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미토콘드리아, 진화의 숨은 지배자

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- 도서] 미토콘드리아 : 진화의 숨은 지배자
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제1부 희망적인 괴물: 진핵세포의 기원
1. 진화의 가장 깊숙한 틈새  
2. 조상을 찾아서
3. 수소가설

제2부 생명의 힘: 양성자 동력과 생명의 기원
4. 호흡의 의미  
5. 양성자 동력  
6. 생명의 기원

제3부 내부자 거래: 복잡성의 기초
7. 왜 세균은 단순한가?
8. 미토콘드리아와 복잡성

제4부 거듭제곱 법칙: 크기와 복잡성
9. 생물학의 거듭제곱 법칙  
10. 정온동물의 대변혁

제5부 타살 또는 자살: 개체의 불안한 탄생
11. 몸 안의 충돌  
12. 개체의 형성

제6부 양성 간의 전쟁: 고인류학과 성의 본질
13. 성의 불균형  
14. 고인류학이 알려준 성의 일면  
15. 양성이 있어야만 하는 이유

제7부 생명의 시계: 미토콘드리아와 노화
16. 미토콘드리아 노화이론  
17. 자가조정장치의 소멸  
18. 노화의 치료법?

미토콘드리아는 세포마다 평균 300~400개씩 들어 있으며 몸 전체로 따지면 그 수가 모두 1경 개에 이른다. 미토콘드리아는 아주 작다. 미토콘드리아 1억 개를 모아야 모래알 한 알 정도밖에 되지 않는다! 미토콘드리아의 진화는 언제나 활용이 가능하고 활발하게 움직일 수 있는 터보엔진을 생명체에 달아준 격이다. 모든 동물에는 반드시 미토콘드리아가 있다. 가장 느린 동물도 예외가 아니다. 한곳에 붙박이로 사는 식물과 해조류조차도 광합성을 통해 태양에너지의 은밀한 소리를 증폭시키는 데 미토콘드리아를 이용한다. 이렇듯 복잡한 세포에는 반드시 미토콘드리아가 들어 있다. 미토콘드리아의 겉모습은 세균과 닮았는데, 겉만 그런 것이 아니다. 미토콘드리아는 한때 독립생활을 하던 진짜 세균이었으며 더 큰 세포 안에서 적응하게 된 것은 약 20억 년 전의 일이다.
그 이전 20억 년 동안 지구를 지배한 세균은 진정한 복잡성을 만들어내지 못했다(어쩌면 다른 행성에서는 지금도 이런 상태가 생명체의 발목을 잡고 있을지도 모른다). 이후, 두 세균의 연합이 진화의 빅뱅을 일으켰으며 그때부터 조류藻類와 균류와 식물과 동물이 나타나기 시작했다. 과거에는 독립된 생명체였다는 것을 알리는 훈장처럼, 미토콘드리아는 DNA를 포함한 세균의 특징을 아직도 분명히 지니고 있다. 운명적인 연합이 이루어진 이래, 미토콘드리아와 숙주세포 사이의 뒤틀리고 예측할 수 없는 관계는 혁신적인 진화의 산물을 하나씩 만들어나갔다. 미토콘드리아가 없었다면 우리가 아는 이 세계는 존재하지 않았다. 미토콘드리아의 이야기는 생명 자체의 이야기다.
한편 ‘미토콘드리아 이브(Mitochondrial Eve)’라는 표현에 더 익숙한 사람들도 있을 것이다. 미토콘드리아 이브는 오늘날 살아가는 모든 인류의 가장 최근 공통조상으로 추정된다. 모계를 따라 올라가면서 유전물질을 추적하면, 다시 말해 어머니의 어머니, 또 그 어머니의 어머니, 이런 식으로 계속 아득히 먼 옛날로 거슬러 올라가면 미토콘드리아 이브가 있다. 모든 어머니들의 어머니인 미토콘드리아 이브는 약 17만 년 전 아프리카 대륙에 살았던 것으로 추정되어 ‘아프리카 이브(African Eve)’라는 이름으로도 불린다. 유전학적인 조상도 같은 방법으로 추적할 수 있는데, 그 이유는 모든 미토콘드리아에 들어 있는 미량의 유전자 때문이다. 이 유전자는 정자가 아닌 난자를 통해서만 다음 세대로 전달된다. 다시 말해서 미토콘드리아 유전자가 모계의 성姓과 같은 구실을 하므로 모계를 따라 조상을 추적하는 일이 가능하다는 것이다.
과학자들은 미토콘드리아의 노예화가 없었다면 우리 모두는 지금도 단세포 생물인 세균을 벗어나지 못했을 것이라고 주장한다. 사실, 미토콘드리아의 중요성은 상상 그 이상이다. 오늘날 선사인류학, 유전질환, 세포자살, 불임, 노화, 생체에너지학, 성, 진핵세포를 다루는 다양한 연구 분야의 중심에는 미토콘드리아가 있다.

 

 

서평 : 김상옥 교수

http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?artid=201602261938505&code=960205#csidxf46032c0b0af86b8e72ff4b11413289

진핵세포란 무엇일까? “무슨 세포?”라며 되물을 사람이 많을 거다. 빅뱅, 힉스입자, 중력파, 블랙홀, 평행우주에 대해서는 다른 답이 나올 듯하다. 많은 이들이 물리를 싫어하지만 정작 생물보다 물리에 익숙한 것은 기이한 일이다. 도처에 널린 생명체보다 가늠조차 하기 힘든 우주나, 이해 불가능한 원자의 세계가 오히려 더 흥미로워서일까? 나는 이론물리학자이지만 사실 우주보다 생명에게서 경이로움을 더욱 느낀다. 우리는 우주의 시작에 대해 알고 있으나 최초의 생명에 대해 알지 못한다. 생명이 우연의 산물인지 필연적 귀결인지조차도 알지 못한다. 생명이 당연해 보인다면 그건 단지 생명이 넘치는 지구에 당신이 살고 있기 때문이다.
지구상에 존재하는 모든 생명체의 기본단위는 세포다. 인간이 모여 사회가 되듯이, 세포가 모여 생물이 된다. 물론 세포 하나로 된 생명체도 있다. 아니 대부분의 생명체는 세포 하나로 된 단세포 생물, 세균이다. 세균은 지구상 어디에나 있다. 지금 이 글을 읽기 위해 신문을 쥐고 있는 당신의 손에도 수천종의 세균 수억 마리가 우글거리고 있다. 세포는 원핵세포와 진핵세포로 나뉜다. 이 둘의 차이는 핵막의 존재 여부다. 핵막을 가진 진핵세포는 중요하다. 당신이나 고양이, 고등어, 소나무 같은 모든 다세포생물이 진핵세포로 구성되기 때문이다.
진핵세포의 핵막 안에는 유전물질인 DNA가 들어있다. 진핵세포가 뭔지 모르는 사람도 DNA는 아마 알 것이다. DNA 덕분에 인간이 인간을 낳고 돼지가 돼지를 낳는다. 생명체에게 번식도 중요하지만, 가장 중요한 것은 살아있는 그 자체다. 며칠 굶주린 사람에게는 데이트보다 밥 한 그릇이 더 중요하지 않겠는가? 생명이 살 수 있도록 에너지를 생산하는 세포 내 기관이 바로 ‘미토콘드리아’다. 바로 오늘 소개할 닉 레인의 책 제목이다.
세포 내 특정 소기관 이야기라, 이렇게 전문적인 책을 고전으로 고르다니 필자가 정신 나간 거 아닐까? 이런 의문은 이 책을 조금만 읽어보면 해결된다. 생명의 에너지원, 다세포생물의 탄생, 세포자살, 성(sex)의 본질, 노화의 본질 등. 다세포생물이라니까 특별한 생물 같지만, 세균이 아닌 모든 생명체, 적어도 눈에 보이는 모든 생명체를 가리키는 거다. 세포자살이 왜 중요하냐고? 참고로 자살하지 않는 세포를 ‘암세포’라고 부른다. 당신의 걱정거리는 대부분 성이나 노화와 관련된 거 아닌가? 이쯤 되면 이런 방대한 주제가 세포 내 하나의 소기관으로 설명된다는 사실이 경이로움으로 다가온다. 사실 <미토콘드리아>(뿌리와이파리)의 원서 제목은 ‘Power, sex, suicide: mitochondria and the meaning of life’(힘, 섹스, 자살: 미토콘드리아와 생명의 의미)다.
우리 몸을 이루는 세포는 모두 동일한 유전자를 갖는다. 나의 발가락을 이루는 세포와 코를 이루는 세포는 유전자가 같기 때문에 나의 일부다. 이들의 유전자는 모두 세포핵 안에 있다. 이 유전자는 난자와 정자가 수정한 이후 얻어진 부모의 정보를 복제한 거다. 미토콘드리아는 자신만의 유전자를 가지고 있다. 미토콘드리아는 세포핵 외부의 기관으로 원래 번식과 상관없다. 그렇다면 왜 미토콘드리아에 유전자가 있는 걸까? 아주 먼 옛날에는 세포핵이 없는 원핵생물, 쉽게 말해서 세균만 있었다. 20억년 전 어느 날, 원핵생물 두 마리가 같이 살기로 한다. 진핵세포의 탄생이다. 미토콘드리아는 원래 독립적으로 살던 원핵생물이었으며, 그래서 자신의 유전자를 갖고 있다.
미토콘드리아의 공생이 아름다운 협력일 거라고만 생각하면 오산이다. 세포를 죽이는 세포자살을 결정하는 것은 핵이 아니라 미토콘드리아의 유전자니까. 세포자살은 다세포생물이라는 사회조직을 유지하는 공권력이다. 쓸모없는 세포가 제때 사라져주지 못하면 생명은 유지되기 힘들다. 미토콘드리아가 없었으면 애초에 다세포생물과 같이 복잡한 생명체가 탄생할 수도 없다. 미토콘드리아라는 휴대용 에너지 유닛이 없었으면 복잡함을 유지할 충분한 에너지를 공급할 수 없기 때문이다. 하지만, 미토콘드리아발전소는 원자력발전소만큼이나 위험하다. 미토콘드리아가 잘못 작동하면 자유라디칼이 생성되는데, 이것이 노화를 일으키는 주범이기 때문이다. 결국 미토콘드리아 덕분에 생명이 복잡하게 진화할 수 있었으나, 그 대가로 노화와 죽음을 맞이하게 된 것이다.
책 <미토콘드리아>는 심오하고 흥미롭지만, 자세한 내용이 많아 쉽지만은 않다. 사실 그것이야말로 이 책의 진짜 미덕이다. 답을 찾아가는 과학의 ‘생얼’을 오롯이 보여주기 때문이다. 장담컨대 이 책을 읽고 나면 생명과학 책이 더 읽고 싶어질 거다. 생명의 이야기가 시간여행이나 양자역학의 이중성만큼이나 경이롭다는 것을 깨닫게 될 테니까. 닉 레인이 쓴 책을 모조리 사볼지도 모른다. 8년 전의 내가 그랬듯이.