지구 생명체, 한 번이 아니라 두 번 탄생했다?…'루카' 다시 그린 충격적 연구

연구진은 최초의 대사 네트워크를 재구성하는 작업을 통해, LUCA가 자유 생활을 하는 완전한 세포가 아니라 불완전한 대사 체계를 가진 '전(前)세포적' 존재였으며, 주변 환경의 금속에 크게 의존했다는 사실을 밝혀냈습니다. 가장 충격적인 결론은 이렇습니다. 세균(bacteria)과 고세균(archaea)이라는 생명의 두 주요 분파가 각자 독립적으로 자유 생활 단계에 도달했다는 것, 즉 무생물에서 생명체로의 전환이 한 번이 아니라 두 번 일어났다는 의미입니다 .

공동 저자인 윌리엄 마틴(William Martin) 교수는 이 연구 결과를 다음과 같이 간결하게 요약했습니다. "우리는 유전 코드의 기원은 하나지만, 생명의 기원은 두 개인 셈입니다."

LUCA는 완전히 '살아있는' 존재가 아니었다

기존의 생명 나무 그림에서 LUCA는 모든 생명체가 뻗어 나가는 단일 줄기의 기저에 있는 하나의 유기체로 묘사됩니다. 그러나 새로운 연구는 훨씬 더 복잡한 그림을 제시합니다. 연구팀은 세균과 고세균의 모든 주요 그룹의 게놈을 비교하여 핵심 대사를 담당하는 효소의 기원을 추적했습니다. 여기서 대사란 수소, 이산화탄소, 암모니아, 인산염과 같은 단순한 분자로부터 아미노산, RNA 염기, 보조 인자를 만드는 데 필요한 일련의 화학 반응을 말합니다 .

연구진이 발견한 사실은 충격적이었습니다. LUCA는 약 420개의 핵심 대사 반응 중 절반 정도에 해당하는 효소만 가지고 있었습니다. 나머지 절반의 반응은 효소가 아닌, 열수 분출구 환경에 자연적으로 존재하는 철, 니켈, 코발트와 같은 금속에 의해 촉매되었습니다 . 이는 LUCA가 외부의 도움 없이는 스스로 대사를 유지할 수 없었다는 뜻이며, 자율적이고 자유로운 생명체가 아니었음을 의미합니다.

마틴 교수는 사이언티픽 아메리칸과의 인터뷰에서 "놀라운 점은 이런 반응을 촉매하는 효소들이 세균과 고세균을 나누는 진화적 분기점을 넘어 보존되지 않았다는 것입니다" 라고 말했습니다 .

초기 촉매 작용의 4단계 진화

연구진은 무생물의 화학 반응에서 현대 세포에 이르기까지의 촉매 작용 진화를 다음 네 단계로 재구성했습니다 :

1. 금속 단독 반응 단계: 가장 초기 단계에서는 순수한 무기 금속이 단순한 대사 반응을 촉매했습니다.
2. 금속-효소 혼합 단계 (LUCA): LUCA가 등장하면서 일부 원시 효소를 갖추게 되었지만, 여전히 많은 필수 반응을 위해 환경의 금속에 의존했습니다.
3. 분기 단계: 세균과 고세균의 조상이 분리되기 시작했고, 각 계통은 LUCA의 불완전한 효소 도구 상자를 물려받았습니다.
4. 독립적 효소 진화 단계: 세균과 고세균은 각각 결핍된 금속 촉매제를 대체할 새롭고 구조적으로 독특한 효소를 독립적으로 진화시켰습니다. 즉, 각 계통이 동일한 대사 문제를 서로 다른 방식으로 해결한 것입니다.

이러한 독립적인 효소 진화야말로 세균과 고세균이 진화적 경로가 이미 분기된 후에 각자 따로 자유 생활을 하는 자율 세포로 전환했다는 결정적인 증거입니다 .

ATP 이전에 초기 생명체는 어떻게 에너지를 얻었나?

현대 세포는 보편적인 에너지 화폐로 아데노신 삼인산(ATP)을 사용합니다. 하지만 ATP는 효소에 의해 만들어지는 복잡한 분자로, 생명체가 존재하기 전인 초기 지구에서는 사용할 수 없었습니다. 그렇다면 최초의 대사 반응을 구동한 에너지원은 무엇이었을까요?

연구는 놀라운 후보를 제시했습니다. 바로 열수 분출구에서 발견되는 인의 한 형태인 포스파이트(phosphite) 와 자연적으로 존재하는 팔라듐(palladium) 금속입니다. 포스파이트가 유기 화합물과 반응할 때 팔라듐이 촉매 역할을 하여 물 속에서 대사적 인산화 반응을 일으킬 수 있다는 것입니다. 이 시스템은 효소와 ATP가 존재하기 전 초기 대사에 동력을 공급했을 수 있으며, 지구 화학에서 생화학으로 이어지는 그럴듯한 화학적 경로를 제공합니다 .

생명 나무의 재구성: 하나의 유전 코드, 두 번의 생명 탄생

전통적인 생명 나무는 LUCA를 모든 생명체가 뻗어 나가는 단일 줄기의 기저에 배치합니다. 하지만 새로운 연구 결과는 근본적으로 다른 그림을 시사합니다 .

• 유전 코드의 단일 기원: 모든 생명체는 LUCA로부터 단일 유전적 유산, 즉 동일한 DNA, RNA 및 기본적인 단백질 합성 기계를 공유합니다.
• 자유 생활의 이중 기원: 무생물 화학에서 자율적이고 자급자족하는 세포로의 전환은 세균과 고세균 계통에서 각각 독립적으로 두 번 일어났습니다.

이는 생명 나무가 더 이상 단일한 줄기가 아니라, 공유된 무생물적 기반 위에 두 개의 별도 줄기가 솟아 있는 덤불(bush) 과 같을 수 있음을 의미합니다. 연구진은 논문에서 단호하게 말합니다. "새로운 데이터는 단 하나의 결론만을 남깁니다. 세균과 고세균 계통은 독립적으로 자유 생활 상태로 전환했습니다. 오직 자유 생활 세포만이 살아있는 것입니다. 우리는 유전 코드의 기원은 하나지만, 생명의 기원은 두 개인 셈입니다."

외계 생명체 탐색에 주는 의미

만약 생명체가 지구에서 두 번 이상 출현할 수 있다면, 이는 외계 생명체 탐색, 즉 우주생물학(astrobiology)에 심오한 질문을 던집니다. 이 발견은 무생물 화학에서 살아있는 세포로의 도약이 우리가 생각했던 것보다 더 쉽게 일어날 수 있는 단계이거나, 반대로 열수 분출구의 독특한 금속 화학과 같은 매우 특정한 환경 조건을 필요로 할 수 있음을 시사합니다 .

한계점과 남은 과제

이 연구는 매우 획기적이지만 몇 가지 한계점도 존재합니다. 분석은 세균의 유전체 데이터에 크게 의존하고 있으며, 고세균의 게놈은 덜 포괄적으로 샘플링되어 결과에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 초기 대사에서 포스파이트와 팔라듐의 역할은 현재 그럴듯한 화학적 모델일 뿐, 입증된 고대 경로는 아닙니다 . 금속 촉매 반응에서 효소 구동 대사로의 완전한 전환을 인공 시스템에서 입증하는 실험실 연구는 아직 수행되지 않았습니다.

그럼에도 불구하고 이 연구는 생명체의 가장 초기 대사 네트워크가 어떻게 조립되었는지에 대한 가장 상세한 재구성 중 하나를 제공하며, 생명의 기원이 누구도 예상했던 것보다 더 복잡하고, 더 우연적이며, 더 놀라운 과정이었을 수 있음을 시사합니다.