물질은 어떻게 생명체가 되었을까

여는 글

‘생명체’란 정확히 무엇일까?
생명체의 출현 과정에 얽힌 수수께끼는 어떻게 풀어야 할까?
오토마톤은 어떤 재료로 만들어질까?
그렇다면 외계 유기분자는 어떻게 만들어지는 걸까?
우주에서 만들어진 아미노산이 우주여행을 견딜 수 있을까?
최초의 오토마톤은 무엇을 닮았을까?
세포보다 더 단순한 원초적 생명체를 생각해볼 수 있을까?
오래된 퇴적층에서 오토마톤 화석을 찾을 수 있을까?
오토마톤이 처음부터 복잡한 성질을 지니고 있었던 것은 아닐까?
최초 오토마톤의 단순성을 어떻게 증명할까?
화성이 유일한 후보 행성일까?
타이탄은 어떨까?
태양계 너머에는?
머나먼 외계 행성에 생명체가 존재하는지 어떻게 알아낼 수 있을까?
그래서 이 모든 사실의 결론은?

용어 사전
참고문헌

‘생명체’란 정확히 무엇일까?

고대 그리스 철학자 엠페도클레스Empedocles에 따르면 그 옛날 지구상에는 다리가 없는 머리, 머리가 없는 다리, 팔, 몸뚱이 등이 여기저기 널려 있었다. 그러다 어느 날 우연히, 인간을 이루는 데 필요한 모든 요소가 서로 만나 합쳐졌다는 것이다. 엠페도클레스는 최초의 생명체도 그런 식으로 탄생했다고 봤다. 그런데 이 같은 엠페도클레스의 도식은 분자 차원에서 적용이 가능하다. 얼마간의 분자가 물속에서 서로 합쳐지면서 특별한 화학구조, 즉 다른 분자들을 조합해 자신의 형태를 본뜬 구조를 생성하는 방식으로 또다른 자신을 만들어낼 수 있는 ‘화학적 오토마톤chemical automaton’이 생겨났다고 말이다. 다시 말해 ‘자기증식’이 가능한 화학구조가 생겨난 것이다. 이후 사소한 조합 오류의 결과로 자기증식에 더 적합한 오토마톤이 나타났고, 이 오토마톤은 우점종dominant species이 된다. ‘진화’를 한 것이다. 따라서 자기증식과 진화는 물질이 생명체로 옮겨가는 과정을 특징짓는 최소한의 두 가지 특성이라 할 수 있다._9-10쪽

오토마톤은 어떤 재료로 만들어질까?

일반적으로 과학자들은 현재의 생물계에 비추어 원시 생명체가 유기분자로 이루어졌을 것이라고 짐작하고 있다. 유기분자에 이를 수 있는 가장 단순한 형태의 탄소는 기체로 존재하는데, 산화된 형태로는 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO), 환원된 형태로는 메탄(CH4)이 그에 해당한다. 40억 년 전 지구상에 어떤 경로로 유기분자가 생겨났을까? 기체 분자를 염두에 둔다면 당연히 지구의 대기를 생각해볼 수 있다. 지구 대기에서 유기화합물이 만들어졌을 거라는 생각을 처음 내놓은 사람은 1924년 러시아의 생화학자 알렉산드로 오파린Aleksandr Ivanovich Oparin이었으며, 이어서 1929년에 영국의 존 홀데인John Burdon Sanderson Haldane도 오파린의 발표와는 무관하게 비슷한 가설을 내놓았다. 두 사람의 차이점은 오파린은 원시 대기의 주성분이 메탄이었을 것이라고 생각한 반면 홀데인은 이산화탄소에서부터 유기분자가 만들어졌을 거라고 본 것인데, 미국의 화학자 스탠리 밀러는 1953년에 놀라운 실험을 통해 오파린의 가설에 힘을 실어준다. 문제의 실험에서 밀러는 메탄과 암모니아(NH3), 수소, 수증기가 섞인 기체 혼합물을 플라스크에 채운 다음, 원시 지구에 존재했을 폭풍우의 번개를 모방한 전기 방전을 이 혼합물에 가했다. 그 결과 실험 장치에는 화합물들이 생성되었는데, 그중에는 생체 분자에 이르는 데 꼭 필요한 물질인 사이안화수소(HCN, 맹독성)와 포름알데히드(H2CO, 약국에서 소독제로 파는 포르말린의 원료)가 포함되어 있었다. 게다가 가장 단순한 아미노산인 글리신glycine을 비롯해 단백질 구성 아미노산도 몇 가지 검출되었다. 밀러의 실험 이후 과학자들은 비슷한 실험을 통해 단백질을 구성하는 20종의 아미노산 가운데 17종과 핵산의 일부 구성요소를 합성하는 데 성공한다._16~17쪽

세포보다 더 단순한 원초적 생명체를 생각해볼 수 있을까?

1980년대에 학자들은 일부 RNA가 정보를 전달할 수 있을 뿐만 아니라 단백질 효소처럼 촉매작용을 할 수 있음을 밝혀냈다. 지구 생명체의 기원으로서의 ‘RNA세계(RNA world, 자기복제 능력을 갖춘 RNA가 단백질 없이 단독으로 세포의 작동을 맡고 있는 세계?옮긴이)’라는 개념은 바로 그 사실에서부터 나온 것이다. 실제로 RNA세계는 생명의 역사에서 한 단계를 차지했을 가능성이 크다. 단백질의 생합성biosynthesis 과정에서 펩티드 결합 형성의 중요한 단계가 아미노산의 개입 없이 RNA의 촉매에 의해 이루어진다는 최근에 증명된 사실 역시 그 옛날 RNA세계가 존재했을 가능성에 힘을 실어준다. 이제 남은 것은 RNA의 전생물적 합성을 설명하는 일인데, 앞에서 말했듯 이 문제는 현재까지 설득력 있는 답을 찾지 못했다. 하지만 RNA세계의 출현이 더 단순한 자기촉매autocatalysis 체계에 의해 준비되었다고 보는 견해는 어쨌든 합리적인 것으로 보인다.
A와 B라는 두 분자가 반응해서 A-B라는 새로운 분자를 만들 때, 반응의 산물인 A-B가 A와 B라는 요소를 알아보고 움직여 그 화학적 결합을 도와줌으로써 A-B 자신의 합성을 위한 촉매작용을 하는 경우가 때때로 있다. 자기촉매라고 불리는 현상으로, 이러한 유형의 화학적 도움은 화학에서는 흔한 일이다. 그런데 자기촉매에 의해 만들어진 분자들은 A와 B가 한 방향으로만 연결될 수 있기 때문에 A-B라는 두 ‘글자’로 된 형태로만 만들어진다. 따라서 분자가 지닐 수 있는 정보는 양적으로 빈약할 수밖에 없다. 두 글자로 된 단어만 사용할 수 있는 언어가 빈약한 것과 마찬가지로 말이다. 이에 비해 A와 B라는 글자(분자)가 양방향으로 연결될 수 있는 경우에는 정보가 풍부해지며, 이때는 선택의 문제가 발생한다. A와 B가 A-B는 물론이고 A-A, B-A, B-B도 만들어낼 수 있기 때문이다. 그러므로 자기증식에는 자기촉매와 선택이 반드시 결합되어야 하는데, 이 현상을 시험관에서 재현하는 실험은 아직 성공한 적이 없다._33~34쪽

화성이 유일한 후보 행성일까?

지구의 해저와 비슷한 해양 환경을 지닌 천체로는 목성의 위성 유로파Europa를 들 수 있다. 유로파는 목성의 4대 위성 가운데 크기가 가장 작다. 목성으로부터 약 60만 킬로미터 떨어진 거리에서 궤도를 돌고 있으며, 따라서 거대한 목성의 강한 중력장에 따른 조석 작용으로 가열되기에 충분히 가까운 곳에 있다. 1979년과 1980년, 탐사선 보이저Voyager호는 유로파를 사진 촬영하면서 이 위성의 표면이 깊게 금이 간 얼음으로 덮여 있다는 것을 알려주었다. 그리고 이후 목성 탐사선 갈릴레오Galileo호는 이 얼음 덩어리 위성이 자전하는 모습을 보여주는 매우 아름다운 영상을 보내왔다. 유로파 표면에는 충돌구가 거의 없는데, 이는 얼음화산(cryovolcano, 분화 시에 물이나 메탄, 암모니아 등이 액체 상태로 분출되는 화산. 보통 천체의 표면이 고체 상태의 메탄이나 물 따위로 되어 있거나 천체 표면 온도가 극히 낮은 경우에 존재할 수 있는 화산으로, 지구에는 존재하지 않는다?옮긴이)이나 지각 변동 현상에 의해 표면이 지속적으로 재정비되었음을 암시한다. 학자들이 제시한 내부 구조 모델 중 하나에 따르면 유로파의 표면 얼음층에서부터 수십 킬로미터 아래에는 액체 상태의 대양이 존재하는 것으로 추측된다. 내부의 강한 조석 작용이 물을 액체 상태로 유지시키는 데 필요한 열을 제공해주는 것이다. 유로파 표면에서는 활 모양의 줄무늬도 볼 수 있는데, 이 무늬들은 얼음 아래에서 일어나는 조석 현상의 영향으로 생겨난 것으로 해석된다. 또한 근적외선 분광기로 관찰한 결과 유로파의 표면에는 염분을 함유한 바닷물이 올라와서 생겨났을 소금 침전물도 존재하는 것으로 확인되었다. 끝으로 갈릴레오호는 유로파에서 목성의 자기장에서 비롯된 유도자기장이 측정된다는 사실을 알아냈는데, 이는 유로파 내부에 전도체가 존재함을 뜻한다. 바닷물이 바로 그 전도체의 역할을 하고 있을 것이고 말이다. 요컨대 이 모든 관찰 사실은 유로파의 얼음 표면 아래에 액체 상태의 바다가 존재할 거라는 주장에 힘을 실어준다._50~51쪽