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생명 진화의 열쇠를 쥐고 있는 미토콘드리아!

『미토콘드리아』는 미토콘드리아를 통해 생명의 진화사를 살펴보는 책이다. 몸속 가장 깊은 곳에서 소리 없이 우리의 삶을 지배하는 생명 에너지의 발전소이자, 다세포 생물의 진화를 이끈 원동력인 미토콘드리아. 핵이 있는 복잡한 세포를 위해 일하는 기관으로만 여겨졌던 미토콘드리아는 이제 복잡한 생명체를 탄생시킨 주인공으로 인정받고 있다.

미토콘드리아는 우리가 사용하는 에너지의 거의 전부를 생산하는 아주 작은 세포기관이다. 세포마다 평균 300~400개씩 들어 있으며, 몸 전체로 보면 그 수가 1경 개에 이른다. 모든 동물에 존재하는 미토콘드리아는 한때 독립생활을 하던 세균이었으며, 약 20억 년 전부터 더 큰 세포 안에서 적응하게 되었다. 그 이전에 지구를 지배했던 세균은 복잡성을 만들어내지 못했지만, 미토콘드리아와 숙주세포 사이의 예측할 수 없는 관계는 진화의 산물들을 만들어냈다.

이 책은 복잡한 생명체의 열쇠를 쥐고 있는 미토콘드리아를 통해 생명의 의미를 새롭게 바라본다. 우리가 사는 세상을 미토콘드리아의 관점에서 살펴보며, 첨단연구로부터 나온 결과들을 퍼즐조각처럼 맞춰나가고 있다. 복잡성의 형성, 생명의 기원, 성과 생식력, 죽음, 영원한 생명에 대한 기대 등 생물학에서 중요한 난제들의 해답을 모색한다. [양장본]

미토콘드리아를 통해 바라본 생명의 진화사!

우리 몸의 에너지는 어디에서 나오는 것일까? 성은 어떻게 생겨났을까? 우리의 노화와 죽음을 조종하는 것은 무엇일까? 그 해답은 모두 미토콘드리아 안에서 찾을 수 있다. 미토콘드리아는 우리 몸속 가장 깊은 곳에서 소리 없이 우리 삶을 지배하는 생명 에너지의 발전소이자 다세포 생물의 진화를 이끈 결정적인 원동력이다. 한동안 미토콘드리아는 핵이 있는 복잡한 세포를 위해 묵묵히 머슴처럼 일만 하는 기관으로 여겨졌다. 그러나 이제 미토콘드리아의 의미는 밑바닥부터 변화되고 있다. 오늘날 미토콘드리아는 복잡한 생명체를 탄생시킨 주인공으로 그 위치가 바뀌었다. 미토콘드리아가 없었다면 지구의 생명체는 여전히 세균뿐이었을 것이다!

우리가 상상하는 것 이상으로 중요하며 복잡한 생명체의 열쇠를 쥐고 있는 미토콘드리아의 모든 것!

누구나 한번쯤은 ‘미토콘드리아’라는 이름을 들어보았을 것이다. 미토콘드리아는 우리가 쓰는 에너지의 거의 전부를 생산하는 아주 작은 세포기관으로, 이 작은 발전소가 우리 삶을 조절하는 방식은 놀랍기만 하다. 미토콘드리아는 세포마다 평균 300~400개씩 들어 있으며 몸 전체로 따지면 그 수가 모두 1경 개에 이른다. 미토콘드리아는 아주 작다. 미토콘드리아 1억 개를 모아야 모래알 한 알 정도밖에 되지 않는다! 미토콘드리아의 진화는 언제나 활용이 가능하고 활발하게 움직일 수 있는 터보엔진을 생명체에 달아준 격이다. 모든 동물에는 반드시 미토콘드리아가 있다. 가장 느린 동물도 예외가 아니다. 한곳에 붙박이로 사는 식물과 해조류조차도 광합성을 통해 태양에너지의 은밀한 소리를 증폭시키는 데 미토콘드리아를 이용한다. 이렇듯 복잡한 세포에는 반드시 미토콘드리아가 들어 있다. 미토콘드리아의 겉모습은 세균과 닮았는데, 겉만 그런 것이 아니다. 미토콘드리아는 한때 독립생활을 하던 진짜 세균이었으며 더 큰 세포 안에서 적응하게 된 것은 약 20억 년 전의 일이다.

그 이전 20억 년 동안 지구를 지배한 세균은 진정한 복잡성을 만들어내지 못했다(어쩌면 다른 행성에서는 지금도 이런 상태가 생명체의 발목을 잡고 있을지도 모른다). 이후, 두 세균의 연합이 진화의 빅뱅을 일으켰으며 그때부터 조류藻類와 균류와 식물과 동물이 나타나기 시작했다. 과거에는 독립된 생명체였다는 것을 알리는 훈장처럼, 미토콘드리아는 DNA를 포함한 세균의 특징을 아직도 분명히 지니고 있다. 운명적인 연합이 이루어진 이래, 미토콘드리아와 숙주세포 사이의 뒤틀리고 예측할 수 없는 관계는 혁신적인 진화의 산물을 하나씩 만들어나갔다. 미토콘드리아가 없었다면 우리가 아는 이 세계는 존재하지 않았다. 미토콘드리아의 이야기는 생명 자체의 이야기다.

한편 ‘미토콘드리아 이브(Mitochondrial Eve)’라는 표현에 더 익숙한 사람들도 있을 것이다. 미토콘드리아 이브는 오늘날 살아가는 모든 인류의 가장 최근 공통조상으로 추정된다. 모계를 따라 올라가면서 유전물질을 추적하면, 다시 말해 어머니의 어머니, 또 그 어머니의 어머니, 이런 식으로 계속 아득히 먼 옛날로 거슬러 올라가면 미토콘드리아 이브가 있다. 모든 어머니들의 어머니인 미토콘드리아 이브는 약 17만 년 전 아프리카 대륙에 살았던 것으로 추정되어 ‘아프리카 이브(African Eve)’라는 이름으로도 불린다. 유전학적인 조상도 같은 방법으로 추적할 수 있는데, 그 이유는 모든 미토콘드리아에 들어 있는 미량의 유전자 때문이다. 이 유전자는 정자가 아닌 난자를 통해서만 다음 세대로 전달된다. 다시 말해서 미토콘드리아 유전자가 모계의 성姓과 같은 구실을 하므로 모계를 따라 조상을 추적하는 일이 가능하다는 것이다.

과학자들은 미토콘드리아의 노예화가 없었다면 우리 모두는 지금도 단세포 생물인 세균을 벗어나지 못했을 것이라고 주장한다. 사실, 미토콘드리아의 중요성은 상상 그 이상이다. 오늘날 선사인류학, 유전질환, 세포자살, 불임, 노화, 생체에너지학, 성, 진핵세포를 다루는 다양한 연구 분야의 중심에는 미토콘드리아가 있다.

‘뿌리와이파리 오파비니아’ 시리즈의 일곱 번째 책인 『미토콘드리아: 박테리아에서 인간으로, 진화의 숨은 지배자』는 첨단연구로부터 나온 퍼즐조각을 함께 맞추면서 생물학에 흥미 있는 사람이라면 누구라도 짜릿함을 느낄 수 있는 그림을 화폭 가득 채운다. 더불어 진화와 연관된 견해와 논의에도 많은 기여를 하고 있다. 한마디로 이 책은 우리가 사는 세상을 미토콘드리아의 관점에서 바라보며 복잡성의 형성, 생명의 기원, 성과 생식력, 죽음, 영원한 생명에 대한 기대 같은 생물학에서 가장 중요한 난제들의 해답을 모색한다. 그 결과 생명의 의미를 바라보는 새로운 시야가 열리게 된다!

그림 목록 (6) | 감사의 말 (8)
서론 미토콘드리아: 세상의 숨은 지배자 (13)

제1부 희망적인 괴물: 진핵세포의 기원 (39)
1. 진화의 가장 깊숙한 틈새 (50) | 2. 조상을 찾아서 (66) | 3. 수소가설 (86)

제2부 생명의 힘: 양성자 동력과 생명의 기원 (107)
4. 호흡의 의미 (114) | 5. 양성자 동력 (135) | 6. 생명의 기원 (149)

제3부 내부자 거래: 복잡성의 기초 (165)
7. 왜 세균은 단순한가? (177) | 8. 미토콘드리아와 복잡성 (201)

제4부 거듭제곱 법칙: 크기와 복잡성 (229)
9. 생물학의 거듭제곱 법칙 (238) | 10. 정온동물의 대변혁 (269)

제5부 타살 또는 자살: 개체의 불안한 탄생 (285)
11. 몸 안의 충돌 (299) | 12. 개체의 형성 (322)

제6부 양성 간의 전쟁: 고인류학과 성의 본질 (341)
13. 성의 불균형 (347) | 14. 고인류학이 알려준 성의 일면 (362) | 15. 양성이 있어야만 하는 이유 (386)

제7부 생명의 시계: 미토콘드리아와 노화 (399)
16. 미토콘드리아 노화이론 (407) | 17. 자가조정장치의 소멸 (429) | 18. 노화의 치료법? (448)

에필로그 (463) | 옮긴이의 말 (478) | 용어풀이 (483) | 더 읽을거리 (489) | 찾아보기 (515)

최근 20여 년 사이 과학계에서는 미토콘드리아의 새로운 면들이 속속 밝혀졌지만 일반 대중에게는 조금 생소할 것이다. 그중 가장 중요한 것은 예정된 세포자살, 아포토시스apoptosis다. 모든 세포는 더 큰 이익, 다시 말해 몸 전체를 위해 자살을 한다. 1990년대 중반 무렵부터 과학자들은 아포토시스를 결정하는 것이 핵 유전자가 아니라 미토콘드리아라는 사실을 발견했다. 예측을 뒤엎는 결과였다. 아포토시스는 의학 연구에서 중요한 의미를 지닌다. 아포토시스를 해야 할 상황에서 아포토시스가 일어나지 않는 것이 암의 근본원인이기 때문이다. 많은 과학자들이 핵 유전자에 초점을 맞추는 대신 이제는 미토콘드리아를 조작할 수 있는 다양한 방법을 찾고 있다. (18쪽)

복잡한 진핵세포가 어떻게 만들어지게 되었는지도 뜨거운 논쟁거리다. 지금까지의 통설은 조금씩 진화를 거듭하던 원시진핵세포가 어느 날 세균 하나를 집어삼켰고 이 세균이 몇 세대를 거치면서 세포에 종속되어가다가 마침내 완전한 세포의 일부가 되면서 미토콘드리아로 진화되었다는 것이다. 이 가설에 따르면 우리 모두의 공통조상은 미토콘드리아가 없는 원시진핵 단세포 생물이라는 예측이 가능하다. 이 원시진핵 단세포 생물이야말로 미토콘드리아가 ‘사로잡혀’ 이용되기 이전의 세포 형태를 보여주는 증거가 된다. 그러나 10여 년에 걸친 면밀한 유전학적 분석결과, 현재까지 알려진 모든 진핵세포는 미토콘드리아가 있거나, 지금은 없더라도 한때 있었던 것으로 밝혀졌다. 이는 진핵세포의 기원이 미토콘드리아의 기원과 밀접한 관계가 있음을 보여준다. 두 사건은 하나거나 동시에 진행된 것이다. 만약 이것이 사실이라면, 미토콘드리아는 다세포 생물의 진화에만 필요한 것이 아니라 다세포 생물을 구성하는 진핵세포가 처음 만들어지던 순간부터 필요했을 것이다. 이 또한 사실이라면, 지구상의 모든 생명체가 세균 수준을 넘어 진화하는 일은 미토콘드리아 없이는 불가능했다는 결론이 나온다. (19~20쪽)

미토콘드리아의 더 은밀한 일면은 양성兩性 간의 차이와 관련이 있다. 사실 미토콘드리아가 없었다면 성性은 없었을 것이다. 성은 누구나 알고 있지만 아무도 풀지 못한 어려운 문제다. 유성생식으로 한 아이가 태어나려면 아버지와 어머니, 두 사람이 필요하다. 반면 무성생식이나 단성생식을 할 경우에는 어머니만 있으면 족하다. 아버지 역할은 불필요할 뿐 아니라 자원과 공간의 낭비다. 게다가 성을 종족번식 수단으로 볼 때 두 가지 성별이 있다는 것은 전체 개체군의 절반 중에서 짝을 찾아야 한다는 의미다. 출산 여부와 관계없이 모든 사람이 똑같은 성을 갖거나 모두 다른 성을 갖는 편이 더 나았을 것이다. 두 가지 성은 모든 가능성 가운데 최악의 경우다. 이 수수께끼에 대한 해답도 미토콘드리아와 연관이 있다. 이 해답은 일반 대중에게는 그리 널리 알려지지 않았지만, 1970년대 후반에 밝혀져 학자들 사이에서 정설로 받아들여지고 있다. 우리에게 두 가지 성이 필요한 이유는 여성은 난자를 통해 자신의 미토콘드리아를 전달하도록 분화되지만, 남성은 정자를 통해 자신의 미토콘드리아를 전달하지 못하도록 분화되기 때문이다. (20쪽)

지구에 사는 진정한 다세포 생물은 모두 핵이 있는 세포인 진핵세포로 이루어진다. 이 복잡한 세포의 진화과정은 신비에 싸여 있으며 생명의 역사에서 가장 일어나지 않을 법한 사건 중 하나일 것이다. 이 사건에서 가장 결정적인 순간은 핵이 형성된 순간이 아니라 바로 두 세포가 하나가 된 순간이다. 한 세포가 다른 세포를 집어삼키면서 미토콘드리아를 품은 정체불명의 세포가 나타난 것이다. 그러나 한 세포가 다른 세포를 집어삼키는 일은 허다하게 일어난다. 단 한 번 일어났던 진핵세포의 합체가 그렇게 특별한 이유는 무엇일까? (39쪽)

최신 연구를 통해 밝혀진 내용에 따르면, 미토콘드리아를 획득한 사건은 이미 유전자로 가득 찬 핵을 갖고 있던 복잡한 진핵세포에 단순히 충분한 동력을 공급하는 일보다 훨씬 더 큰 중요성이 있다. 이 사건은 복잡한 진핵세포의 진화를 단번에 가능하게 만들었다. 만약 미토콘드리아와의 연합이 일어나지 않았다면 우리는 지금 이곳에 있지 못할뿐더러, 다른 지적인 생명체도, 진정한 다세포 생물도 이 땅에 나타나지 못했을 것이다. (48~49쪽)