다지원 기획세미나, 생명 세미나. ∥2021년 4월 20일∥보미
『마이크로 코스모스』 린 마굴리스, 도리언 세이건 지음, 홍욱희 옮김, 김영사


<11 동식물의 뒤늦은 번성>

1. 다세포로의 진화

원생생물이 진화의 문턱을 넘어서 동물로 나아가게 된 계기는 세포채찍을 가진 원생생물이 다른 세포와 연합하며 미세소관 구조물을 다른 목적으로 사용할 수 있게 된 것이다. 세포 분화와 함께 여러 고등 기술들이 생겨난다.
- 수영하는 세포, 유사분열과 감수분열 기능을 함께 가지는 세포, 촉각세포, 평형세포, 두뇌세포, 후각세포 등.
여러 근원에서 유래하는 세포들이 서로 모여서 다세포적 구조를 형성했다. 원생생물 조직화가 성공적으로 진행되어 오늘날의 동물군, 식물군, 균류라는 세 생물계를 낳은 것으로 추측된다.

2. 식물의 모험

약 4억 6000만 년 전 처음으로 식물 포자가 육상에 진출했다.
최초의 식물의 선조는 조류다. 조류는 햇빛이 비치는 얕은 물 속에서 생활했는데 물이 말라 버리면 건조한 육지에 남겨졌다. 물 밖에서 살아남은 일부 조류가 번식을 거듭해 초기 식물들이 된다.
건조한 육상은 최초 식물들에게 혹독한 환경 조건이었다. 이들은 육상에 정착하기 위해 바닥에 넓게 퍼져서 생활하던 과거 습관을 바꾸어 더욱 탄탄한 3차원적 구조를 발전시켜야만 했다. 시안박테리아의 부산물인 산소를 이용해 리그닌이라는 세포벽 구성 물질을 만들면서 식물체는 단단해졌다. 그리고 뿌리에서 빨아올린 물을 위로 전달하고 잎에서 생산된 영양물질을 하부로 보낼 수 있는 도관 조직이라는 구조가 발달했다. 그리고 최초 식물들은 미생물과 나눈 공생 작용 덕에 이렇게 할 수 있었다.
오늘날 육상 식물 대부분이 뿌리혹박테리아라는 곰팡이와 공생관계를 맺고 있다. 곰팡이가 없으면 많은 식물은 생장을 멈추거나 죽는다.
최초 식물은 수분 부족이라는 문제에 직면하면서 해결책으로 종자를 발전시켰다. 씨앗은 배 발생의 가장 적절한 시기까지 수분을 저장하는 역할을 한다.
- 약 3억 4500만 년 전. 시카도필리케일이라 불리는 최초식물은 거대한 고사리 같은 모습이었다. 이 거대 고사리는 오늘날의 고사리와 달리 씨앗을 가졌다. 거대 씨앗 고사리는 웅장한 열대의 숲으로 번성해 멀리 퍼져나갔다. 과거 지각운동으로 파묻힌 거대 씨앗 고사리 삼림이 바로 지금의 석탄이다.
- 약 2억 500만 년 전. 씨앗고사리의 후손인 구과식물이 나타났다. 침엽수와 비슷한 이 식물은 빙하가 나타난 이 시기에 생존하기 유리했다.
- 약 1억 2300만 년 전쯤 꽃피는 식물인 현화식물이 나타났다. 혁화식물은 지상에서 가장 성공적인 엽록체 표출이라 할 수 있으며, 동물의 진화와 나란히 진화했다. 동물과 식물의 여러 협력, 즉 공생의 형태가 나타났다.
포유동물이 식물성 먹이를 선호했던 습성 덕분에 식물의 씨들이 널리 퍼졌다. 그런데 바나나, 오렌지 등 씨앗이 없는 식물은 어떻게 널리 퍼질 수 있었을까? 좋은 맛으로 인간이 자신들을 경작하게 함으로써 무성적으로 퍼져나갔다. 이들은 식물이 가질 수 없었던 이동 능력을 동물에게 빌리기 위해 그들을 유혹하는 수단을 발전시켰던 셈이다.
식물은 두뇌 조직이 없는 대신 동물의 두뇌를 차용한다. 식물은 대뇌피질의 배열보다는 광합성 화학과 유전자 계획에 의해 주도되는 전략적인 지능을 가져서 동물들이 자신들을 위해 행동하도록 통제한다. 물론 이러한 식물체의 지혜 이면에는 미생물(엽록체, 미토콘드리아, 스피로헤타적 이동 조직 등)이 있다.

3. 동물의 도전

동물은 식물보다 일찍 진화했지만 빈약한 유산으로 (미토콘드리아, 스피로헤타적 조직은 있지만 엽록체는 없음) 3500만 년이나 늦게 육상에 도착했다.
원시 동물들은 몸체에 단단한 부분이 없고 내부 골격도 제대로 갖추지 못했다. 원시 동물은 점차 세포 수를 증가시키고 이 세포들은 분열을 거듭하면서 합체를 형성하는 기간이 길어졌다. 이에 생존을 위한 새로운 전술 전략을 추구하게 되었다.
- 새로운 전술의 예: 세포채찍을 사용하여 아주 작은 먹이나 박테리아, 미소한 원생생물 등을 자신의 소화기관 안에 집어넣도록 진화.
육지는 동물들에게 매력적인 개척지이자 다른 한편으로는 특별한 장애가 될 수도 있는 조건들이기도 했다.
- 뭍에 오른 동물은 부력 결손을 보완하기 위해 더 강인한 근육과 튼튼한 골격 배열을 갖추어야 했다.
- 수중보다 산소 농도가 100만배나 높은 대기 중에서 기능을 발휘할 수 있는 호흡기관을 갖는 것도 절박한 문제였다.
- 지상에 직접 내리쬐는 강력한 태양빛을 견디기 위해 가죽껍질, 표피, 각질 등 보호용 외피가 필요했다.
- 가장 심각했던 위협은 건조함이었다. 동물의 몸체가 건조해진다는 것은 곧 죽음을 의미한다. 동물들은 체내에 수분을 유지할 수 있는 장치를 발전시켰다.
동물의 육상 진출 도전의 핵심은 칼슘이다. 칼슘은 생물학적 구조물을 형성하는 데 긴요한 재료다.
- 칼슘은 모든 진핵세포의 물질대사에서 중추 역할을 담당한다. 아메바적 세포 이동, 세포 분비, 미세소관 형성, 세포 유착 등의 기능에 필수적이다.
- 전화통신망이 구리선에 크게 의존하듯이, 두뇌 속의 뉴런 조직망은 칼슘에 크게 의존한다.
- 칼슘이 특히 중요했던 이유는 근육 운동에 이용되었기 때문이다.
- 세포 속의 잉여 칼슘 축적물로 골격 구조와 기타 몸체를 보호할 수 있는 구조물을 형성했다.

4. 강력한 균류

균류는 육상으로 진출하는 과정에서 식물과 공진화를 했을 것으로 추측된다. 식물의 뿌리와 공생적으로 생활하는 균류는 인산과 질소 영양염을 식물에 전달한다.
균류는 생존력이 매우 강해서 육상생활에 적합했다. 균류는 포자를 형성하는데, 건조의 위험에서 무성포자를 만들 수 있다. 균류는 지금까지 과소 평가된 생물계 였지만, 인간 문화에 크게 기여하는 강력한 생물계다. 하지만 균류가 유익하기만 한 존재는 아니다. 곰팡이의 방어 메커니즘은 동물이나 박테리아의 대사기능을 방해할 수 있다.

5. 공생

진화 과정을 거쳤던 모든 종이 결국 공진화를 한 것이라는 논리는 추론적이기는 하지만 명백한 사실이다.
식물과 곰팡이들이 서로 성장 속도를 조절하기 위해 또는 동물 포식자를 통제하기 위해 알칼로이드 화합물을 발전시켰던 것은 화학무기 경쟁과도 비견할 만한데, 이런 관계는 다른 한편 미생물 우주의 공생관계를 연상시키는 것이기도 하다. 곰팡이는 식물질병의 주원인이면서 동시에 식물체 생장에 필수적이다. 포식자와 피식자 사이의 험악한 관계도 대규모 공생관계의 한 부분으로 간주할 수 있다.
지상의 생물 역사를 그릴 때, 동물, 식물, 균류의 육상 환경 진출에 길을 연 것은 바로 미생물임을 기억하자.