Chapter2. 자기복제자

안정을 향하여

자연 선택에 의한 진화라는 다윈의 학설이 납득할 만한 것인 이유는 어떻게 단순한 것이 복잡한 것으로 변할 수 있는지, 어떻게 무질서한 원자가 복잡한 패턴으로 모여 인간을 만들어 내기에 이를 수 있는지 보여주기 때문이다. 다윈은 인간의 존재에 관한 심원한 문제의 해답을 제공해 준다. 그것은 지금까지 제기된 해답 중에서 유일하게 그럴듯하다.

생명의 기원과 자기 복제자

생명 탄생 이전의 지구에는 어떤 화학 원료가 풍부했을까? 확실하지는 않지만 타당성 있는 것들로는 물, 이산화탄소, 메탄, 암모니아 등 태양계 내 적어도 몇 개의 행성에 있다고 알려진 단순한 화합물이 있다. 화학자들은 초기 지구의 화학적 상태를 재현하려는 많은 시도를 했다. 가능성이 있는 이들 단순한 물질들을 플라스크에 넣고 자외선이나 전기 방전(원시 시대의 번개를 인공적으로 모방한 것) 등의 에너지원을 가한 뒤 2~3주 지나면 대개 플라스크 속에서 흥미로운 것이 나타났다. 처음에 넣었던 분자들보다 복잡한 분자들이 다량 포함된 연갈색 액체가 생긴 것이다. 특히 그 액체에서 아미노산이 발견됐는데, 이것은 생물체를 구성하는 대표 물질 두 가지 중 하나인 단백질을 구성하는 요소다.

더 최근에는 생명 탄생 이전의 화학적 상태를 본뜬 실내 실험에서 퓨린(purine)과 피리미딘(pyrimidine)이라는 유기물이 생성됐다. 이들은 유전 물질인 DNA의 구성 요소다.

이와 비슷한 과정이 생물학자나 화학자가 30~40억 년 전에 해양을 구성하고 있었다고 생각하는 '원시 수프'를 만들어 냈음에 틀림없다. 이들 유기물은 아마도 해안 부근의 말라붙은 물거품이나 떠 있는 작은 물방울 속에 국지적으로 농축되었을 것이다. 그것들은 다시 태양으로부터 자외선과 같은 에너지의 영향을 받아 결합하여 더 큰 분자가 되었다. 오늘날에는 거대 유기물 분자가 만들어지자마자 박테리아나 기타 생물에 흡수되어 분해되기 때문에 눈에 띌 정도로 오랫동안 존재하지는 않는다. 그러나 그 당시에는 박테리아나 그 밖의 여러 생물이 아직 생겨나지도 않았다. 거대 유기물 분자는 점점 더 진해지는 수프 속을 아무런 방해도 받지 않고 표류했을 것이다.

자기 복제자

어느 시점에 특히 주목할 만한 분자가 우연히 생겨났다. 이들을 자기 복제자라고 부르기로 하자. 자기 복제자는 가장 크지도, 가장 복잡하지도 않았을 수 있으나 스스로의 복제물을 만든다는 놀라운 특성을 지녔다. 

자기복제자를 주형이라고 생각해보자. 여러 가지 종류의 구성 요소 분자들이 복잡하게 연결된 하나의 거대 분자라고 생각해보자. 이 자기 복제자가 담긴 수프에는 이들 구성 요소들이 많이 떠다닌다. 이제 각 구성요소가 자기와 같은 종류에 대하여 친화성이 있다고 생각해보자. 그렇게 되면 수프 속의 어떤 구성 요소가 자기 복제자에서 자기와 친화성을 갖고 있는 부분과 만날 때마다 자기 복제자에게 들어붙으려고 할 것이다. 이렇게 해서 들러붙은 구성 요소는 자동적으로 자기 복제자 내 구성 요소들의 서열과 같은 식으로 배열 될 것이다. 이렇게 되면 구성 요소들이 최초의 자기 복제자가 만들어졌을 때처럼 안정한 사슬을 만들 것이라 상상하기는 쉽다. 이 과정이 순서에 따라 계속 반복되어 그 산물이 층층히 쌓인다. 이것이 결정체가 만들어지는 방법이다. 한 편 두 가닥의 사슬이 세로로 쪼개질 수도 있는데, 그러면 2개의 자기 복제자가 되어 그 각각이 다시 복제를 계속할 수 있다.

복제의 오류

생물학적 자기 복제자의 복제 오류는 진정한 의미의 개량으로 이어지며, 몇몇 오류의 발생은 생명 진화가 진행되는데에 필수적이다. 최초의 자기 복제자가 얼마나 정확하게 사본을 만들어냈는지는 알 수 없다. 그들의 자손인 현재의 DNA 분자는 인간의 정확한 복사 기술에 견주어 보아도 놀랄 만큼 정확하지만, 그 DNA분자도 때로는 오류를 일으킨다. 그리고 결국 진화를 가능케 하는 것은 바로 이와 같은 오류다. 아마도 최초의 자기 복제자는 더 많은 오류를 저질렀을 것이다. 그러나 어쨌든 오류는 생겨났고, 이 같은 오류들이 누적되어 왔다는 것은 확실하다.

원시 수프는 모두 똑같은 복제자 사본의 개체군이 아닌, 같은 조상으로부터 '유래'한 몇 가지 변종 복제자의 개체군들로 채워졌다. 어떤 변종은 다른 변종보다 그 수가 많았을 것이고, 수명이 길었을 것이다.

다산성과 정확성

어떤 자기 복제자가 개체군 내에서 퍼져 나가는 데 보다 더 중요한 특성은 바로 복제의 속도, 즉 '다산성'이었다. 수프 속의 분자들이 더 높은 '다산성'을 갖는 '진화적인 경향'이 존재했을 것이다.

선택에서 살아남았을 자기 복제자 분자의 세 번째 특징은 복사의 정확성이다. X분자와 Y분자가 같은 시간 동안 존재하고 같은 속도로 사본을 만들지만, X형 분자가 평균 열 번 중 한 번 잘못된 사본을 만들고 Y형 분자가 백 번 중 한 번밖에 잘못된 사본을 만들지 않는다면 분명히 Y형 분자 쪽이 수적으로 많아질 것이다.

수프는 여러 종류의 안정한 분자, 즉 오랜 시간 존속하거나 복제 속도가 빠르거나 복제의 정확도가 높은 안정한 분자들로 가득 차게 되었을 것이다. 이들 세 종류의 안정성을 향한 진화적인 경향이 있다는 것은 다음의 의미를 지닌다. 일정한 시간적 간격을 두고 수프에서 두 번 샘플을 취할 경우, 두변째 샘플에서는 수명, 다산성, 복제의 정확도 면에서 우수한 분자들이 더 많이 포함되어 있을 것이다. 이것이 본직적으로 생물학자가 말하는 생물의 진화이며, 그 메커니즘도 바로 자연 선택이다.

생존경쟁 / 오늘날의 자기 복제자

원시 수프가 무한히 많은 자기 복제자 분자를 담고 있기는 불가능했다. 자기 복제자가 많아지면서 구성 요소 분자는 점점 더 소진되어 결국 희소하고 귀중한 자원이 되었을 것이 틀림없다. 그리고 그 자원을 차지하기 위해 복제의 여러 가지 변종들 내지는 계통들이 경쟁했을 것이다.

그 중에는 자기와 경쟁하는 종류의 분자를 화학적으로 파괴하는 방법을 '발견하여' 한때 다른 분자를 구성했던 구성 요소를 자기의 사본을 만드는 데 이용하는 개체도 있었을 것이다. 이들 원시 육식자는 먹이를 얻음과 동시에 경쟁 상대를 제거할 수 있었다. 

아마도 어떤 자기 복제자는 화학적으로 자신을 보호하거나 둘레에 단백질 벽을 만들어 스스로 방어하는 방법을 찾아냈을 것이다. 이렇게 하여 최초의 살아 있는 세포가 나타난 것이 아닐까? 자기복제자는 단순히 존재하는 것만 아니라 계속 존재하기 위해 자신을 담을 그릇, 즉 운반자까지 만들기 시작했던 것이다. 살아남은 자기 복제자는 자기가 들어앉을 수 있는 생존 기계를 스스로 축조한 것이다.

최초의 생존 기계는 아마도 보호용 외피 정도 였을 것이다. 그리고 생존 기계는 더 정교해지고 누적되면서 개량화 했을 것이다. 장구한 세월동안 어떤 기괴한 자기 보존 기관을 만들어 냈을 수도 있다. 오늘날 자기 복제자는 거대한 로봇 속에서 바깥 세상과 차단된 채 안전하게 집단으로 떼 지어 살면서, 복잡한 간접 경로로 바깥세상과 의사소통하고 원격조정기로 바깥세상을 조정한다. 우리는 아마 그들의 생존기계일 것이다.