리보자임

[명강리뷰] 생명의 기원, 그리고 세포내 공생을 통한 식물의 진화(1) _ by윤환수｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 6강

생명의 기원을 설명하는 오파린의 가설은 원시 지구의 대기에서 유기물이 만들어지고, 이것이 농축된 '유기물 수프'에서 생명이 시작되었다고 제안합니다. 무기물에서 유기물로의 전환인 화학 진화 과정에서는 지질, 핵산, 아미노산이라는 세 가지 핵심 물질의 형성이 필수적입니다. 밀러와 유리는 실험을 통해 초기 대기 환경에서 전기 에너지를 가했을 때 다양한 아미노산이 생성됨을 증명했습니다. 이후 연구자들은 아미노산이 사슬 형태로 연결되는 과정을 확인하며, 무기물로부터 생명의 기초 단위가 만들어질 수 있음을 실험적으로 입증해냈습니다. 유전 정보를 저장하고 효소 기능을 수행하는 RNA의 형성은 생명 탄생의 결정적인 단계입니다. 진흙 촉매 가설에 따르면 화산 근처의 따뜻한 진흙 환경에서 핵산들이 결합하여 고분자인 RNA로 변환될 수 있습니다. 특히 리보자임이라는 효소 기능을 갖는 RNA의 존재는 초기 세포에서 RNA가 유전 정보 제공과 대사 활동을 동시에 수행했을 가능성을 시사합니다. 또한, 이러한 유기물들이 외부 환경으로부터 보호받기 위해서는 지질막의 형성이 필수적입니다. 기름방울이 물에서 막을 형성하듯, 인지질막에 둘러싸인 코아세르베이트는 최초의 세포 형태를 갖추는 기반이 되었습니다. 최근 생명 기원의 유력한 장소로 주목받는 곳은 심해의 염기성 열수구입니다. 이곳은 온도가 비교적 낮고 pH 차이가 뚜렷하여, 현대 생명체가 에너지를 만드는 방식인 수소 이온 농도 차이를 이용한 에너지 대사와 유사한 환경을 제공합니다. 열수구 내부의 미세한 격실 구조는 아미노산과 같은 유기물이 모여 반응하기에 최적의 장소였을 것으로 추정됩니다. 비록 무기물이 유기물로 변하고 세포의 형태를 갖추는 과정은 실험적으로 설명 가능하지만, 이들이 어떻게 스스로 복제하며 살아있는 생명체로 거듭났는지에 대해서는 여전히 과학계의 탐구가 계속되고 있습니다. 지구상에서 가장 오래된 생명 흔적은 약 35억 년 전의 화석에서 발견되며, 초기 생명체는 핵막이 없는 원핵세포 형태였습니다. 이후 남세균의 등장으로 대기 중 산소 농도가 급격히 높아지자, 생명체들은 생존을 위한 새로운 전략을 선택해야 했습니다. 이 과정에서 고세균의 일종인 로키 고세균이 주 세포가 되고, 다른 박테리아를 받아들여 공생하는 '세포 내 공생'이 일어났습니다. 이러한 결합을 통해 미토콘드리아와 엽록체를 가진 복잡한 구조의 진핵세포가 탄생했으며, 이는 생명 진화의 역사에서 거대한 전환점이 되었습니다. 진핵세포의 등장은 다세포 생물로의 진화를 가능하게 했습니다. 15억 년 전의 화석에서는 세포 골격을 갖춘 진핵생물의 흔적이 발견되며, 14억 년 전에는 이미 여러 세포가 모인 다세포 생물이 존재했음을 보여주는 증거가 나타납니다. 12억 년 전의 홍조류 화석은 현대의 생물과 유사한 세포 분열 패턴을 보여주며, 6억 년 전에는 더욱 다양한 종으로 분화되었습니다. 약 4억 년 전, 식물이 육상으로 진출하면서 동물도 함께 출현하게 되었고, 이러한 기나긴 여정을 거쳐 오늘날 지구상에 존재하는 500만 종의 다양한 생태계가 완성되었습니다.