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밤하늘의오로라
광합성 생물이 등장하지 않았다면, 현재의 고등 생명체와 같은 복잡한 생물 구조가 형성될 수 있었을까요?
안녕하세요. 지구상의 모든 생명체는 에너지를 얻기 위해 화학 반응을 이용하지만, 광합성을 하는 생물과 유기물을 섭취하는 생물은 에너지 획득 방식이 근본적으로 다릅니다. 이때 광합성 생물이 만들어내는 산소가 대기 조성과 세포 내 미토콘드리아의 진화에 결정적인 역할을 했다고 알려져 있는데, 만약 지구에 산소를 만들어내는 광합성 생물이 등장하지 않았다면, 현재의 고등 생명체와 같은 복잡한 생물 구조가 형성될 수 있었을까요?
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
산소를 만들어내는 광합성 생물이 등장하지 않았다면 현재와 같은 고등 생명체 수준의 복잡한 생물 구조는 형성되기 매우 어려웠을 가능성이 큽니다.
초기 지구 생명체는 철, 황, 수소 같은 무기물을 이용하는 혐기성 화학합성 대사에 의존했으며 이러한 대사는 산화·환원 반응을 통해 에너지를 얻지만, 방출 가능한 자유에너지의 양이 매우 제한적입니다. 이 상태에서는 세포 분열, 단백질 합성, DNA 복구와 같은 기본적 생명 유지에도 에너지의 상당 부분이 소모되므로, 복잡한 세포 구조나 다세포화로 나아갈 에너지 잉여가 거의 존재하지 않습니다. 하지만 광합성 생물이 등장하면서 상황이 근본적으로 바뀌었는데요 이들이 방출한 산소는 대기 조성을 변화시켰고, 이후 산소 호흡이 가능해지면서 ATP 생성 효율은 혐기성 대사에 비해 약 15~18배 이상 증가했습니다. 이 고효율 에너지 생산이야말로 세포 크기 증가, 세포 내 분업, 유전체 확장, 조직과 기관의 분화를 가능하게 만든 핵심 요인이었습니다. 특히 원시 진핵세포가 산소 호흡이 가능한 세균을 공생체로 받아들이면서, 세포 하나가 감당할 수 있는 에너지 생산량이 기하급수적으로 늘어났습니다. 이로 인해 단순한 세포 구조를 넘어 핵, 세포골격, 세포 내 막계를 유지할 수 있었고, 이것이 고등 생명체로 이어지는 진화의 출발점이 되었습니다.
따라서 만약 산소 광합성이 존재하지 않았다면, 지구에는 여전히 미생물 중심의 생태계가 유지되었을 가능성이 큽니다. 감사합니다.
채택된 답변결론부터 말씀드리자면, 산소를 생성하는 광합성 생물이 없었다면 인류와 같은 복잡한 다세포 고등 생명체는 등장하기 매우 어려웠을 것입니다.
여러가지 이유가 있을 수 있지만, 가장 큰 이유는 산소의 사용 유무에 따라 생물학적 에너지를 생산하는 효율과 진화의 원동력 측면에서 한계가 발생하기 때문입니다.
먼저 산소 호흡은 무기 호흡보다 포도당 한 분자당 약 15배 이상의 ATP를 만들어내는데, 이 막대한 에너지가 있어야만 거대한 몸집과 복잡한 뇌를 유지할 수 있습니다.
또한 산소 농도가 높아지며 미토콘드리아와의 내공생이 일어났고, 이를 통해 복잡한 유전 정보를 처리할 세포 구조, 즉 진핵 세포가 완성되었습니다.
그 외 오존층에도 영향을 주었을 것입니다. 산소가 없으면 자외선을 막아주는 오존층이 생기지 않았을 것이고, 결국 생명체는 육지로 올라오지 못한 채 바닷속 미생물 수준에 머물렀을 것입니다.
안녕하세요. 김홍준 전문가입니다.
광합성 생물, 특히 산소 발생 광합성을 수행하는 남세균의 등장이 없었다면 현재와 같은 고등 생명체의 형성은 열역학적 및 진화론적 관점에서 불가능에 가깝다고 판단됩니다.
1. 에너지 생산 효율의 정량적 격차
생명체가 복잡한 구조를 유지하고 기능을 수행하기 위해서는 막대한 양의 에너지가 필요합니다. 산소 유무에 따른 에너지 효율 차이는 다음과 같습니다.
혐기성 대사: 산소가 없는 상태에서 포도당 1분자를 분해할 때 얻는 에너지는 2ATP 입니다.
호기성 대사: 산소를 최종 전자 수용체로 사용하는 세포 호흡을 통해 포도당 1분자당 32ATP를 생성합니다.
산소 호흡은 발효나 혐기성 호흡보다 약 16배 이상의 에너지 효율을 제공합니다.
2. 진핵세포의 탄생과 세포 내 공생
현대 고등 생명체의 기본 단위인 진핵세포는 약 20억 년 전 호기성 세균이 숙주 세포 내로 들어와 미토콘드리아가 된 세포 내 공생설을 통해 탄생했습니다.
진화적 선택 압력: 대기 중 산소 농도가 희박했다면 호기성 세균 자체가 번성할 수 없었으며, 숙주 세포가 호기성 세균을 받아들여야 할 진화적 이점도 존재하지 않았을 것입니다.
게놈의 확장: 미토콘드리아가 제공하는 막대한 에너지는 세포가 더 큰 게놈을 보유하고 복잡한 단백질 합성을 수행할 수 있는 물리적 토대가 되었습니다.
3. 오존층 형성과 육상 진출
광합성 부산물인 산소는 성층권에서 오존층을 형성하여 태양의 강력한 자외선을 차단합니다.
자외선의 영향: 자외선은 유기물의 화학 결합을 파괴하고 DNA변이를 유발하여 생명체에 치명적입니다.
육상 생태계: 오존층이 없었다면 생명체는 자외선을 차단해주는 깊은 수중 환경에 국한되었을 것이며 현재와 같은 다양한 육상 고등 생명체의 진화는 원천적으로 차단되었을 것입니다.
4. 콜라겐 합성과 다세포화
동물의 신체를 구성하는 핵심 단백질인 콜라겐(Collagen)은 합성 과정에서 분자 상태의 산소를 직접 필요로 합니다. 산소가 부족한 환경에서는 결합 조직을 형성할 수 없어 거대한 몸집을 지탱하거나 복잡한 형태를 갖춘 다세포 동물이 출현하기 어렵습니다.
광합성 생물이 등장하지 않았다면 현재와 같은 복잡한 고등 생명체는 형성되기 어려웠을 것으로 판단합니다. 산소 광합성을 통해 대기 중 산소 농도가 급격히 상승하면서 세포는 유기물을 완전히 산화하여 혐기성 대사보다 훨씬 효율적으로 에너지를 얻는 유산소 호흡 체계를 구축할 수 있었고 이는 거대한 몸집과 복잡한 신경계를 유지하는 필수 동력이 되었습니다. 또한 산소로부터 형성된 오존층이 유해한 자외선을 차단하여 생명체가 육상으로 진출할 수 있는 환경을 조성했으며 이러한 에너지 효율의 비약적 상승과 환경적 보호막 없이는 다세포 생물의 정교한 분화와 진화적 도약이 물리적으로 불가능했을 것입니다.