이 글은 『다윈과 게놈지도가 놓친, 진화의 실체 칼슘』(윤종원) 제8장 전문입니다. 본문·수치·인용은 원고 그대로입니다.
서론: 죽음 이후의 질문
제7장에서 우리는 7M 기전을 살펴보았습니다. 뼈에서 유출된 칼슘이 일곱 가지 경로를 통해 퇴장을 실행합니다. 혈관이 막히고, 관절이 굳고, 신호가 차단되고, 연결이 끊어지고, 결국 구조가 무너집니다. 개체는 사멸에 이릅니다. 그러나 여기서 이야기를 끝내면 무언가 빠진 느낌이 듭니다. 제2부 서론에서 생명 순환의 여섯 단계를 제시했습니다. 탄생, 성장, 번식, 쇠퇴, 사멸, 그리고 환원. 우리는 다섯 단계까지 살펴보았고, 마지막 단계인 환원이 남아있습니다. 환원은 돌아간다는 뜻입니다. 그렇다면 무엇이 어디로 돌아가는 것일까요?
이 질문에 답하기 전에, 더 근본적인 질문을 먼저 생각해볼 필요가 있습니다. 왜 돌아가야 할까요? 왜 순환이 필요할까요? 이 질문에 답하려면 지구와 생명의 관계를 다시 생각해보아야 합니다.
유한한 지구, 무한한 생명
지구는 거의 닫힌 시스템입니다. 태양에서 에너지가 들어오고 열이 우주로 빠져나가지만, 물질의 출입은 거의 없습니다. 가끔 운석이 떨어지고 극소량의 대기가 우주로 빠져나가는 것을 제외하면, 지구의 물질은 46억 년 전 지구가 형성될 때부터 거의 그대로 유지되고 있습니다. 칼슘도 마찬가지입니다. 지구에 있는 칼슘의 총량은 정해져 있습니다. 새로 만들어지지 않고 사라지지도 않습니다. 형태가 바뀔 뿐입니다. 암석에 있던 칼슘이 물에 녹고, 생물에 흡수되고, 다시 퇴적되어 암석이 됩니다. 그런데 생명은 약 38억 년 동안 지속되어 왔습니다. 그동안 얼마나 많은 생물이 태어나고 죽었는지 상상하기 어렵습니다.
현재까지 존재했던 종의 수는 헤아릴 수 없이 많습니다. 개체 수는 그야말로 천문학적입니다. 그리고 이 모든 생물이 칼슘을 사용했습니다. 세포 신호에, 껍질에, 뼈에. 유한한 양의 칼슘으로 어떻게 38억 년 동안 수없이 많은 생물이 살 수 있었을까요? 답은 하나뿐입니다. 재사용했기 때문입니다. 죽은 생물의 칼슘을 다음 생물이 사용했습니다. 그리고 그 생물이 죽으면 또 다음 생물이 사용했습니다. 같은 칼슘 원자가 수억 년 동안 수많은 생물의 몸을 거쳐 왔습니다. 이것이 순환입니다. 그리고 순환이 작동하려면 반드시 필요한 것이 있습니다.
잠시 상상해봅시다. 만약 죽음이 없다면 어떻게 될까요? 첫 번째 생물이 태어나서 칼슘을 흡수합니다. 뼈를 만들고, 껍질을 만들고, 세포 신호에 사용합니다. 그런데 죽지 않습니다. 칼슘을 계속 가지고 있습니다. 두 번째 생물이 태어납니다. 이 생물도 칼슘이 필요합니다. 그러나 첫 번째 생물이 칼슘을 돌려주지 않았으므로 사용 가능한 칼슘이 그만큼 줄어듭니다. 세 번째, 네 번째, 다섯 번째 생물이 태어납니다. 사용 가능한 칼슘은 계속 줄어듭니다. 결국 어떻게 될까요? 칼슘이 고갈됩니다. 새로운 생물이 뼈를 만들 재료가 없습니다. 껍질을 만들 재료가 없습니다. 세포 신호를 보낼 재료가 없습니다. 새 생명이 불가능해집니다. 죽음이 없으면 순환이 멈춥니다. 순환이 멈추면 새 생명이 불가능합니다. 역설적이지만, 죽음은 생명 지속의 전제조건입니다.
이 관점에서 죽음을 다시 정의할 수 있습니다. 죽음은 끝이 아닙니다. 반납입니다. 빌렸던 것을 돌려주는 것입니다. 당신의 뼈에 있는 칼슘 1킬로그램은 당신 것이 아닙니다. 지구에서 빌린 것입니다. 태어날 때 어머니를 통해 빌렸고, 살면서 음식을 통해 더 빌렸습니다. 평생 사용하다가, 죽을 때 돌려줍니다. 다음 생명이 그것을 빌려 씁니다. 그 생명도 죽으면 돌려줍니다. 그다음 생명이 빌려 씁니다. 이것이 38억 년 동안 계속되어 왔습니다. 환원은 이 반납의 과정입니다. 개체가 빌렸던 칼슘을 순환으로 돌려보내는 것입니다.
환원의 과정
개체가 죽으면 칼슘은 어디로 갈까요? 매장의 경우를 생각해봅시다. 시신이 땅에 묻히면 연조직이 먼저 분해됩니다. 세균과 곰팡이가 이 일을 담당합니다. 수 주에서 수 개월이 걸립니다. 탄소와 질소가 토양으로 방출됩니다. 뼈는 더 오래 남습니다. 하이드록시아파타이트는 분해에 저항합니다. 조건에 따라 수십 년에서 수천 년까지 남을 수 있습니다. 그러나 결국 분해됩니다. 산성 토양에서는 더 빨리 분해됩니다. 칼슘 이온이 토양수에 녹아듭니다. 화장의 경우는 더 빠릅니다. 고온에서 유기 성분이 연소됩니다. 남는 것은 칼슘 화합물, 즉 유골입니다. 이것이 토양에 뿌려지거나 바다에 뿌려지면 칼슘이 환경으로 직접 돌아갑니다. 어느 경우든 결과는 같습니다. 시간이 걸릴 뿐, 칼슘은 결국 순환으로 돌아갑니다.
토양으로 돌아간 칼슘은 그다음 어디로 갈까요? 식물이 뿌리로 칼슘을 흡수합니다. 식물에게도 칼슘은 필수 영양소입니다. 세포벽을 안정시키고, 세포막 기능을 유지하고, 신호를 전달하는 데 칼슘이 필요합니다. 식물도 칼슘 신호 시스템을 가지고 있습니다. 초식동물이 식물을 먹습니다. 식물에 있던 칼슘이 동물의 몸으로 들어갑니다. 동물은 그 칼슘으로 뼈를 만들고, 신호를 전달하고, 근육을 수축시킵니다. 육식동물이 초식동물을 먹습니다. 칼슘이 먹이사슬을 따라 위로 이동합니다. 그 동물이 죽으면 다시 분해됩니다. 칼슘이 토양으로 돌아갑니다. 다시 식물이 흡수합니다. 이것이 육지에서의 빠른 순환입니다. 수 년에서 수백 년 규모로 칼슘이 생물 사이를 돌아다닙니다.
토양의 칼슘 중 일부는 다른 경로를 따릅니다. 비가 내리면 토양의 칼슘 일부가 씻겨 내려갑니다. 지하수로, 개울로, 강으로 흘러갑니다. 전 세계의 강이 매년 막대한 양의 칼슘을 바다로 운반합니다. 바다에서는 생물들이 칼슘을 사용합니다. 산호가 탄산칼슘 골격을 만듭니다. 조개가 껍질을 만듭니다. 아주 작은 플랑크톤도 탄산칼슘 껍질을 만듭니다. 바닷물에 녹아있던 칼슘이 고체 구조물이 됩니다. 이 생물들이 죽으면 껍질이 해저로 가라앉습니다. 수백만 년이 지나면 두꺼운 퇴적층이 됩니다. 더 오랜 시간이 지나면 석회암이 됩니다. 1996년에 발표된 해양 탄산염 퇴적에 관한 연구는 이 과정이 지구 역사 전체에 걸쳐 지속되어 왔음을 보여줍니다. 지각 변동으로 해저가 융기하면 그 석회암이 육지가 됩니다. 히말라야 산맥 정상에서 바다 생물 화석이 발견되는 것은 이 때문입니다. 비에 씻겨 다시 풍화됩니다. 칼슘이 강으로, 다시 바다로 흘러갑니다. 이것이 느린 순환입니다. 수천만 년에서 수억 년 규모로 칼슘이 암석과 바다 사이를 돌아다닙니다.
당신 뼈의 칼슘은 어디서 왔나
이제 반대 방향으로 생각해봅시다. 당신의 뼈에 있는 칼슘은 어디서 왔을까요? 직접적으로는 음식에서 왔습니다. 우유, 치즈, 두부, 채소, 생선에서 칼슘을 섭취했습니다. 그 음식의 칼슘은 어디서 왔을까요? 우유의 칼슘은 젖소에서 왔습니다. 젖소는 풀을 먹었습니다. 풀은 토양에서 칼슘을 흡수했습니다. 토양의 칼슘은 어디서 왔을까요? 암석의 풍화에서, 그리고 죽은 생물의 분해에서 왔습니다. 계속 거슬러 올라가면 어디까지 갈까요? 당신 뼈에 있는 칼슘 원자 하나를 상상해봅시다. 그 원자는 수억 년의 역사를 가지고 있습니다. 3억 년 전에는 고생대 바다의 삼엽충 껍질에 있었을 수 있습니다. 삼엽충이 죽고, 껍질이 해저에 가라앉고, 석회암이 되고, 융기하고, 풍화되고, 강을 따라 바다로 가고, 다시 어떤 생물의 껍질이 되고, 또 죽고, 또 퇴적되고. 이 과정이 수억 년 동안 반복되었습니다. 그 칼슘 원자가 거쳐 간 생물의 수를 셀 수 없습니다. 삼엽충, 암모나이트, 물고기, 공룡, 포유류, 그리고 어쩌면 당신의 조상들. 그 긴 여정 끝에 그 원자가 지금 당신의 뼈에 있습니다.
이것을 깨달으면 관점이 달라집니다. 당신의 뼈는 당신 것이 아닙니다. 정확히 말하면, 당신 뼈의 칼슘은 당신 것이 아닙니다. 38억 년 동안 수많은 생물이 빌려 썼던 것을 당신이 지금 빌려 쓰고 있는 것입니다. 당신이 죽으면 돌려줘야 합니다. 다음 생명이 기다리고 있습니다. 이것이 환원의 의미입니다. 끝이 아니라 연결입니다. 개체의 끝이 순환의 연속입니다.
왜 칼슘이 순환을 매개하는가
모든 물질이 이런 순환을 매개할 수 있는 것은 아닙니다. 칼슘이 순환의 매개체가 된 데는 이유가 있습니다. 첫째, 칼슘은 파괴되지 않습니다. 화학반응으로 형태가 바뀔 뿐, 원자 자체는 사라지지 않습니다. 수억 년이 지나도 그대로입니다. 순환하려면 파괴되지 않아야 합니다. 둘째, 칼슘은 형태 전환이 쉽습니다. 뼈에서는 하이드록시아파타이트라는 고체로 존재합니다. 녹지 않습니다. 구조를 형성합니다. 그러나 산성 환경에서는 녹아서 이온이 됩니다. 물에 녹아 이동합니다. 다시 적절한 조건에서 침착되어 고체가 됩니다. 저장과 이동이 모두 가능합니다. 셋째, 칼슘은 생명과 비생명을 모두 거칩니다. 암석에 있을 때는 비생명입니다. 생물에 흡수되면 생명의 일부가 됩니다. 생물이 죽으면 다시 비생명이 됩니다. 생명과 비생명의 경계를 자유롭게 넘나듭니다. 이 세 가지 특성 덕분에 칼슘은 순환의 완벽한 매개체가 됩니다. 2000년 사이언스에 발표된 지구 탄소 순환 연구는 이러한 생지화학적 순환이 지구 시스템을 이해하는 핵심임을 강조합니다.
칼슘 순환을 보면 흥미로운 사실을 깨닫게 됩니다. 생명은 지구와 분리되어 있지 않습니다. 생명은 지구화학적 순환의 일부입니다. 칼슘이 암석에서 토양으로, 식물로, 동물로, 다시 토양으로, 바다로, 퇴적물로, 암석으로 순환합니다. 생명은 이 거대한 순환에서 칼슘이 잠시 머무르는 정거장입니다. 당신의 몸은 지구의 일부입니다. 지구에서 빌려온 원자들로 이루어져 있습니다. 죽으면 지구로 돌아갑니다. 당신은 지구 물질의 일시적인 배열입니다. 이것이 환원의 더 깊은 의미입니다. 2011년에 출간된 지구를 만든 혁명들이라는 책은 생명과 지구가 공진화해 왔음을 상세히 설명합니다. 생명이 지구를 바꾸고, 바뀐 지구가 생명을 바꾸고, 그 과정에서 칼슘이 끊임없이 순환합니다.
순환과 진화
이제 진화와 순환의 관계를 생각해봅시다. 진화는 무엇입니까? 시간에 따라 종이 변하는 것입니다. 변이가 생기고, 유리한 변이가 선택되고, 그것이 다음 세대로 전달됩니다. 이 과정이 반복되면서 종이 점점 변합니다. 진화가 작동하려면 세대 교체가 필요합니다. 부모 세대에서 자식 세대로, 자식 세대에서 손자 세대로. 세대가 바뀔 때마다 약간의 변이가 생기고, 선택이 일어나고, 종이 조금씩 변합니다. 세대 교체가 일어나려면 두 가지가 필요합니다. 새 생명이 태어나야 하고, 기존 생명이 죽어야 합니다. 탄생과 죽음입니다. 2000년 네이처에 발표된 왜 우리는 늙는가라는 논문은 노화와 죽음이 진화의 필연적 산물임을 설명합니다.
새 생명이 태어나려면 재료가 필요합니다. 세포를 만들 탄소, 뼈를 만들 칼슘, DNA를 만들 인. 이 재료들은 어디서 올까요? 유한한 지구에서 새로운 재료를 만들 수 없습니다. 기존 재료를 재사용해야 합니다. 죽은 생물의 재료를 사용해야 합니다. 죽은 생물이 재료를 돌려주지 않으면 새 생명이 태어날 수 없습니다. 순환이 작동해야 세대 교체가 가능합니다. 따라서 논리적 순서는 이렇습니다. 진화가 작동하려면 세대 교체가 필요합니다. 세대 교체가 일어나려면 탄생이 필요합니다. 탄생이 일어나려면 재료가 필요합니다. 재료가 공급되려면 순환이 필요합니다. 순환이 작동하려면 죽음이 필요합니다. 죽음이 없으면 순환이 없습니다. 순환이 없으면 재료가 없습니다. 재료가 없으면 새 생명이 없습니다. 새 생명이 없으면 세대 교체가 없습니다. 세대 교체가 없으면 진화가 없습니다. 죽음은 진화의 전제조건입니다.
이 전체 과정에서 칼슘이 무엇을 합니까? 탄생할 때 칼슘이 난자를 깨웁니다. 수정란 활성화의 칼슘 파동입니다. 성장할 때 칼슘이 뼈를 형성합니다. 골격의 하이드록시아파타이트입니다. 번식할 때 칼슘이 다음 세대로 전달됩니다. 어머니에서 태아로. 쇠퇴할 때 DIAH가 칼슘을 유출시킵니다. 뼈에서 연조직으로. 사멸할 때 7M이 퇴장을 실행합니다. 모두 칼슘이 매개합니다. 환원할 때 칼슘이 순환으로 돌아갑니다. 다음 생명이 사용할 수 있게. 하나의 물질이 전체 순환을 관통합니다. 탄생부터 환원까지. 생명의 시작부터 다음 생명의 시작까지. 칼슘이 이 모든 것을 연결합니다.
결론: 순환이 완성된다
이 장에서 우리는 환원을 살펴보았습니다. 생명 순환의 마지막 단계이자, 다음 순환의 시작입니다. 유한한 지구에서 무한한 생명이 가능한 이유는 순환 때문입니다. 죽은 생물이 재료를 돌려주고, 다음 생물이 그것을 사용합니다. 38억 년 동안 이것이 반복되었습니다. 죽음은 끝이 아니라 반납입니다. 개체는 빌렸던 칼슘을 돌려줍니다. 다음 생명이 그것을 빌려 씁니다. 순환이 계속됩니다. 진화는 이 순환 위에서 작동합니다. 순환이 세대 교체를 가능하게 하고, 세대 교체가 진화를 가능하게 합니다. 칼슘이 이 전체 과정을 매개합니다. 탄생을 실행하고, 성장을 실행하고, 쇠퇴를 실행하고, 사멸을 실행하고, 환원을 실행합니다. 하나의 물질이 생명 순환 전체를 관통합니다. 다음 장에서는 개체 수준의 순환과 지구 수준의 순환이 어떻게 연결되는지 살펴보겠습니다. 작은 우주인 인체와 큰 우주인 지구가 같은 패턴을 공유한다는 것을 보게 될 것입니다.
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