세포의 기원과 진화

세포는 핵의 존재 유무에 따라 크게 둘로 나누어집니다. 원핵세포(세균)는 핵막이 없으며 진핵세포는 유전물질과 세포질을 서로 나누어지도록 하는 핵막이 존재합니다. 원핵세포는 일반적으로 진핵세포보다 작고 단순합니다. 또한, 원핵세포에는 핵이 없고, 유전체가 보다 단순하고 세포 소기관, 세포 골격이 없습니다. 이러한 차이에도 불구하고 원핵세포와 진핵세포는 분자적으로 동일한 기본 원리에 의해 생명현상을 나타내는데 이는 현재의 세포들이 모두 동일한 조상에서 유래했음을 의미합니다.

 

 

 

최초의 세포

 

지구가 생성되고 7억 5천만년 후, 지금으로부터 최소 38억 년 전 최초의 세포가 나타난 것으로 보입니다. 몇 가지 실험들이 생명의 탄생 과정에 관한 매우 중요한 증거를 보여주고 있습니다.

1920년대에 원시대기원시 대기 조건에서 비교적 단순한 유기 분자가 자발적으로 고분자로 합성될 수 있다는 가설이 제시되었습니다. 최초의 생명이 탄생한 지구의 원시 대기에는 자유 산소가 거의 존재하지 않았으며 그 대신 CO2, N2가 주를 이루고, H2, H2S, CO가 소량 존재하였습니다. 이와 같은 대기 조건은 환원 조건을 제공하여 태양빛, 번개 등 에너지를 받으면 자발적으로 유기분자가 생성될 수 있게 합니다. 이와 같이 환원적 원시 대기로부터 유기분자가 생성될 수 있다는 것은 1950년대에 Stanley Miller에 의해 실험적으로 증명되었습니다.

 

@밀러 실험 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전 (wikipedia.org)

 

진화의 다음 단계는 고분자 합성입니다. 생명체 탄생 이전의 지구 조건에서 단량체가 자발적으로 중합반응을 거쳐 고분자로 합성될 수 있음이 알려져 있었습니다. 그러나 생명체가 고분자로부터 발생하기 위해서는 고분자의 자기 복제가 필수적입니다. 오직 그 자신의 새로운 복제 합성을 할 수 있는 고분자만이 생식을 할 수 있었을 것이며 나아가 진화할 수 있었을 것입니다.

현존하는 세포의 정보 고분자 중 오직 핵산만이 자기 복제를 지시할 수 있습니다. 핵산은 서로 상보적인 염기쌍을 이룰 수 있으므로 자신의 합성을 위한 주형으로 작용할 수 있습니다. 1980년대 초반에 Sid Altman과 Tom Cech가 RNA 분자가 뉴클레오티드 중합 반응을 포함하여 여러 화학반응을 촉매할 수 있음을 밝혔습니다. 이는 분자 진화의 이해에 결정적인 진보를 이룬 것이며, 더 나아가 RNA 분자가 RNA를 주형으로 하여 새로운 RNA 분자를 합성하는 촉매반응을 밝힌 것입니다. 이 진화 시기를 RNA 세상이라고 합니다. 

 

최초의 세포는 인지질 성분의 막에 자기 복제하는 RNA 분자가 둘러싸여 형성되었을 것입니다. 여기서 인지질이란 오늘날 원핵세포와 진핵세포 원형질막을 포함하는 모든 생물막의 기본 성분입니다. 막을 형성하는 데 있어 가장 중요한 인지질의 특징은 양매성입니다. 이는 분자의 한 부분이 물에 용해되지만 다른 부분은 그렇지 않다는 것입니다. 인지질은 길며 물에 불용성인 탄화수소 사슬의 꼬리가 물에 용해되는 인산 머리 부분에 결합되어 있습니다. 인지질을 물에 넣어주면 인산을 포함한 머리 부분은 밖의 물과 접촉하고 탄화수소 사슬의 꼬리 부분은 물을 피해 안쪽에서 서로 연합하는 이중막이 저절로 형성됩니다.

 

자기 복제하는 RNA와 연관된 분자들을 인지질 막으로 불러쌓으면 이들을 자기 복제하는 한 단위로 유지시킬 수 있었을 것이며, 추후의 진화를 가능하게 하였을 것입니다.