시생대(40억~25억 년 전 이전)
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시생대(40억~25억 년 전 이전)
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[임성빈 교수의 ‘빛의 환타지아’]

2. 원시생명체(原始生命體)의 출현

지구가 태어난 지 약 7억년이 지난 지금으로부터 약 39억 년 전, 대충돌기는 지났지만 아직도 미행성이나 운석의 충돌은 종종 일어났으며 화산폭발도 매우 격렬하여 이들로 인한 기후와 기압의 변화는 극심하였다.

뿐만 아니라 오존층이 없던 당시에는 태양광의 자외선이 치명적이어서 지표면은 생명체가 발생하고 살아나가기에는 매우 부적합한 환경이었다. 그러나 바다 속 산맥(해령,海嶺) 근처에 있는 해저화산의 분화구인 열수공(熱水孔 또는 검은 굴뚝) 부근의 해저나 해저 밑의 퇴적층, 지하수가 있는 지하 1km 이하의 다공성암석(多孔性巖石)층에서는 지표면의 열악한 환경으로부터 보호받을 수 있었고 지열(地熱)이 100~150℃에 달하는 적당한 온도의 에너지로 작용하였으며 여러 가지 무기물도 풍부하여 최초의 생명체가 탄생하고 서식하는데 매우 적합하였다.

▲ 열수공(검은 굴뚝) ⓒ뉴스타운

먼저 무기물들로부터 여러 가지 간단한 유기화합물이 합성되었다. 그리고 이들 유기화합물들이 결합하여 좀 더 복잡한 고분자화합물인 아미노산과 함께 뉴클레오티드(nucleotide)가 만들어졌다. 그리고 여러 개의 뉴클레오티드가 연결되어 RNA(리보핵산)가 만들어졌는데 이들은 유전정보(遺傳情報)를 전달하는 유전자 역할과 동시에 촉매(觸媒)작용을 하는 효소로서의 역할을 수행함으로서 자기복제(自己複製)를 통하여 RNA세계(RNA World)를 형성하였다.

생명체의 기원에 대해서는 이 외에도 단백질이 먼저 만들어졌다는 단백질우선설과 RNA와 단백질이 동시에 만들어졌다는 동시우선설 등이 있으나 현재로서는 RNA세계가 가장 유력하게 받아들여지고 있다.

▲ RNA ⓒ뉴스타운

RNA는 인산(燐酸)과 5탄당(5炭糖)인 리보스(ribose)가 교대로 배열되어 있고 리보스에 4종류의 질소염기(鹽基) 중 하나가 연결된 것인데 이들 중 2개는 퓨린(purine)에 속하는 아데닌(adenine, A)과 구아닌(guanine, G)이고 2개는 피리미딘(pyrimidine)에 속하는 시토신(cytosine, C)과 우라실(uracil, U)이다.

이들 RNA들은 아미노산으로 단백질성 물질(프로테이노이드/proteinoid)을 합성하기 시작하였으나 이들은 그때까지도 아무런 살아있는 구조를 가지지 않은 생명전물질(生命前物質)이었다. 그러다가 RNA와 단백질성 물질이 물속에서 물 분자로 된 막으로 둘러싸이고 주위의 물로부터 물질들을 선별적으로 흡수하여 자신의 구조 속에 혼합시키는 코아세르베이트(coacervate)를 형성하였다.

그 후 코아세르베이트는 지질(脂質)로 된 이중막(二重膜)으로 둘러싸인 작은 덩어리(미세구체/微細球體)를 이루어 주변과 격리되고 막 바깥의 물질을 선택적으로 흡수하여 성장하는 동시에 자기복제에 의한 분할을 시작함으로서 핵산(核酸)과 폴리펩티드(polypeptide)를 가진 원세포(原細胞)가 되었다. 그리고 하나의 끈으로 된 RNA는 이중나선(二重螺旋)으로 된 DNA(디옥시리보핵산)를 만들어 자신이 하던 역할의 상당부분을 좀 더 안정적인 DNA에게 넘겨주었다.

▲ 코아세르베이트(homepage3.nifty.comymoritahisa1.htm) ⓒ뉴스타운

DNA의 기본단위 역시 뉴클레오티드이나 RNA와의 차이는 5탄당이 리보스 대신 디옥시리보스(deoxyribose)라는 점이고 4종류의 질소염기도 퓨린인 아데닌(A)과 구아닌(G) 그리고 피리미딘 중 시토신(C)까지는 일치하나 우라민은 티민(thymine, T)으로 대체되어 있다.

그리고 DNA의 가닥 역시 인산과 디옥시리보스가 교대로 배열된 것이며 염기들은 디옥시리보스에 연결되어 있으나 RNA와는 달리 두 가닥으로 된 이중나선 구조로서 한쪽 가닥에 연결된 A는 반드시 다른 쪽 가닥의 T와, 그리고 G는 C와 수소를 매개로 연결된다.

이와 같은 방법으로 많은 뉴클레오티드들이 연결되어 일정한 길이의 DNA사(絲), 즉 유전자가 되며 이들이 많이 모여 있는 것이 염색체이다. 이와 같이 유전자 내에는 4가지 종류의 염기밖에 없지만 이들의 배열, 즉 염기서열(鹽基序列)에 따라 무수히 많은 조합이 가능하기 때문에 그 생물의 독특한 유전정보를 보유하고 전달할 수 있는 것이다.

▲ 염색체와 DNA의 구조 ⓒ뉴스타운

이와 같은 화학진화(化學進化)를 거쳐 최초의 생명체가 등장하게 되었는데 이들은 크기가 작은(1~10μm) 단세포생물로서 세포내에 핵이나 막으로 싸인 다른 구조가 없으며 DNA로 이루어진 원형(圓形)의 단일 염색체를 가진 원핵생물(原核生物)이자 모네라(Monera)계(界)인 고세균(古細菌)들이었다. 이들은 가장 오래된 생명체인데 일반 세균과 행태가 비슷하나 염기서열 분석 결과 전혀 다른 생물체로 밝혀졌다.

초기의 고세균들은 단백질성 물질을 필요로 하는 종속영양생물(從屬營養生物)이며 모두 산소를 필요로 하지 않는 혐기성(嫌氣性)이었다. 그러나 이들은 얼마 지나지 않아 수소와 이산화탄소를 합성하여 얻은 메탄으로부터 에너지를 얻는 메탄생성 박테리아, 120℃ 이상의 온도에도 견디는 초고온성(超高溫性) 박테리아, 사해(死海) 같이 염도가 높은 호수는 물론 거의 포화에 가까운 염도의 물속이나 심지어는 소금광산 같은 곳에서도 살 수 있는 초호염성(超好鹽性) 박테리아 등으로 진화하였다.

▲ 원핵생물의 세포 ⓒ뉴스타운

그래서 이들은 화산으로부터 흘러나오는 뜨거운 용액속의 황이나 철, 망간 등의 무기물들과 물속에 녹아있는 이산화탄소와의 대사(代謝)로부터 직접 에너지를 획득하여 생명을 유지하며 빛이나 산소, 심지어 유기물질과도 전혀 상관이 없는 화학독립영양생물(化學獨立營養生物)들이 되었다.

이들 고세균 중에는 금속을 녹일 정도로 강한 산이나 매우 강한 알칼리를 좋아하는 것들도 있고 남극의 빙산 밑과 같이 매우 추운 곳을 좋아하는 것들도 있으며 대부분의 생물들에게는 치명적인 방사능에도 끄떡없는 박테리아도 있어서 이들을 일명 슈퍼박테리아라고도 부른다. 결국 이들의 공통점은 매우 극한적인 환경 속에서도 잘 견딜 수 있는 극한생물이라는 점이며 따라서 초기 지구의 열악한 환경 속에서도 잘 적응할 수 있었다.

생명체가 무엇인가 하는 정의는 그렇게 쉽지는 않지만 대개 다음과 같은 여섯 가지 특성을 가지고 있다. 첫째는 조직화 되어있어 엔트로피 증가에 역행하려는 경향이 있다. 둘째, 주위환경으로부터 물질과 에너지를 얻어 생명을 유지한다. 셋째, 번식을 통해서 자손에게 유전물질을 전달한다.

넷째, 환경의 자극에 대해 반응한다. 다섯째, 여러 세대에 걸쳐 환경에 적응하면서 진화한다. 여섯째, 생태계를 정상 상태로 유지하려고 하는 성질, 즉 항상성(恒常性)을 가지고 있다. 그래서 바이러스와 같은 경우는 그것이 생명체냐 아니냐하는 논란의 여지가 있지만 이상의 특성 중 2~3가지만을 가지고 있으므로 생명체로 보지 않는 것이 일반적이다. 한편 지구상의 모든 생명체는 대부분 수소, 산소, 탄소, 질소의 원소로 구성되어 있고 어떤 생명체든 나머지 원소는 다 합쳐도 1%가 안 되는데 이들 미량원소 중 중요한 것들에는 인, 황, 나트륨, 마그네슘, 염소, 칼륨, 칼슘, 철 등이 있다.

3. 생물의 기본적 분류

생물 분류의 가장 기본적인 단위는 종(種)이다. 한 종이란 어떤 공통의 유전체(遺傳體, genome)를 공유하는 개체들의 집단이며 다른 종의 집단과는 원칙적으로 생식(生殖)이 불가능하나 간혹 생식이 이루어지더라도 이렇게 태어난 잡종(雜種)은 말과 당나귀 사이에서 태어난 노새처럼 번식능력이 없다. 서로 관련이 깊은 종들이 모여 속(屬)을 이루고 계통적으로 가까운 속들이 모여 과(科)를 이룬다. 이와 같은 맥락으로 과들이 모여 목(目)을 이루고 목들이 모여 강(綱)을 이루며 강들이 모여 문(門), 문들이 모여 계(界)를 이룬다.

과거에는 모든 생물을 식물과 동물로 구분하였으나 지금은 다음 그림과 같이 모네라계 이외에 원생생물계(原生生物界), 균계(菌界), 식물계(植物界), 동물계(動物界) 등 모두 5가지로 구분하고 있다. 그리고 이들을 다시 고세균령, 진정세균(眞正細菌)령과 진핵생물(眞核生物)령의 세 영역(領域)으로 분류하기도 하는데 고세균령과 진정세균령은 모네라계에 속하며 진핵생물이란 세포 안에 핵막으로 둘러싸인 세포핵을 가진 생물로서 진핵생물령에는 나머지 4계가 모두 포함된다.

▲ 생물의 기본적 분류 ⓒ뉴스타운

[임성빈 교수의 ‘빛의 환타지아’]

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