지구 미생물이 이전에 생각했던 것보다 적어도 10억년 앞서 산소 생성 광합성을 수행했던 것으로 밝혀졌다.

이 발견은 복잡한 생명체가 지구상에서 언제 어떻게 진화했는지, 그리고 다른 행성에서는 어떻게 진화할 수 있는지에 대한 새로운 통찰력을 제공하는 것이다.

지구 대기 중 산소는 복잡한 생명체가 생명을 유지하는 필수 요소다. 생명체는 에너지 생성을 위해 호기성 호흡을 통해 산소를 사용한다.

대기 중 산소 농도는 약 24억년 전에 극적으로 상승했으나, 왜 그런 일이 일어났는지는 아직도 논란이 되고 있다. 일부 과학자들은 24억년 전에 처음 진화한, 시아노박테리아라고 불리는 유기체가 산소 생성 광합성을 수행했을 것이라고 보고 있다.

이에 비해 다른 과학자들은 시아노박테리아가 24억년보다 더 오래 전에 진화했으나 어떤 이유로 산소가 대기 중에 축적되지 않았다고 생각한다.

시아노박테리아는 오늘날 모든 식물들이 수행하는 것과 같은 비교적 정교한 형태의 산소 생성 광합성을 한다. 따라서 시아노박테리아 이전에 더 단순한 형태의 산소 광합성이 존재했을 수 있고, 이때는 생명체가 사용할 수 있는 산소 수준도 낮았을 것이라는 의견이 제시돼 왔다.

시아노박테리아보다 10억년 앞서 산소 광합성 출현

이런 논의가 일고 있는 가운데 영국 임페리얼 컬리지 런던이 이끄는 연구팀은 시아노박테리아가 진화하기 적어도 10억년 전에 산소 광합성이 일어났다는 사실을 발견했다.

‘지구생물학’(Geobiology) 저널 최근호에 실린 이 연구 결과는 지구의 45억년 역사에서 산소 광합성이 매우 일찍 나타났다는 사실을 나타내준다.

논문 제1저자인 임페리얼 컬리지 생명과학부 타나이 카르도나(Tanai Cardona) 박사는 “우리는 시아노박테리아가 매우 오래됐다는 것을 알고 있지만, 얼마나 오래됐는지는 정확히 모른다”고 말하고, “예를 들어 광합성을 하는 시아노박테리아가 25억년 전에 나왔다면 산소 광합성은 이보다 빨리 35억년에 시작됐을 수 있다는 생각을 해볼 수 있다”고 말했다.

카르도나 박사는 “이는 생명의 기원 이후 산소 광합성과 같은 과정이 시작되기까지 수십억 년이 걸리지는 않았을 것임을 시사한다”고 덧붙였다.

만약 산소 광합성이 일찍 진화했다면 비교적 단순한 과정의 광합성이었을 것임을 의미하며, 이런 점에서 유추해 볼 때 멀리 떨어진 외계행성에서 복잡한 생명체기 생겨날 가능성은 매우 높다는 것이다.

광화학계 단백질 유전자 코드 분석

과학자들이 지구상의 암석 기록을 사용해 최초의 산소 생산자가 언제 진화했는지를 알아내기는 쉽지 않다. 오래된 암석일수록 희귀하고, 이런 고대 암석에서 발견된 화석 미생물이 얼마 만큼의 산소를 사용했거나 혹은 생산했는지를 결정적으로 증명하기가 어렵기 때문이다.

연구팀은 암석 대신에 산소 광합성과 관련된 두 가지 주요 단백질의 진화를 조사했다.

광합성 첫 단계에서 시아노박테리아는 빛 에너지를 사용해 광화학계II(Photosystem II)로 불리는 단백질 복합체의 도움을 받아 물 분자를 양성자와 전자 및 산소로 분해한다.

광화학계II는 D1과 D2라는 두 가지 단백질로 구성돼 있다. 두 단백질은 원래 같았고 구조도 매우 유사하지만, 이제는 기저의 유전적 배열이 달라졌다.

이것은 D1과 D2가 분리돼 진화했음을 나타낸다. 시아노박테리아와 식물에서 이들은 단지 유전적 배열의 30%만을 공유한다. D1과 D2는 원래의 형태에서도 산소 광합성을 수행할 수 있었을 것이며, 따라서 이들이 얼마나 오래 전에 똑같았는지를 알면 광합성 능력이 언제 처음으로 진화됐는지를 알 수 있다는 것이다.

단백질 변화 진화속도 측정

D1과 D2가 동일했던 때와, 시아노박테리아와 식물에서 30%의 차이를 보이는 때와의 시간 차이를 확인하기 위해 연구팀은 단백질이 변화하는 진화의 속도를 측정했다.

이들은 지금껏 광합성 진화에서 알려진 여러 연구 결과를 바탕으로, 광화학계II의 D1과 D2 단백질이 극단적으로 느리게 진화했다는 사실을 알아냈다. 최초 생명체에서 발견된 것으로 믿어지는 몇몇 가장 오래된 단백질들보다 진화 속도가 더 느렸다.

연구팀은 여기에서 D1과 D2가 동일했던 때와 시아노박테리아와 식물에서 30%가 유사한 버전 사이의 시간 차가 적어도 10억년 이상이 될 수 있다는 계산을 해냈다.

카르도나 박사는 “지금까지는 산소 광합성과 시아노박테리아 출현은 동일한 일로 간주돼 왔다. 때문에 산소가 언제 처음 생성됐는지를 알기 위해 연구자들은 시아노박테리아가 처음 진화한 때를 확인하려고 애써왔다”고 말했다.

그러나 연구팀은 이런 기존의 생각과는 달리 산소 생성과 시아노박테리아의 출현은 상당한 시간 차가 있다는 사실을 밝혀냈다.

고대 광화학계 유전자 코드 한데 모으는 작업 진행 중

카르도나 박사는 “이번 연구에 따르면 산소 광합성은 시아노박테리아의 조상이 나타나기 훨씬 이전에 시작됐을 가능성이 있음을 보여준다”며, “이것은 30억년 전 지구에 산소가 존재했다는 조짐이나 국소적 축적이 있음을 시사하는 현재의 지질학적 데이터와 일치한다”고 설명했다.

따라서 산소 광합성의 기원과 시아노박테리아의 조상 출현은 같은 맥락의 일이 아니고, 둘 사이에는 매우 큰 시간 차가 있으며, 긴 안목으로 볼 때 이는 거대한 변화라는 것이 그의 생각이다.

연구팀은 앞으로 D1과 D2가 분리돼 진화하기 전 처음의 광화학계는 어떤 모습인지를 재현해 보려는 연구를 진행 중이다.

현재 생존해 있는 모든 종의 광화학계 유전자 코드 상의 알려진 변이를 이용해 고대 조상의 광화학계 유전자 코드를 한데 모으려는 작업을 추진하고 있다.