'무(無)'에서 생명은 어떻게 시작되었을까? 생명의 기원에 대한 최신 과학적 가설 3가지

생명은 어떻게 ‘없는 것’에서 시작되었는가?

  과학은 오랫동안 생명과 비생명 사이의 경계를 탐구해 왔다. ‘무(無)’에서 생명이 발생했다는 개념은 언뜻 모순적으로 들리지만, 과학적 논의에서 이 ‘무’는 절대적 공허라기보다 생명의 전제 조건이 충족되지 않은 초기 상태, 곧 무기물 기반의 화학적 환경을 뜻한다. 생명이란 무엇인가를 정의하는 일은 단지 생화학적 특성 열거로 끝나지 않는다. 생명이란 자기 복제(self-replication), 대사(metabolism), 진화(evolution)라는 기능적 속성을 지니며, 이는 특정 임계점에서 비생명적 물질들이 조합되어 자연적으로 발생할 수 있었는가라는 질문과 연결된다.

  근대 이전에는 생명이 자연발생한다는 믿음이 존재했다. 썩는 고기에서 구더기가 생긴다는 고대의 관찰은 생명의 발생을 특별한 설명 없이 받아들였고, 이는 파스퇴르의 실험에 의해 명확히 부정되기 전까지 학문적 권위를 누렸다. 이후 생물학은 생명은 생명으로부터만 생긴다는 원칙을 받아들였지만, 이는 생명의 지속을 설명할 수 있을 뿐, 최초의 시작을 설명하지는 못한다. 생명의 기원을 다루는 과학적 시도는 결국 ‘처음에 무엇이 있었는가’라는 질문으로 회귀하며, 이는 우주론적 기원과 밀접히 연동된다.

  현대 생명과학은 생명을 하나의 ‘물리적 사건’이자 ‘자기조직 시스템’으로 바라본다. 생명은 고도로 정돈된 복잡계(complicated system)이며, 그 발생은 에너지 흐름과 화학반응, 분자 간 상호작용이라는 물리적 조건이 충족되었을 때 특정 메커니즘으로 인해 출현할 수 있는 일종의 ‘상전이 현상’으로 간주된다. 이 접근은 생명 출현을 초자연적 개입 없이도 설명하려는 일관된 과학적 기획의 일환이다.

  하지만 여기서 중요한 전제는, 생명이 출현할 수 있는 ‘경계 조건’이란 무엇이었는가이다. 온도, 압력, 조성, 시간, 에너지, 구조 – 이 모든 요소는 ‘무기계에서 유기계로의 전이’를 가능케 하는 물리적 조건들이며, 이 조건들이 특정 지점에서 일정한 방향성을 띠고 질서 있는 복잡성을 형성했을 가능성이 현재의 연구 대상이다. 생명의 기원을 설명하려는 모든 가설은 결국 이 조건들의 상호작용과 시간적 축적의 과정을 설명하는 데 집중하고 있다.

RNA 세계 가설 : 자기복제 분자가 생명을 열었다

  과학계는 오랫동안 ‘RNA 세계 가설(RNA World Hypothesis)’을 생명의 기원을 설명하는 유력한 이론으로 간주해 왔다. 이 가설은 생명의 초기 형태가 DNA나 단백질이 아닌, RNA 분자의 자기 복제 기능에서 비롯되었을 가능성을 제안한다. RNA는 유전 정보를 저장할 수 있을 뿐 아니라, 특정 조건에서는 효소처럼 작용하여 자신을 복제하거나 다른 RNA 분자의 형성을 촉매 할 수 있다는 특이한 이중 기능을 지닌다. 이 독특한 생화학적 능력은 생명의 초기 조건에서 RNA가 ‘정보’와 ‘기능’의 두 역할을 동시에 수행할 수 있는 중심 분자로 작용했을 가능성을 열어준다.

  생명은 복잡한 대사 네트워크와 유전 정보의 전사·번역 시스템으로 구성되지만, 그 기원은 훨씬 단순했을 것으로 추정된다. 현대 세포는 DNA가 정보를 저장하고, RNA가 정보를 전달하며, 단백질이 생화학 반응을 수행하는 3중 체계를 따르지만, 이러한 복잡한 구조가 처음부터 존재했을 리는 없다. 따라서 초기 생명은 이 셋 중 하나에서 시작되었어야 하며, RNA는 이 세 가지 기능 중 둘을 수행할 수 있는 유일한 생체분자다. 이 점에서 RNA는 생명의 출현을 설명하는 데 가장 유력한 후보로 지목된다.

  RNA 세계 가설의 핵심은 특정 환경에서 RNA 분자들이 자발적으로 형성되고, 스스로를 복제하는 기능을 획득하면서 초기 생명 시스템으로 발전했다는 시나리오다. 실제로 1980년대 초반, 토머스 체크(Thomas Cech)와 시드니 알트먼(Sidney Altman)은 일부 RNA가 스스로를 절단하거나 결합시키는 촉매 능력을 가졌다는 사실을 발견했으며, 이 발견은 RNA가 단순한 유전 정보의 매개체를 넘어 생명 기능의 핵심적 주체가 될 수 있음을 입증하였다. 이들은 이 업적으로 1989년 노벨화학상을 수상했고, RNA 세계 가설은 이후 생명의 기원 이론에서 중심축으로 자리 잡았다.

  문제는 RNA가 자연 상태에서 자발적으로 형성될 수 있는가이다. RNA는 리보오스(당), 인산기, 질소 염기로 구성된 비교적 복잡한 구조를 갖고 있으며, 이 세 성분이 일정한 조건에서 결합하여 안정적인 RNA 사슬을 형성하는 것은 화학적으로 매우 정밀한 환경을 요구한다. 프리바이오틱 화학(prebiotic chemistry) 실험은 이 조건들을 시뮬레이션하여 RNA 전구체의 자연적 형성을 시도해 왔지만, 여전히 완전한 RNA 분자의 합성은 실험실 수준에서도 어려운 과제로 남아 있다. 그럼에도 불구하고, 최근 연구들은 점토와 같은 촉매적 표면이나 자외선에 의한 선택적 분해를 통해 RNA의 일부 구성 요소가 선별적으로 안정화될 수 있었음을 보여주며, 이 가설의 실험적 지지 기반을 확대하고 있다.

  RNA 세계 가설은 생명의 기원을 단순한 생화학 반응의 축적으로 보는 것이 아니라, 자기복제와 진화를 동시에 가능케 한 정보 시스템의 탄생으로 해석한다. 이는 단순한 분자 수준의 상호작용이 ‘자기조직적 복잡성’을 창출할 수 있음을 보여주는 사례이며, 자연선택 이전의 ‘분자 선택’ 개념을 가능케 한다. 즉, 특정 RNA 서열이 더 안정적이고 더 빠르게 복제될 수 있었다면, 그것은 환경 내에서 다른 분자들보다 ‘살아남는’ 특성을 가졌다고 볼 수 있다. 이러한 분자 진화는 이후 단백질 효소와 DNA 중심 체계로 진화하는 기반이 되었으며, 현대 생명의 계통을 설명하는 분자 계보의 출발점으로 간주된다.

  요약하자면, RNA 세계 가설은 생명이 어떻게 ‘정보를 저장하고 복제하는 능력’을 획득했는지를 설명하는 데 집중하며, 그 핵심은 RNA의 이중적 기능과 분자 진화 가능성에 있다. 이 이론은 아직 완전한 실험적 재현에는 이르지 못했지만, 분자 생물학의 통합적 증거와 화학적 가능성을 바탕으로 현재까지 가장 강력한 생명 기원 시나리오 중 하나로 평가받고 있다.

열수분출구 가설 : 생명은 심해에서 ‘끓어올랐다’

  RNA 세계 가설이 분자 수준의 자기복제를 중심으로 생명의 기원을 설명했다면, 열수분출구(hydrothermal vent) 가설은 지구 환경 그 자체가 생명 탄생의 촉매가 되었을 가능성을 제시한다. 이 가설은 생명이 해양의 심해 열수분출구, 특히 검은 연기를 내뿜는 ‘블랙 스모커(black smoker)’나 알칼리성 열수분출구에서 최초로 발생했다는 주장에 근거하며, 이는 지질학, 화학, 미생물학의 융합적 통찰을 바탕으로 전개된다. 열수분출구는 지각 운동에 의해 바닷물과 마그마가 접촉하면서 고온의 화학물질이 분출되는 지점으로, 오늘날에도 열과 화학 에너지가 풍부하게 공급되는 지역이다.

  심해 열수분출구는 생명의 근원지로서 특별한 조건을 갖추고 있다. 첫째, 외부 태양광에 의존하지 않고도 열에너지를 기반으로 하는 화학합성(chemosynthesis)이 가능한 생태계가 존재한다. 오늘날 이 환경에는 황화수소(H₂S) 등을 에너지원으로 삼는 극한미생물(extremophile)이 서식하고 있으며, 이는 생명이 광합성과 무관하게 생존하고 진화할 수 있었음을 보여준다. 둘째, 분출구 주변의 광물질은 자연 촉매 역할을 하며, 메탄, 아세트산, 아미노산과 같은 유기 화합물의 합성에 기여할 수 있다. 특히 철-황 기반의 광물은 전자를 이동시키는 전기화학 반응을 촉진하여, 생명체의 대사에 필요한 ‘에너지 경로’를 제공하는데 중요한 역할을 한다.

  1970년대 후반, 알빈(Alvin) 심해 탐사선이 태평양 갈라진 틈에서 발견한 생태계는 열수분출구 가설에 대한 실질적 계기를 제공하였다. 이 탐사는 태양빛이 전혀 닿지 않는 수천 미터 심해에서 수많은 생물들이 살아가는 복잡한 생태계를 발견했고, 이 생물들이 광합성 대신 열수에서 공급되는 화학에너지로 생존하고 있음이 확인되었다. 이는 생명 탄생을 위한 에너지 공급원이 반드시 태양일 필요는 없으며, 지구 내부 에너지가 충분히 이를 대체할 수 있다는 강력한 실증적 사례로 작용하였다.

  열수분출구 가설은 생명의 출현을 열역학적 관점에서 설명하는 데 장점을 가진다. 생명체는 고도로 정렬된 상태(낮은 엔트로피)를 유지하며, 외부 에너지의 흐름을 이용하여 자신을 복제하고 유지한다. 이러한 열역학적 질서를 가능케 하는 조건으로서, 열수분출구는 끊임없이 에너지를 공급하고, 분자들이 특정 경로로 배열될 수 있는 온도 경사(thermal gradient)를 제공한다. 이는 복잡한 분자 시스템이 자연스럽게 자기조직화될 수 있는 환경적 조건을 의미하며, 초기 생명체의 전구체들이 안정적으로 형성·축적될 수 있었던 실험적 가능성을 강화시킨다.

  이 가설의 핵심은 생명이 특정 장소, 특정 조건, 특정 자극 속에서 자연스럽게 ‘출현’할 수 있었다는 가능성을 제시한다는 점이다. 특히 열수분출구 주변에서는 세포막의 초기 형태로 추정되는 ‘막 구조의 소포(lipid vesicle)’가 형성되기 쉬운 환경이며, 이는 RNA와 같은 분자가 외부 환경으로부터 보호되며 기능을 발휘할 수 있는 미세 공간을 제공한다. 또한 금속이온, 미세 기공, 온도 변화는 촉매 및 반응 공간으로서의 역할을 수행함으로써, 생명의 초기 대사 반응이 발생할 수 있는 ‘마이크로 환경’을 조성한다.

  그러나 열수분출구 가설도 완전한 해답은 아니다. 심해의 고온, 고압 환경은 RNA나 단백질과 같은 유기 분자들을 빠르게 분해시킬 위험이 있으며, 이러한 환경에서 정보 저장 기능이 어떻게 안정적으로 진화했는지는 아직 명확하지 않다. 또한 지구상 열수분출구의 존재가 약 40억 년 전에도 동일했는지, 또는 그 화학적 조성이 생명 출현에 적합했는지는 여전히 논쟁의 대상이다. 그럼에도 불구하고 이 가설은 ‘환경 자체가 생명을 유도할 수 있다’는 매우 중요한 통찰을 제공하며, 생명의 기원에 있어 지질학적·화학적 배경의 중요성을 강하게 부각시킨다.

  정리하자면, 열수분출구 가설은 생명이 무기 환경 속에서 스스로 복잡성을 만들어낸 과정을 설명하는 유력한 틀이다. 이 가설은 생명을 에너지의 흐름이 만든 열역학적 질서로 해석하며, 지구 깊은 곳의 뜨거운 바다 밑에서 최초의 생명 씨앗이 움튼 가능성을 과학적으로 뒷받침한다. 다음 문단에서는 이보다 한 단계 더 추상적인 접근인 ‘비평형 열역학 가설’을 다룬다. 이 이론은 생명 그 자체를 물리법칙의 필연적 귀결로 바라보며, 생명의 기원에 대한 근본적 재해석을 시도한다.

비평형 열역학 이론 : 에너지 흐름이 질서를 만든다

  생명의 기원에 관한 논의에서 비평형 열역학(non-equilibrium thermodynamics)은 가장 근본적이면서도 물리학적 원리에 충실한 접근으로 주목받는다. 이 이론은 생명이란 자연계의 물리 법칙에 따라 에너지의 흐름 속에서 자발적으로 형성된 ‘질서 있는 복잡성’이라는 관점을 전제로 하며, 이는 노벨물리학상 수상자인 일리야 프리고진(Ilya Prigogine)의 ‘자기조직화(self-organization)’ 이론에서 출발한다. 그의 주장은, 외부로부터 지속적인 에너지 공급이 존재할 때 어떤 시스템은 오히려 더 높은 수준의 질서를 형성할 수 있다는 역설적 통찰에 기초한다. 생명은 이러한 '비평형 상태의 안정적 구조'로서, 에너지 흐름이 오히려 복잡한 구조를 만들어내는 현상의 대표적 사례로 간주된다.

  비평형 열역학 가설의 핵심은 다음과 같다. 닫힌계(closed system)는 시간이 흐를수록 무질서, 즉 엔트로피가 증가하는 방향으로 나아가지만, 개방계(open system)는 외부로부터 에너지를 지속적으로 흡수하고 방출할 수 있기 때문에, 그 안에서는 특정 조건 하에 오히려 질서가 창발 될 수 있다. 생명체는 바로 이런 개방계에 해당하며, 낮은 엔트로피 상태를 유지하기 위해 끊임없이 고에너지 물질(예: 포도당, 태양광, 황화수소 등)을 받아들이고, 낮은 에너지의 부산물을 방출한다. 즉, 생명은 엔트로피의 지역적 감소를 전제로 성립된 동적 평형이다.

  프리고진의 자기조직화 이론에 따르면, 비평형 상태에서의 물질과 에너지 흐름은 일정 임계점을 넘을 경우 자발적으로 구조화된 형태(즉 '질서 있는 복잡성')를 형성하게 된다. 이를 ‘산란구조(dissipative structure)’라고 부르며, 이는 단순한 분자 집합체가 아니라, 일정한 패턴을 유지하며 외부 에너지와 물질을 교환할 수 있는 동적 시스템이다. 이러한 관점에서 생명은 단지 유기 분자들의 복잡한 조합이 아니라, 외부 세계와 상호작용하며 안정적인 상태를 유지할 수 있는 열역학적 시스템으로 정의된다. 따라서 생명의 기원은 곧 ‘질서 형성 메커니즘’의 기원이기도 하며, 이는 물리학적 예측 가능한 현상으로 설명될 수 있다.

  이 가설은 실험적 검증이 까다롭지만, 몇 가지 유력한 시뮬레이션과 실험들이 그 가능성을 뒷받침해 왔다. 예를 들어, 간단한 화학반응 네트워크에서도 일정 조건 하에 농도 진폭의 패턴이 주기적으로 생성되는 ‘벨루소프-자보틴스키 반응(Belousov-Zhabotinsky reaction)’은 비평형 상태에서 복잡한 동역학 구조가 형성될 수 있음을 실증적으로 보여준다. 이처럼 무작위적인 분자 운동도 외부 자극에 의해 일정한 규칙성을 갖는 구조로 전이될 수 있으며, 이러한 현상은 생명의 초기 대사 회로와도 유사성을 갖는다.

  나아가, 이 이론은 생명의 기원을 ‘어떻게’라는 물음뿐 아니라 ‘왜’라는 질문에 대해서도 답을 제시한다. 왜 우주는 생명을 허용하는가? 왜 무기물의 우연한 충돌이 아닌, 질서 있는 자기복제 시스템이 출현했는가? 이에 대해 비평형 열역학은 ‘생명은 우주의 열역학적 경로상 필연적으로 발생할 수밖에 없는 복잡성의 한 형태’라고 주장한다. 즉, 생명은 예외적인 사건이 아니라, 에너지 흐름 속에서 물질이 구성 가능한 하나의 일반적인 결과이며, 이는 다른 행성에서도 동일한 조건이 주어진다면 재현 가능하다는 암시를 내포한다. 이는 생명의 보편성과 우주 생명체 존재 가능성 논의에도 직접적으로 연결된다.

  결국 비평형 열역학 가설은 생명을 신비화하거나 기적적으로 간주하지 않고, 물리 법칙의 연속적 확장선에서 설명하는 시도를 보여준다. 이 접근은 생명의 출현을 ‘복잡한 화학반응의 우연한 조합’이 아닌, ‘물리적 세계가 필연적으로 만들어낸 복잡성의 진화’로 바라보게 하며, 생명 현상 자체를 새로운 관점으로 해석하도록 이끈다.

생명의 기원 연구가 오늘날 과학에 던지는 질문, 우주는 생명 친화적인가?

  생명의 기원에 대한 현대 과학의 탐색은 단순히 과거를 재구성하려는 시도를 넘어, 생명이란 현상의 본질과 우주의 성격에 대해 근본적인 질문을 던진다. 생명은 우연의 산물인가, 아니면 우주의 물리 법칙이 필연적으로 이끄는 귀결인가? 이 문제는 단순한 과학의 문제가 아니라, 존재론적·우주론적 물음으로 확장된다. RNA 세계 가설, 열수분출구 가설, 비평형 열역학 이론은 모두 생명의 기원을 각각의 논리로 설명하지만, 궁극적으로는 공통된 질문으로 수렴한다. “우주는 생명을 가능케 하는 구조인가?”라는 것이다.

  이 질문은 현대 우주생물학(astrobiology)과 강한 상관관계를 갖는다. 생명의 기원이 특정한 지구 환경에서만 발생했는가, 아니면 유사한 조건이 존재한다면 우주 어디서든 자연스럽게 발생할 수 있는가라는 물음은, 외계 생명체 존재 가능성에 대한 과학적 기반을 마련한다. 실제로 유럽우주국(ESA)과 NASA는 화성, 유로파, 엔셀라두스 등의 위성에서 열수분출구와 유사한 환경을 탐사하며 생명의 흔적을 찾고 있으며, 이는 생명이라는 현상이 ‘지구적 특수성’을 넘어 ‘우주적 보편성’을 가질 수 있음을 암시한다. 생명의 기원 연구는 곧 생명의 확률론적 분포에 대한 논의로 이어지고 있으며, 이는 우주에 대한 인간의 이해를 완전히 재구성할 잠재력을 갖는다.

  또한 생명의 기원을 밝히는 과정은 생명의 정의 자체를 재고하게 만든다. 생명이란 단지 DNA와 세포막으로 구성된 유기체인가? 아니면 에너지 흐름 속에서 자기복제를 통해 정보를 유지하고, 환경과 상호작용하는 복잡계인가? 후자의 정의는 생명을 화학적 조성에 구애받지 않고 보다 일반화된 물리적 시스템으로 간주하게 만들며, 이는 인공 생명체와 기계 생물학, 그리고 인공지능의 생물학적 지위에 대한 철학적 논의로 확장된다. 예컨대, 정보 복제와 자기조직, 환경 반응성이 갖춰진 인공 시스템도 일정 조건하에서는 생명으로 간주할 수 있는가라는 질문은, 생명이라는 개념 자체가 더 이상 생물학에만 속하지 않는다는 점을 시사한다.

  더불어, 생명의 기원에 대한 연구는 생명 윤리 및 생태윤리의 관점에서도 재조명되고 있다. 생명이 하나의 물리적·열역학적 현상으로 간주된다면, 인간은 지구상의 다른 생명체와 질적으로 완전히 분리된 존재가 아니라 동일한 자연 법칙에 의해 발생한 결과로 이해되어야 한다. 이는 생명에 대한 인간 중심주의적 시각을 수정하고, 생명 전체에 대한 포괄적 윤리체계를 요구하는 과학적 기반을 제공한다. 특히 기후위기 시대에 이러한 시각은 인간과 생태계의 관계 재정립에 실질적인 통찰을 제공하며, 생명을 보호하는 일이 곧 자연 법칙의 흐름을 존중하는 일임을 시사한다.

  결론적으로, 생명의 기원에 대한 세 가지 주요 과학적 가설은 각각 다른 방식으로 접근하고 있지만, 모두가 ‘생명은 물리 법칙의 연장선상에서 설명 가능한 질서 있는 복잡성’이라는 철학적 전제로 연결된다. 생명은 기적이 아니라 조건이며, 우연이 아니라 경로다. 과학은 점점 더 생명을 ‘있을 수밖에 없었던 결과’로 설명하고 있으며, 이 설명은 우리가 존재하는 이유에 대한 가장 근원적인 이해를 가능케 한다. 생명의 기원에 대한 탐색은 끝난 연구가 아니라 지금 이 순간에도 전 세계의 실험실과 천문대, 심해 탐사선과 인공지능 알고리즘 속에서 계속되고 있는 현재진행형의 과학이다.