진화론자들 드디어 ‘RNA 세계’를 포기하다.
김기환
화학진화의 중심내용인 ‘RNA 세계’(RNA world, 생명의 탄생 초기에 유전물질이 RNA로 구성되었을 것이라는 견해)를 포기한다는 기사가 사이언티픽 아메리컨(Scientific American) 2007년 6월호에 게재되어 주의를 끌게 되었다. “생명체의 더 단순한 기원(A Simpler Origin for Life)”이라는 제목의 논문에서[1] 저자인 로버트 샤피로(Robert Shapiro)는 RNA는 자연에서 생겨나기에는 너무 큰 분자이기 때문에 과학적으로 맞지 아니하며, 따라서 더 작은 분자의 물질이 생명의 시작물질일 것이라는 것이다. 그의 주장을 요약하여 본다.
RNA는 정보저장 능력, 촉매능력 및 자기복제 능력을 가지고 있어 정보저장 능력이 없는 단백질, 정보저장 능력만 가지고 있는 DNA에 비하여 생명의 자연발생설에서 가장 많은 촉망을 받아온 물질이었다. 특히 DNA가 먼저 생겼느냐? 단백질이 먼저 생겼느냐? 하는 이른바 계란-닭의 논쟁을 피할 수 있어서 좋았다. RNA가 약 50개 정도 연결되면 자기를 주형(본)으로 하여 자신을 복제하는 능력이 있는 것을 알게 되었다. 즉 단백질의 도움이 없이도 복제가 되는 것이다. 말하자면 단백질의 촉매작용도 동시에 가지는 것이다. 한번 RNA가 자기복제를 할 수 있을 만큼만 큰 분자가 만들어지기만 하면, 이 RNA는 자기복제를 반복하고, 반복 중에 돌연변이가 일어나 다양한 RNA들이 생겨나서, 결국은 단백질을 만들 만한 RNA까지 만들어지게 될 것이라는 것이었다. 그리고 거기서 그치지 아니하고, 드디어 DNA 합성에 필요한 단백질까지 만들게 되어 DNA 세계가 열리게 되고, 현재의 DNA-RNA-단백질의 자기복제 체계가 이루어지게 될 것이라는 것이 화학진화의 주요 줄거리이다. 이 소설에서 당연히 주인공은 RNA 였다.
이 주인공 RNA가 주인공의 자리에서 끌어내려지게 된 주된 이유는 우선 RNA가 자연에서 우연히 만들어지기에는 너무 복잡한 물질이라는 것이다. RNA는 매 분자마다 한 개의 당, 한 개의 인산염, 네 개의 질소함유 염기 등으로 구성된다. 그리하여 매 RNA는 9-10 개의 탄소원자, 수많은 질소와 산소 원자들, 그리고 인산그룹이 정확히 3차원 구조를 이루고 있다. 이 원자들의 연결방법은 수없이 많아서 RNA 골격에서는 전혀 사용될 수 없는 수천 개의 유사 뉴클레오타이드들이 만들어질 수 있다. 그뿐만 아니라, 뉴클레오타이드라고 볼 수도 없는 수십만 가지의 비슷한 분자들이 만들어질 수 있어서, 결국 제대로 된 RNA 분자가 우연히 만들어질 확률은 너무도 희박하다는 것이다.
밀러의 실험에서 만들어진 아미노산에는 두 개의 탄소만 들어있었다. 그러나 생체단백질 합성에 사용되는 아미노산은 6개 정도의 탄소원자가 들어있다. 그리고 뉴클레오타이드는 밀러의 방전 실험에서 만들어지지 아니하였고, 운석에서도 찾아볼 수 없는 것이다. 따라서 자연에서 뉴클레오타이드가 우연히 저절로 만들어졌을 것이라고 생각하는 것은 적절치 아니한 것이다. 이 치명적인 결점을 보안하기 위하여 실험실에서 전구체적으로 RNA를 만드는 방법을 고안하였다. RNA와 반응에 필요한 물질을 준비하고 치밀하게 컨트롤하면서 반응을 진행시켰다. 이 연구결과는 수많은 결함을 나타내었다. 그리고 가장 근본적인 결함인 지성이 개입되었다는 것을 감출 수 없었다. 예를 들면 한 골프선수가 골프공을 치면서 18홀을 돌고 난 후에, 자신이 없이도 이 공 스스로가 18홀을 돌 수 있다고 상상하는 것과 같은 어리석음을 나타내고 있는 것이었다. 자연이 RNA를 우연히 만든다는 것이 자연법칙을 파괴하는 것은 아니다. 그러나 그 방해요소들은 너무도 광대하여 이런 일이 일어난다고 상상하는 것은 불가능해 보인다. 노벨상 수상자인 크리스쳔 드 듀브(Christian de Duve)는 이런 일은 너무도 불가능한 일이기 때문에, 과학의 영역 밖으로 볼 수밖에 없다고 하였다. 그리하여 거대 분자들이 자연에서 우연히 생겨나서 생명체가 기원되었다는 주장은 폐기되어야 한다는 것이다.
그리하여 뉴욕 대학의 화학 교수인 샤피로 박사는 다음과 같은 대안을 제시하고 있었다 :
1. 막이 필요하다 : 현재 생명체에 있는 세포막은 지질로 되어있다. 이것은 너무 만들어지기 어렵다. 더 간단한 물질인 유화철(iron sulfide)막, 바위표면, 작은 웅덩이, 혹은 에어러졸(aerosols) 등이었을 것이다. 이 막이 작은 분자의 물질들의 반응이 일어날 수 있도록 경계면을 만들어 바깥과 격리되는 공간을 만들었을 것이다.
2. 에너지가 필요하다 : 이 에너지는 화학반응을 한 방향으로 진행시켜서 생명에 필요한 물질을 만들어내는 것이다. 현재의 생체내의 에너지 대사와는 다른 에너지 공급원이 있었을 것이다. 예를 들면 막 내외의 산도의 차이, 방사능, 막 내외의 갑작스러운 기온 차이 등이 있을 수 있었다.
3. 에너지의 생명활동 연결 : 공급되는 에너지가 작은 분자의 반응에 연결되기 위해서는 촉매가 필요하며, 이러한 간단한 촉매가 초기 생명활동을 출발하게 하였을 것이다.
4. 이 생명활동의 반응이 적응과 진화를 하기 위해서는 네트워크가 필요하다 : A라는 물질이 반응하여 B, B가 C, 다시 C가 D로 진행한다. 그리고 D로부터 A가 만들어져 사이클이 이루어지게 된다. 그리하여 이 네트워크는 A라는 물질과 에너지를 공급받아 중단 없이 계속된다. 때로는 곁가지 반응, 예를 들면 D에서 E가 만들어질 수 있다. 더 나은 네트워크가 이루어진다. 환경의 변화에도 적응하여 이 사이클은 진화를 이루게 된다.
5. 네트워크의 성장과 재생산 : 이 네트워크에 에너지와 원료공급이 중단되면 이 사이클은 사라지게 될 것이다. 그러나 이러한 네트워크는 수없이 많이 일어날 것이고, 그 중 몇 개는 원료와 에너지 공급이 확실하여 튼튼한 뿌리를 내리고 생명을 유지할 것이다. 이 네트워크는 결국 성장을 이루고 환경에 적응하여 다윈식 진화를 이루어가는 생명체가 될 것이다.
이상이 ‘RNA 세계’를 대신하는 새로운 제안인 것이다. 이 제안의 별명은 ‘대사반응 먼저(metabolism first)’로 불려지는데, 이것은 유전보다 대사반응이 먼저 일어난다는 내용 때문에 붙여진 별칭이다. 여기에서는 정보를 저장하고 복제하여 후손에게 전해주는 분명한 물질분자나 체계는 없다. 작은 항목이 각 항목 스스로를 표기하고, 이 항목의 집합이 전체 정보를 가지게 되는 것이다. 이 접근법도 자연에서 많은 것이 요구되고 있다. (막, 외부에너지, 추진반응, 화학반응의 네트워크, 간단한 재생산기전 등). 그러나 이런 것은 한 개의 자기복제 물질(replicator)보다는 자연에서 우연히 생겨날 가능성이 훨씬 크다는 것이다. 이 제안에 대한 실험결과는 아직 미미하다는 상황 설명과 함께 제안자 샤피로는 미래 연구에 기대를 걸고 있었다.
이 제안에 대하여 ‘RNA 먼저(RNA first)’를 주장해온 학자들은 다른 반응을 보였다. 스티븐 에이 벤너(Steven A. Benner of Westweimer Institute for Science and Technology in Gainesville, Fla.)는 ‘RNA 먼저’ 모델은 살아있고 완전하다고 반박하고 있다. 첫째로 반응에 적당한 화학물질은 반응성이 좋은 만큼 잘 분해한다는 성질이 있다. 이것은 쉽게 풀릴 문제가 아니다. RNA를 구성하는 리보스가 만들어지기 어렵다는 것은 밀러 때부터 거론되었고, 그는 특히 리보스는 카보닐 그룹 때문에 불안정하여 리보스를 처음의 유전물질에서 제외하였던 것이다. 그러나 Death Valley에서 좋은 반응로가 발견되었다. 이 원시의 자연반응로는 젖은 부분과 마른 부분이 있고 유기물과 광물질이 풍부하여, 여기에 번개(그러나 번개는 유기물을 파괴하며, 화학반응을 진행시키는 사례는 실험으로 확인된 바가 없다)나 화산열이 가해지면 리보스가 생겨나고, 건조하기 때문에 분해가 일어나지 아니할 것이다. RNA가 유전물질이 되기 어렵다는 현재까지의 연구결과에만 매달려 쉽게 이를 포기하는 것은 적절하지 아니하다는 것이다.
여기까지가 사이언티픽 어메리컨에 실린 기사의 요약이다. 이 기사를 읽고 몇 가지 생각을 정리해본다.
첫째로 RNA가 자연에서 만들어질 수 없다는 것은 여러 실험에 의하여 확인되어져 왔었다. 그럼에도 진화론 학자들은 RNA 세계를 주장하고 있었다. 그러나 이번 글에서 이 RNA가 자연에서 저절로 만들어질 수 없다는 것을 진화론자들 스스로도 확인하고 있었다는 것이다. (사이언티픽 어메리컨은 진화론을 주장하고 있는 잡지이다). 이것은 진화론자들도 과학적인 사실을 인정할 수밖에 없다는 것을 보여주고 있다.
두 번째로 대안인 ‘대사반응 먼저’가 RNA 세계의 문제점을 제거한 것이 아니라는 것이다. 다만 한 단계를 미룬 것뿐이다. 대사반응이 진화하면 이 대사반응의 마지막 단계에서는 RNA가 만들어진다는 것이다. 현재까지 실험실에서는 간단한 유기물에서 출발하여 RNA를 만드는 실험이 부분적으로 성공한 경우가 있었으나, 일반 지구환경에서 일어날 수 없는 특별한 실험조건 하에서 이루어졌던 것이며, RNA가 자연에서 저절로 만들어질 수 없다는 근본적인 문제점은 조금도 해결되지 않고 여전히 존재하는 것이다. 이 문제는 ‘대사반응 먼저’에서도 결국은 피해갈 수 없는 것이다.
세 번째로 더 전향적인 연구를 목적으로 제안하였지만, RNA 세계에 대하여 그 약점과 문제점을 노출시킨 것은 화학진화의 신뢰성에 먹칠을 한 결과가 되고 말았다.
‘RNA 세계’이건 ‘대사반응 먼저’이건 일반적으로 화학진화는 건널 수 없는 강(개미가 태평양을 헤엄쳐 건널 수 없는 것과 같은 불가능의 강)이 세 개가 가로막고 있다.
그 첫 번째는 막의 문제이다. 막은 막 안의 물질과 막 밖의 물질이 혼합되지 아니하도록 벽이 되어야 한다. 그리고 막 내에 필요한 물질이 밖에 있으면 이를 막 안으로 들어오게 하여야 한다. 그리고 막 내에 있어서는 안 되는 물질은 밖으로 나가게 하여야 한다. 이 어려운 기능을 수행하는 생명체의 막은 인산지질과 단백질로 구성되어있다. 탄소수가 10개 이상의 직선형 지방산은 쉽게 만들어지지 아니한다. 합성 시에는 짧은 지방산들이 대부분이며, 긴 것은 가지를 친 것이다. 가지를 친 지방산으로 막을 만들면 막에 구멍이 생긴다. 지방산에 인산을 결합시키는 것도 성공하고 있지 못하다. 만약 인산지질이 만들어져 막이 형성될 경우, 이 막은 김빠진 고무공과 다를 바가 없다. 물질이 통과하지 못하기 때문이다. 생명체가 가지고 있는 막에는 막 단백질이 있어 물질이 드나드는 게이트 역할을 하고 있다. 이 단백질은 필요한 물질을 받아들이고 불필요한 물질을 내보내는 신기한 작업을 한다. 그리하여 이 단백질은 매우 치밀하고 정교하다. 이런 단백질은 DNA에 들어있는 합성정보에 의하여 리보솜에서만 만들어질 수 있다. 이것은 RNA보다 만들어지기 더 어려운 물질이다.
막 단백질은 통과 물질에 따라 그 구조도 여러 가지가 된다. 물질의 통과를 차단하는 지질과 물질을 선택하여 통과시키는 단백질은 막의 기본구성이 된다. 그리고 아무리 간단한 반응이라도 막이 없으면 생명체와는 무관한 반응이 된다. 따라서 이 막은 처음부터 있어야 한다. 이 어려운 물질인 단백질이 반응초기부터 있어야 하는 것이다. 여기서 막 문제의 절박함이 있는 것이다. 차단과 통과의 두 가지 기능을 다 하는 물질은 없다. 한 가지 물질로 된 막은 시도 때도 없이 줄줄 세는 막이거나 아니면 꽉 막혀 필요한 물질의 통과가 안 되거나 하는 막이 되고 만다.
샤피로가 제안한 유화철의 막도 줄줄 세거나 아무것도 통과 못하는 고무막일 것이 뻔하다. 현재 화학진화에서 제창하고 있는 코아세르베이트, 마이크로스피어, 리포솜 등의 막은 물질통과 능력이 너무 열악하여 이 막을 이용하여 화학반응을 일으키는 실험은 성공하지 못했다. 이 막들은 이미 실험실에서는 전혀 쓸모가 없어 폐품처리가 된 막들이지만, 화학진화 문헌에서만은 버젓이 남아있다. 사용할 수 없는 막을 사용할 수 없는 막이라는 사실을 숨긴 채 막의 예로 살려놓는 것은 막이 자연에서 저절로 만들어질 수 있다는 착각을 일으키게 하는 것이다. 그러나 이 막의 문제는 화학진화가 절대로 건널 수 없는 첫 번째 강인 것이다.
두 번째는 죽은 물질의 문제이다. 사람의 두 손은 같은 것처럼 보이나 다른 것이다. 두 손바닥을 얼굴을 향하여 포개면 포개어지지 아니한다. 오른 손의 엄지는 오른쪽을 향하고 있으며 왼손의 엄지는 왼쪽을 향하고 있는 것이다. 큰 유기물 분자는 모두 이렇게 구조는 같으나 입체적으로 왼쪽 물질과 오른쪽 물질(이성질체)이 있다. 파스퇴르는 포도의 구성성분인 주석산이 입체적으로 두 가지인 것을 발견하였다. 포도당에 들어있는 주석산은 한 가지 입체 물질만으로 되어있고, 실험실에서 만드는 주석산은 두 가지 입체분자가 반 반씩 들어있다는 것을 알게 되었다. 이렇게 입체적으로 틀린 분자가 반반씩 섞인 물질(라세미 화합물)을 죽은 물질이라 하였다. 생명체 내에 있는 아미노산들은 왼쪽 입체(L-형)의 물질이고 DNA와 RNA는 오른쪽 입체(D-형)의 물질이다. 그러나 실험실에서 이들 물질을 합성하면 오른쪽과 왼쪽이 반반인 라세미 물질이 생긴다. 이렇게 왼쪽과 오른쪽 물질이 반응하면 두 가지가 꼭 같이 반응에 참여한다. 그리하여 생긴 반응물은 한 가지 입체물질만으로 구성된 물질과는 전혀 성질이 다른 못 쓰는 물질이 되고 만다. 예를 들면 DNA의 경우 반응 자체가 일어나지 아니하기도 하지만, 만약 반응이 일어나더라도 DNA의 이중나사 구조가 나타나지 아니한다. 화학진화에서는 이 죽은 물질의 문제에 관하여 많은 연구를 하였지만, 이것은 극복할 수 없는 문제로 확정된 상태이다. 애써 이 문제를 거론하지 않기를 바라며 대부분의 화학진화 문헌에서는 이 문제를 거론하지 아니하고 있다. 이 문제는 화학진화에서는 결코 건널 수 없는 두 번째 강인 것이다.
세 번째는 유전정보의 자연발생 문제이다. 우주 어디에서도 정보가 지성의 개입 없이 자연적으로 우연히 만들어지는 현장이 포착된 적이 없다. 실험실에서도 이런 정보의 자연발생이 일어나는 일은 결코 성공하지 못하였다. 자연에서 정보가 우연히 저절로 만들어지는 이론은 아무도 제창한 적이 없다. 그런데 화학진화가 성공하려면 반드시 이 정보 문제의 강을 건너야만 한다. X 마을에 살던 강아지 A가 우연히 X 마을에서 Y 마을에 사는 강아지 B를 만나는 일은 있을 수 있는 일이다. 그런데 강아지 B가 강아지 A에게 “지금 당장 Y 마을에 다녀오라” 라는 명령서를 보여주어, 강아지 A가 Y 마을에 다녀오는 일은 절대로 있을 수 없다. 왜냐하면 강아지 B는 글을 만들 수 없다. 그리고 강아지 A도 그 글을 읽을 수 없다. 글을 만들고, 글을 쓰고, 글을 해독하는 일은 지성의 개입이 없이는 절대로 만들어질 수 없다. 우연히 어떤 화학반응이 일어날 수 있다. 그러나 그 반응에 관련한 부호(암호)들을 만들고, 그 반응들을 부호로 표현하고, 그 부호들을 읽게 하여, 그 반응이 일어나게 하는 일은, 그 반응이 일어나는 것과는 전혀 다른 일이며 아무런 관계가 없다. 그러나 많은 화학진화에서는 이 구분을 제대로 하지 못하고 얼버무리고 만다. 가장 간단한 반응이라도 이 반응을 부호로 나타내는 일은 실험에서 성공할 수 없다. 화학반응이 스스로 부호(암호)를 만드는 일은 절대로 일어날 수 없는 일이다. 그래서 이 정보체계 및 관련 정보들의 자연발생은 화학진화에 있어서는 결코 건널 수 없는 세 번째 강이 되는 것이다.
화학진화 문헌에는 밀러의 실험, 코아세르베이트, 마이크로스피어, 리포솜, RNA 세계, 죽은 물질, 자기복제, 정보의 자연발생 등에 관하여 실패한 사항들은 기록하지 아니하고, 이런 일이 일어날 수 있을 것처럼 기술하고 있다. 이러한 오도는 학문적 양심에 의하여 마땅히 퇴치되어야 할 것이다.
[1] Robert Shapiro, A Simpler Origin for Life, Scientific American Magazine, June, 2007.
진화론자들 드디어 ‘RNA 세계’를 포기하다.
김기환
화학진화의 중심내용인 ‘RNA 세계’(RNA world, 생명의 탄생 초기에 유전물질이 RNA로 구성되었을 것이라는 견해)를 포기한다는 기사가 사이언티픽 아메리컨(Scientific American) 2007년 6월호에 게재되어 주의를 끌게 되었다. “생명체의 더 단순한 기원(A Simpler Origin for Life)”이라는 제목의 논문에서[1] 저자인 로버트 샤피로(Robert Shapiro)는 RNA는 자연에서 생겨나기에는 너무 큰 분자이기 때문에 과학적으로 맞지 아니하며, 따라서 더 작은 분자의 물질이 생명의 시작물질일 것이라는 것이다. 그의 주장을 요약하여 본다.
RNA는 정보저장 능력, 촉매능력 및 자기복제 능력을 가지고 있어 정보저장 능력이 없는 단백질, 정보저장 능력만 가지고 있는 DNA에 비하여 생명의 자연발생설에서 가장 많은 촉망을 받아온 물질이었다. 특히 DNA가 먼저 생겼느냐? 단백질이 먼저 생겼느냐? 하는 이른바 계란-닭의 논쟁을 피할 수 있어서 좋았다. RNA가 약 50개 정도 연결되면 자기를 주형(본)으로 하여 자신을 복제하는 능력이 있는 것을 알게 되었다. 즉 단백질의 도움이 없이도 복제가 되는 것이다. 말하자면 단백질의 촉매작용도 동시에 가지는 것이다. 한번 RNA가 자기복제를 할 수 있을 만큼만 큰 분자가 만들어지기만 하면, 이 RNA는 자기복제를 반복하고, 반복 중에 돌연변이가 일어나 다양한 RNA들이 생겨나서, 결국은 단백질을 만들 만한 RNA까지 만들어지게 될 것이라는 것이었다. 그리고 거기서 그치지 아니하고, 드디어 DNA 합성에 필요한 단백질까지 만들게 되어 DNA 세계가 열리게 되고, 현재의 DNA-RNA-단백질의 자기복제 체계가 이루어지게 될 것이라는 것이 화학진화의 주요 줄거리이다. 이 소설에서 당연히 주인공은 RNA 였다.
이 주인공 RNA가 주인공의 자리에서 끌어내려지게 된 주된 이유는 우선 RNA가 자연에서 우연히 만들어지기에는 너무 복잡한 물질이라는 것이다. RNA는 매 분자마다 한 개의 당, 한 개의 인산염, 네 개의 질소함유 염기 등으로 구성된다. 그리하여 매 RNA는 9-10 개의 탄소원자, 수많은 질소와 산소 원자들, 그리고 인산그룹이 정확히 3차원 구조를 이루고 있다. 이 원자들의 연결방법은 수없이 많아서 RNA 골격에서는 전혀 사용될 수 없는 수천 개의 유사 뉴클레오타이드들이 만들어질 수 있다. 그뿐만 아니라, 뉴클레오타이드라고 볼 수도 없는 수십만 가지의 비슷한 분자들이 만들어질 수 있어서, 결국 제대로 된 RNA 분자가 우연히 만들어질 확률은 너무도 희박하다는 것이다.
밀러의 실험에서 만들어진 아미노산에는 두 개의 탄소만 들어있었다. 그러나 생체단백질 합성에 사용되는 아미노산은 6개 정도의 탄소원자가 들어있다. 그리고 뉴클레오타이드는 밀러의 방전 실험에서 만들어지지 아니하였고, 운석에서도 찾아볼 수 없는 것이다. 따라서 자연에서 뉴클레오타이드가 우연히 저절로 만들어졌을 것이라고 생각하는 것은 적절치 아니한 것이다. 이 치명적인 결점을 보안하기 위하여 실험실에서 전구체적으로 RNA를 만드는 방법을 고안하였다. RNA와 반응에 필요한 물질을 준비하고 치밀하게 컨트롤하면서 반응을 진행시켰다. 이 연구결과는 수많은 결함을 나타내었다. 그리고 가장 근본적인 결함인 지성이 개입되었다는 것을 감출 수 없었다. 예를 들면 한 골프선수가 골프공을 치면서 18홀을 돌고 난 후에, 자신이 없이도 이 공 스스로가 18홀을 돌 수 있다고 상상하는 것과 같은 어리석음을 나타내고 있는 것이었다. 자연이 RNA를 우연히 만든다는 것이 자연법칙을 파괴하는 것은 아니다. 그러나 그 방해요소들은 너무도 광대하여 이런 일이 일어난다고 상상하는 것은 불가능해 보인다. 노벨상 수상자인 크리스쳔 드 듀브(Christian de Duve)는 이런 일은 너무도 불가능한 일이기 때문에, 과학의 영역 밖으로 볼 수밖에 없다고 하였다. 그리하여 거대 분자들이 자연에서 우연히 생겨나서 생명체가 기원되었다는 주장은 폐기되어야 한다는 것이다.
그리하여 뉴욕 대학의 화학 교수인 샤피로 박사는 다음과 같은 대안을 제시하고 있었다 :
1. 막이 필요하다 : 현재 생명체에 있는 세포막은 지질로 되어있다. 이것은 너무 만들어지기 어렵다. 더 간단한 물질인 유화철(iron sulfide)막, 바위표면, 작은 웅덩이, 혹은 에어러졸(aerosols) 등이었을 것이다. 이 막이 작은 분자의 물질들의 반응이 일어날 수 있도록 경계면을 만들어 바깥과 격리되는 공간을 만들었을 것이다.
2. 에너지가 필요하다 : 이 에너지는 화학반응을 한 방향으로 진행시켜서 생명에 필요한 물질을 만들어내는 것이다. 현재의 생체내의 에너지 대사와는 다른 에너지 공급원이 있었을 것이다. 예를 들면 막 내외의 산도의 차이, 방사능, 막 내외의 갑작스러운 기온 차이 등이 있을 수 있었다.
3. 에너지의 생명활동 연결 : 공급되는 에너지가 작은 분자의 반응에 연결되기 위해서는 촉매가 필요하며, 이러한 간단한 촉매가 초기 생명활동을 출발하게 하였을 것이다.
4. 이 생명활동의 반응이 적응과 진화를 하기 위해서는 네트워크가 필요하다 : A라는 물질이 반응하여 B, B가 C, 다시 C가 D로 진행한다. 그리고 D로부터 A가 만들어져 사이클이 이루어지게 된다. 그리하여 이 네트워크는 A라는 물질과 에너지를 공급받아 중단 없이 계속된다. 때로는 곁가지 반응, 예를 들면 D에서 E가 만들어질 수 있다. 더 나은 네트워크가 이루어진다. 환경의 변화에도 적응하여 이 사이클은 진화를 이루게 된다.
5. 네트워크의 성장과 재생산 : 이 네트워크에 에너지와 원료공급이 중단되면 이 사이클은 사라지게 될 것이다. 그러나 이러한 네트워크는 수없이 많이 일어날 것이고, 그 중 몇 개는 원료와 에너지 공급이 확실하여 튼튼한 뿌리를 내리고 생명을 유지할 것이다. 이 네트워크는 결국 성장을 이루고 환경에 적응하여 다윈식 진화를 이루어가는 생명체가 될 것이다.
이상이 ‘RNA 세계’를 대신하는 새로운 제안인 것이다. 이 제안의 별명은 ‘대사반응 먼저(metabolism first)’로 불려지는데, 이것은 유전보다 대사반응이 먼저 일어난다는 내용 때문에 붙여진 별칭이다. 여기에서는 정보를 저장하고 복제하여 후손에게 전해주는 분명한 물질분자나 체계는 없다. 작은 항목이 각 항목 스스로를 표기하고, 이 항목의 집합이 전체 정보를 가지게 되는 것이다. 이 접근법도 자연에서 많은 것이 요구되고 있다. (막, 외부에너지, 추진반응, 화학반응의 네트워크, 간단한 재생산기전 등). 그러나 이런 것은 한 개의 자기복제 물질(replicator)보다는 자연에서 우연히 생겨날 가능성이 훨씬 크다는 것이다. 이 제안에 대한 실험결과는 아직 미미하다는 상황 설명과 함께 제안자 샤피로는 미래 연구에 기대를 걸고 있었다.
이 제안에 대하여 ‘RNA 먼저(RNA first)’를 주장해온 학자들은 다른 반응을 보였다. 스티븐 에이 벤너(Steven A. Benner of Westweimer Institute for Science and Technology in Gainesville, Fla.)는 ‘RNA 먼저’ 모델은 살아있고 완전하다고 반박하고 있다. 첫째로 반응에 적당한 화학물질은 반응성이 좋은 만큼 잘 분해한다는 성질이 있다. 이것은 쉽게 풀릴 문제가 아니다. RNA를 구성하는 리보스가 만들어지기 어렵다는 것은 밀러 때부터 거론되었고, 그는 특히 리보스는 카보닐 그룹 때문에 불안정하여 리보스를 처음의 유전물질에서 제외하였던 것이다. 그러나 Death Valley에서 좋은 반응로가 발견되었다. 이 원시의 자연반응로는 젖은 부분과 마른 부분이 있고 유기물과 광물질이 풍부하여, 여기에 번개(그러나 번개는 유기물을 파괴하며, 화학반응을 진행시키는 사례는 실험으로 확인된 바가 없다)나 화산열이 가해지면 리보스가 생겨나고, 건조하기 때문에 분해가 일어나지 아니할 것이다. RNA가 유전물질이 되기 어렵다는 현재까지의 연구결과에만 매달려 쉽게 이를 포기하는 것은 적절하지 아니하다는 것이다.
여기까지가 사이언티픽 어메리컨에 실린 기사의 요약이다. 이 기사를 읽고 몇 가지 생각을 정리해본다.
첫째로 RNA가 자연에서 만들어질 수 없다는 것은 여러 실험에 의하여 확인되어져 왔었다. 그럼에도 진화론 학자들은 RNA 세계를 주장하고 있었다. 그러나 이번 글에서 이 RNA가 자연에서 저절로 만들어질 수 없다는 것을 진화론자들 스스로도 확인하고 있었다는 것이다. (사이언티픽 어메리컨은 진화론을 주장하고 있는 잡지이다). 이것은 진화론자들도 과학적인 사실을 인정할 수밖에 없다는 것을 보여주고 있다.
두 번째로 대안인 ‘대사반응 먼저’가 RNA 세계의 문제점을 제거한 것이 아니라는 것이다. 다만 한 단계를 미룬 것뿐이다. 대사반응이 진화하면 이 대사반응의 마지막 단계에서는 RNA가 만들어진다는 것이다. 현재까지 실험실에서는 간단한 유기물에서 출발하여 RNA를 만드는 실험이 부분적으로 성공한 경우가 있었으나, 일반 지구환경에서 일어날 수 없는 특별한 실험조건 하에서 이루어졌던 것이며, RNA가 자연에서 저절로 만들어질 수 없다는 근본적인 문제점은 조금도 해결되지 않고 여전히 존재하는 것이다. 이 문제는 ‘대사반응 먼저’에서도 결국은 피해갈 수 없는 것이다.
세 번째로 더 전향적인 연구를 목적으로 제안하였지만, RNA 세계에 대하여 그 약점과 문제점을 노출시킨 것은 화학진화의 신뢰성에 먹칠을 한 결과가 되고 말았다.
‘RNA 세계’이건 ‘대사반응 먼저’이건 일반적으로 화학진화는 건널 수 없는 강(개미가 태평양을 헤엄쳐 건널 수 없는 것과 같은 불가능의 강)이 세 개가 가로막고 있다.
그 첫 번째는 막의 문제이다. 막은 막 안의 물질과 막 밖의 물질이 혼합되지 아니하도록 벽이 되어야 한다. 그리고 막 내에 필요한 물질이 밖에 있으면 이를 막 안으로 들어오게 하여야 한다. 그리고 막 내에 있어서는 안 되는 물질은 밖으로 나가게 하여야 한다. 이 어려운 기능을 수행하는 생명체의 막은 인산지질과 단백질로 구성되어있다. 탄소수가 10개 이상의 직선형 지방산은 쉽게 만들어지지 아니한다. 합성 시에는 짧은 지방산들이 대부분이며, 긴 것은 가지를 친 것이다. 가지를 친 지방산으로 막을 만들면 막에 구멍이 생긴다. 지방산에 인산을 결합시키는 것도 성공하고 있지 못하다. 만약 인산지질이 만들어져 막이 형성될 경우, 이 막은 김빠진 고무공과 다를 바가 없다. 물질이 통과하지 못하기 때문이다. 생명체가 가지고 있는 막에는 막 단백질이 있어 물질이 드나드는 게이트 역할을 하고 있다. 이 단백질은 필요한 물질을 받아들이고 불필요한 물질을 내보내는 신기한 작업을 한다. 그리하여 이 단백질은 매우 치밀하고 정교하다. 이런 단백질은 DNA에 들어있는 합성정보에 의하여 리보솜에서만 만들어질 수 있다. 이것은 RNA보다 만들어지기 더 어려운 물질이다.
막 단백질은 통과 물질에 따라 그 구조도 여러 가지가 된다. 물질의 통과를 차단하는 지질과 물질을 선택하여 통과시키는 단백질은 막의 기본구성이 된다. 그리고 아무리 간단한 반응이라도 막이 없으면 생명체와는 무관한 반응이 된다. 따라서 이 막은 처음부터 있어야 한다. 이 어려운 물질인 단백질이 반응초기부터 있어야 하는 것이다. 여기서 막 문제의 절박함이 있는 것이다. 차단과 통과의 두 가지 기능을 다 하는 물질은 없다. 한 가지 물질로 된 막은 시도 때도 없이 줄줄 세는 막이거나 아니면 꽉 막혀 필요한 물질의 통과가 안 되거나 하는 막이 되고 만다.
샤피로가 제안한 유화철의 막도 줄줄 세거나 아무것도 통과 못하는 고무막일 것이 뻔하다. 현재 화학진화에서 제창하고 있는 코아세르베이트, 마이크로스피어, 리포솜 등의 막은 물질통과 능력이 너무 열악하여 이 막을 이용하여 화학반응을 일으키는 실험은 성공하지 못했다. 이 막들은 이미 실험실에서는 전혀 쓸모가 없어 폐품처리가 된 막들이지만, 화학진화 문헌에서만은 버젓이 남아있다. 사용할 수 없는 막을 사용할 수 없는 막이라는 사실을 숨긴 채 막의 예로 살려놓는 것은 막이 자연에서 저절로 만들어질 수 있다는 착각을 일으키게 하는 것이다. 그러나 이 막의 문제는 화학진화가 절대로 건널 수 없는 첫 번째 강인 것이다.
두 번째는 죽은 물질의 문제이다. 사람의 두 손은 같은 것처럼 보이나 다른 것이다. 두 손바닥을 얼굴을 향하여 포개면 포개어지지 아니한다. 오른 손의 엄지는 오른쪽을 향하고 있으며 왼손의 엄지는 왼쪽을 향하고 있는 것이다. 큰 유기물 분자는 모두 이렇게 구조는 같으나 입체적으로 왼쪽 물질과 오른쪽 물질(이성질체)이 있다. 파스퇴르는 포도의 구성성분인 주석산이 입체적으로 두 가지인 것을 발견하였다. 포도당에 들어있는 주석산은 한 가지 입체 물질만으로 되어있고, 실험실에서 만드는 주석산은 두 가지 입체분자가 반 반씩 들어있다는 것을 알게 되었다. 이렇게 입체적으로 틀린 분자가 반반씩 섞인 물질(라세미 화합물)을 죽은 물질이라 하였다. 생명체 내에 있는 아미노산들은 왼쪽 입체(L-형)의 물질이고 DNA와 RNA는 오른쪽 입체(D-형)의 물질이다. 그러나 실험실에서 이들 물질을 합성하면 오른쪽과 왼쪽이 반반인 라세미 물질이 생긴다. 이렇게 왼쪽과 오른쪽 물질이 반응하면 두 가지가 꼭 같이 반응에 참여한다. 그리하여 생긴 반응물은 한 가지 입체물질만으로 구성된 물질과는 전혀 성질이 다른 못 쓰는 물질이 되고 만다. 예를 들면 DNA의 경우 반응 자체가 일어나지 아니하기도 하지만, 만약 반응이 일어나더라도 DNA의 이중나사 구조가 나타나지 아니한다. 화학진화에서는 이 죽은 물질의 문제에 관하여 많은 연구를 하였지만, 이것은 극복할 수 없는 문제로 확정된 상태이다. 애써 이 문제를 거론하지 않기를 바라며 대부분의 화학진화 문헌에서는 이 문제를 거론하지 아니하고 있다. 이 문제는 화학진화에서는 결코 건널 수 없는 두 번째 강인 것이다.
세 번째는 유전정보의 자연발생 문제이다. 우주 어디에서도 정보가 지성의 개입 없이 자연적으로 우연히 만들어지는 현장이 포착된 적이 없다. 실험실에서도 이런 정보의 자연발생이 일어나는 일은 결코 성공하지 못하였다. 자연에서 정보가 우연히 저절로 만들어지는 이론은 아무도 제창한 적이 없다. 그런데 화학진화가 성공하려면 반드시 이 정보 문제의 강을 건너야만 한다. X 마을에 살던 강아지 A가 우연히 X 마을에서 Y 마을에 사는 강아지 B를 만나는 일은 있을 수 있는 일이다. 그런데 강아지 B가 강아지 A에게 “지금 당장 Y 마을에 다녀오라” 라는 명령서를 보여주어, 강아지 A가 Y 마을에 다녀오는 일은 절대로 있을 수 없다. 왜냐하면 강아지 B는 글을 만들 수 없다. 그리고 강아지 A도 그 글을 읽을 수 없다. 글을 만들고, 글을 쓰고, 글을 해독하는 일은 지성의 개입이 없이는 절대로 만들어질 수 없다. 우연히 어떤 화학반응이 일어날 수 있다. 그러나 그 반응에 관련한 부호(암호)들을 만들고, 그 반응들을 부호로 표현하고, 그 부호들을 읽게 하여, 그 반응이 일어나게 하는 일은, 그 반응이 일어나는 것과는 전혀 다른 일이며 아무런 관계가 없다. 그러나 많은 화학진화에서는 이 구분을 제대로 하지 못하고 얼버무리고 만다. 가장 간단한 반응이라도 이 반응을 부호로 나타내는 일은 실험에서 성공할 수 없다. 화학반응이 스스로 부호(암호)를 만드는 일은 절대로 일어날 수 없는 일이다. 그래서 이 정보체계 및 관련 정보들의 자연발생은 화학진화에 있어서는 결코 건널 수 없는 세 번째 강이 되는 것이다.
화학진화 문헌에는 밀러의 실험, 코아세르베이트, 마이크로스피어, 리포솜, RNA 세계, 죽은 물질, 자기복제, 정보의 자연발생 등에 관하여 실패한 사항들은 기록하지 아니하고, 이런 일이 일어날 수 있을 것처럼 기술하고 있다. 이러한 오도는 학문적 양심에 의하여 마땅히 퇴치되어야 할 것이다.
[1] Robert Shapiro, A Simpler Origin for Life, Scientific American Magazine, June, 2007.