모두의 생일을 축하합니다! 빅뱅에서 지구가 형성되기까지

우리와 주변을 이루는, 아니 우주 전체의 모든 물질은 같은 날에 태어났다. 늘 검은 옷을 입던 벨기에의 신부, 르메트르는 우주에 시작이 있다는 과학 역사상 가장 기이한 아이디어를 발표한다. 우주에 대한 우리의 생각을 뒤바꾼 아인슈타인은 르메트르의 아이디어를 혐오했으며, 영국의 물리학자 프레드 호일은 “빅뱅 맨”이라며 그를 조롱했다. 그러나 하늘의 모든 방향에서 감지되는 우주 배경 복사는 빅뱅으로 우주가 시작되었다는 확실한 증거가 된다. 빅뱅의 엄청난 밀도와 온도로 인해서 수소와 헬륨, 리튬과 베릴륨이 만들어졌으나, 이 4가지 원소로는 60여 종의 원소가 들어 있는 인간을 만들 수 없다. 그렇다면 나머지 원소들은 어디에서 왔을까? 더 무거운 원소들이 탄생하는 데에 필요한 엄청난 에너지의 근원을 찾는 일은 “하버드 최고의 과학자” 세실리아 페인이 별빛을 찍은 사진판을 이용해서 별에 들어 있는 다양한 원소의 비율을 알아냄으로써 전기를 맞았다. 그곳은 바로 별의 내부였다. 비록 끝내 빅뱅을 인정하지 않았던 프레드 호일이었지만, 그는 적색거성 내부의 엄청난 온도와 초신성의 폭발로 무거운 원소들이 합성된다는 사실을 밝혀냄으로써 우리 몸의 원자들이 어디에서 왔는지를 설명했다.

소련의 젊은 물리학자 빅토르 사프로노프는 펜과 잉크, 그리고 계산자를 이용해서 우주를 정처 없이 떠돌고 있었던 원자들이 중력에 이끌려 회전하면서 태양과 주변의 행성들이 형성되었음을 계산해낸다. 이렇게 우리의 원자는 45억 년 전에 마침내 지구라는 집을 가지게 되었다. 그러나 초기 지구는 안정적인 집과는 거리가 멀었다. 끊임없는 소행성과의 충돌로 인해서 지구는 엄청난 재앙을 겪었고, 그 재앙의 결과로 지금은 우리에게 행운이 된 달과 지구 내부의 핵을 가지게 되었다. 그리고 7억 년이 지난 38억 년 전에 마침내 지구는 안정을 얻게 되었다.

눈덩이 지구에서 시작된 생명, 첫 생명이 기원한 곳을 찾아 떠나는 여정

지구에서 생명이 살기 위해서 가장 핵심적인 것은 바로 물일 것이다. 지구는 땅이 아니라 물의 행성이라고 생각될 정도로 물이 많고, 우리 몸의 70퍼센트 역시 물이다. 그렇다면 물은 과연 어디에서 왔을까? 우리의 혈관을 따라 흐르는 물의 일부는 서로 충돌해서 지구를 처음 만들었던 먼지에서 응축된 것이었다. 해왕성과 명왕성 사이에 있는 카이퍼 벨트에서 출발한 혜성을 타고 오랜 여행을 떠난 물 분자도 우리 몸에 남아 있다. 또한 태양계의 바깥 경계에 해당하는 훨씬 더 먼 오르트 구름에서 지구까지 수만 년 동안 여행한 물도 조금 남아 있다. 그러나 우리 몸의 물 대부분은 목성 근처에서 출발한 거대한 암석 소행성에 의해서 도달했을 것이다. 그리고 지구가 탄생하고 1억 년에서 7억 년이 지난 38억 년에서 44억 년 전에 이르러서는 그런 이질적인 곳에서 도착한 물이 모여서 광활한 바다가 되었다.

여기에서 우리는 생물학에서 가장 유명한 실험인 스탠리 밀러의 유기 분자 실험을 만난다. 플라스크에 초기 지구에 존재한 바다와 대기를 재구성하여 준비한 다음 번개를 대신할 전기 불꽃을 일으키는 단순한 실험이다. 그 실험 결과 밀러는 며칠 만에 아미노산을 얻었는데, 그것은 우리 몸에서 발견되는 가장 단순한 아미노산이었다. 그러나 바다에서 유기물이 생성되었다는 밀러의 실험 결과는 지구의 대기가 밀러의 실험 조건과 다르다는 사실이 밝혀지면서 힘을 잃었고 유기물의 기원에 대한 연구도 미궁에 빠지는 듯했다. 그러나 운석에서 밀러가 실험으로 얻은 아미노산과 동일한 아미노산이 발견되면서 유기물이 우주에서 지구로 날아왔을 것이라는 추측이 힘을 얻게 된다.

유기물이 갖춰진 지구에서 생명은 어떻게 탄생했을까? 생명을 외부와 구분해주는 지질로 이루어진 세포막은 한쪽은 물을 끌어당기고 다른 한쪽은 물을 밀어냄으로써 저절로 만들어졌다. 즉 세포보다 “세포막이 먼저 등장했다.” 다만 세포 안쪽에 있는 것들은 저절로 만들어지지 않았다. 과학자들은 DNA가 먼저냐, 단백질이 먼저냐는 문제에서 발목을 잡혔다. 그러나 칼 우즈, 레슬리 오겔, 프랜시스 크릭은 각각 같은 답을 내놓았다. 최초의 세포가 이중나선인 DNA가 아니라 한 가닥인 RNA를 중심으로 만들어졌다는 것이다. 그렇다면 그런 일은 어디에서 벌어졌을까? 과학자들은 심해에서는 생명이 살 수 없다고 생각해왔다. 엄청난 수압과 낮은 수온, 햇빛도 들지 않는 어두운 곳에서는 생명이 살 수 없을 것이라고 본 것이다. 그러나 과학자들의 예상과 달리 실제로 관측한 심해는 생명으로 가득했다. 심해에서 열수가 분출되는 곳이 생명 기원의 후보지로 급부상했다. 그뿐만 아니라 화성에서 생명이 기원했다는 설도 제기되었다. 정확하게 어디에서 생명이 기원했는지는 알 수 없지만 한 가지 확실한 사실은 생명이 우리의 지구를 완전히 바꿔놓았다는 것이다.

지구의 풍경을 변모시켜 우리를 만들어낸 식물들과 광합성의 비밀을 파헤친 과학자들

지구를 지금 우리에게 익숙한 푸르른 행성으로 바꿔놓은 식물들의 놀라운 여정을 따라가보자. 식물은 광합성을 통해서 태양에서 오는 에너지를 우리가 이용할 수 있는 탄수화물로 바꾸고, 이산화탄소를 흡수하여 우리가 숨 쉬는 산소로 배출한다. 우리에게는 너무나 익숙한 광합성이라는 과정을 이해하기까지 과학자들은 발견의 공로를 두고 서로 경쟁하기도 했고, 며칠 밤을 새워가며 연구에 매진하느라 새벽에 잠에 취해 돌아다니다가 살인 사건의 범인으로 몰려 체포되기도 했으며, 실험실에서의 불의의 사고로 목숨을 잃기도 했다. 광합성은 지구에 좋은 일만은 아니었다. 남세균은 광합성을 통해 산소를 내뿜었고, 오늘날에도 오래된 암석에서 그 흔적을 찾아볼 수 있을 만큼 엄청난 양의 철을 부식시켰다. 철이 전부 부식되자 대기 중의 산소 농도가 높아지면서 산소에 대한 보호막을 갖추지 못한 생명을 몰살하기 시작했다. 게다가 높아진 산소 농도가 빙하기를 초래하여 전 지구를 꽁꽁 얼려버렸다. 빙하기가 끝난 후인 21억 년 전 지구에는 진핵세포라는 놀라운 새로운 생명이 출현했는데, 이는 복잡성 면에서 보면 세발자전거에서 우주왕복선으로의 도약보다 훨씬 더 놀라운 것이다. 미생물학자 린 마굴리스는 이런 도약이 세포가 다른 세포를 집어삼켜서 공생함으로써 일어났다는 혁신적인 아이디어를 제시했다. 또한 과학자들은 식물이 우리의 생각보다 훨씬 지능적으로 외부의 공격으로부터 자신을 지키고, 균류를 활용하여 영양분을 효율적으로 생산하면서 지구를 녹색 행성으로 바꿔왔음을 알아냈다.

우리의 식탁에 오른 것이 우리가 되기까지 인간의 기본 설계도를 발견하다

우리의 저녁 식탁을 떠올려보자. 음식을 단순히 원자들이 모여서 만들어진 분자라고 생각하자. 이제 우리는 그 원자들이 어디에서 왔고, 어떻게 만들어져서 우리 식탁에 오르게 되었는지를 알고 있다. 하지만 일단 음식을 먹고 나면, 음식의 분자들은 어떻게 살아 있는 우리가 될까? 우리가 몸을 이루기 위해서 반드시 먹어야 하는 물질은 무엇일까? 독일의 과학 혁명가였던 유스투스 폰 리비히는 우리에게 기본적으로 탄수화물, 단백질, 지방이 필요하다는 사실을 발견했다. 또한 이 세 가지 외에도 부족하면 괴혈병, 각기병을 일으키는 각종 비타민과 미네랄이 반드시 필요하다는 사실을 수많은 사람들이 목숨을 잃은 후에야 알게 되었다. 그 다음으로는 이런 필수 영양분들이 어떻게 우리 몸이 되는지를 설명해주는 DNA를 만날 차례이다. 과학자들은 세포에 명령을 내리는 것이 DNA임을 알아냈지만, DNA가 어떻게 그런 명령을 내리는지는 알지 못했다. 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 DNA가 아데닌, 구아닌, 시토신, 티민이라는 네 가지 작은 염기가 서로 결합한 이중나선 구조임을 밝혀냈다. 그 구조는 유전자가 어떻게 복제되고 전달되는지 또 돌연변이는 어떻게 발생하는지를 이해하게 한다. DNA는 우리 세포에서 음식이 어떻게 우리 몸으로 변환될 수 있는지를 알려준다.

마지막으로 어떻게 원자들이 생명으로 도약할 수 있었는지를 밝혀내기 위해서 우리 몸의 가장 작은 단위인 세포의 내부를 자세히 들여다본다. 세포 안은 고요한 호수가 아니라 엄청난 속도로 에너지를 생산하는 ATP 합성효소, 신경 신호를 전달하는 소듐-포타슘 펌프 등 “건설 현장처럼 일하면서 자재를 옮기는 기계들로 가득 채워져 있다.”

이 책은 모든 물질이 태어난 순간부터 원자가 우주, 별을 거쳐 지구에 도달하여 우리를 이루기까지의 길고도 기이한 여정을 따라간다. 원자와 생명의 비밀을 파헤친 위대한 과학자들과 그들이 놀라운 발견을 이루어내는 과정을 곁에서 함께하는 과정에서 독자들은 지금 우리가 알고 있는 과학적 지식들을 재미있는 일화들을 곁들여 속속들이 파악할 수 있게 될 것이다.