세균에서 광합성의 기원을 찾는다

태양광을 에너지원으로 해서 물과 이산화탄소로 유기물과 산소를 만드는 광합성은 복잡한 전자의 흐름을 동반하는 작용 원리이다. 이러한 복잡한 메커니즘은 시아노박테리아보다 앞서 출현한 광합성세균의 두 가지 광합성 메커니즘이 결합한 것이다. 시아노박테리아가 광합성반응을 시작하고, 부산물로 산소가 생겨 서서히 대기 중에 축적됐다. 이러한 생각은 광합성을 하는 식물의 계통 관계에 관한 지식에 바탕을 둔다. 즉 광합성을 하는 식물에는 속씨식물, 겉씨식물, 양치류, 이끼류, 조류 등이 있다. 속씨식물과 겉씨식물은 종자로 번식하는 식물이지만, 양치류, 이끼류는 포자로 번식한다. 이끼류가 가장 먼저 생겼으며 양치류, 겉씨식물, 속씨식물의 순서로 지구사에 등장했다. 또 이끼류는 차축조라는 담수성 조류가 진화한 것이라 생각되고 있다. 여기서 주목할 것은 조류 중에서 가장 원시적인 것이다. 그것은 최초로 광합성을 시작한 생물과 가장 가까운 형태를 지녔을 가능성이 있다. 이리하여 주목받은 생물이 시아노박테리아이다. 조류는 대부분 진핵생물이며, 유전정보가 기록된 DNA로 이루어진 유전자가 핵이라는 기관 안에 들어 있는 생물이다. 그러나 시아노박테리아는 진핵생물이 아니라 박테리아로서, 세균의 무리와 마찬가지로 핵이 없는 생물이며 원핵생물이다. 예전에는 시아노박테리아는 광합성을 하는 원시적인 생물이라는 점에서 조류 무리로 분류했고 남조류라 명명했다. 그러나 최근에는 핵을 가진 생물과 가지지 않은 생물로 분류해야 한다는 견해를 받아들여, 시아노박테리아나 남색 세균이라 부른다. 원핵생물 가운데는 시아노박테리아와 같이 광합성을 하는 그룹이 있는데, 이를 광합성세균이라 한다. 시아노박테리아가 하는 광합성은 식물의 광합성과 같으며, 물과 이산화탄소로 유기물을 합성하는 것이지만, 광합성세균이 하는 광합성은 황화수소와 물로 유기물과 황을 만들어 내거나 빛 에너지를 이용하여 유기물을 분해해 에너지를 끄집어내는 것이다. 이때 산소는 발생하지 않는다. 이처럼 원핵생물의 광합성 메커니즘에는 몇 가지 형태가 있다. 이에 대해서는 분자생물학의 연구 결과에 따라 빛을 흡수하는 색소 차이 때문으로 밝혀졌다. 시아노박테리아나 식물은 빛을 흡수할 때 클로로필 a라는 색소를 사용하지만, 광합성세균 중에는 박테리오클로로필 b나 박테리오클로로필 c 등의 색소를 사용하는 것도 있으며, 종류에 따라 흡수하는 빛의 파장이 다르다. 이러한 차이에 따라 광합성세균은 크게 홍색 세균과 녹색 세균으로 나눈다. 더욱 흥미로운 것은 홍색 세균과 녹색 세균의 광합성 메커니즘이 어우러져 진보한 광합성을 통해 시아노박테리아가 물을 분해해 유기물을 합성하는 일도 가능해졌다는 사실이다. 이는 시아노박테리아가 출현하기 전에 홍색 세균이나 녹색 세균이 이미 출현했음을 시사한다. '지구에 생명은 언제 출현했을까?' 이 질문에 답하기 위해 지질학자들은 시생대 암석이 노출된 지역을 조사하고, 퇴적암 속에 검은색 처트가 끼어 있는지 확인하기 위해 집요하게 지질조사를 거듭했다. 여기서 말하는 '화석'이란 잘 알려져 있는 패각(조가비)이라든지 뼈처럼 생물의 단단한 골격이 화석화한 것은 아니다. 수십 마이크로미터 크기의 미생물 세포가 암석 속에 포함되어 있는지를 확인하려 한 것이다. 그 미생물은 단세포이며, 세포 안에 유전자를 에워싸는 핵이 없는 원시적인 것이다. 이러한 미생물은 박테리아 또는 세균이라고 한다. 모양은 단순하게 둥글거나 타원형, 아니면 필라멘트 모양이며, 경험적으로 검은색을 띤 처트 층에서 발견되는 것으로 알려져 있다. 형태가 단순하고 특징이 없기 때문에, 미생물이 화석화한 것인지 무기적으로 형성된 비생물에서 기원한 것인지를 둘러싸고 오랜 논쟁이 계속됐다. 선캄브리아대 초기 지층에서 발견한 미생물 모양의 화석에 관한 논문을 발표하는 것은 불꽃 튀는 논쟁 속으로 빠져드는 것이다. 반대론자의 비판을 피하려면 설득력 있는 증거를 제시할 필요가 있다. 스탠퍼트 대학의 타이스와 로는 35억 년 전 지층인 버크리프 처트에서 미생물 모양의 화석과 미생물의 집합체가 미끈거리는 유기질의 피막인 바이오매트를 만든 증거를 많이 발견했다. 그들은 이러한 지층이 어떤 환경에서 형성되었는지를 핵심 논점으로 삼았다. 그리고 그것에 필요한 데이터를 광역적인 지질조사를 통해 모았다. 이 지층은 태양광이 스며드는 얕은 해양에서 형성된 것이며, 그 지층의 아래쪽에는 바닷물이 증발해 생긴 증발암의 지층이 퇴적돼있다. 한편 위쪽에는 그 앞바다에서 퇴적한 줄무늬철광상이 퇴적돼 있다. 이러한 지층의 퇴적으로 무엇을 유추할 수 있을까? 먼저 일련의 지층이 얕은 해양에서 형성되었으며, 앞바다에서 줄무늬철광상이 퇴적한 것은 당시 바닷물이 성층 구조를 이루고 있어, 철이 풍부한 심해의 바닷물과 표층 바닷물이 섞여 철이 침전한 것으로 추정할 수 있다. 그러나 이 줄무늬철광상은 능철광이며, 일반적인 줄무늬철광상처럼 산화철 광물이 아닌 점에 주의할 필요가 있다. 즉 철이 산화물이 아니라 탄산염 광물로서 퇴적한 것은 산소를 발생하는 광합성 미생물이 문제의 바이오매트를 구축한 것은 아니라는 증거이다. 그리고 이 지역에서는 열수 활동의 증거가 확인되지 않았으므로, 유기질 처트는 열수성의 것이 아니라, 바닷물에서 석출한 광물로 이루어졌다고 해석했다. 이는 이 지역의 지층이 얕은 해역에서 생겼다는 해석과 모순되지 않는다. 그러면 바이오매트의 정체는 무엇일까. 바이오매트를 만드는 미생물에는 다음과 같은 세 가지 유형이 있다. 첫째, 광합성을 하지 않고 산화 환원 반응으로 에너지를 획득하는 화학합성 세균. 둘째, 광합성을 하지만 산소를 발생하지 않는 미생물. 셋째, 산소를 발생하는 시아노박테리아나 조류이다.