연구는 지구상의 생명의 두 가지 기원을 밝히고 단일 조상 이론에 도전합니다
Science Advances 저널에 발표된 새로운 연구는 단세포 유기체의 원시 화학 반응을 추적하면서 지구에 두 개의 독립적인 생명 기원이 존재함을 지적합니다. 2026년 8월 5일에 발표된 이 연구는 모든 생명체가 하나의 자유 조상 세포에서 유래한다는 전통적인 생각에 의문을 제기합니다.
대신, 결과는 두 가지 주요 미생물 계통인 박테리아와 고세균이 아직 전체적으로 “살아 있는” 것으로 간주되지 않은 원시 조상과 별도로 진화했을 수 있음을 시사합니다.
생물학자들 사이에서 생명의 기원에 대한 질문은 가장 논쟁이 많은 주제 중 하나입니다. 초기 지구에서 에너지를 생성하기 위해 분자를 처리할 수 있는 자립 유기체의 형성은 여전히 큰 미스터리로 남아 있습니다.
최초의 세포가 나타나기 전부터 과학자들은 심해의 열수 분출구와 같은 극한 환경에서 복잡한 화학 반응이 일어난다는 가설을 세웠습니다. 이러한 장소에서는 열과 고압이 자발적인 화학 반응을 일으키며 지각에 금속이 존재함으로써 가속화됩니다.
생명체는 효소라고 알려진 단백질에 의해 촉매되는 약 400가지 대사 반응의 복잡한 중앙 네트워크에 의존합니다. 이 “중앙 대사”는 에너지를 생성하고 핵산, 아미노산, 비타민과 같은 필수 세포 구성 요소를 생성하는 역할을 합니다.
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이제 한 연구팀이 이 중요한 대사 네트워크가 어떻게 개발되었는지 단계를 재구성하는 데 성공했습니다. 연구에서 가장 놀라운 발견 중 하나는 지구상의 생명체가 한 번이 아니라 두 번 나타났을 수도 있다는 것입니다.
독일 뒤셀도르프 대학교의 진화생물학자이자 이번 연구의 주요 저자 중 한 명인 윌리엄 마틴(William Martin)은 이번 발견이 생명이 무엇인지, 무엇이 가능하며 다른 곳에서 무엇을 찾을 수 있는지에 대해 “거대한 질문을 던진다”고 말했습니다.
오늘날 존재하는 모든 유기체는 아마도 원시 바다에 살았던 마지막 우주 공통 조상(LUCA)의 후손입니다. 새로운 연구에 따르면 이 신비한 조상은 신진대사를 위해 여전히 환경에 의존하고 있었습니다. 과학자들은 에너지 생성 반응에 효소를 사용하는 대신, LUCA가 필수 대사 반응의 약 절반을 환경에 존재하는 작은 유기 분자와 금속에 의존한다는 사실을 과학자들이 발견했습니다. 시간이 지남에 따라 단백질이 이러한 기능을 수행하도록 진화함에 따라 이러한 금속 중 일부는 보다 특이적이고 효율적인 효소로 점진적으로 대체되었습니다.
Martin은 이 연구에서 가장 흥미로운 점은 새로운 효소 활동이 나타나기 시작하여 지구화학적 반응을 대체하고 고세균과 박테리아의 조상에서 신진대사가 결합되는 진화 단계를 탐색하는 것이라고 덧붙였습니다.
고세균과 박테리아는 생명의 세 가지 영역 중 두 가지이며, 이러한 미생물은 지구 역사 초기에 나타났습니다. 세 번째 영역인 진핵생물은 동물, 식물, 그리고 핵이 있는 세포를 가진 모든 유기체를 포함하며 나중에 처음 두 그룹의 조합에서 진화했습니다.
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수년 동안 과학자들은 생명의 기원에 대해 세 가지 가능한 시나리오를 고려했습니다. 즉, 박테리아가 고세균에서 진화했다는 설, 고세균이 박테리아에서 진화했다는 설, 둘 다 LUCA와 독립적으로 발생했다는 설입니다. 새로운 연구는 연구 결과에 따르면 후자의 가능성이 가장 높다고 지적합니다.
고세균과 박테리아: 차이점과 극한 서식지
박테리아는 다양한 환경에서 발견될 수 있지만, 고세균은 고온 및 산성도와 같은 극한 조건에서 번성하는 것으로 유명합니다.
박테리아와 고세균이 어떻게 출현했는지 이해하기 위해 과학자들은 그들의 조상이 언제 특정 특성을 발달시켰는지와 그 중 어떤 특성이 LUCA에서 유전되었는지 비교합니다. 단백질을 생성하는 세포 구조인 리보솜에 대한 이전 연구에서는 LUCA가 33개의 단백질로 구성된 원시 리보솜을 갖고 있음을 보여주었습니다. LUCA에서 박테리아 계통은 21개의 독특한 리보솜 단백질을 개발했고, 고세균 계통은 29개를 개발했는데, 이는 이들 기능의 독립적인 향상을 나타냅니다.
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신진대사 재구성에 초점을 맞춘 가장 최근의 조사에서 마틴 팀은 비슷한 접근 방식을 취했습니다. 이번에는 현대 박테리아와 고세균의 대사효소 유전자를 분석해 진화 궤적을 재구성했다. Martin 연구실의 대학원생이자 수석 저자인 Natalia Mrnjavac은 리보솜과 마찬가지로 대사 유전자를 분석할 때 유사한 패턴이 관찰되었다고 지적했습니다.
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처음에 연구자들은 LUCA가 사용하는 효소와 열수 분출구의 금속에 의존하는 대사 반응을 확인하는 데 전념했습니다. 연구팀은 이 원시 대사의 각 반응이 환경에서 이용 가능하거나 시스템의 다른 반응에 의해 생성된 요소를 사용했다고 결론지었습니다. 시간이 지남에 따라 이러한 반응은 이전 반응을 기반으로 하여 새로운 생화학적 가능성과 점점 더 복잡한 대사 네트워크를 초래할 수 있습니다. 중요한 과제는 반응의 순서를 결정하여 어떤 반응이 먼저 발생해야 하는지, 어떤 반응이 후속 반응에 의존하는지 식별하는 것이었습니다.
뉴질랜드 캔터베리 대학의 수학자이자 이번 연구의 공동 저자인 Mike Steel은 수백 가지 반응에도 불구하고 이 순서를 결정하는 효율적인 알고리즘이 있다고 설명합니다.
그 후 연구팀은 박테리아와 고세균이 일부 효소를 LUCA와 공유하지만 각 계통에는 공통 조상에 존재하지 않는 다른 효소도 있다는 사실을 발견했습니다. 본질적으로 박테리아와 고세균은 금속에 의해 촉매되는 동일한 반응을 대체하기 위해 서로 다른 효소를 독립적으로 개발했습니다. 이번 연구의 공동저자이자 오타와 대학의 화학자인 Joseph Moran은 “이는 반응이 이를 촉매하는 효소보다 더 오래되었다는 것을 보여줍니다.”라고 말했습니다.
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마틴의 경우 동일한 대사 문제에 대한 이러한 다양한 해결책은 박테리아가 고세균에서 유래할 수 없으며 그 반대의 경우도 마찬가지라는 증거로 작용합니다. 그는 가장 간단한 해석은 LUCA에서 자유 생활 세포로의 “두 개의 독립적인 전환”이 있었다는 것이라고 생각합니다.
모든 연구자가 LUCA에 대한 이러한 설명에 완전히 동의하는 것은 아닙니다. 일부에서는 LUCA가 고세균과 박테리아 지방 또는 지질의 혼합물로 구성된 단순한 막으로 구성된 더 복잡한 세포라고 제안했습니다. 새로운 연구에 참여하지 않은 프랑스 구조생물학연구소의 단백질 결정학자이자 생명의 기원 연구자인 Juan Fontecilla-Camps는 이 잡종 조상이 자유 세포 생명의 단일 기원에서 시세균과 박테리아 계통으로 분리되었을 것이라고 설명합니다.
그러나 마틴은 이러한 복잡성이 있을 가능성이 낮다고 주장합니다. 박테리아와 고세균은 세포막에서 지질을 생성하기 위해 서로 다른 방법을 사용하는데, 이는 이러한 메커니즘이 LUCA로부터 유전되지 않았음을 시사합니다. 독일 프라이부르크 대학에서 고고생물학을 연구하고 이 연구에도 참여하지 않은 Sonja-Verena Albers는 “그들은 정말 완전히 다르다”고 덧붙였습니다. 지질을 생성하려면 완전히 다른 유전자나 효소 세트가 필요했습니다.
또한 신진대사를 토대로 마틴은 LUCA가 아직 완전히 살아있지 않은 단순한 조상이었다고 주장합니다. 그는 “자유생활 세포가 살아 있다는 것은 의심의 여지가 없다”는 사실을 인식하고 스스로 성장하고 분열하며 생존할 수 있습니다. 그러나 LUCA는 신진대사를 수행하기 위해 여전히 지각의 작은 유기 분자와 금속에 의존하고 있는데, 마틴에게는 이것이 진정한 살아있는 것으로 분류되기에는 충분하지 않습니다.
마틴은 금속이 대사 반응의 원래 촉매제였으며 시간이 지나면서 금속이 효소로 대체된다는 생각을 오랫동안 지지해 왔습니다. 생명의 기원을 연구하는 이탈리아 나폴리 페데리코 2세 대학의 미생물학자인 도나토 조반넬리(Donato Giovannelli)는 “지구화학이 생명의 생화학을 이끌었을 것이라는 생각에 대한 강력한 지지가 있다”고 말했습니다.
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예를 들어, 많은 효소는 화학 반응이 일어나는 촉매 부위에 금속을 가지고 있습니다. 최근 몇 년 동안 Martin, Moran, 생화학자 Martina Preiner 및 동료들은 오늘날의 중추 대사에 사용되는 많은 반응이 실제로 효소가 금속으로 대체될 때 발생할 수 있음을 실험적으로 입증했으며, 이는 이러한 효소가 진화하기 전에도 금속에 의해 촉매될 수 있음을 시사합니다.
가장 중요한 대사 반응 중 하나는 세포의 에너지 운반 분자를 생성하여 세포에 전력을 공급하는 작은 배터리 역할을 합니다. 현재 이 분자는 주로 ATP이지만 초기 해양에는 LUCA가 활용할 수 있는 ATP가 없었습니다. 마틴의 팀은 이 조상의 원시 대사에서 이 근본적인 반응이 금속에 의해 어떻게 촉매될 수 있었는지 밝혀냈습니다. 그들은 인의 형태인 아인산염이 백금족 금속인 팔라듐의 도움으로 유기 분자와 반응할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 반응을 통해 LUCA는 에너지를 ATP의 전구체인 ADP로 저장할 수 있었습니다.
일시적으로 에너지를 저장하는 능력은 에너지 공급이 필요한 다른 많은 대사 반응을 유도할 수 있기 때문에 혁명적이었습니다. 여기에는 아미노산 사이의 펩타이드 결합 형성이나 RNA가 단백질로 번역되는 동안 리보솜의 활성이 포함됩니다. 이 반응은 지구화학적 반응에서 대사 반응으로의 전환을 위한 길을 열었고 인이 어떻게 우리 자신의 생화학에서 중심 요소가 되었는지 설명합니다.
연구에 참여하지 않은 Giovannelli는 이것이 기사의 주요 발견 중 하나라고 생각합니다.
Juan Fontecilla-Camps는 팀이 새 기사에서 했던 것처럼 최초의 대사 네트워크를 재구성하는 것이 “유효한 일”이라고 믿습니다. 그러나 그는 “문제는 정말 그런 일이 일어났는지 아닌지다. 그리고 그것은 알기가 매우 어렵다”고 고민한다.
Giovannelli는 팀이 “다른 사고 방식을 제시하고 이전에 연결되지 않았던 요소를 통합하는 견고한 논문”을 제작했다고 결론지었습니다. 그러나 그는 결론을 결정적인 대답이 아니라 생명의 기원에 대한 가능한 시나리오로 간주할 것을 제안합니다. “우리는 일이 얼마나 그럴듯한지 재구성할 수 있지만 그 모든 일이 어떻게 일어났는지 정확히 아는 것은 거의 불가능할 것입니다.”
