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생명 탄생의 기원과 진화는 우주의 법칙과 어떻게 맞닿아 있을까?
생명에게 일어난 사건을 물리학과 화학으로 설명하는 것이 가능할까?
생명의 빛깔, 생명의 숨결, 감각, 진화, 기원... 이 모든 것을 과학적으로 풀어보는
BBC 다큐멘터리, 「경이로운 생명(Wonders of Life)」을 한 권의 책으로 만난다.

“어떻게, 살아있는 생물의 공간적 경계 안에서 일어난 시공간적 사건들을 물리학과 화학으로 설명할 수 있을까?” 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 『생명이란 무엇인가』 라는 책에서 이 생명의 존재와 본질에 대한 심오한 질문을 던졌다. 이 책 『경이로운 생명』 은 다큐 진행자이자 저자인 브라이언 콕스 교수가 물리학 학부시절 읽었던 『생명이란 무엇인가』 의 오래된 철학적, 과학적 질문에 대한 해답을 구하는 과정을 담아냈다.

물리학자 리처드 파인만은 ‘우리의 이해가 깊어질수록 세상은 더욱 아름답다’, ‘과학은 자연의 매력 포인트를 추가할 뿐이다’라고 말했다. 이 책은 풀 한 포기에 깃든 자연 그 자체에 대한 파인만식의 찬미를 넘어서 다윈이 발견한 ‘다른 생물과의 상호작용’, ‘자연선택, 진화사’라는 관점에까지 확장하고 있다. 그러기 위해 ‘왕의 귀환’ 으로 알려진 제왕나비의 이동경로를 추적하고 생체시계의 원리를 소개한다. 마야인의 고향 멕시코의 세노테에서 지구 생명에게 가장 필수적인 요소인 물을 탐구하고, 치와와-태평양 열차를 타고 고지대에 올라 지구표면에 닿은 햇빛의 성질이 바뀌는 순간을 관찰한다.

생명의 빛깔, 신선한 공기, 생명의 숨결, 생물이 사이즈와 감각기관, 생물다양성과 자연선택에 이르기까지 폭넓은 주제들을 콕스 교수는 직접 현장에 가서 실험을 통해 하나하나 보여준다. 어떻게, 일반 독자들에게 생명현상에 대해 이보다 더 잘 설명할 수 있을까?

생명의 고향, 우주의 유일한 오아시스, 지구
과학자들은 산소와 수소가 우주에서 가장 풍부한 분자라는 점에서 물은 우주 어디에나 있고 물이 있는 곳에 생명체도 존재한다고 본다. 생명체로 가득한 지구가 우주의 오아시스, 생명의 고향이 된 이유이다. 물이 생명에 필수불가결한 요소가 된 이유는 ‘수소결합’이란 분자간의 강력한 결합 상태를 가지기 때문이다. 물 분자와 단백질 분자의 ‘수소결합의 마술’은 생물학적 기능을 정확히 수행할 수 있도록 도와준다. 콕스 교수는 이러한 물의 한 특성을 소금쟁이가 물 위를 걷는 아름다운 사진과 설명으로 보여주고 있으며 지구상의 물 분포, 물 순환, 생물의 수분함량 등은 인포그래픽을 통해 보여주고 있다.

생명은 심해의 암흑세계에서 출발해 육상의 녹색세계를 건설
지구상에 생물이 처음 나타났을 때 태양빛은 자비심 많은 동반자가 아니었다. 태양이 내뿜는 방사선 때문이었다. 그러므로 생물은 어두운 심해 열수분출공에서 출발해 수십억 년 동안 어둠 속에서 지냈다. 해수면으로 처음 올라와 육상에 정착한 생물은 태양의 자외선 UV의 강력한 도전을 받고 멜라닌 색소를 진화시켰다. 남세균도 자외선으로부터 보호하기 위한 색소를 가지고 있는데 그 색소로 태양빛을 양분으로 전환한다. 광합성의 과정은 복잡하지만 목적은 태양에너지를 포획하여 포도당을 만들고 ATP형태로 저장하는 것이다. 그 과정에서 물이 분해되어 산소가 발생하게 된다. 이 ‘산소 발생 광합성’의 진화는 지구상에서 딱 한 번 일어났다고 한다. 그리고 식물과 조류(algae)의 엽록체는 남세균을 빼닮았을 뿐 아니라 독자적인 DNA를 보유하고 있다. 이 점은 세포내공생을 시사한다. 지구생명사의 한 시기에 어떤 세포가 남세균을 삼켰는데 소화되지 않고 살아남아 광합성을 하게 되었으며 생물이 능력이 크게 도약되는 계기가 된다. 비로소 지구는 산소가 가득한 녹색 세상이 되었고, 생물은 단순한 세포에서 복잡한 세포로 발달하게 되었다.

생명이란 무엇인가? 라는 물음을 좇는 과학자들
우주의 거대한 미스터리를 탐구하는 동안 과학은 늘 생명력, 정신 또는 영혼이라는 개념과 씨름해왔다. 또한 아리스토텔레스를 비롯한 고대 그리스 철학자들부터 데카르트, 칸트와 같은 현대 철학자들에 이르기까지 생명의 본질을 밝히는 일은 길고 때로 헛된 일로서 합리주의보다는 종교에 기대는 편이 나을 정도였다. 심지어 현대과학이 등장한 후에도 삶과 죽음을 나누는 경계선에 대한 물리학적 근거를 대는 것은 힘겨운 일이었다. 그러나 콕스 교수는 지난 100년 동안 우리는 생명의 본질을 가장 물리학적인 용어로 설명하는 데 조금씩 근접해왔다고 한다. 필리핀 마닐라시 북부 산악지대의 토착민의 ‘관매달기’ 풍습을 경험하고 삶과 죽음 그리고 영혼에 대한 화두를 시작한다. 그리고 에르빈 슈뢰딩거의 질문 ‘생명이란 무엇인가’의 해답을 찾아, 생명의 기원과 질서에 대한 물음을 안고 물리학과 화학의 세계로 들어간다.

생명의 수명을 정하는 사이즈
지구상의 모든 생물의 크기와 구조, 형태는 다양하다. 그 다양성은 물리법칙과 환경 간의 복잡한 상호작용이 반영된 결과이다. 중력은 육상생물의 크기를 제한하며, 물의 밀도와 점성이 해양생물의 크기와 모양을 결정한다. 그리고 곤충 크기가 작아진 것은 산소 농도 때문이다. 크기를 결정하는 요인이 다양한 가운데 크기가 정말 중요한 이유는 체온(대사율), 심박수와 수명을 결정하는 것에 있다. 쥐 같은 소형동물은 체온을 유지하기 위해 높은 대사율, 빠른 심장박동을 가지고, 코끼리 같은 대형동물은 반대로 내부에 많은 열을 보유할 수 있어 낮은 대사율과 느린 심장박동을 가진다. 대사율과 수명의 관계를 일목요연하게 정리한 표를 책 속에서 직접 확인해보자.

신비로운 감각기관의 기원과 진화
감각기관의 발달은 진화의 전형적 사례로 감각이 진화한 과정은 제각기 다르고 그 다양성은 환경과 생활방식에 의해 결정된다. 인간을 비롯한 포유류는 가장 예리한 청각을 가지고 있는데, 귀가 턱뼈에서 진화한 사실은 무척 흥미롭다. 최초의 척추동물이 바다에서 육지로 올라올 때 쓸모가 없어진 아가미구멍(새궁)에서 귀로 발달하게 된 과정을 콕스 교수는 다큐멘터리 「경이로운 생명」을 촬영하면서 알게 된 것들 중 가장 신비로운 것이라고 말한다.
어떤 최고급 카메라라고 해도 인간의 눈을 따라올 수 없다. 그만큼 인간의 눈은 공학적 걸작이다. 그렇기에 다양한 동물의 눈은 서로 공통점이 없이 설계된 듯하다. 하지만 어떤 눈이든 빛을 탐지하는 방법의 생화학적 원리는 거의 보편적인 진화적 기원을 갖는다. 녹조류 볼복스가 빛을 인지하는 안점을 관장하는 유전자와 인간의 눈 발달을 관장하는 유전자가 흡사하다. 인류와 조류의 시각이 공통조상에서 기원한다는 것은 지구상의 생명들이 서로 깊이 연결되어 있다는 증거이기도 하다.

공통조상이 자연선택을 통해 생물다양성까지 이르는 여정
콕스 교수는 마지막 장에서 다윈의 자연선택을 다루고 있다. 물리적으로 격리된 마다가스카르는 25만종의 생물이 있는데 그 중 90%가 고유종이다. 마다가스카르의 생물다양성을 환경적 요인과 생물 간의 상호작용을 영장류계의 딱따구리라고 하는 아이아이원숭이 등을 통해 설명한다.
오늘날의 생물은 모두 동일한 유전자 코드를 보유하고, 이것은 마지막 보편적 공통조상이 하나임을 입증하는 핵심적 증거이다. 그렇다면 하나의 공통조상에서 종 다양성이 일어난 계기는 무엇일까? DNA 염기서열이 복제되는 과정에서 환경 변화에 살아남기 위해 복제오류가 개입되면서 돌연변이가 생겨난다. 이 돌연변이가 계속 살아남아 다음 세대에 전달이 되면 그것이 다양성으로 자리를 잡게 되는 것이다.
그리고 덧붙여 저자는 칼 린네의 고안한 분류체계에 의한 명명법의 소개, 생명의 기본적인 틀을 이루는 탄소와 탄소의 순환, 우주의 빅뱅으로부터 출발한 오늘의 우리, 생물학의 빌딩블록과 아미노산, 단백질, DNA에 이르기까지 생명의 역사와 과정 어느 것 하나 놓치지 않고 설명하고 있다.

물리학교수가 바라본 생명현상에 대한 스토리텔링
콕스 교수의 스토리텔링 방식은 우리에게 책을 읽는다기보다 그의 실험과 경험을 함께 체험하며 이야기를 나누고 있는 듯한 느낌을 준다. 콕스 교수는 이 책에서 대학 시절 생물학에 대한 흥미를 잃어버렸다고 한다. 그리고 물리학 교수로서 다큐멘터리 진행자가 되어 우주와 천문학 연구를 하면서 새삼스럽게 생명탄생과 진화에 대한 경이로움을 느낀다.
콕스 교수는 결코 근엄한 교수의 자세를 취하지 않는다. 교실 혹은 실험실에서 칠판을 두드리며 딱딱하고 어려운 법칙을 설명하는 대신 휘발성 가스가 분출되는 화산섬이든, 백상아리가 거대한 입을 벌리고 달려오는 바닷속이든 현장을 찾아가 직접 고안한 실험을 진행하며 생명현상을 알기 쉽게 설명해준다. 바로 이 점이 콕스 교수를 극찬하는 이유 중의 하나이며 동시에 『경이로운 생명(Wonders of Life)』이 미국과 영국 아마존에서 스테디셀러의 반열에 오르게 한 원동력이다.

가족과 함께 보면 더욱 좋을 큰 책, 생생한 현장과 실험사진,
그리고 한 눈에 감 잡을 수 있는 인포그래픽!
과학과 거리감을 둔 독자들도 거부감 없이 책을 펼치게 만드는 것은 콕스 교수의 독특한 설명 방식 말고도 다채롭게 수록된 사진과 그림도 한몫을 한다. 복잡해 보이는 물리와 화학 공식, 생물의 진화과정에 대한 방대한 정보를 한 눈에 볼 수 있게 만든 인포그래픽이 돋보인다. 또한 생명의 전지 ATP를 생산하는 미토콘드리아와 청각기관의 전자현미경 사진, 생명의 최초 에너지원을 찾아간 타알 화산 분화구 사진, 바닷속에서 백상아리와 마주한 장면, 문어와의 한판 대결까지 생생한 현장 사진이 독자들의 호기심을 자극하며 한시도 눈을 떼지 못하게 만든다.

머리말 … 7

1장. 생명의 고향
생명의 진화 … 14
왕의 귀환 … 16
매우 특별한 고향 … 20
단순하지만 복잡한 물 … 24
물 탐사의 역사 … 26
물은 우주 어디에나 있다 … 28
물: 필수적인 구성요소 … 30
물 위를 걷는 동물 … 32
수소결합의 마술 … 34

빛 속으로 … 38
열차를 타고 떠나는 시간여행 … 40
어린 태양 … 45
독특한 총천연색 세상 … 48
생명의 빛깔은 어디에서 왔나 … 50
시작은 미약하였으나 … 52
태양을 먹다 … 56
신선한 공기 … 60
생명의 숨결 … 64
네발동물의 역사 … 66

2장. 생명이란 무엇인가
생명의 본질을 좇는 과학자들 … 72
죽은 자들의 날 … 74
생명이란 무엇인가? … 76
에너지와 열역학 제1법칙 … 78

최초의 생명 … 82
생명의 최초 에너지원 … 84
전지와 생명의 기원 … 88
에덴동산을 찾아서: 따뜻한 작은 연못 … 92
보편적 생명 … 96
원핵생물과 진핵생물 … 100
생명과 열역학 제2법칙: 슈뢰딩거의 역설 … 102
태양을 쫓아라 … 104
생명의 질서는 어디에서 왔나 … 108
우리는 하나의 대가족 … 110

3장. 사이즈가 중요하다
실물 크기의 차이 … 118
같은 행성, 다른 세상 … 120
바다의 거인들 … 122
킬러의 물리학 … 124
작은 것이 아름답다 … 128
아르키메데스의 왕관 실험 … 130
큰 동물들은 점프하지 않는다 … 132
사라진 거인들 … 137

작은 동물들의 세상 … 140
곤충 속으로 … 142
딱정벌레 마니아 … 144
인간, 시궁쥐, 말의 수직낙하 … 146
이보다 더 작을 순 없다 … 146
지구에서 가장 작은 생물 … 150
사이즈는 정말 중요하다 … 152
거인의 섬 … 156

4장. 감각의 진화
감각의 탄생 … 164
사마귀새우의 핵펀치 … 165
공통적인 감각 … 170
청천벽력 … 173
감각의 보편적 성질 … 178
강물 속의 괴물 … 180

멋진 바이브레이션 … 184
청각의 힘 … 186
인간의 귀: 음향공학의 신비 … 191
청소골: 자연이 대충 만든 위대한 진화적 업적 … 192
귀와 눈의 진화 … 196
턱 없는 칠성장어 … 198

빛이 있으라 … 200
빛을 본다는 것 … 202
신속하고 다양하게 진화한 눈 … 208
지능적인 생명체의 인간적인 경험 … 210
겹눈과 카메라눈: 단순성과 복잡성의 장단점 … 214
우주를 바라보다 … 218

5장. 무한한 다양성의 아름다움
보편적 공통조상 … 222
진화와 마다가스카르 … 224
다윈나무껍질거미 … 227
다윈난초 … 228
생명의 이름 … 230
생명의 물질 … 233
더 버드: 1조 개의 태양이 충돌하다 … 234
호일의 공진: 우리가 여기에 살고 있는 건 행운일까? … 236

탄소 순환 … 238
가장 커다란 생명 순환 … 240
탄소를 수확하다 … 242
왜 탄소인가? … 246
생물학의 빌딩블록 … 248
DNA, 태초부터 지금까지 … 252
우리의 조상을 만나보자 … 254
계통수 … 256
돌연변이: 다양성의 샘 … 258
돌연변이의 힘 … 260
자연선택은 주사위놀이만 하지 않는다 … 262
섬의 힘 … 264
마다가스카르섬 … 266
다른 세상에서 온 생명체 … 268
귀중한 섬 … 272

찾아보기 … 277
사진출처 … 285
감사의 글 … 287

풀 한 포기가 차지하고 있는 몇 제곱센티미터의 공간에서, 우주 나이의 약 3분의 1에 해당하는 역사를 거슬러 올라가는 동안 잠깐 멈춰 서서 관찰자 자신을 고려해보라. 왜냐하면 한 포기의 풀에 대해 참인 것이 당신에게도 참이기 때문이다. 당신과 풀은 양성자 폭포에서 ATP에 이르기까지 동일한 생화학 체계를 공유하며, DNA 속에 신중하게 기록된 유전적 이력의 상당 부분도 공유한다. 그게 가능한 것은, 당신과 풀이 공통조상을 가졌기 때문이다. 당신은 풀의 친척이며, 한때 같은 종(種)이었다. - 9쪽, 머리말

소금쟁이 한 마리가 매끈한 솜털이 보송보송한 발을 수면 위에 디딜 때 수면이 움푹 들어가며 표면적이 증가하게 된다. 그러면 에너지가 증가하므로, 물은 수면을 소금쟁이의 발을 밀치며 평평하게 만들어서 에너지를 줄이려고 한다. 이 힘을 표면장력이라고 하며, 소금쟁이를 물 위에 띄우는 요인으로 작용한다. 덧붙여 빗방울의 모양이 동그란 것도 마찬가지 원리다. …… 물은 너무나 매혹적이고 독특한 물질이라서 아직도 많은 학자들이, 물이 생물학과 생물의 내부 구조(이 역시 수소결합에 의해 형성된다)에 미치는 영향을 매우 활발히 연구하고 있다. ‘물을 이해할 때까지는 생물학을 진정으로 이해할 수 없다’는 말은 결코 빈말이 아니며, 많은 생물학자들이 다음과 같은 생각을 공유하는 것도 무리는 아니다. ‘물은 생명에 필수적인 요소 중 하나다. 이것은 지구상에서뿐만 아니라 우주 어디에나 적용되는 보편적 진리인 듯싶다.’
-37쪽, 1장 생명의 고향/ 수소결합의 마술

분위기가 무르익어 에덴동산을 떠날 때가 되었을 때 우리의 공통조상이 더 이상 할 일은 없었다. 주변의 모든 화학적 여건이 갖춰진 가운데, 그동안 개발해놓은 장비 일체를 챙겨 들고 망망대해를 떠다니면 그만이었다. 그리고 경이롭게도 오늘날 인간, 동물, 식물, 조류, 곤충, 세균, 고균의 살아있는 세포 안에는 모두 태곳적 공통조상의 흔 적이 남아있다. 우리 모두는 원시지구의 화학반응 세트를 지참하고 다니는데, 그 반응은 단순한 일회용이 아니라 동일한 생화학 기구에 의해 신중하고 꼼꼼하게 재창조되는 지속적·반복적 반응이다. 내 말이 충격적이어서 거짓말처럼 들릴지 모르겠지만 그 증거는 우리 모두의 몸속에 있다.
?95쪽, 2장 생명이란 무엇인가/ 에덴동산을 찾아서: 따뜻한 작은 연못

다른 어떠한 물리적 특징보다도 생물과 세상 간의 관계를 좌우하는 것은 크기인데, 거기에는 그럴 만한 이유가 있다. 생물의 크기와 구조와 형태는 자연법칙의 지배를 받으며, 진화가 아무리 자유분방하고 기발하다고 해도 자연법칙의 영향력에서 벗어날 수는 없기 때문이다. 심지어 눈먼 시계공이라 해도 물리법칙을 바꿀 수는 없다. 그렇다면 가장 큰 동물과 가장 작은 동물이 지구상에 공존하는 이유는 무엇일까? 생물의 크기를 제한하는 법칙은 무엇이고, 그 법칙은 진화를 어떻게 제한할까? 마지막으로, 어떤 생물이 이 같은 협상 불가능한 물리적 한계를 향해 질주할 때 물리법칙은 그 생물에게 어떤 타협을 강요하게 될까?
-145쪽, 3장 사이즈가 중요하다/ 실물 크기의 차이

내가 「경이로운 생명」을 촬영하면서 알게 된 스토리 중에서 가장 신비로운 것은 포유류의 청각이 진화한 과정이다, 그것은 세 가지 개념이 어우러진 아이디어의 대통합이라고 할 수 있다. 첫 번째는 전갈의 진동 감지 능력, 두 번째는 가장 원시적인 생물 중 하나(짚신벌레)에서 관찰된 이온 통로와 활동전위, 세 번째는 기본적인 음향학적 문제를 해결하기 위해 수억 년에 걸쳐 뼈의 기능을 변화시킨 ‘자연선택에 의한 진화’의 능력이다. 통합의 결과는 인간의 귀라는 멋지고 전문화된 청각기관으로 나타났다. 진화사를 자세히 이해하지 않으면 인간의 귀가 어디서 기원했는지를 도저히 납득하기 어렵다. -199쪽, 4장 감각의 진화/ 턱없는 칠성장어

다윈은 1862년 발간한 기다란 제목의 책에서, 40센티미터짜리 주둥이를 가진 나방이 존재할 거라고 예측했다. 그가 세상을 떠난 지 21년 후, 그리고 그가 예측을 한 지 40년 후 월터 로스차일드와 칼 조던은 마다가스카르에서 다윈의 예측에 꼭 맞는 나방을 하나 발견 했다. 사실 두 사람은 앨프리드 러셀 월리스가 나중에 한, 좀 더 정확한 예측을 인용했다. “그 나방은 박각시의 일종으로, 동아프리카에서 발견되는 나방과 비슷한 것이다.” 다윈의 선견지명이 먼저 있었지만 그 나방의 학명은 합당한 절차를 거쳐 크산토판 모르가니 프라이딕타 Xanthopan morgani praedicta로 정해졌다. 여기서 ‘프라이딕타’ 는 월리스의 예측을 특별히 지칭한다. 그 대신 다윈은 난초의 또 다른 일반명에서 명예를 되찾는 데 만족해야 했다. 크리스마스난초는 오늘날 다윈난초라고도 불린다.
-228쪽. 5장 무한한 다양성의 아름다움/ 다윈 난초

일상적인 용어를 쓰든 전문적인 용어를 쓰든, 우리의 생물망은 혼돈 속에서 형성되었다. 세포내공생을 통해 진핵세포가 태어난 사건으로부터, 한 무리의 여우원숭이 조상들이 뗏목을 타고 모잠비크 해협을 건너 마다가스카르에 도착한 사건에 이르기까지, 미세한 변화와 기회들이 무수히 누적되어 지구 자연계의 거대한 유전자 데이터베이스에 영향을 미쳤다. 이 데이터베이스는 무한한 생명체로 발현되어 지구를 아름답게 수놓았고, 현재에도 그러하며 미래에도 그러할 것이다.
-273쪽. 5장 무한한 다양성의 아름다움/ 귀중한 섬