우리가 숨 쉴 수 있는 이유 - 남세균

🌍 생명의 새벽: 남세균이 지구의 숨결을 바꾸다

안녕하세요! 오늘은 우리 행성 지구의 역사를 송두리째 바꾼 작은 영웅, 남세균에 대한 더욱 흥미진진하고 깊이 있는 이야기를 들려드리려고 합니다. 수십억 년 전, 이 작은 미생물이 일으킨 혁명이 어떻게 오늘날 우리가 숨 쉬는 다채로운 생명의 세상을 만들었는지, 그 위대한 여정을 함께 따라가 보시죠!

✨ I. 태초의 지구: 생명 탄생의 고요하고도 역동적인 무대

지금 우리가 발 딛고 사는 푸른 행성 지구. 하지만 시간을 수십억 년 거슬러 올라가면, 그 모습은 상상조차 하기 어려울 정도로 달랐습니다. 태초의 지구는 마치 거대한 화학 실험실과 같았죠.

당시 지구의 대기는 주로 질소(N2​)와 이산화탄소(CO2​)로 가득 차 있었습니다. 여기에 메탄(CH4​), 암모니아(NH3​), 그리고 뜨거운 수증기(H2​O)가 뒤섞여 있었습니다. 마치 펄펄 끓는 원시 수프와 같은 환경이었죠.

가장 중요한 차이점은, 현재 지구 생명체에게 없어서는 안 될 '자유 산소(O2​)'가 대기 중에 거의 존재하지 않았다는 사실입니다. 이런 산소 없는 환경은 오늘날 대부분의 생명체에게는 치명적이겠지만, 아이러니하게도 바로 이 환경이 생명 탄생이라는 위대한 드라마가 펼쳐질 수 있는 첫 번째 무대가 되었습니다.

이 고요하면서도 역동적인 무대 위에서, 약 37억 년에서 38억 년 전 사이, 마침내 최초의 생명체인 아주 작은 유기체, 즉 원시 미생물이 등장하기 시작했습니다. 이들은 마치 숨바꼭질하듯, 암석 속에 희미한 화학적 흔적이나 아주 단순한 구조물의 형태로 그 존재의 실마리를 남겼습니다.

더욱 놀라운 사실은, 이처럼 산소가 거의 없는 극한 환경에서 생명체가 출현하고 나서도 약 10억 년 이상이라는 어마어마하게 긴 시간 동안, 지구는 주로 혐기성(산소 없이 살아가는) 미생물들의 세상이었다는 점입니다.

이는 우리가 현재 너무나 당연하게 여기는 산소 가득한 환경이 지구의 초기 모습이 아니었음을, 오히려 생명체의 경이로운 활동을 통해 극적으로 변화된 결과임을 명확히 보여줍니다. 우리 인간을 포함한 복잡한 산소 의존적 생명체들은 지구 역사의 장대한 연대기에서 보면 비교적 최근에 등장한 손님인 셈입니다.

💡 II. 남세균의 출현: 지구 역사를 뒤흔든 작은 혁명가의 등장

"약 27억 년 전에 탄생한 완전히 새로운 생물. 지금으로부터 약 27억 년 전, 생태계에 엄청난 변화가 일어났다. 현재 식물처럼 광합성을 하고 이산화탄소와 물에서 유기물과 산소를 합성하는 ‘남세균(藍細菌, Cyanobacteria)’이라는 생물이 탄생했다."

바로 이 남세균, 또는 시아노박테리아라고 불리는 작은 생명체가 지구 역사의 물줄기를 바꾼 주인공입니다. 이들은 초기 진정세균(Eubacteria) 중 하나로 진화했는데, 그들이 가진 ‘새로움’은 가히 혁명적이었습니다.

그것은 바로 산소를 발생하는 광합성, 즉 산소발생 광합성(oxygenic photosynthesis)이라는 놀라운 능력이었습니다. 이전에도 광합성을 하는 생명체는 있었지만, 그들은 물 대신 황화수소와 같은 다른 물질을 사용했고, 결정적으로 산소를 부산물로 내놓지 않았습니다.

남세균은 태양의 빛 에너지를 이용하여 주변에 풍부했던 물(H2​O)과 대기 중의 이산화탄소(CO2​)로부터 생존에 필요한 유기물을 스스로 만들어냈습니다. 그리고 이 과정에서, 마치 마법처럼, 산소(O2​)를 방출하기 시작했습니다.

이 복잡하고 정교한 생화학적 과정에는 두 개의 주요 광화학 반응 시스템, 즉 광계 II(Photosystem II, PSII) 와 광계 I(Photosystem I, PSI) 이 핵심적인 역할을 합니다. 광계 II는 물 분자를 분해하여 전자를 얻고 산소를 방출하는 독특한 기능을 수행하며, 광계 I은 이 전자를 이용하여 최종적으로 에너지를 저장하는 물질을 만듭니다.

이러한 정교한 시스템은 결코 하루아침에 뚝딱 만들어진 것이 아닙니다. 과학자들은 산소발생 광합성이 아마도 더 단순한 형태의 광합성, 즉 하나의 광계만을 사용하고 물이 아닌 다른 전자공여체를 활용하는 비산소발생 광합성(anoxygenic photosynthesis) 으로부터 점진적으로 진화했을 것이라고 추정합니다.

기존 생명체가 가지고 있던 생물학적 기계장치들이 마치 레고 블록처럼 새롭게 조합되고, 조금씩 개량되면서, 지구상에 가장 풍부한 자원 중 하나인 물을 분해하여 막대한 에너지를 얻는 강력하고도 효율적인 시스템이 탄생한 것입니다.

흥미로운 점은, 남세균에게 산소는 처음에는 그저 대사 과정에서 나오는 ‘폐기물’ 또는 부산물에 불과했다는 사실입니다. 하지만 이 작은 미생물이 무심코 내뿜은 ‘폐기물’은 지구 전체의 환경과 생명체의 운명을 송두리째 바꾸는 엄청난 결과를 초래하게 됩니다.

🌬️ III. 대산화 사건: 숨 쉬는 행성으로의 극적이고도 장대한 전환

"미생물의 친척인 남세균의 존재가 생물의 육상 진출을 가능하게 했다. 수중에서 생활하던 남세균이 물에 녹은 이산화탄소를 이용해서 광합성해 산소를 생성했다. 작은 생물이 엄청나게 긴 시간에 걸쳐 활동하며 공기 중의 산소를 조금씩 늘려나갔다. 대기의 구성이 크게 변화했다."

남세균의 꾸준하고도 지칠 줄 모르는 산소 생산 활동은 지구 대기 역사상 가장 극적이고 중대한 사건 중 하나인 '대산화 사건(Great Oxidation Event, GOE)' 을 촉발했습니다. 이 사건은 대략 24억 5천만 년 전에서 23억 3천만 년 전 사이에 일어난 것으로 추정되며, 생물학적으로 생성된 산소가 마침내 지구 대기 중에 의미 있는 수준으로 축적되기 시작한 시기를 말합니다.

하지만 여기서 한 가지 의문이 생깁니다. 남세균이 산소발생 광합성을 시작한 시점(약 27억 년 전 또는 그 이전으로 추정)부터 대기 중에 산소가 실제로 쌓이기 시작하기까지는 수억 년이라는 매우 긴 '지연 시간(time lag)'이 존재했습니다. 왜 이렇게 오랜 시간이 걸렸을까요?

그 이유는 초기 지구의 바다와 육지에 산소를 소비하는 물질들이 엄청나게 많았기 때문입니다. 초기 지구의 바다에는 다량의 용존 철(Fe2+)과 같은 환원성 물질(산소와 쉽게 반응하는 물질)이 풍부했습니다. 남세균이 열심히 방출한 산소는 우선 이들 물질과 격렬하게 반응하여 산화시키는 데 대부분 소모되었습니다.

예를 들어, 바닷속에 녹아 있던 철 이온은 산소와 결합하여 불용성의 산화철(녹슨 철과 유사)을 형성했고, 이것들이 해저에 차곡차곡 쌓여 오늘날 우리가 철광석의 주요 원천으로 활용하는 거대한 '호상철광층(Banded Iron Formations, BIFs)' 을 만들었습니다. 이 붉은색과 검은색 띠가 교대로 나타나는 독특한 암석층은 당시 산소 농도의 변화를 기록한 지구의 역사책과도 같습니다.

또한, 대기 중의 메탄(CH4​)과 같은 다른 환원성 가스들과도 산소가 반응했습니다. 말하자면, 초기 지구는 마치 거대한 스펀지처럼 남세균이 만들어낸 산소를 끊임없이 흡수했던 것입니다. 이러한 다양한 '산소 흡수원(oxygen sinks)'들이 거의 포화 상태에 이른 후에야, 비로소 산소는 대기 중에 본격적으로 축적되어 그 농도를 높여갈 수 있었습니다.

대산화 사건은 지구 환경에 실로 엄청난 변화의 연쇄 반응을 일으켰습니다.

• 첫째, 가장 근본적인 변화로 지구의 대기가 환원성에서 산화성으로 바뀌었습니다. 이는 지구 표면의 화학적 환경을 완전히 뒤바꾸는 대변혁이었습니다.
• 둘째, 당시 강력한 온실가스였던 메탄이 산소와 반응하여 그 농도가 줄어들면서, 지구 전체가 급격히 냉각되어 '휴로니안 빙하기(Huronian glaciation)' 와 같은 혹독한 전 지구적 빙하기를 겪었을 가능성이 높다고 과학자들은 보고 있습니다. 이는 지구 역사상 가장 길고 혹독했던 빙하기 중 하나로 알려져 있습니다.
• 셋째, 대기 상층부에서는 산소 분자(O2​)가 강력한 태양 자외선에 의해 오존(O3​)으로 변환되면서 서서히 오존층을 형성하기 시작했습니다. 이 오존층은 생명체에게 치명적인 해로운 자외선을 효과적으로 차단하는 천연 보호막 역할을 하여, 훗날 생명체가 물 밖의 위험한 육상 환경으로 진출하는 데 결정적인 발판을 마련해주었습니다.
  
  

그러나 이 급격한 환경 변화가 모든 생명체에게 축복이었던 것은 아닙니다. 당시 지구를 지배하던 대부분의 혐기성 미생물들에게, 새롭게 등장한 산소는 치명적인 독극물과 같았습니다. 산소는 그들의 세포 구조를 파괴하고 대사 과정을 방해했기 때문입니다.

이로 인해 지구상에서는 대규모 멸종 사태, 이른바 '산소 대참사(Oxygen Catastrophe)' 가 일어났을 것으로 추정됩니다. 수많은 종류의 혐기성 생명체들이 사라지거나, 산소가 없는 깊은 바다나 퇴적층과 같은 특수한 환경으로 밀려나야 했습니다.

하지만 이 위기는 동시에 엄청난 새로운 기회이기도 했습니다. 산소의 등장은 산소를 이용하여 훨씬 더 효율적으로 에너지를 얻는 혁신적인 호흡 방식, 즉 '산소 호흡(aerobic respiration)' 의 진화를 강력하게 촉진했습니다. 산소 호흡은 기존의 혐기성 대사 과정보다 훨씬 더 많은 에너지를 생산할 수 있게 해주었고, 이는 결국 더 크고 복잡한 구조를 가진 생명체의 출현으로 이어지는 중요한 진화적 발판이 되었습니다.

이처럼, 한 생물종의 대사 과정에서 나온 부산물이 지구 전체의 환경을 근본적으로 바꾸고, 다른 수많은 생명체의 운명까지 결정짓는 강력한 진화적 압력으로 작용한 것입니다. 남세균의 이야기는 생명과 환경이 얼마나 긴밀하게 상호작용하며 함께 진화해왔는지를 보여주는 가장 극적인 사례 중 하나입니다.

📜 IV. 스트로마톨라이트: 고대 생명의 숨결을 간직한 살아있는 암석

"지금도 호주에 남아 있다. 해양 자연보호 구역으로 지정되어 있는 호주 서해안의 하멜린 풀(Hamelin Pool)에서는 남세균이 산소를 생성하는 모습을 관찰할 수 있다. 남세균이 생성한 ‘스트로마톨라이트(stromatolite)’라는 줄무늬 암석에서 지금도 산소를 생성하고 있다. 스트로마톨라이트 화석은 세계 각지에서 발견되고 있다."

남세균과 같은 미생물 군집의 활발한 활동으로 형성된 이 독특한 줄무늬 암석, 스트로마톨라이트는 지구 초기 생명의 존재를 알려주는 가장 확실하고도 생생한 증거 중 하나입니다. 이들은 단순한 돌덩이가 아니라, 수십억 년 전 생명의 역사를 기록하고 있는 타임캡슐과도 같습니다.

스트로마톨라이트는 주로 얕은 물 환경에서 미생물, 특히 남세균이 끈적끈적한 점액질을 분비하여 주변의 퇴적물 입자(모래나 진흙 등)를 붙잡거나, 미생물의 대사 활동(예: 광합성으로 인한 pH 변화)으로 인해 탄산칼슘과 같은 광물이 침전되면서 여러 겹의 층을 이루며 위로 성장하여 만들어진 생물학적 퇴적 구조물입니다. 마치 미생물들이 층층이 쌓아 올린 아파트와 같다고 할 수 있습니다.

가장 오래된 스트로마톨라이트 화석 중 일부는 그 연대가 무려 35억 년 전까지 거슬러 올라가기도 하며, 이는 지구상에서 가장 오래된 거시적인 생명 활동의 흔적으로 널리 인정받고 있습니다. 이 고대의 스트로마톨라이트들은 당시 지구에 어떤 종류의 생명체가 살았고, 어떤 환경에서 활동했는지에 대한 귀중한 정보를 우리에게 제공합니다.

이미지 2에서 언급된 호주 서부 샤크 베이(Shark Bay)의 하멜린 풀(Hamelin Pool) 은 오늘날에도 살아있는 해양 스트로마톨라이트가 마치 버섯처럼, 혹은 작은 언덕처럼 넓게 군락을 이루며 자라는 몇 안 되는 특별한 장소 중 하나입니다. 이곳의 물은 일반 바닷물보다 염도가 훨씬 높아(초염수 환경), 스트로마톨라이트를 갉아 먹거나 그 성장을 방해하는 대부분의 동물들이 살기 어렵습니다. 이러한 극한 환경 덕분에 고대의 모습을 간직한 미생물 매트가 잘 보존되어 수천 년 동안 계속 성장할 수 있었던 것입니다.

과학자들은 하멜린 풀의 살아있는 스트로마톨라이트를 연구함으로써, 수십억 년 전 고대 스트로마톨라이트가 어떤 과정을 통해 형성되었고, 그 안에는 어떤 미생물들이 살았을지에 대한 중요한 단서를 얻고 있습니다. 마치 과거로 떠나는 시간 여행과도 같죠.

하지만 현대의 스트로마톨라이트가 고대의 스트로마톨라이트를 완벽하게 재현하는 것은 아닙니다. 초기 지구에는 스트로마톨라이트를 먹이로 삼는 포식자가 거의 없었지만, 현대에는 환경 조건이나 미생물 군집의 구성이 과거와 다를 수 있습니다.

실제로 하멜린 풀 스트로마톨라이트의 미생물 군집을 정밀하게 분석한 여러 연구에 따르면, 남세균이 산소 발생과 유기물 생산 같은 핵심적인 생태학적 역할을 수행하지만, 군집 내에서 수적으로는 다른 종류의 박테리아나 고세균(Archaea)에 비해 소수일 때도 있다는 것이 밝혀졌습니다. 어떤 경우에는 남세균이 전체 미생물 군집의 5% 미만을 차지하기도 했습니다. 이는 스트로마톨라이트라는 복잡한 구조물의 형성과 유지에는 다양한 종류의 미생물들이 서로 긴밀하게 상호작용하며 복잡한 생태계를 이루고 있음을 시사합니다.

스트로마톨라이트는 하멜린 풀 외에도 바하마의 고염도 석호, 옐로스톤 국립공원의 뜨거운 온천, 심지어 남극의 차가운 호수 등 매우 다양한 환경에서 발견되며, 그 모양도 돔형, 원뿔형, 기둥형, 편평형 등 환경 조건에 따라 다채롭게 나타납니다.

고대 스트로마톨라이트 해석에는 또 다른 주의점도 있습니다. 바로 '스트로마톨라이트 문제(stromatolite problem)' 라고 불리는 것으로, 때로는 생물학적 과정 없이 순수하게 물리화학적인 작용(예: 파도나 물의 흐름에 의한 퇴적층 형성, 광물의 결정화 등)만으로도 스트로마톨라이트와 매우 유사한 층상 구조가 만들어질 수 있다는 점입니다.

따라서 매우 오래된 암석에서 발견되는 단순한 층상 구조가 정말로 생명 활동의 증거인지, 아니면 비생물학적 과정의 결과물인지 판단하기 위해서는 구조 내에 미세 화석(미생물 세포의 흔적)이 보존되어 있는지, 특정 생물학적 유기 화합물의 흔적(바이오마커)이 남아 있는지 등 추가적이고 정밀한 증거들을 신중하게 검토해야 합니다.

그럼에도 불구하고, 스트로마톨라이트는 여전히 우리에게 수십억 년 전 원시 지구 생명체의 모습과 활동을 생생하게 엿볼 수 있게 해주는 가장 귀중하고 매혹적인 창입니다.

➡️ V. 남세균이 열어준 미래: 생명 진화의 끝없는 여정과 다양성의 폭발

이미지 1에서 강조되었듯이, 남세균이 끊임없이 만들어낸 산소는 단순히 대기의 조성을 바꾼 것을 넘어, 생명체가 육상이라는 새로운 무대로 진출하는 데 결정적인, 그야말로 혁명적인 역할을 했습니다. 산소는 지구 환경을 근본적으로 변화시켜, 이전에는 상상할 수 없었던 새롭고 다양한 형태의 생명체가 출현하고 번성할 수 있는 광대한 토대를 마련했습니다.

산소의 등장이 가져온 가장 중요한 변화 중 하나는 앞서 언급했듯이 '산소 호흡' 이라는 매우 효율적인 에너지 획득 방식의 진화였습니다. 산소 호흡은 기존의 혐기성 대사 과정(예: 발효)보다 동일한 양의 음식물로부터 훨씬 더 많은 에너지(생명 활동의 기본 화폐인 ATP를 약 18배 더 많이 생성)를 추출할 수 있게 해주었습니다.

이렇게 풍부해진 에너지는 생명체가 더욱 크고, 복잡한 구조와 정교한 기능을 발달시키는 데 필수적인 연료가 되었습니다. 작은 단세포 생물에서 벗어나, 더 많은 에너지를 소비하는 다양한 생명 활동이 가능해진 것입니다.

이러한 에너지 효율성의 극적인 증가는 생명 진화의 역사에서 몇 가지 중요한 이정표를 세우는 데 기여했습니다. 그중 하나는 세포 내에 핵과 다양한 세포 소기관(미토콘드리아, 엽록체 등)을 가진 복잡한 세포인 '진핵세포(eukaryotic cell)' 의 출현입니다. 오늘날 동물, 식물, 곰팡이, 그리고 다양한 원생생물들이 모두 이 진핵세포로 이루어져 있습니다. 특히, 산소 호흡을 담당하는 미토콘드리아는 고대의 한 세균이 다른 세포 내로 들어가 공생하면서 진화한 것으로 여겨지는데, 이는 산소 환경에 대한 적응의 결과로 볼 수 있습니다.

나아가, 여러 개의 진핵세포들이 서로 긴밀하게 협력하고 분화하여 하나의 정교한 개체를 이루는 '다세포 생물(multicellular organism)' 의 진화로 이어지는 중요한 단계였습니다. 다세포화는 생명체가 크기를 키우고, 복잡한 조직과 기관을 발달시켜 더욱 다양한 환경에 적응하고 새로운 생태적 지위를 차지할 수 있게 만들었습니다.

그리고 마침내, 대기 중에 충분한 농도로 형성된 오존층이 태양으로부터 오는 해로운 자외선을 효과적으로 차단하면서, 생명체는 비로소 수억 년 동안 살아왔던 물속 세상을 벗어나 척박하고 위험이 도사리는 육상 환경으로 안전하게 진출할 수 있게 되었습니다. 이는 생명 진화의 역사에서 가장 극적인 사건 중 하나로, 육상 식물의 출현과 번성, 그리고 뒤이은 다양한 육상 동물의 진화로 이어졌습니다.

이 모든 경이롭고 극적인 변화의 가장 근원적인 시작점에는, 수십억 년 전, 이름 없는 원시 바다의 한구석에서 조용히, 하지만 끊임없이 산소를 내뿜던 아주 작은 미생물, 바로 남세균이 있었습니다. 그들의 작은 숨결이 지구 생명 진화의 거대한 흐름을 만들고, 오늘날 우리가 보는 풍요롭고 다양한 생명의 세계를 가능하게 한 것입니다.

결국, 남세균의 이야기는 생명체가 단순히 환경에 수동적으로 적응하는 존재가 아니라, 때로는 자신들의 생존을 위한 대사 활동을 통해 행성 전체의 물리화학적 환경을 근본적으로 뒤바꾸고, 다른 모든 생명체의 진화 경로에 지대한 영향을 미칠 만큼 능동적이고 강력한 힘을 가진 존재임을 웅변적으로 보여줍니다.

이 작은 미생물들은 자신들의 생존 전략을 통해 지구의 대기, 해양, 그리고 암석권까지 변화시켰고, 그 결과로 오늘날 우리가 아는 실로 엄청나게 다양한 생명체가 번성하며 살아갈 수 있는 아름다운 무대를 친히 마련해주었습니다.

초기 생명과 지구 환경의 상호작용에 대한 우리의 이해는 여전히 현재 진행형이며, 새로운 화석의 발견, 더욱 정교해진 분석 기술의 발달은 과거를 해석하고 이해하는 우리의 방식을 계속해서 새롭게 하고 발전시키고 있습니다.

하지만 한 가지 사실만큼은 분명합니다. 수십억 년 전, 남세균이라는 작은 생명체가 시작한 그 미미한 숨결이 지구 생명 진화라는 장대한 교향곡의 첫 악장이 되었고, 그 울림은 지금 이 순간까지도 계속되고 있다는 것입니다.

 

참고 자료

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