원시 지구의 상태
(1) 원시 대기 구성 성분: 메테인(CH4), 암모니아(NH3), 수증기(H2O), 수소(H2), 질소(N2), 이산화 탄소(CO2) 등으로 구성되어 있었을 것으로 추정되며, 산소(O2)는 없었을 것으로 추정된다.
(2) 풍부한 에너지원
① 운석의 충돌과 대규모의 화산 활동으로 생성된 열에너지가 풍부하였다.
② 오존층이 형성되어 있지 않아 태양의 강한 자외선과 우주 방사선이 그대로 지구 표면에 도달하여 복사 에너지가 풍부하였다.
③ 불안정한 대기로 인해 발생한 번개와 같은 방전 현상에 의한 전기 에너지가 풍부하였다.
원시 생명체의 탄생 가설
(1) 화학적 진화설
① 오파린과 홀데인이 생명의 기원에 대해 주장한 화학적 진화설에 따르면 원시 세포(원시 생명체) 출현 과정은 다음과 같다.
- 화학적 진화설: 원시 지구의 환경에서 무기물로부터 간단한 유기물이 합성되고, 간단한 유기물이 오랜 세월 동안 농축되어 복잡한 유기물이 생성되는 화학적 진화 과정을 거쳐 형성된 유기물 복합체가 유전 물질을 전달하고 스스로 분열할 수 있게 되면서 최초의 생명체가 되었다는 학설이다.
② 각 단계에 해당하는 물질의 예
- 원시 대기(무기물): 메테인(CH4), 암모니아(NH3), 수증기(H2O), 수소(H2) 등 환원성 기체
- 간단한 유기물: 아미노산, 뉴클레오타이드 등
- 복잡한 유기물: 단백질, 핵산 등
- 유기물 복합체: 코아세르베이트, 마이크로스피어, 리포솜
(2) 심해 열수구설
① 원시 지구 대기의 대부분은 화산에서 방출된 이산화 탄소 등의 많은 산화물에 의해 산화 작용이 일어나 유기물이 존재하기 어려웠을 것으로 보인다. 이와 같이 화학적 진화설은 원시 지구 환경을 충분히 고려하지 못한다는 한계점을 가지고 있다. 심해 열수구는 화산 활동으로 에너지가 풍부하여 유기물이 합성될 수 있는 조건을 갖추고 있다. 따라서 심해 열수구는 최근에 최초의 생명체 탄생 장소로 주목받고 있다.
② 심해 열수구는 마그마로 데워진 뜨거운 해수가 해저에서 분출되는 곳이다. 심해 열수구는 에너지가 지속적으로 공급되며, 심해 열수구 주위에는 간단한 유기물 합성에 필요한 물질인 수소, 암모니아, 메테인 등이 높은 농도로 존재하는 것으로 알려져 있다.
원시 생명체의 탄생
(1) 유기물의 생성
① 간단한 유기물의 생성: 원시 대기(무기물) → 간단한 유기물
- 원시 대기를 구성하는 기체(무기물)로부터 간단한 유기물(아미노산, 뉴클레오타이드 등)이 합성되어 원시 바다에 축적되었다.
- 밀러와 유리의 증명 실험: 오파린과 홀데인의 화학적 진화설 중 일부를 입증하였다. 원시대기의 구성 성분으로 추정한 메테인(CH4), 암모니아(NH3), 수증기(H2O), 수소(H2)를 혼합한 기체에 고전압 전류를 계속 방전시켰다.
그 후 원시 바다에 해당하는 U자관에 고인 액체를 분석해 보았더니 그 속에서 글리신, 알라닌, 글루탐산 등의 아미노산과 사이안화 수소(HCN), 푸마르산, 젖산, 아세트산 등의 물질이 검출되었다.
② 복잡한 유기물의 생성: 간단한 유기물 → 복잡한 유기물
- 원시 바다에 축적된 간단한 유기물(아미노산, 뉴클레오타이드 등)이 여러 과정을 통해 농축되어 복잡한 유기물(단백질, 핵산 등)을 형성하였다.
- 폭스의 증명 실험: 20여 종류의 아미노산을 혼합하여 고압 상태에서 몇 시간 동안 170 ℃로 가열한 결과 약 200개의 아미노산으로 이루어진 아미노산 중합체가 합성되었다. 간단한 유기물인 아미노산으로부터 복잡한 유기물인 아미노산 중합체가 합성된 것이다.
밀러와 유리의 실험
(2) 유기물 복합체의 형성: 복잡한 유기물 → 유기물 복합체(코아세르베이트, 마이크로스피어, 리포솜)
① 코아세르베이트
- 오파린은 원시 바닷속에 축적된 유기물이 농축되어 액상의 막으로 둘러싸인 유기물 복합체가 되었다고 생각하였다.
- 오파린은 탄수화물, 단백질, 핵산의 혼합물로부터 막에 둘러싸인 작은 액체 방울 형태의 유기물 복합체를 만들었고, 이를 코아세르베이트라고 하였다.
- 코아세르베이트는 세포의 원형질과 비슷하며, 주변 환경으로부터 물질을 흡수하면서 커지고, 일정 크기 이상이 되면 분열하며 간단한 대사 작용도 할 수 있어 원시 세포의 기원이라고 생각되었다.
② 마이크로스피어
- 폭스는 아미노산 용액에 높은 열을 가해 아미노산 중합체를 만든 후 이것을 물에 넣어 서서히 식혀 작은 액체 방울 형태의 유기물 복합체를 만들었고, 이를 마이크로스피어라고 하였다.
- 마이크로스피어는 단백질로 구성된 막을 가지고 있다. 주변 환경으로부터 선택적으로 물질을 흡수하면서 커지고, 일정 크기 이상이 되면 스스로 분열하여 수가 증가한다.
- 코아세르베이트보다 구조가 안정적이기 때문에 원시 세포 출현에 중요한 역할을 했을 것으로 생각되었다.
③ 리포솜
- 물속에 있는 인지질이 뭉쳐 리포솜이 만들어졌다.
- 리포솜은 현재의 세포막처럼 인지질 2중층의 막 구조를 가지고 있으며, 막에 단백질을 붙일 수 있고, 선택적 투과성이 있다.
- 리포솜은 부피가 커지면 작은 리포솜을 형성하여 분리할 수 있고, 물질 흡수와 방출이 일어날 수 있으며, 효소와 기질 첨가 시 물질대사를 하기도 한다.
(3) 막 형성의 중요성
① 막은 막 내부를 외부 환경으로부터 분리시켜 물질대사와 같은 생명 활동이 안정적이고 지속적으로 일어날 수 있게 한다.
② 막은 막 내부의 물질대사에 필요한 물질을 선택적으로 흡수하고 방출하는 역할을 하기 때문에 막 형성은 원시 생명체 탄생에 중요하다.
유기물 복합체의 막 구조 비교
막의 중요성
(4) 유전 물질과 효소
① 자기 복제와 물질대사에 필요한 유전 물질과 효소가 있는 원시 생명체가 출현하였다.
② 최초의 유전 물질
- 단백질은 효소 작용을 하지만, 유전 정보를 저장하고 전달하는 기능이 없다.
- DNA는 유전 정보를 저장하는 기능이 있지만, 효소 작용을 하지 못한다.
- RNA는 유전 정보의 저장과 전달 기능이 있으며, 효소 기능을 하는 것도 있는데, 이를 리보자임이라고 한다. 리보자임은 다양한 입체 구조를 만들 수 있고, 짧은 RNA를 상보적으로 복제하는 작용을 촉매할 수 있다. 따라서 RNA는 최초의 유전 물질로 추정된다.
③ RNA 우선 가설: RNA가 최초의 유전 물질로서 유전 정보 저장과 효소 기능을 가지고 자기 복제를 하였다는 가설이다.
④ 오늘날의 생명체
- 오늘날의 생명체에서 유전 정보의 저장 기능은 DNA가 담당하고 있다. DNA가 RNA보다 화학적으로 안정한 이중 나선 구조를 하고 있어 유전 정보의 저장에 더 유리하다.
- 오늘날의 생명체에서 효소의 기능은 주로 단백질이 담당하고 있다.
DNA, 리보자임, 단백질의 특성 비교
(5) 원시 생명체의 탄생
① 유기물 복합체 → 원시 생명체
유기물 복합체에 효소와 유전 물질인 핵산이 추가되어 물질대사와 자기 복제 능력이 있는 원시 생명체가 탄생하였다.
② 원시 생명체는 막으로 둘러싸여 세포 내부 환경을 안정적으로 유지하고 물질 출입 조절 기능을 가지며, 물질대사를 촉매하는 효소가 있고, 유전 물질을 스스로 복제하여 생식할 수 있는 생명체로 진화해 나갔을 것이다.
원시 생명체의 진화
(1) 원핵생물의 출현
① 무산소 호흡하는 종속 영양 생물
- 최초의 생명체는 약 39억 년 전에 바닷속에서 출현한 것으로 추정되며, 무산소 호흡으로 유기물을 분해하여 에너지를 얻는 종속 영양 생물이다. 왜냐하면 원시 지구의 대기에는 산소가 없고, 원시 바다에는 유기물이 풍부하였기 때문이다.
- 무산소 호흡 종속 영양 생물의 무산소 호흡 결과 대기에는 이산화 탄소가 증가하였고, 바닷속 유기물의 양은 감소하였다.
② 광합성하는 독립 영양 생물
- 대기 중 이산화 탄소 농도의 증가와 바닷속 유기물 양의 감소 결과 유기물을 스스로 합성하는 독립 영양 생물인 광합성 세균이 출현하였다.
- 광합성하는 독립 영양 생물이 출현한 결과 대기 중 산소의 농도와 바닷속 유기물의 양이 증가하였다.
- 산소의 증가는 붉은색을 띠는 산화철 퇴적층을 통해 확인할 수 있다. 만들어진 산소가 우선 바닷속에 녹아 있는 철 이온과 반응하여 산화철이 되어 침전되었기 때문이다.
③ 산소 호흡하는 종속 영양 생물
- 산소의 농도와 유기물의 양 증가로 산소를 이용하여 호흡(산소 호흡)하는 종속 영양 생물이 출현하였다.
- 산소 호흡은 무산소 호흡보다 에너지 효율이 높아 산소 호흡하는 생물이 번성하였다.
(2) 단세포 진핵생물의 출현
① 원핵생물 → 진핵생물: 최초의 생명체는 원핵생물이며, 이후 구조가 복잡해지면서 진핵생물로 진화하였다.
② 최초의 진핵생물은 단세포 생물이다.
③ 진핵생물의 출현 가설
- 막 진화설: 생명체가 가진 세포막이 세포 안으로 함입되어 핵, 소포체, 골지체 등과 같은 세포 소기관으로 분화되었다는 가설이다.
- 세포내 공생설: 독립적으로 생활하던 산소 호흡을 하는 원핵생물(산소 호흡 세균)과 광합성을 하는 원핵생물(광합성 세균)이 숙주 세포와 공생하다가 각각 미토콘드리아와 엽록체로 분화되었다는 가설이다.
- 세포내 공생설의 증거: 미토콘드리아와 엽록체가 원핵생물과 유사한 자체의 고리형 DNA와 리보솜을 가지고 있는 점, 2중막 중 내막의 구조가 원핵생물의 막과 유사한 점, 크기가 원핵생물과 비슷한 점 등이 있다.
- 숙주 세포(무산소 호흡 원핵생물)에 산소 호흡을 하는 원핵생물(산소 호흡 세균)이 공생하여 미토콘드리아를 가지게 된 진핵생물이 출현하였으며, 이 세포는 동물, 균류, 일부 원생 생물 등 현생 종속 영양 진핵생물의 조상이 되었다.
- 이 세포에 광합성을 하는 원핵생물(광합성 세균)이 공생하여 엽록체도 가지게 된 진핵생물은 식물과 일부 원생생물 등 현생 독립 영양 진핵생물의 조상이 되었다.
(3) 다세포 진핵생물의 출현
① 독립된 단세포 진핵생물이 모여 군체를 이룬 후, 환경에 적응하는 과정에서 세포의 형태와 기능이 분화되어 다세포 진핵 생물로 진화하였다.
② 다세포 진핵생물은 각각 독립적으로 서로 다른 다세포 생물로 진화하여 원생생물, 식물, 균류, 동물의 조상이 되었다.
(4) 육상 생물의 출현
① 광합성하는 진핵생물의 출현 이후 대기 중 산소 농도의 증가로 오존층이 형성되어 자외선을 상당 부분 차단함으로써 바닷속 생물이 육상으로 진출할 수 있었다.
② 동물, 식물 등 다세포 진핵생물이 육상으로 진출하면서 생물 다양성이 증가하였다.
산소 농도의 변화와 생물의 출현
참고자료: EBS 수능특강 생명과학2
