[바이오로고스 번역]
생명의 출현은 있을 수 없는 일인가?
Isn’t the origin of life highly improbable?
출처: http://biologos.org/questions/the-origin-of-lif
번역: 진규선 목사 감수: 송한나 박사
요약
3, 40억 년 전의 지구의 상태와 생명의 빌딩블록들(DNA, RNA, 아미노산, 당)의 복합성에 대해서 우리가 알고 있는 모든 것을 동원하더라도 생명의 자연적 기원에 대한 완전히 타당한 가설은 발견되지 않았다. 그러나 이것이 초자연적 활동만이 유일한 설명이라는 것을 의미하는 것은 아니다.
서론
이 복잡한 질문에 대하여 짧게 답한다는 것은 어려운 일이다. 3, 40억 년 전의 지구의 상태와 생명의 빌딩블록들 (DNA, RNA, 아미노산, 당)의 복합성에 대해서 우리가 알고 있는 모든 것을 동원하더라도 생명의 자연적 기원에 대 한 완전히 타당한 가설은 발견되지 않았다. 이 주제는 다른 과학 영역들만큼 잠재적으로 유용하게 응용할만 하지 않기때문에,이영역의연구가많지않다.하지만과학자들은현재다양한관점으로이문제에접근중이다.1 오늘 해답이 없다는 사실이 미래에도 해답이 없을 것이라는 뜻이 아니기 때문이다. 비록 생명의 기원에 대한 설명이 현 재는 모호하더라도, 이것이 신적 개입(divine intervention)만이 가능성있는 설명임을 뜻하지 않는다. 설명되지 않 는 자연 현상도 많고, 생명의 기원은 우리가 알고 싶어하지만 아직 풀리지 않은 특별히 흥미로운 미스터리 중 하나 일 뿐이다.
다양한 설명들
생명의 기원에 관한 논의 가운데, 중요한 첫 단계가 바로 생명이 뜻하는 바가 무엇인지 정의하는 것이다. 지구상의 생명의 최초의 형태들은 아마도 우리가 오늘날 ‘생명’이라고 부르는 것과는 매우 달랐을 것이다. 오늘날의 많은 생 명형태가가지고있는 DNA이중나선을포함하는모든 것들을생명이라고하고싶을지도모른다.그러나초기 생명체가 가지고 있어야만 하는 가장 중요한 속성은 자기-복제(self-replication)이다. 초기의 자기 복제 체계들은 DNA,RNA및다른기초구성단위들로이루어져 있었을수도있다. 이체계들의핵심적특징은자기주변환경으 로부터 화학 물질을 모으고 그 스스로를 복제할 수 있는 능력이 있었어야만 했다는 것이다. 지구 상의 모든 생명은 필수 기본 구성단위로 탄소를 함유한다.2 탄소는 생명을 구성하는 데 만연한 매우 복잡한 분자를 형성할 수 있는 가장 간단한 원소이다. 따라서 처음부터 탄소는 포함되었을 것이다. 탄소를 함유하고 있는 화합물들은 일반적으로 ‘유기물’로 분류된다. 그리고 복잡한 유기화합물을 만들어내는 자연 과정(natural mechanisms)을 탐구하는 것이 생명의 기원 연구의 초점이다.
또한 지구의 나이를 떠올리는 것도 중요하다. 지구의 나이는 대략 45억 년이다. 모든 증거는 최초 7억 년 간은 지구 의 환경이 너무 뜨거웠기 때문에 생명이 살기에 적합하지 못했을 것이라고 시사한다. 그러나 지구가 점차 식기 시 작했고, 약 40억 년 전부터 생명이 살기에 적합해졌다. 약 10억 년 전쯤에, 최초의 단세포 생명 형태가 출현한 것으 로 보여진다.3 이 유기체들은 어디로부터 온 것인가? 그리고 그것들의 잠재력은 무엇인가? 비록 우리가 이것들이 어떻게 초기 박테리아 형태로 발전했는지 알지 못하지만, 이때에 DNA가 정보 분자(information molecule)로서 출현했던 것 같다. 미생물학자이자 물리학자인 칼 R. 워즈(Carl R. Woese)는 원시박테리아(archaebacteria)라고 불리우는 초기 형태의 박테리아들 사이에 상당한 수평적 유전자 전이(lateral gene transfer)가 있었을 것이라고 추측한다.4 수평적 유전자 전이란 유전자가 하나의 박테리아로부터 다른 박테리아로 이동을 하는 것으로, 유전 물질(genetic material)의 교환을 가능하게 했을 것이며, 따라서 자연 선택에 의해 이루어지는 생물학적 기능의 다양 화 과정을 더욱 신속하게 만들었을 것이다. 애초에 어떻게 이러한 초기 유기체들이 발달했는지가 다음에 이어지는 토의 주제이다.
밀러-유리 시험
찰스 다윈은 “따뜻한 작은 연못”(warm little pond) 가설의 창시자로 인정받는다. 그 이론은, 생명은 무기화합물과 에너지의 혼합에서 형성되었다고 제안한다.5 소비에트의 생화학자 알렉산드르 이바노비치 오파린(Aleksandr Ivanovich Oparin)은 이 개념을 다시 재고하여 생명은 산소는 결핍되어 있지만 태양 빛에 의해 에너지를 공급받은 환경에서 형성되었다는 제안을 했다.6 이러한 종류의 생각들이 생명의 기원에 대한 많은 연구의 기초가 되었고, 그 연구의 가장 유명한 것이 바로 밀러-유리 시험이다.
1953년, 시카고 대학교에서 스탠리 밀러와 해롤드 유리가 그들이 생명이 발생되었을 때의 초기 지구의 상태였을 것이라고 생각됐던 조건을 재구성함으로써 생명의 기원 문제를 다루었다. 물과 무기화합물의 혼합물에 전기자극을 줌으로써 그들은 단백질의 구성요서인 아미노산을 포함한 유기화합물을 만들어 냈다.7 이 결과는 추가 실험들을 촉 진시켰고 적어도 일부에게는, 생명의 신비에 대한 해결책을 보여주는 것처럼 보였다. 1961년에 발표된, 휴스턴 대 학교의 후안 오로(Joan Oro)의 다음 발견은, DNA의 핵심 요소(아데닌) 및 다양한 아미노산이 암모니아수에서 무 기화합물인 사인화수소(hydrogen cyanide)에 열을 가함으로써 생성될 수 있다고 보여줬다.8 비록 이 작업이 잠재적으로 퍼즐의 조각을 맞추는데 기여했다할지라도, 밀러-유리 유형의 실험들은 어떻게 생명이 탄생했는지에 대한 완전한 대답을 주지는 못했다.9 그것은 유기화합물이 생성할 수 있는 것과, 자기-복제 체계를 형성하는 것은 전혀 다른 문제이다.
최근 들어, 이러한 초기 결과들이 보다 더 세심한 방법으로 재고되었다. 연구자들은 밀러-유리의 실험 중 발견되지 않았던 아미노산과 다른 구성요소들을추가적으로 발견했다.10 밀러는 생명의 기원을 정확히 밝히기 위한 다양한 실험을 지속했고 비록 그 미스터리는 여전히 풀리지 않았지만, 그의 연구실의 동료들은, 생명체를 구성하는 아미노 산과 다른 구성요소들이 극도로 낮은 온도의 환경에서 무기화합물로부터 형성될 수 있음을 발견했다.11
어떻게 생명체가 형성되었는가?
아미노산, 뉴클레오티드, 당이 어떻게 형성되었는지, 그것들이 어떻게 모여서DNA와 RNA가 될 수 있었는지, 생명 체의 구성요소들이 어떻게 스스로 자기 복제를 하고 이러한 과정을 용이하게 하도록 하는 효소를 획득했는지에 대 한 설명들 모두가 여전히 추측에 근거 하고 있다. 하지만 “심해 열수구 이론”(deep sea vent theory)12, “방사선 바 다 이론”(radioactive beach theory)13, “점토/결정 이론”(crystal or clay theory)14 등, 많은 흥미로운 관점의 연구 들이 행해지고 있다. 프랜시스 크릭(Francis Crick)과 다른 연구원들에 의해 제시된 다른 견해에 의하면 지구 상에 출현한 생명체에 대한 유일한 설명은 외부 행성으로부터 온 것이라고 주장한다15 하지만 이러한 유형의 설명은 그 저 그 질문을 한 걸음 더 물러나게 할 뿐이다. 그렇다면 이 외계 생명의 기원은 무엇인가? 지구의 생명의 기원에 대 한 적절한 설명은 여전히 나타나지 않은 채 남아있다.
생명이 어떻게 출현했는지에 대한 진화 이론들은 “유전자 우선설”(gene first hypothesis)과 “대사 우선 설”(metabolism first hypothesis), 이 두 가지로 정리된다. 유전자 우선설은 최근들어 DNA보다는 RNA에 초점을 맞추고 있다. 특정 RNA분자들은 정보를 전달할수 있으며 또한 자기 스스로를 복제할 수 있는 효소와 같은 기능을 할 수 있음이 밝혀젔다. 이 관점에서 보면, RNA는 DNA 와 단백질 합성에 선행한다. 한편, 대사 우선설은, 생물발생 이전의 물질의 분자들이 원시 대사 체계를 구성하는 화학 사이클과 화학 반응의 네트워크를 형성한다고 주장한다. 이러한 대사 체계는 RNA이전에 존재했으며 나중에RNA 복제가 일어날 수 있는 환경을 제공한다. 다양한 방향의 연구에도 불구하고, 현재로써는 두 이론 모두 결정적인 증거가 결핍되어 있다. 최근에, 연구자들이 실험실에서 생물발생 이전의 분자들로부터 자기 복제를 하는 RNA를 생성했지만16, 불안정한 고분자로 악명높은 RNA가 어떻게 초기 행성 지구의 거친 화학적이고 뜨거운 환경 속에서 자기 복제 체계를 생성할 수 있었는지 밝히기는 쉽지 않다.
결론
생명의 기원에 대한 연구는 흥미로운 연구 영역이다. 생명의 최초 출현이 어떻게 일어났는지 지금도 결론이 나지 않았다. 간단한 대답은 ‘틈새의 신’ 설명일 것이다. 즉, 하나님이라는 초자연적인 힘이 생명의 출현에 개입해야만 한 다는 것이다.
그러나 아래의 과학 연대기를 생각해보자. 지구 상에 생명체가 출현한 것은 대략 38억 5천만 년 전이지만, 그것의 기원에 대한 과학적 연구는 불과 60년 전에 시작되었다. 확신을 줄 수 있는 과학적 설명이 50년 뒤면 나타날지도 모른다. 비록 생명의 기원이 하나님의 직접적인 개입의 결과라 할지라도, 우리가 현재에 확신할만한 과학적 설명을 갖고 있지 못하다는 이유로 생명의 기원은 과학 영역 너머에 있다고 결론 내리는 것은 대단히 위험하고 오만한 것 이다. 비록 생명의 기원이 실제로 과학적 미스터리이긴 하지만, 그것이 사고할 수 있는 인간이 신앙을 걸고 도박해 야 하는 영역은 아니다. 생명의 역사에서 발생한 모든 것은 하나님의 창조 명령에 대한 응답으로 발생했다(요한복 음 1장 3절). 더 나아가 하나님은 창조 세계에 편재하시면서 자연 법칙들을 관장하신다. 골로새서 1장 17절은 이렇 게 말한다. “그가 만물보다 먼저 계시고 만물이 그 안에 함께 섰느니라.” 현재로써, 우리는 하나님이 생명의 역사에 어느 정도로 초자연적인 개입을 하셨는지 알지 못한다. 어떤 사람들은 창조 명령이, 창조 세계 안에 계신 하나님의 지속적인 편재로 말미암아 유지되는 자연 법칙들을 통해 수행되었다고 믿는다. 또 다른 이들은 성경의 하나님과 우 리 삶에서 경험하는 하나님 모두 때때로 초자연적인 방식으로 개입하시므로 이 세계 역시 생명의 역사 그 자체에 대해서도 실제로 그랬을 것이라고 믿는다. 이러한 견해들이 과학적 발견들과 모순 되지는 않는다. 우리 바이오로고 스의 견해로 볼 때, 중요한 것은 하나님의 계속적인 창조의 역사는 태초로부터 지금까지 생명 역사 속의 모든 것을 지탱하고 계신다는 점이다.
마지막으로, 순전히 기술적인 이유로, 진화에 대한 이론은 생명의 기원에 대한 질문에 대해서는 어떠한 설명도 제 공하지 않는다. 진화에 대한 이론은 오직 이미 생명이 시작한 이후와 관련이 있다.
더 읽을 거리
책
• Hazen, Robert M. Genesis: The Scientific Quest for Life’s Origins. Washington, D.C.: Joseph Henry Press, 2005.
• Knoll, Andrew H. Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth. New Jersey: Princeton University Press, 2003.(번역서: 생명 최초의 30억 년, 뿌리와이파리)
1 이 주제에 대하여 연구하는 두 그룹은 다음과 같다. Gerald Joyce at Scripps Research Institute(The Joyce Laboratory, http://www.scripps.edu/mb/joyce/)와 Jack Szostak with the Origins of Life initiative at Harvard University (The Origins of Life Initiative, http:// www.harvardscience.harvard.edu/directory/programs/origins-life-initiative)이다. 이와 관련
한 다른 최신의 출판물은 다음과 같다. Robert M. Hazen, Genesis: The Scientific Quest for Life's Origins (Washington, D.C.: Joseph Henry Press, 2005), Andrew H. Knoll, Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth (New Jersey: Princeton University Press, 2003).
2 규소가탄소를대체할수있을지도모른다는가설이제기되었다. 규소는반만채워진바깥껍질과네개 의 전자를 가진 탄소와 유사하다. 그러나 다른 분자들에 대한 반응의 차이로 인해 가능한 대안으로 보이지 않는다. 다음을 보라. Raymond Dessy, “Could Silicon be the Basis for Alien Life Forms, just as Carbon in on Earth?” Scientific American(1998).
3 Heinrich D. Holland, “Evidence for Life on Earth More Than 3850 Million Years Ago,” Science 275, no. 3 (1997): 38-39.
4 Carl Woese, “The Universal Ancestor,” Proceedings of the National Academy of Sciences 95, no. 12 (1998): 6854-9. 또한 W. Ford Doolittle, “Uprooting the Tree of Life,” Scientific American 282, no. 2 (2000): 90.
5 Francis Darwin, ed., The Life and Letters of Charles Darwin, Including an Autobiographical Chapter (London: John Murray, 1887), 3:18. 이것은 온라인에서도 읽을 수 있 다. “The Complete Works of Charles Darwin Online,” Darwin Online, http://darwin- online.org.uk/content/frameset?viewtype=text&itemID=F1452.3&pageseq=1
6 Aleksandr I. Oparin, The Origin of Life (New York: Dover, 1952).
7 Stanley L. Miller, “A Production of Amino Acids under Possible Primitive Earth Conditions,” Science 117 (1953): 528–9.
8 Joan Oro, "Mechanism of synthesis of adenine from hydrogen cyanide under possible primitive Earth conditions,” Nature 191 (1961): 1193–4.
9 Michael P. Robertson and Stanley L. Miller, “An Efficient Prebiotic Synthesis of Cytosine and Uracil,” Nature 375 (1995): 772-4.
10 Adam P. Johnson et al., “The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment,” Science 322, no. 5900 (2008): 404.
11 Douglas Fox, “Did Life Evolve in Ice?” Discover Magazine (2008), http:// discovermagazine.com/2008/feb/did-life-evolve-in-ice/article_view?b_start:int=0&-C=. 그 리고 M. Levy et al, “Prebiotic Synthesis of Adenine and Amino Acids under Europa-like Conditions,” Icarus 145, no. 2 (2000): 609–13.
12 W. Martin and M.J. Russell M.J, “On the Origins of Cells: A Hypothesis for the Evolutionary Transitions from Abiotic Geochemistry to Chemoautotrophic Prokaryotes, and from Prokaryotes to Nucleated Cells,” Philosophical Transactions of the Royal Society: Biological Sciences 358 (2003): 59-85; Jianghai Li and Timothy M. Kusky, “World's Largest Known Precambrian Fossil Black Smoker Chimneys and Associated Microbial Vent Communities, North China: Implications for Early Life,” Godwana Research 12 (2007): 84-100.
13 Adam, Zachary, “Actinides and Life’s Origins,” Astrobiology 7, no. 6 (2007): 852–872.
14 Martin M. Hanczyc, Shelly M. Fujikawa and Jack W. Szostak, “Experimental Models of Primitive Cellular Compartments: Encapsulation, Growth, and Division,” Science 302, no. 5654 (2003): 618-622.
15 Francis Crick, Life Itself: Its Origin and Nature (New York: Simon and Schuster, 1981).
16 Carl Zimmer, “On the Origin of Life on Earth,” Science 323 (2009).