마틴 핸치크 : 생명체와 생명체가 아닌 것의 경계

역사적으로 사람들이 무생물이라고 여기는 것들이 한 쪽에, 생물이라고 여기는 것들을 다른 한 쪽에 두고 아주 큰 구분이 있어 왔습니다 그래서 우리는 이 아름답고 복잡한 수정을 무생물로, 그리고 이 상당히 아름답고 복잡한 고양이를 다른 한 쪽에 두고 시작하도록 하겠습니다 지난 150여 년 간, 과학은 무생물계와 생물계의 규별을 약간 흐리게 해왔습니다 그리고 이제 우리는 둘 사이에 일종의 연속된 것들이 존재한다고 여깁니다 여기서 바로 한 가지 예를 들겠습니다 바이러스는 자연계입니다 그렇죠? 하지만 바이러스는 아주 간단하고, 게다가 극단적으로 단순합니다 바이러스는 모든 요구조건을 만족하지는 않습니다 그리고 생물계의 모든 특성을 가지고 있는 것도 아닙니다 사실 번식과 진화를 하기 위해 다른 생명체에 붙어있는 기생충이죠

하지만 오늘 여기서 말씀 드릴 것들은 이쪽 스펙트럼의 끝에 있는 일종의 무생물에 관한 실험입니다 즉, 실험실에서 화학 실험을 하고, 새로운 구조를 만들기 위해 무생물 성분을 조합하는 것입니다 그리고 이러한 구조들이 생물계의 특성을 가지고 있을 지도 모른다는 것입니다 실제로 제가 여기서 말씀 드릴 것들은 일종의 인공적인 생명을 만들어내고자 하는 노력에 대한 것입니다

그렇다면 제가 말하는 특성들이 뭘까요? 바로 이것들입니다 저희는 우선 생명체는 몸을 가지고 있다고 생각합니다 바로 이 전제가 자연으로부터 생명체 자체를 구분하는데 꼭 필요합니다 또한 생명체는 신진대사를 합니다 신진대사는 생명체가 자연으로부터 얻은 자원을 가지고 자기 자신을 지키고 만들 수 있도록 벽돌로 바꾸는 과정을 의미합니다 생명체는 유전적인 정보도 가지고 있습니다 우리 인간들은 정보를 DNA라는 형태로 게놈에 저장을 해놨다가, 이 정보를 우리의 아이들에게 물려줍니다 만약에 앞의 두 가지, 즉 몸과 신진대사를 짝지으면, 아마도 움직이고 복제가 가능한 계통을 만들 수 있을 것입니다 그리고 또 이것을 유전 가능한 정보와 짝을 지으면, 좀 더 생명체 같고, 아마도 진화도 할 수 있는 계통을 만들 수 있을겁니다 그리고 이것들이 저희가 실험실에서 하는 일입니다 생명체의 이러한 특징들 중 하나, 혹은 그 이상을 지니는 것을 만드는 실험을 하는 것이죠

그렇다면 어떻게 할까요? 음, 저희는 프로토셀이라고 이름을 붙인 기준 계통을 이용합니다 여러분들께서는 이것을 일종의 원시세포라고 생각하셔도 됩니다 이것은 살아있는 세포의 간단한 화학적 모형입니다 그리고 예를 들어, 사람의 몸에 있는 하나의 세포는 우리가 살아있는 것이라고 부르는 것을 만들어내기 위해 복잡한 연결 속에서 합쳐지고, 뭉쳐져야 하는 대략 수백 만 가지의 다른 분자들을 가지고 있습니다 실험실에서 저희가 하고자 하는 것도 거의 비슷합니다 하지만 수십 가지의 다른 분자들의 조합으로 하죠 그래서 복잡성에 있어서는 엄청난 감소가 있지만, 그래도 생명체처럼 보이는 것들을 만들기 위해 노력합니다 그래서 저희가 하는 일은, 간단한 것에서부터 시작해서 생물계까지 가는 것입니다 잠시, 100년 전 르덕이 일종의 합성 생물학에 대해 한 말에 대해 생각해 보도록 하죠 "만약에 생명체의 합성이 일어난다면, 이는 우리가 늘 생각과 결합하던 그런 놀라운 발견은 아닐 것이다" 이게 그의 첫 문장입니다 즉, 만약에 우리가 실제로 생명체를 실험실에서 만든다고 해도, 이는 아마도 우리의 삶에 아무런 영향을 주지 않을 것이란 말입니다

"만약 우리가 진화론을 채택한다면, 생명체 합성의 첫 시작은 생명체의 기본적인 특성 중 일부만을 가지고 있고 다른 특성들은 자연환경의 진화적인 행위에 의한 발생 과정에서 천천히 추가가 되는 무기체와 유기체의 사이, 혹은 무생물계와 생물계의 사이의 중간적인 형태를 만들어내는 것에 존재해야만 합니다" 그래서 저희는 간단하게 시작했습니다 생명체의 이러한 특성 중 일부를 가지고 있는 구조체를 만들었고, 이것이 더 생명체 같을 수 있도록 진화시키려고 노력했습니다 이게 저희가 프로토셀을 만들기 시작하게 된 계기입니다 저희는 이 아이디어를 자가 조립(self-assembly)이라고 부릅니다 이게 무슨 말이냐 하면, 제가 연구소의 시험관에다가 화학 약품을 섞으면, 이 약품들이 점점 더 큰 구조체를 형성하기 위해 스스로 합쳐지기 시작한다는 말입니다 자, 약 1만개, 혹은 10만 개의 분자가 이전에는 존재하지 않았던 거대한 구조체를 형성하기 위해 모인다고 합시다 그리고 이 예시에서, 세포막(membrane) 분자를 제거한 다음 적당한 조건에서 둘을 합치면, 불과 수 초 안에 이 꽤나 아름답고 복잡한 구조체를 만들어 냅니다 이 피막들은 형태적으로도 기능적으로도 사람들의 몸에 있는 것들과 비슷합니다 그리고 저희는 이것들을 프로토셀의 주요부를 만들기 위해 쓸 수 있다는 것을 알아냈습니다

이와 같이, 저희는 기름과 물을 가지고도 만들 수 있습니다 아시다시피, 물과 기름을 같이 놓으면 절대 섞이지 않습니다 하지만 자가 조립을 통해 멋진 기름 방울을 만들 수도 있고, 있다가 보시겠지만, 그것을 인공적인 유기체나 프로토셀의 몸통을 만드는데 이용할 수도 있습니다 그러니까 이건 그저 몸통, 혹은 구조체를 만드는 것이죠, 그쵸? 그렇다면 생물계의 다른 측면들은 어떨까요? 그래서 저희는 지금 보여드리고 있는 이 프로토셀 모형에 이르렀습니다 저희는 몬모릴로나이트(montmorillonite)라고 불리는 자연적으로 생기는 진흙에서 출발했습니다 이 진흙은 굉장히 자연적입니다 몬모릴로나이트는 화학적으로 활성화된 표면을 만듭니다 그리고 그 표면에서 신진대사를 할 수 있습니다 특정 분자들은 이 진흙과 결합하는 것을 좋아하기도 합니다 예를 들어, DNA의 친척이라고 할 수 있는 RNA는 정보를 가지고 있는 분자로써, 여기 빨간색으로 보이는 것입니다 이 RNA는 몬모릴로나이트의 표면에 와서 그것과 합쳐지기 시작합니다 그러면 이 구조체는 스스로의 주위로 액체 형태의 분자체를 형성할 수 있도록 주변에 막 경계 조직을 만듭니다 여기 사진에서 보이는 초록색이 그것입니다 그래서 자가 합성, 즉 실험실에서 여러 가지를 합치는 것을 통해서 저희는 정보를 담고 있는 분자가 피막체 안에 붙어있는, 신진 대사를 하는 표면을 만들어냈습니다, 그렇죠?

즉, 저희는 생물계로 가고 있는 것이죠 하지만 여러분들께서 이 프로토셀을 보신다고 해도 실제로 살아있는 것들과 절대 헷갈리진 않으실 겁니다 프로토셀은 사실상 생명력이 없습니다 만들어지고 나면, 실제로 하는 것은 거의 없습니다 즉, 뭔가가 빠졌다는 거죠 여러 가지가 빠졌겠네요 그 빠진 것들은, 예를 들자면, 에너지가 기관을 통해 흘러 들어오면, 저희가 원하는 것은 프로토셀이 생명체들이 하는 것처럼 그 에너지의 일부를 스스로를 유지하기 위해 흡수하는 일을 하는 것입니다 그래서 저희는 다른 프로토셀 모형을 만들었고, 이는 이 전에 보여드린 것 보다 더 간단합니다 이 프로토셀 모형에는, 이건 그냥 기름 방울이지만, 안에 있는 화학적 물질 대사 덕분에 이 프로토셀은 에너지로 뭔가를 하고, 실제로 움직이는 데 사용할 수 있게 됩니다 지금 보여드리겠습니다 그 방울을 이 계에 떨어 뜨려보겠습니다 이는 물이고, 프로토셀은 이 계 안에서 스스로 움직이기 시작합니다 괜찮나요? 기름 방울이 자가 합성을 통해 형성을 하고, 에너지를 사용할 수 있도록 안에 화학적인 물질 대사를 가지고 있고, 그 에너지를 주어진 공간에서 움직이는 데 사용합니다

앞서 들으셨다시피, 이런 형태의 생물계에서는 움직임이 아주 중요합니다 이것은 돌아다니고, 주변 환경을 탐색하고, 보시다시피, 프로토셀에 의해 형성되는 화학적인 물결을 남기면서 자신의 환경을 재구성하고 있습니다 즉 이러한 관점에서, 이 물질은 스스로를 보존하려고 하면서 일종의 생물계처럼 행동하고 있습니다 저희는 이 동일한 프로토셀을 가지고 다른 실험에 놓고 움직이도록 했습니다 그 다음엔 이 계에 약간의 음식을 줬습니다 여기 파란 것 보이시나요? 그래서 저는 이 계에 음식이 될 만한 것을 추가했고, 프로토셀은 움직이다가, 음식을 만납니다 스스로를 다시 준비하다가 그 계에서 가장 밀도가 높은 곳으로 올라가서 거기서 멈춥니다 그렇죠? 저희는 신체가 있는 계를 갖고 있는 것 뿐만 아니라, 그것은 물질대사를 하고, 에너지를 사용할 수 있으며 움직일 수도 있습니다 그리고 주변의 환경을 느낄 수도 있으며, 자신을 유지하기 위해 주변 환경에서 자원을 찾아내기도 합니다

자, 이것은 뇌를 가지고 있는 것도 아니고, 신경계를 가지고 있지도 않습니다 이는 단지 흥미롭고 복잡한 생명체 같은 행동을 가질 수 있는 화학물질 덩어리일 뿐입니다 이 계에 있는 화학 물질의 수를 헤아려 본다면, 접시에 있는 물을 포함해서, 이런 것을 할 수 있는 다섯 가지가 있습니다 그래서 이 프로토셀들이 어떻게 행동하는지 보기 위해 하나의 실험에 같이 넣는 다면, 조건에 따라서, 왼쪽 접시에 있는 프로토셀들은 움직이면서, 어떤 것은 그 주변에 있는 다른 것을 건드리길 좋아하기도 합니다 반면에 서로의 주변을 도는 것을 좋아하는 두 프로토셀도 있습니다 그리고 이들은 일종의 복잡한 춤 형태를 만듭니다 그렇죠? 그러니까 이 개별적은 프로토셀은, 이 계에서 저희가 '행동'이라고 부르는 것을 가지고 있을 뿐만 아니라, 유기체들이 가지고 있는 것과 비슷한 기본적인 개체 수준의 행동 또한 갖고 있습니다 이제 여러분들께서 프로토셀의 전문가가 되셨으니 이 프로토셀들을 가지고 게임을 하나 해 보겠습니다 이제 두 가지 다른 종류를 만들 것입니다 프로토셀A는 활성화 되었을 때 진동, 그냥 춤추기 시작하게 만드는 특정 종류의 화학물질을 가지고 있습니다 이것들이 아주 원시적이라는 것을 기억하세요 그러니까 춤추는 프로토셀, 이건 아주 재미있는 것입니다 (웃음)

두 번째 프로토셀은 활성화 되었을 때 서로 모여서 하나의 큰 것으로 합쳐지게 만드는 다른 종류의 화학물질을 가지고 있습니다 그리고 이 두 개를 같은 계에 넣는 것입니다 이게 프로토셀 A들이고, 이게 프로토셀 B들입니다 그리고 계를 활성화 시키면, 파란색인 프로토셀 B들은 서로 모입니다 이것들은 하나의 큰 방울을 만들면서 서로 합쳐지고, 다른 프로토셀들은 주변에서 춤을 추죠 그리고 이 현상은 계 안에 있는 모든 에너지가 쉽게 말해서 소진될 때까지 계속 되다가 끝이 납니다 그래서 저는 이 실험을 반복해서 여러 번 계속 했었는데, 한 번은 아주 흥미로운 일이 일어났습니다 그러니까, 제가 이 프로토셀들을 계에 같이 넣었는데, 프로토셀 A와 프로토셀 B가 하나로 합쳐지더니 혼성 프로토셀 AB를 만들어냈습니다 이 전엔 한 번도 일어난 적이 없던 일이었죠 이제 계에는 프로토셀 AB가 존재합니다 프로토셀 AB는 잠깐 동안 춤추는 것을 좋아합니다 반면에 프로토셀 B는 합체를 하죠, 그렇죠?

그러자 훨씬 더 흥미로운 일이 일어납니다 이 커다란 두 혼성 프로토셀이 합성하는 것을 보십시오 이제 춤추는 프로토셀이 있다가 자가 복제가 일어납니다 (웃음) 다시 화학물질 덩어리로 돌아갔죠 이런 일이 일어나는 과정은, 여기 5개의 화학물질을 가진 계와 여기 5개의 화학물질을 가진 계가 있다고 칩시다 이것들이 합쳐지면, 이 전과는 다르고, 더 복잡한 것을 만들게 됩니다 그리고 이 실험에서는 복제가 가능한 다른 종류의 생물 같은 행동을 보이게 됩니다

자, 이제 좋아하는 색깔이나 행동과 같은 우리가 좋아하는 뭔가 흥미로운 프로토셀을 만들 수 있고, 이들을 만드는 건 아주 쉬운데다가 이것들이 구미를 당기는 생명체와 비슷한 특질을 가지고 있기 때문에, 아마도 이 프로토셀들은 지구 상에서의 생명체의 기원에 대해 뭔가 알려줄 지도 모릅니다 아마도 이것들이 쉽게 가능한 단계, 초기 지구에서 생명체가 발생하기 시작한 첫 단계를 보여줄 지도 모르겠네요 확실히 이것들이 초기 지구에서 나타난 분자들은 맞습니다 하지만 저희가 실험실에서 실험을 하는 것이나 이 실험에서 보여드린 것만큼 순수한 복합체는 아니었을 겁니다 통제되지 않는 화학 반응은 다양한 유기 복합체의 조합을 만들어내기 때문에, 이들은 오히려 여러 가지 물질이 합쳐진 실제의 복잡한 화합물이었을 것입니다 원시시대의 습지를 생각해보세요 그것은 물 웅덩이인데 완벽히 묘사하기 아주 어렵고, 현대의 기술로 조차도 그렇습니다 그리고 그 물질은 여기 왼쪽에 보이는 타르처럼 갈색입니다 반면에, 오른쪽에 보이는 것은 순수한 화합물입니다

이 현상은 순수한 설탕 결정을 주방에서 후라이팬에 놓고 에너지를 가할 때 생기는 현상과 비슷합니다 그것들에 열을 가하고, 설탕 결정이 가지고 있는 화학적 결합을 만들거나 파괴하면서 갈색의 카라멜을 만드는 것이죠 만약에 그런 변화를 불규칙적으로 하게 된다면, 화학적 결합을 만들고 부수는 일을 계속 하게 되죠 그리고 이는 후라이팬에 눌어 붙어서 씻어내기 어려운 검은색의 타르 같은 훨씬 더 다양한 분자의 조합을 형성합니다 생명체의 기원은 바로 이렇게 보였을 겁니다 45억 년 전의 초기 지구에서는 이러한 진흙탕에서 생명체를 꺼내야 했습니다 그래서 어려웠던 것은, 실험실의 모든 순수한 화학물질을 버리고 이런 종류의 초기의 연니(軟泥)로부터 생명체 같은 특성을 지닌 프로토셀을 만들도록 노력하는 것이었습니다

그러고 나서 저희는 이전에 보았던 기름 방울의 자가 합성을 다시 볼 수 있었고, 그 안의 검은 점은 이 다양하고, 복잡하고, 유기적인 검은 타르를 나타냅니다 그리고 저희는 여러분이 조금 전에 보신 것처럼, 그것들을 이런 실험들 중의 하나에 넣었고, 그러고는 발생하는 생동적인 움직임을 보았습니다 그것들은 아주 좋아 보였고, 아주 멋진 움직임을 보였습니다 그리고 아까 본 것처럼 서로 주위를 돌고, 따라다니는 듯한 움직임을 보이기도 했습니다 하지만 순수한 물질이 아닌 원시시대의 조건을 가지고 실험을 했습니다 이 타르로 차있는 프로토셀은 그들의 주변 환경에 있는 자원들을 찾아낼 수도 있습니다 제가 여기 왼쪽에서부터 계 안으로 퍼지는 자원을 넣을 겁니다 그리고 여기 보시는 바와 같이, 진짜로 저렇습니다 프로토셀은 아주 생동감이 넘치게 되고, 환경에 있는 먹이를 찾을 수 있게 되죠 저희가 아까 본 것과 비슷합니다 하지만, 이 실험들은 약간 소독이 된 실험실의 조건이 아닌, 원시시대의 아주 혼잡한 조건 하에서 이루어졌습니다 이것들은 사실 아주 더러운 프로토셀 녀석들입니다 (웃음) 하지만 그들이 생명체 같은 특성을 가지고 있다는게 요점입니다

즉, 이러한 인공적인 생명체 실험을 하는 것이 저희가 무생물계와 생물계 사이의 잠재적인 길을 정의하는 것을 도와줍니다 이 뿐만 아니라, 이것은 생명체란 무엇인가, 그리고 지구에 있는 생명체와는 아주 다를 수 있는 지구 밖의 생명체는 어떤 것인가에 대한 저희들의 시각을 넓힐 수 있도록 도와줍니다 그리고 이것이 저를 다음의 용어 "괴상한 생명체"로 이끌어 줍니다 스티브 베너(Steve Benner)가 정의 했습니다 이 용어는 2007년 미국 국립 연구 회의(National Research Council)의 보고서에서 사용이 되었는데, 이 보고서에서 그들은 우리가 어떻게 지구 곳곳에서 생명체를, 특히 지구에 있는 것들과 아주 다른 생명체를, 찾을 수 있는지 알아보려고 노력했다 만약에 우리가 다른 행성에 가서, 거기에 생명체가 있다고 생각을 하더라도, 어떻게 우리가 그것을 생명체로 인식할 수 있을까?

음, 그들은 세 가지 아주 일반적인 기준을 내놓았습니다 여기 그 목록이 있습니다 첫 번째는 그 계가 평형상태에 있지 않아야 한다는 것입니다 그 말인 즉슨, 사실 계는 죽어있을 수 없다는 뜻입니다 기본적으로 이 말이 의미하는 것은 생명체가 스스로를 유지하기 위해 사용할 수 있는 에너지의 투입이 있다는 것입니다 이것은 지구를 비추고, 광합성을 일으키며, 생태계를 이끌어 가는 태양이 있는 것과 비슷합니다 태양이 없이는 행성에 생명체가 없을 가능성이 높습니다 두 번째로, 생명체는 액체의 형태여야 합니다 즉, 흥미로운 구조, 분자를 둘 다 가지고 있다고 해도, 얼어있는 고체라면 생명체가 살기에는 좋은 곳이 아니란 뜻입니다 그리고 세 번째로 화학적인 결합을 만들고 분해할 수 있어야 합니다 그리고 이것은 생명체가 자신을 유지하기 위해 주변 환경으로부터의 자원을 벽돌로 바꾸기 때문에 중요합니다

오늘 저는 여러분들께 아주 이상하고 괴상한 프로토셀에 대해 말씀드렸습니다 어떤 것은 진흙을 포함하고 있으며, 어떤 것은 안에 연니를 포함하고 있었으며, 어떤 것은 안에 물 대신에 기름을 포함하고 있었습니다 대부분의 프로토셀이 DNA를 포함하고 있지 않지만, 생명체 같은 특성을 가지고 있습니다 하지만 이 프로토셀들은 생물계의 일반적인 필요조건을 충족시킵니다 즉, 이 화학적이고 인공적인 생명체를 만드는 실험을 함으로써, 우리는 이 행성의 생명체의 기원과 존재에 대한 기본적인 것뿐만 아니라 우주의 다른 곳에 있을 지도 모를 존재에 대해 이해할 수 있길 바랍니다 감사합니다 (박수)