4. 진정세균의 등장

초기의 미생물 군체(群體)는 충분한 무기물과 에너지로 인하여 폭발적인 속도로 퍼져나갔다. 그러나 그들이 생존하기에 적합한 곳을 다 차지하자 더 이상의 번식이 어렵게 되었다.

그러다가 그들이 등장한지 약 1억년이 지난 약 38억 년 전, 지구의 온도가 낮아지고 화산활동이 줄어들면서 일부 미생물 군체가 차가운 지역에 고립되게 되었으며 막이 단단하여 저온에 적응하기 어려운 그들의 대부분은 발육이 중지되거나 죽어갔으나 우연히 더 유연한 막을 얻을 수 있게 된 돌연변이는 생존하고 번식해 나갈 수 있게 되었다.

이제 더 차가운 환경에 적응하게 된 그들은 지표면에 가까운 연안까지 번식하게 되었으며 그들 중에서 우리가 흔히 박테리아 또는 세균(細菌)이라고 부르는 진정세균이 등장하게 되었는데 이들 역시 고세균들과 마찬가지로 원핵생물이자 모네라계이다.

연안의 얕은 바닷물 속에는 열수공 부근과 같이 무기물들이 풍부하지 않았기 때문에 이곳의 미생물들 중 일부는 화학물질 대신 태양빛에서 에너지를 얻는 소위 광영양생물(光營養生物)이 되었는데 초기에는 원시적인 형태의 광합성을 이용하였으나 나중에는 엽록소(葉綠素)를 이용하여 물, 이산화탄소 및 태양빛 만으로 산소와 대부분의 생물에게 필수적 유기물질인 탄수화물을 만들어내게 되었다.

그리하여 약 37억 년 전에는 가장 대표적 광합성 생물 중의 하나인 남세균(藍細菌)이 등장하게 되었으며 그 후 이들 진정세균들이 급속히 지구의 바다 속을 정복해 나갔다.

그리고 이들로 인하여 대기 중의 이산화탄소는 급격히 감소함으로서 35억 년 전에는 20%, 27억 년 전에는 15% 정도로 떨어진 반면 산소가 만들어지기 시작하였고 남세균들은 콜레니아(Collenia) 등과 같은 다른 미생물들과 함께 군체를 이루어 살다가 마치 오늘날의 석탄광맥과 비슷한 형태의 스트로마톨라이트(stromatolite)를 형성해 나갔으며 약 26억 년 전에는 박테리아들이 육지에 올라와 육상에도 얇은 층을 만들기 시작하였다.

5. 미생물(微生物)의 진화(進化)

박테리아를 비롯한 미생물들은 스스로를 똑같이 복제하여 증식한다. 그러다가 어느 박테리아가 유전자를 한번 잘못 복제하면 돌연변이(突然變異)가 일어나 복제된 박테리아는 돌연변이체가 되고 그 후손들은 모두 변이된 형질(形質)을 물려받게 된다.

그러나 미생물들은 태어난 후에도 새로운 유전자를 얻을 수 있다. 많은 종류의 박테리아가 염색체(染色體)와는 관계없는 DNA 루프인 플라스미드(plasmid)를 자기와 종이 같거나 다르거나 관계없이 다른 박테리아에게 전달할 수 있다.

바이러스들도 어떤 박테리아에 기생하면서 유전물질을 빼내서 다른 박테리아에 전달할 수 있다. 또 어떤 박테리아의 염색체는 유전자의 일부를 절단해서 다른 미생물에게 주입할 수도 있다. 그리고 어떤 박테리아가 죽어서 DNA가 흘러나오면 가끔 다른 박테리아가 이것을 가져다가 자기 유전체의 일부로 만들기도 한다.

아키오글로부스 풀기두스(archeoglobus fulgidus)는 해저의 기름이 흘러나오는 곳 근처에 사는 고세균인데 다른 모든 점은 전형적인 고세균의 특성을 다 가지고 있으나 이 미생물은 다른 고세균들에는 없고 박테리아에만 있는 효소를 사용하여 기름을 소화시킨다.

그 옛날 생명체가 등장한 초기에는 복제시스템이 엉성해서 유전자가 한 세대에서 다른 세대로 전달되는 것보다는 한 미생물에서 다른 미생물로 옮겨가기가 더 쉬웠다. 이들은 단순했기 때문에 종은 물론이고 영역에도 관계없이 유전자를 주고 받았다. 따라서 미생물들은 뚜렷한 계보로 분화되지 못했고 단일한 종도 없었으며 이런저런 유전자가 섞인 미생물들이 지구를 덮고 있었다.

그러나 어느 정도 시간이 지나자 유전자시스템은 좀 더 복잡하게 진화하였고 전에 단순한 유전자들이 모여 하던 일보다 더 어렵고 많은 일을 할 수 있게 되었으며 항상성이 정립되어 감에 따라 유전자를 주고받는 일은 매우 어려워 졌다.

이러한 유전자시스템은 더욱 특화되어 갔고 유전자는 세대에서 세대로 정확히 전달되기 시작했으며 생명체의 분명한 계보가 만들어졌다. 그렇지만 이들 각각에는 과거에 유전자를 주고받던 흔적이 남아있다.

초기원생대(初期原生代: 25억~16억 년 전)(1/3)

1. 산소의 생성 및 호상철광층(弧狀鐵鑛層)의 퇴적

초기 지구에는 대기 중에 산소가 전혀 없었으나 대기권의 상층부에서 물 분자가 자외선에 의하여 산소와 수소로 분리되어 이 중 가벼운 수소는 대기권 밖으로 날라 가고 무거운 산소만 대기권으로 들어오는 소위 광분해(光分解)에 의하여 산소가 조금씩 만들어졌다.

그러다가 남세균이 나타난 이후에는 광합성에 의해서도 산소가 만들어지기 시작하였으나 이때 만들어진 산소는 대기 중에 축적되거나 해수에 녹을 틈도 없이 곧바로 대륙의 암석을 풍화시키는데 소모되었고 또 해수에 많이 녹아있던 철 이온과 결합하여 엄청난 산화철(酸化鐵)을 만들었으며 이들은 퇴적하여 적색층(赤色層)이나 호상철광층을 형성하였다.

따라서 원생대 초의 대기 중 산소함유량은 1% 정도에 불과하였다. 한편 대기 중의 이산화탄소는 꾸준히 줄어 그 비율이 8% 정도로 떨어졌으며 질소는 꾸준히 증가하여 지금의 비율인 78%에 육박하게 되었다.

호상철광층의 퇴적은 오랜 세월에 걸쳐 이루어졌으나 대부분은 25억 년 전에서 20억 년 전 사이에 집중적으로 이루어졌는데 초기의 퇴적층에는 우라늄의 산화광물인 우라니나이트(uraninite, UO2)가 존재하고 있으나 대기와 얕은 바다에 산소가 조금씩 존재하게 된 23억 년 전 이후의 퇴적층에는 더 이상 우라니나이트가 존재하지 않게 되었으며 산소를 필요로 하는 일부 호기성(好氣性)박테리아도 등장하게 되었다.

2. 지구의 기후변화

지구의 기후는 지구가 얼마나 많은 태양 복사에너지를 흡수하느냐 또는 반사하느냐에 따라 달라진다. 태양에너지의 반사율을 알베도(Albedo)라고 하는데 모두 반사할 경우가 1이고 모두 흡수할 경우가 0이다.

알베도는 빙하가 0.8로서 가장 높고 구름도 높으며 일반적으로 바다보다는 육지가 더 높다. 그러나 같은 육지라고 하여도 사막은 매우 높지만 숲이 우거진 경우에는 0.1 정도밖에 안 된다. 알베도가 가장 낮은 곳은 적도지방의 바다로서 0.05인데 비하여 극지방의 바다는 0.12 정도이다.

따라서 대륙의 면적이 늘고 이들이 주로 적도지방에 분포할 때 기후는 좀 더 계절적이 되고 전반적으로 추워지게 된다. 그 결과 극지방이나 그에 가까운 대륙에 대륙빙(大陸氷)이 형성되는데 이때 극지방에도 어느 정도의 대륙이 있어야 빙하의 확장이 용이해진다.

이와 같이 대륙빙이 형성되면 알베도가 높아져 더 많은 태양에너지를 반사해 내보내는 한편 물이 얼음에 갇힘으로서 해수면은 더 낮아지고 더 많은 대륙이 드러나 기온은 더욱 낮아지게 된다.

반면에 어떤 계기로 지구의 기온이 더워지기 시작하면 빙하가 녹아 알베도는 낮아지고 해수면은 높아지게 되며 이로 인하여 대륙의 면적이 줄어들어 알베도는 더욱 낮아지면서 기온도 더 올라가게 된다. 이와 같이 지구의 기온은 한번 더워지기 시작하면 점점 더 더워지고 추워지기 시작하면 점점 더 추워지는 순환체계를 가지고 있다.

이 외에도 지구의 기후변화에 영향을 미치는 요인이 몇 가지 더 있는데 그 하나는 지구 자전축 기울기(경도/傾度)의 변화로서 21.5˚~24.5˚의 범위에서 4만 1천년을 주기로 변하고 있으며 기울기가 작으면 극지방이 더 추워진다.

그 다음으로는 지구의 공전궤도가 약 10만년을 주기로 이심율이 변하여 원형에 가까웠다가 좀 더 타원형으로 되는 것인데 타원형일 때 빙하가 더 잘 형성된다.

세 번째는 지구의 자전축이 2만 1천년을 주기로 세차운동을 하는 것인데 지구의 공전궤도가 타원이기 때문에 자전축의 방향이 어디냐에 따라 지역별 기온에 차이가 생긴다. 이상과 같은 세 가지 주기가 어떻게 겹치느냐에 따라 지구에 빙하시대가 오거나 기온이 따뜻해지는데 큰 영향을 미치게 되며 이것을 밀란코비치주기(Milankovitch cycle)라고 한다.

[임성빈 교수의 ‘빛의 환타지아’]