현재 우리가 알고 있는 육상 식물은 어떻게 등장했을까? 이를 알기 위해서는 우선 생명의 재료가 되는 '유기물'이 어떻게 등장했는지 알아야 하고, 식물의 조상이라고 생각되는 '남세균'이 어떻게 등장했는지를 알아야 한다.
0. 목차
- '유기물'의 등장
- '광합성 세균'의 등장
- 식물의 육상 진출
1. '유기물'의 등장
생명의 재료가 되는 유기 화합물은 지구상에 어떻게 나타났을까? 그리고 초기의 생명은 유기화합물과 물에서 어떻게 탄생했을까? 이러한 두 가지 의문은 아직 해결되지 않았다. 그러나 이에 대한 몇 가지 가설이 있다.
1-1. 무기화합물에서 유기화합물이 형성되었다.
1953년, 미국 시카고 대학의 대학원생이던 '스탠리 밀러(Stanley Miller, 1930~2007)'는 실험 장치 속에 원시 지구의 환경을 재현하고, 무기 화합물에서 유기 화합물을 만들어 내는 데 성공했다. '스탠리 밀러'는 당시 원시 지구의 대기 성분이라고 생각되던 수증기, 수소 가스, 메탄 가스, 암모니아 가스를 장치에 충전시키고, 텅스텐 전극을 사용해 그 속에서 '방전(Discharge)'을 일으켰다. 수증기는 '증발하는 빗물', 방전은 '벼락 등 강한 에너지'를 상정한 것이다. 그러자 실험 장치 속의 '원시 바다'에 해당하는 물속에 아미노산, 당, 염기 등의 유기 화합물이 합성되어 있었다. 여러 과학자들이 '스탠리 밀러'의 실험을 뒤따라 했고, 그 결과 기본적인 유기 화합물 거의 대부분이 실험 장치 속에서 합성된다는 사실이 밝혀졌다.
1-2. 원시 지구의 대기 성분은 산화적이었을까? 환원적이었을까?
그러나 그 뒤 원시 지구의 성분은 '수소 가스', '메탄 가스', '암모니아 가스' 등의 '환원적인 것(산소 원자를 포함하지 않은 것)'이 아니라, '일산화탄소', '이산화탄소', '질소 가스' 등의 더욱 '산화적인 것(산소 원자를 포함한 것)'이라고 생각하게 되었다. 과학자들이 대기 성분을 상화적인 것으로 바꾸어 밀러의 실험을 해보자, 합성되는 유기 화합물이 극단적으로 적어졌다. 그래서 생명의 탄생에 필요한 유기 화합물은 원시 지구의 대기 성분에서는 합성되지 않는다고도 생각하게 되었다.
원시 지구의 대기 성분에 대해서는 현재도 여러 가지 설이 있다. 예컨대, 원시 지구의 대기 성분이 산화적이었다 하더라도, 환원적인 대기 성분이 낮은 농도로 또는 국소적으로 존재할 수도 있다. 그리고 원시 지구에 운석이 충돌한 경우에는 원시 바다가 몇천℃를 넘는 증기 구름이 되어 솟아오르고, 마침내 고온의 대기 속에 메탄 등의 환원적인 성분이 완성되리라 생각된다.
1-3. 단백질의 막을 가진 아주 작은 공 모양이 만들어졌다.
지구상에 있는 유기 화합물의 기원이 알려져 있더라도, 어떻게 해서 최초의 생명이 탄생했느냐의 문제의 답은 되지 않는다. 그러면 생명은 어떻게 탄생했을까?
1970년대 후반~1980년대에 걸쳐, 일본 게이오기주쿠 대학 이공학부의 명예 교수인 '야나가와 히로시' 박사 등은 '열수 분출공'이 원시 생명이 탄생한 곳이라는 가설에 바탕에 두고 실험을 했다. 금속 이온의 농도를 인공적으로 높이 바닷물을 만들고, 그 속에 4종의 아미노산을 가해 250℃, 134기압에서 6시간 가열을 했다. 이는 고온 고압에서 금속 이온이 풍부하게 존재하는 '열수 분출공' 부근의 재현을 재현한 것이다.
그러자 두께 30nm의 단백질 막을 가진 지름 1.5~2.5µm의 아주 작은 공 모양의 공 모양이 바닷물 속에 나타났다. 나아가 바닷물 성분과 아미노산의 종류, 반응 온도, 반응 시간의 설정을 바꿈으로써, 여러 가지 종류의 미세한 공 모양이 바닷물 속에 생긴다는 사실도 알려졌다. 물론 이들 단백질 막을 가진 미세한 공 모양은 이것만으로 생명이라고 할 수는 없다. 하지만 미세한 공 모양이 천천히 변해, 질서를 지닌 생명체로 진화했을 가능성이 제기되고 있다.
2. 광합성 세균의 등장
2-1. '광합성 세균'은 왜 등장했는가?
원시 바다에 가장 먼저 등장한 생명은 바닷속의 유기 화합물을 먹는 원시적인 '원핵생물(핵, 엽록체, 미토콘드리아 등을 갖지 않은 원시적인 세포를 가진 생물)'이었다는 설이 있다. 이 생물은 발효 등의 메커니즘으로 유기 화합물을 분해하고, 그 과정에서 발생하는 에너지를 이용해 생명활동을 했을 것이다. 유기 화합물을 먹는 생물이 늘어남에 따라, 풍부하게 있던 바닷물의 유기화합물이 분해되어 점점 줄어들었다. 이에 따라 생명은 새로운 에너지원을 찾아야 할 필요에 직면했으리라 생각된다.
이때 바닷속에서 바타난 것이 '광합성 세균(Photosynthetic Bacteria)'이다. '광합성 세균'은 세포 안에서 광합성을 해서, 에너지원은 유기 화합물을 스스로 만들어낼 수 있는 세균이다. 초기의 '광합성 세균'은 광합성에 의해 '황화수소(H2S)'와 '이산화탄소(CO2)'로부터 '유기 화합물'과 '황(S)'을 합성했다.
2-2. '남세균'의 등장
그리고 지금으로부터 약 27억~21억 년 전에는, 더욱 뛰어난 광합성 능력을 갖춘 광합성 세균이 바닷속에 나타났다. '황화수소(H2S)' 대신 물을 사용해 광합성을 할 수 있는 세균인 '남세균(Cyanobacteria)'이 등장한 것이다. 남세균은 '원핵 세포'라는 오래된 형태의 세포로, 핵과 미토콘드리아, 엽록체 등을 갖고 있지 않다. 세포 내부에서는 소용돌이 모양의 '틸라코이드 막(Thylakoid Membrane)'이 있어서 거기에서 광합성을 한다. 바닷속의 '남세균'은 태양 광선이 미치는 환경이라면 언제든지 번식할 수 있었다. 그래서 유기 화합물을 먹는 '원핵생물'과 광합성으로 황화수소를 필요로 하는 '초기의 광합성 세균'을 제치고, '남세균(Cyanobacteria)'이 압도적인 우위를 차지했다.
남세균은 광합성에 의해, '물(H2O)'과 '이산화탄소(CO2)'로부터 '유기 화합물'과 '산소(O2)'를 합성했다. 이 반응은 현재 육상 고등 생물의 '엽록체(Chloroplast)'가 하고 있는 '광합성'과 다름없기 때문에, '남세균'은 식물의 조상이라고 생각된다. 그리고 이 반응은 '지구상에서 가장 가치 있는 화학 반응'이라고 해도 결코 과언이 아닐 것이다. 왜냐하면 무기화합물이 '물'과 '이산화탄소'에서 '유기 화합물'과 '산소'를 만들어내는 유일무이한 반응이기 때문이다. 남세균이 존재하지 않았다면, 스스로 유기 화합물을 만들 수 없는 생명과 산소를 필요로 하는 생명은 지구상에 나타나지 않았을지도 모른다.
'남세균'이 방출한 산소는 처음에는 바닷속의 '철 이온(Fe2+)'과 결합해 '산화철'이 되었다. 그리고 이윽고 바닷속의 철 이온이 적어지자 바닷속의 산소 농도가 높아지고, 산소는 대기로 퍼져나갔다.
3. 식물의 육상 진출
지구 대기 속의 산소 농도가 상승하고 오존층이 형성되자, 생명은 육상으로 진출했다. 땅 위에 쏟아지는 자외선의 양이 줄어들었기 때문이다. 그러나 물속과 달리 심한 건조와 온도 변화가 일어나는 육상의 환경은 생명에게 너무나도 가혹했다.
약 4억 7500만 년 전, 육상에 최초로 진출한 식물은 이끼 같은 물가의 작은 식물이었으리라고 생각된다. 그 뒤 식물은 식물체에 필요한 물과 양분의 이동통로인 '관다발(Vascular Bundle)'을 몸속에 만들고, 식물은 뿌리에서 수분을 흡수하기 시작했다. '물관(식물에서 뿌리로 흡수된 물이 이동하는 통로)'과 '헛물관(관다발식물에서 물과 용해된 무기물이 올라가는 통로)'을 통해 온몸으로 전달해 건조와 온도 변화에서 몸을 지켜야 했기 때문이다. 이렇게 식물 더욱 내륙으로 진출해나갔다.
3-1. 물은 어떻게 나무 위까지 올라갈 수 있는가?
그러면 식물은 어떻게 땅속에서 수분을 흡수할 수 있을까? 식물이 땅속에서 수분을 흡수할 수 있는 가장 큰 이유는 식물이 '증산(Transpiration)'을 하고 있기 때문이다. '증산'이란 식물체 안의 수분이 수증기가 되어 공기 중으로 나오는 현상을 말한다. 식물은 주로 잎 뒤쪽에 있는 '기공'을 여닫아 몸속의 물을 수증기로 만들어 공기 속으로 방출한다. 식물의 온몸에 퍼져 있는 '물관'과 '헛물관' 속에는 물이 빈틈없이 가득 차 있으며, '기공'은 연속적인 물기둥에 의해 토양 속의 수분과 이어져 있다. 따라서 잎의 기공에서 증발한 만큼의 물이 '물관'과 '헛물관'을 통해 차례차례 뿌리에서 빨려 올라간다.
이때 물이 뿌리에서 나무 위까지 '물관'과 '헛물관' 속을 이동할 수 있는 것은 '물의 응집력'이 크기 때문이다. '응집력(Cohesive Force)'이란 하나로 뭉치려는 힘을 말하는 것으로, 액체 또는 고체에서 그 물질을 구성하고 있는 원자·분자 또는 이온 간에 작용하고 있는 인력에 의해 생겨난다. 증산에 의해 빨려 올라간 물에는 물 자체의 무게와 '물관·헛물관'과 '물' 사이에 생기는 마찰에 의해, 물의 진행 방향과는 반대 방향의 힘이 작용한다. 만약 물의 응집력이 이 반대 방향의 힘보다 작다면, 물은 물관·헛물관 속을 나아가지 못한다. '물 분자(H2O)'가 수소 결합에 의해 서로 강하게 이어져 있기 때문에, 물은 물관·헛물관 속을 이동할 수 있다.
식물이 물을 흡수하는 메커니즘에는 '증산(Transpiration)' 외에도 '근압(Root Pressure)' 등이 있다. '근압'은 식물체의 뿌리 시스템에 존재하는 수액에 의해 발생하는 압력으로서, '뿌리압'이라고도 한다. 식물에서 뿌리로부터 줄기 꼭대기까지 물관을 통하여 물을 이동시키는 작용을 한다.
3-2. 식물의 관다발
'식물의 관다발'은 '형성층(부름켜)', '물관부(Xylem)', '체관부(Phloem)'로 이루어진다. 물관부는 형성층이 안쪽에 분열해 생긴 것으로, 무수한 물관과 헛물관이 집합된 구조이다. 물관과 헛물관 속에는 물이 빈틈없이 차 있어, 뿌리에서 잎까지 연속적인 물의 기둥을 형성하고 있다.
