 잘 느껴지지 않고, 잘 보이지도 않아 때로는 어려움을 느끼고 때로는 혼란스러웠던 것 같기도 하다. 하지만 그것을 계속 접하면서 하나의 이미지가 머릿속에서 그려지는 순간, ‘아, 이런 거구나’ 하고 생각되게 되었다. 정말 그랬다. 이 책은 어려웠다. 하지만 지금 그 내용을 일부나마 이해하고 있지 않은가.
어떤 세균은 화학물질을 통해 에너지를 얻는다는 것은 알고 있었다. 하지만 그것이 고생물학의 역사에 중요한 부분을 차지했다는 것은 놀라웠다. 또, 산소가 고생물학의 역사 틈틈이 주로 상승 곡선을 그리며 변한다는 것은 알고 있었다. 하지만, 그것이 고생물학의 커다란 변화를 만들어내고 또 다른 역사를 쓰게 하는 것을 알았을 때는 놀라웠다. 그렇게 책을 읽으면서 놀라움을 금치 못했다.
한편, 저자가 다른 곳으로의 지질 탐사를 하며 거기에 현미경 분석을 하는 모습은 본 저서에 참 흥미롭게 묘사되었다. 고생물학자 혹은 지질학자가 지질 탐사를 가는 것은 마치 탐정이 현장에서 증거를 찾고 범인을 찾는 과정과 다름이 없었다. 어떤 물결 흔적을 통해 생물의 흔적임을 아는 것. 단괴니 처트니 하는 각각의 종류의 암석들로 당시의 생태를 밝혀내는 것. 이런 것들이 예전과는 다르게 이제는 재미있게 느껴지는 것이다.
지질학자의 연구방식.hwp입력: 2013.05.13 16:41
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