(Metabolism of the first cells: Starting compounds are shown at the left, they are converted by metabolism into the building blocks of life. The 420 enzymatic reactions are indicated as circles, chemical metabolites as diamonds, lines connect reactions having common metabolites. Circles shown in magenta shading indicate reactions that could have been catalyzed by inorganic compounds in the environment where metabolism of the first cells arose. Credit: HHU/Nadja Hoffmann)
과학자들이 아직 완전히 풀지 못한 핵심 질문 중 하나는 최초의 생명체가 어떻게, 어디에서 발생했는지입니다. 뒤셀도르프 하인리히 하이네 대학교(HHU) 분자진화연구소의 생물학자 빌헤름 마르틴(William Martin)과 나탈리아 므르냐바츠(Natalia Mrnjavac), 그리고 동료 과학자들은 이에 대한 답을 얻기 위해 생물의 큰 두 줄기인 세균과 고세균의 효소를 연구했습니다.
고세균과 세균은 아마도 지구 생명 발생 초기의 공통조상인 루카 (LUCA)에서 갈라져 나온 것으로 보이며 이후 수십 억년 전 둘이 협력해 진핵세포를 형성한 것으로 알려져 있습니다. 다만 루카가 실제 어떤 존재였고 고세균과 세균의 관계가 어떠했는지는 여전히 논란이 지속되고 있습니다.
연구팀은 생명체가 박테리아와 고세균으로 분화되던 초기 단계에서 효소의 기원을 추적하여 자유 생활 세포의 전구 단계가 이 두 가지 세포로 독립적으로 기원했다는 증거를 발견했습니다.
연구팀은 초기 진화에 대한 기존 연구와는 달리, 세포가 초기 지구에 존재했던 화합물(수소 가스, 암모니아, 이산화탄소)로부터 생명의 구성 요소(아미노산, RNA 염기, 비타민)를 만드는 데 사용하는 모든 화학 반응을 조사하는 방식을 채택했습니다. 그 결과 초기 생명에 있었을 것으로 보이는 420가지 화학 반응을 확인했습니다. 이 화학 반응들은 유전 암호 만큼이나 보편적으로 보존되어 있습니다.
분석 결과 연구팀은 모든 세포의 마지막 공통 조상인 루카가 대사 반응의 약 절반에 대한 효소만 가지고 있었다는 것을 발견했습니다. 연구팀은 나머지 절반은 루카가 있던 환경의 금속에 의해 촉매되었을 것으로 추정했습니다.
생명 발생의 유력한 후보인 열수 분출구는 많은 금속과 화학 뮬질을 내뿜습니다. 연구팀은 이 금속이 많은 효소 기능을 대체했을 것으로 보고 있습니다. 초기 생화학적 진화는 효소와 금속 촉매의 혼합이었다는 주장으로 사실 초기 루카는 완전한 자유 생활이 가능한 세포가 아닐 수도 있습니다.
연구팀은 촉매 작용의 초기 진화를 다음의 단계로 재구성했습니다. 1. 금속 촉매만 존재하는 단계, 2 루카에서의 금속-효소 혼합 촉매 단계, 3. 세균 및 고세균 계통의 조상으로 향하는 분화 진화 단계입니다. 그리고 세균과 고세균에서는 무기 촉매를 대신하는 효소들이 독립적으로 진화했습니다.
동일한 필수 대사 과정을 촉매하는 효소들이 독립적으로 진화한 점으로 봐서 사실 루카는 독립적인 생활이 가능한 세포가 아니라 열수 분출공 주변의 화학적 환경에 의존하는 전생명체 (proto-organism)에 가까울 수 있다는 게 연구팀의 해석입니다. 최초의 자유 생활이 가능한 생명체는 세균과 고세균으로 사실 생명의 기원은 하나가 아니라 둘일 가능성이 있는 것입니다.
다만 이 주장이 모든 과학자에게 일반적으로 받아들여지지는 않을 것으로 보입니다. 현재도 루카에 대한 수많은 이론들이 쏟아지고 있는데, 이 연구 결과는 그중 하나일 뿐입니다. 아래에는 루카에 대한 대안적인 설명들을 AI로 모아 정리했습니다. 아직 논쟁이 지속되고 있지만, 이런 연구를 통해 점점 정답에 가깝게 다가설 수 있을 것으로 기대합니다.
AI 정리
LUCA(Last Universal Common Ancestor)에 대한 설명은 연구자마다 크게 다릅니다. 최근 Martin 팀의 연구(자유 생활 세포가 두 번 독립적으로 출현, LUCA는 ‘반쯤 살아 있는’ 상태)와 대비되는 주요 대안적 관점들을 정리하면 다음과 같습니다.
1. LUCA는 이미 상당히 복잡한 자유 생활 세포였다 (복잡한 LUCA 가설)
2024년 Nature Ecology & Evolution에 발표된 브리스톨 대학 팀(Edmund Moody, Philip Donoghue 등)의 연구는 대표적인 대안입니다.
게놈 크기: 최소 약 2.5 Mb, 단백질 코딩 유전자 약 2,600개 정도로 현대 원핵생물 수준.
대사: 혐기성 아세토겐(anaerobic acetogen)으로, 수소와 이산화탄소를 이용해 에너지를 얻음.
면역 체계: 초기 CRISPR 유사 시스템을 이미 보유해 바이러스와 싸웠을 가능성.
시기: 약 42억 년 전(하데안기).
생태: 단독이 아니라 이미 생태계의 일원으로, 다른 미생물과 상호작용했을 것으로 추정.
이 관점은 “LUCA는 단순하고 환경에 의존하는 존재”라는 Martin 계열 가설과 정면으로 대립합니다. 복잡한 세포가 지구 형성 후 비교적 짧은 시간 안에 나타났다고 보기 때문에, 생명의 초기 진화 속도가 매우 빨랐다는 함의를 가집니다.
2. 막(Membrane) 혼합 가설 (Lipid Divide 관련)
세균과 고세균의 세포막 지질 구조가 근본적으로 다르다는 점(지질 이분, lipid divide)을 설명하기 위한 대안입니다.
LUCA는 세균형과 고세균형 지질이 혼합된 막을 가진 세포였다는 가설.
이후 두 계통이 각각 안정적인 단일 지질 막을 진화시키며 분기했다는 설명.
이 경우 자유 생활 세포로의 전환은 한 번만 일어난 것으로 볼 수 있습니다.
Martin 팀은 이를 비판하며, 두 계통의 지질 합성 경로가 너무 다르기 때문에 공통 조상에서 물려받았을 가능성이 낮다고 주장합니다.
3. Progenote(원시 세포) 가설
Carl Woese가 제안한 고전적 개념으로, LUCA는 현대 세포처럼 정교한 유전-표현형 연결이 아직 완성되지 않은 원시적 상태였다는 관점입니다.
게놈이 RNA 기반이거나 여러 개의 작은 염색체로 나뉘어 있었을 가능성.
유전자 전이가 매우 활발한 ‘공동체’ 성격이 강했을 수 있음.
일부 연구자들은 LUCA를 단일 세포라기보다 유전자를 활발히 교환하는 집단으로 보기도 합니다.
4. 온도와 서식지 관련 대안
중온성(mesophile) 또는 중등도 호열성: 일부 분석에서는 LUCA가 극고온성 효소(역가이라제 등)를 갖지 않았다고 보아, 극단적 열수 분출구보다는 비교적 온화한 환경에 살았을 가능성을 제기합니다.
지상 연못/따뜻한 작은 연못 가설: John Sutherland 등 일부 연구자들은 생명 기원 자체를 심해 열수 분출구가 아닌 지상의 따뜻한 환경으로 보는 입장을 취하며, LUCA의 서식지도 이와 연관 지을 수 있다고 봅니다(다만 LUCA 자체의 재구성과는 구분되는 논의).
5. 유카리오트(진핵생물) 위치와 관련된 함의
2-domain 나무(세균 vs 고세균+진핵생물)를 받아들이는 경우와 3-domain 나무를 유지하는 경우에 따라 LUCA의 특징이 달라집니다.
진핵생물이 고세균에서 유래했다고 보면, LUCA에 진핵생물 특이적 특징(스플라이소좀 등)을 넣을 필요가 없어집니다.
요약 비교
현재 학계에서는 “LUCA가 존재했다”는 점 자체는 거의 합의되어 있지만, 그 구체적 모습(복잡도, 대사, 막 구조, 서식지, 자유 생활 여부)에 대해서는 여전히 활발한 논쟁이 진행 중입니다. 최근 게놈 데이터와 계통유전체학 기법의 발전으로 재구성이 점점 정교해지고 있으나, 40억 년 이상의 시간 간격과 수평적 유전자 전이 때문에 결정적인 합의에 이르기는 어렵습니다.
참고
Natalia Mrnjavac, Intermediate stages in the origin of metabolism at a phosphorylating hydrothermal vent, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aef3128. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef3128
https://phys.org/news/2026-08-life-free-cells-emerged-bacteria.html
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