지구에서 생명의 출현

지구에서 생명의 출현은 수소와 탄소 화합물로 구성되는 탄소 골격, 호흡 작용의 TCA 회로, DNA와 RNA에 의한 유전 현상으로 이어지고 원핵세포인 시아노박테리아에 의해 물 분해형 광합성이 시작되었고, 진핵세포에서 다세포 생물의 출현한 뒤 식물, 균류가 등장하게 됩니다. 그리고 고생대에 산소농도가 증가하면서 물고기가 육상 척추동물로 진화했고 중생대에 이르러 최초의 포유동물이 등장합니다. 마지막으로 신생대 초기에 영장류에서 분화한 인간 선조들이 호모 사피엔스가 출현했습니다.

 

최초의 생명체 출현

지구에서 액체 상태의 물은 지각 위에 바다의 형태로 존재합니다. 40억 년 전 초기 바다에서 최초로 자기 복제가 가능한 생명 현상이 출현했습니다. 생명현상에는 자기 복제와 촉매 기능이 핵심인데, RNA 분자가 출현하여 복제와 촉매 기능을 함께할 수 있었습니다. 이후 복제 기능은 DNA가 전담하고 기능은 단백질이 주로 담당하게 되었습니다. 최초의 생명체는 원핵세포인데 자기 복제와 촉매 기능을 수행 할 수 있는 작은 RNA 가닥을 지질막으로 감싼 구조였을 것으로 추정하고 있습니다.

원핵세포에서 호흡과 광합성이 진화했습니다. 호흡과 광합성은 생명현상을 유지하는 2개의 기둥입니다. 호흡은 유기물 분자를 분해하여 에너지를 만드는 분자 변환 과정으로, 산소를 이용하는 유기호흡과 산소가 필요 없는 무기호흡으로 나뉩니다. 원핵세포들은 대기 중에 산소 분자가 없는 40억 년 전부터 진화해 왔고 무기호흡으로 에너지를 습득하였습니다. 20억 년 전에 출현한 원생생물인 남조세균(시아노박테리아)이 최초로 물 분해형 광합성에 성공하면서 물 분자에서 분리된 산소 분자가 기체가 되어 대기 중으로 확산하였습니다. 산소 원자는 지구 맨틀에서는 고체 결정 속에 존재하고, 대양에서는 액체로, 대기에서는 기체 상태로 존재하게 됩니다.

 

산소호흡 박테리아의 출현과 미토콘드리아의 진화

바닷물은 수소와 산소 원자가 결합한 액체 상태지만 대기 중의 산소는 기체 상태의 분자입니다. 약 20억 년 전 1차 산소혁명을 거치며 대기 중에 1% 정도의 산소가 축적되었습니다. 이로써 지구 대륙의 광물들이 산소 분자와 결합하는 산화 과정을 거쳐 약 3000종류의 새로운 광물들이 출현했습니다. 또한 대기에 산소 분자가 많아지면서 산소를 이용하여 에너지를 습득하는 산소 호흡 박테리아가 출현하였고, 이러한 박테리아가 숙주 세포 속에 함께 살아가면서 미토콘드리아로 진화했습니다.

 

다세포 생물의 출현

미토콘드리아의 세포 내 공생하면서 핵막을 갖게 된 숙주 세포는 진핵세포가 됩니다. 즉, 원핵세포에서 진핵세포로 진화하고 약 7억 년 전 눈덩이 지구(Snowball Earth) 사건으로 시아노박테리아가 번성하게 됩니다. 그 결과 2차 산소혁명이 일어나서 다세포 생물이 출현했습니다. 신생 원대의 눈덩이 지구 사건은 총 세차례 (7억 2000만 년 전, 6억 4000만 년 전, 5억 8000만 년 전)에 걸쳐 전 지구가 빙하로 덮인 사건을 말합니다. 이 눈덩이 지구 사건의 여파로 대기 중 산소가 급격히 증가(산소 농도 20% 증가) 하면서 5억 4000만 년 전에 고생대 캄브리아기가 시작되었습니다.

 

 

해양절지동물과 녹색식물, 양서류, 파충류의 출현

캄브리아기에는 해양 절지동물이 다양해지면서 일명 '캄브리아기 대폭발'이 일어났습니다. 고생대 실루리아기에는 바다의 녹조류에서 최초의 육상 녹색식물이 출현하였으며, 약 3억 7000만 년 전 고생대 데본기에 최초의 양치식물 숲이 출현하였습니다. 더불어 물고기가 육지로 진출 양서류로 진화했습니다. 약 3억 년 전 고생대 석탄기에는 산소 농도가 30%로 높아지면서 곤충과 양서류가 번성하였고, 석탄기 후기에는 양서류가 파충류로 진화했습니다. 또 석탄기에는 남반구 곤드와나 대륙에서 대규모 빙하가 발달하였습니다. 고생대 페름기에는 반룡류의 파충류가 번성하다가 페름기 말에 대멸종으로 사라졌습니다.

 

공룡과 포유류의 조상 출현

2억 5000만 년 전 페름기 말에 시베리아의 현무암 홍수(Flood Basalt) 사건으로 대기 중 산소 농도가 낮아져 트라이아스기 말까지 저산소 상태가 지속되었으며 약 2억 3000만 년 전 트라이아스기 말기에 공룡과 포유류의 조상이 출현하였습니다.

 

공룡이 중생대 육상 생태계를 장악하면서 몸집이 작아진 포유동물은 밤으로 진출하였으며 공룡은 몸이 거대해지는 방향으로 진화하였습니다. 포유동물은 쥐 정도의 크기로 작아져서 밤처럼 어두운 환경에 적응하면서 청각, 균형감각, 어금니, 태반이 진화하게 되었습니다. 약 6500만 년 전 운석 충돌로 생태 환경이 변화되어 육상의 거대 공룡은 멸종하고 포유동물이 지배하는 신생대가 시작되었습니다. 야행성 환경에 적응하면서 중추신경계가 발달한 포유동물은 신생대에 이르러 고래와 박쥐에서 보듯 바다와 하늘의 생태 환경에도 적응했습니다.

포유동물은 단공류, 유대류, 태반류로 진화했는데, 그중  태반포유류는 어미와 새끼의 생리적 결속이 강하고, 어미의 젖을 통해 생명에너지와 면역력을 받게되면서 환경 적응력을 발달시켰습니다. 뇌신경 시스템이 발달함에 따라 환경에 적응하는 능력이 향상된 포유동물은 거의 모든 기후 환경에 적응하게 되었고, 신생대를 거치면서 4500여 종으로 다양해졌습니다. 약 3000만 년 전 포유류가 열대 밀림에 적응하면서 입체 시각과 삼원색을 감지하는 시각이 발달했습니다.

약 2000만 년 전 신생대 마이오세에는 풀(한해살이 꽃식물)이 전 지구적으로 확산하였고 대규모 초지가 만들어져 대형 초식동물이 출현했습니다.

 

초기 인류의 출현

약 2500만 년 전 인도판이 아시아판과 충돌하고 그 여파로 일본 열도가 아시아판에서 분리되어 동해가 생겨났다고 추정하고 있습니다. 동아프리카는 약 400만 년 전에 사바나 기후로 바뀌었습니다. 사바나 기후로 바뀌는 시기에 초기 인류의 선조가 아프리카에서 출현했습니다.

침팬지에서 분리되어 진화해 온 인간 선조는 약 200만 년 전부터 불을 사용하고 도구를 제작했습니다. 불을 사용함으로써 음식을 익혀 먹고  육식을 통해 단백질을 섭취한 인간은 정교한 손동작 조절 능력을 획득해 도구를 제작할 수 있게 되었습니다. 이로써 인간의 뇌가 발달하기 시작했고 대뇌피질의 연합영역이 두 배로 확장되면서 감각 연합 피질에서 시각, 청각, 촉각이 연합되고 해마에서 행동 기억이 만들어졌습니다.

초기 인류는 200만 년 전 구석기시대에 먹이를 찾아 수렵과 채집을 하는 이동 생활을 시작했습니다. 수렵, 채집 생활에서는 장소 기억이 중요한데 장소에서 경험한 내용이 대뇌피질의 연합영역에서 장기기억으로 축적되어 비슷한 장소에서 행동을 안내하게 되었습니다.
동물의 행동은 감각에서 촉발되지만 인간의 행동은 기억에서 나옵니다. 감각 연합 피질이 감각을 연합하여 장기기억을 생성하고 운동연합 피질이 확장됨에 따라 구석기시대의 우리 선조에게서 운동 계획 과정이 발달하게 되었습니다.

감각 입력에서 기억이 발달하고, 기억에서 행동이 출력되면서 인간은 감각, 기억, 지각, 상징, 운동 계획 그리고 언어와 상징을 표현하면서 지적 능력이 급속히 진화하게 되었습니다.

오늘은 지구 생명의 출현에서 초기 인류의 출현까지의 전체적인 맥락을 정리해 보았습니다. 다음에는 우주의 모든 현상을 효과적으로 바라보는 세 가지 관점에 대해 알아보고자 합니다.