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[질문과 토론의 과학 #4] 👾🦠최초의 생명체 루카(LUCA)는 어떤 모습일까?

지구상의 모든 생명체는 거대한 시간의 흐름 속에서 하나의 뿌리를 공유하는 가족 공동체입니다. 인류의 조상인 루시를 넘어 영장류와 포유류의 기원을 거슬러 올라가면, 결국 모든 생명의 마지막 공통 조상인 '루카(LUCA)'를 만나게 됩니다. 루카는 'Last Universal Common Ancestor'의 약자로, 현재 지구에 존재하는 세균부터 인간에 이르기까지 모든 생물학적 계통이 갈라져 나오기 전의 공통 기원을 의미합니다. 이러한 관점은 생명의 다양성 이면에 존재하는 근본적인 통일성을 상기시켜 줍니다. 생명의 기원에 대해서는 다양한 가설이 존재합니다. 찰스 다윈은 화산 근처의 따뜻한 작은 연못에서 생명이 시작되었을 것이라고 추측했으나, 현대 과학에서는 심해 열수구 가설이 더욱 주목받고 있습니다. 열수구의 독특한 화학적 환경이 원시 세포 형성에 유리했기 때문입니다. 흥미로운 점은 루카 이전에 여러 형태의 조상이 동시다발적으로 탄생했을 가능성을 시사하는 '푸카(FUCA)' 가설입니다. 수많은 시도 끝에 단 하나의 계통만이 살아남아 오늘날 우리가 아는 루카가 되었을지도 모른다는 점은 생명 탄생의 신비로움을 더해줍니다. 최초의 생명체인 루카는 오늘날의 생물과는 사뭇 다른 극한의 환경에서 생존했을 것으로 추정됩니다. 당시 지구에는 산소가 없었기에 루카는 산소를 싫어하는 혐기성 생물이었을 것이며, 60도에서 100도에 이르는 뜨거운 열수구 근처에서 살아가는 호열성 생물이었을 가능성이 큽니다. 또한 태양 빛이 없는 심해에서 수소나 황 같은 무기 물질을 유기물로 전환하여 에너지를 얻는 자가 영양 방식을 취했을 것입니다. 이는 생명이 빛이 없는 어둠 속에서도 화학적 에너지만으로 충분히 번성할 수 있었음을 보여주는 증거입니다. 생명 진화의 역사에서 가장 결정적인 사건 중 하나는 서로 다른 두 미생물의 만남인 '세포 내 공생'입니다. 고세균과 세균이 결합하여 미토콘드리아를 가진 복잡한 진핵세포로 진화한 이 사건은 생물학적 대도약을 가능케 했습니다. 다윈주의적 관점에서는 점진적인 변이를 강조하지만, 세포 내 공생설은 두 생명체의 연합이라는 획기적인 변화를 통해 다세포 생물로 나아가는 발판을 마련했다고 설명합니다. 이러한 우연 혹은 필연의 만남이 없었다면 오늘날과 같은 복잡한 지적 생명체의 등장은 불가능했을지도 모릅니다. 만약 화성에 루카와 같은 미생물을 보낸다면 인간과 같은 고등 생명체로 진화할 수 있을까요? 이는 진화의 방향성과 환경적 제약을 동시에 고려해야 하는 문제입니다. 세균은 물리적인 구조상 에너지를 얻는 세포막의 면적 한계로 인해 무한정 커질 수 없으며, 진핵세포로의 도약 없이는 복잡한 구조를 갖추기 어렵습니다. 따라서 화성의 환경이 초기 지구와 유사하더라도, 세포 내 공생과 같은 역사적 사건이 재현되지 않는다면 그곳은 미생물만의 천국으로 남을 가능성이 큽니다. 생명은 환경에 적응하며 끊임없이 답을 찾아가는 존재이기 때문입니다.

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[술술과학] 건강과학(1) : 균, 세균, 고세균의 차이

우리가 흔히 '균'이라고 부르는 미생물은 사실 그 종류와 분류가 매우 다양합니다. 가장 흔한 오해 중 하나는 균과 세균을 동일시하는 것이지만, 생물학적으로 이들은 엄연히 다른 존재입니다. 진균은 효모, 곰팡이, 버섯 등을 포함하며 식물보다는 오히려 동물에 가까운 족보를 가지고 있습니다. 특히 효모는 빵이나 맥주 발효에 쓰이는 단세포 생물로, 단백질인 효소와는 구분되어야 합니다. 곰팡이 역시 해로운 존재로만 인식되기 쉽지만, 발효 식품이나 항생제 원료로 쓰이며 인류에게 큰 도움을 주기도 합니다. 생물의 계통도를 살펴보면 가장 큰 분류 단위인 도메인은 세균, 고세균, 진핵생물로 나뉩니다. 세균과 고세균은 핵막이 없는 원핵생물에 속하며, 진핵생물은 다시 원생생물, 진균, 식물, 동물로 세분화됩니다. 여기서 헷갈리기 쉬운 원생생물은 아메바나 짚신벌레처럼 원핵생물보다 진화한 단세포 생물을 의미합니다. 이러한 분류 체계를 이해하면 우리가 막연하게 미생물이라 부르던 존재들이 각자 얼마나 독자적인 생태적 위치를 차지하고 있는지 명확히 알 수 있으며, 생명의 다양성을 깊이 있게 이해할 수 있습니다. 고세균은 이름 때문에 세균보다 오래된 생물로 오해받기 쉽지만, 실제로는 세균과 동시에 존재하며 독자적인 진화의 길을 걸어왔습니다. 이들은 주로 심해나 고온의 극한 환경에서 서식하며, 분자 생물학적으로는 세균보다 진핵생물에 더 가깝습니다. 특히 고세균이 세균을 포획해 미토콘드리아나 엽록체가 되었다는 '세포 내 공생설'은 매우 유력한 가설입니다. 우리 몸의 세포 하나당 수백에서 수천 개의 미토콘드리아가 존재한다는 점을 고려하면, 인간의 몸은 거대한 고세균의 집합체라고도 볼 수 있는 셈입니다. 미생물의 실체는 17세기 현미경의 발명 이후에야 비로소 드러나기 시작했습니다. 이후 파스퇴르와 코흐에 의해 감염병의 원인이 미생물임이 밝혀졌고, 바이러스와 세균, 진균 등이 주요 병원체로 지목되었습니다. 흥미로운 점은 고세균이 오랫동안 인간에게 무해한 존재로 여겨졌으나, 최근 연구를 통해 질병의 원인이 될 가능성이 제기되고 있다는 것입니다. 이처럼 미생물학은 고정된 지식이 아니라 새로운 발견을 통해 끊임없이 확장되는 학문 분야이며, 우리 삶과 보이지 않는 곳에서 밀접하게 연결되어 있습니다. 감염병 치료에 쓰이는 항미생물제는 대상에 따라 항바이러스제, 항세균제, 항진균제 등으로 나뉩니다. 우리가 흔히 말하는 항생제는 주로 세균을 죽이는 항세균제를 의미하며, 푸른곰팡이에서 추출한 페니실린이 그 시초입니다. 무좀과 같은 질환은 세균이 아닌 곰팡이에 의한 것이므로 항생제가 아닌 항진균제를 사용해야 합니다. 최초의 항생제를 발견한 플레밍은 노벨상 시상식에서 항생제 남용으로 인한 내성 문제를 경고했는데, 이는 현대 의학이 직면한 중요한 과제이자 우리가 미생물을 정확히 알아야 하는 이유이기도 합니다.

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[석학인터뷰] 윤환수_ 공생이 이렇게 중요합니다 여러분! | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

생명의 기원을 연구하는 것은 과학적으로 매우 도전적인 과제입니다. 일반적인 과학 연구는 가설을 세우고 실험을 통해 증명하며 반복 가능성을 확인해야 하지만, 30억 년 전의 환경을 재현하기란 현실적으로 불가능에 가깝기 때문입니다. 특히 국내 연구 환경에서는 단기적인 성과를 중시하는 경향이 있어, 수년 이상의 긴 호흡이 필요한 기원 연구에 매진할 연구자를 찾기가 매우 어렵습니다. 그럼에도 불구하고 생명의 뿌리를 찾는 작업은 인류의 근원적인 궁금증을 해결하고 과학의 지평을 넓히는 중요한 열쇠가 됩니다. 1967년 린 마굴리스 박사가 제안한 세포 내 공생설은 현대 생물학의 중요한 기둥이 되었습니다. 이 학설은 미토콘드리아나 엽록체가 본래 독립된 박테리아였다가 다른 세포와 결합하여 공생하게 되었다는 점을 시사합니다. 최근에는 고세균과 박테리아의 결합을 통해 진핵생물이 탄생했다는 가설까지 확장되어 연구가 진행되고 있습니다. 비록 진핵생물의 기원에 대해서는 더 많은 검증이 필요하지만, 공생은 생명 진화의 복잡성을 설명하는 데 있어 매우 설득력 있는 학설로 인정받고 있습니다. 해조류가 인간과 같은 지능이나 뇌를 가지고 소통할 수 있는지에 대한 질문은 매우 흥미롭습니다. 과학적으로 볼 때 해조류에게 인간과 같은 형태의 뇌는 없지만, 이들은 해류의 흐름에 몸을 맡기거나 햇빛을 더 잘 받기 위해 최적의 위치를 찾는 등 환경 자극에 민감하게 반응합니다. 비록 인간과 언어로 대화하는 수준의 커뮤니케이션은 어렵더라도, 생명체마다 각자의 생존 전략을 가지고 환경과 상호작용하는 모습은 그 자체로 연구할 가치가 충분한 생물학적 현상이라 할 수 있습니다.

윤환수

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