A timeline for evolution of metabolism in early microbes

인류가 지구를 걷기 훨씬 전, 그리고 우리가 알고 있는 최초의 숲이나 바다가 존재하기 훨씬 전, 지구는 미생물에 의해 형성되었습니다. 이 초기 미생물들은 단순한 거주자가 아니었습니다. 그들은 우리 세계의 화학적 구조를 만든 설계자들이었습니다. 생존을 위해 수행한 화학 반응을 통해, 그들은 가스를 방출하고 암석을 분해했으며, 결과적으로 산소로 대기를 채워 이후의 모든 복잡한 생명체가 등장할 수 있는 무대를 마련했습니다. 과학자들은 오랫동안 이 작은 유기체들의 역사를 재구성하려고 노력해 왔으며, 특히 그들이 서로 다른 유형의 대사(에너지를 생명 활동으로 전환하는 화학적 과정)를 수행하는 능력을 언제 발달시켰는지 밝혀내고자 했습니다. 그러나 그 증거는 종종 희미합니다. 수십억 년 전의 암석은 때때로 이러한 고대의 활동을 암시할 수 있지만, 그 기록은 공백과 모호함으로 가득 차 있습니다. 어떤 대사 과정은 암석에 전혀 흔적을 남기지 않기에, 연구자들은 최초의 미고생물이 언제, 어떻게 먹고, 숨 쉬고, 성장하는 법을 배웠는지 궁금해하곤 합니다.

이 수수께일을 풀기 위해 한 연구자는 현대 생명체의 디지털 기록에 주목했습니다. 수백 종의 살아있는 박테리아와 고세균의 유전적 청사진을 분석함으로써, 연구자는 대사의 진화에 대한 새로운 연대표를 구축했습니다. 그들의 연구는 이러한 생명 유지 화학 과정이 시간이 흐름에 따라 무작위로 나타난 것이 아니라, 세 번의 뚜렷한 파동을 통해 도래했음을 시사합니다. 34억 년 전보다 더 이전에 발생한 첫 번째 파동은 산소가 없는 단순한 에너지 생성 방식을 포함했습니다. 약 32억 년 전부터 시작된 두 번째 파동은 결국 산소 사용으로 이어지는 과정을 포함하여 더 복잡한 과정들을 도입했습니다. 마지막으로 약 14억 년 전부터 시작된 세 번째 파동은 더 적은 수의 유기체에서 발견되는 특화된 형태의 대사를 가져왔습니다. 컴퓨터 모델과 생명의 역사를 결합하여 구축된 이 연대표는 고대 암석에서 발견되는 가장 신뢰할 수 있는 연대와 밀접하게 일치하며, 우리 행성이 어떻게 살기 적합한 곳이 되었는지에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다.

연구자는 700종의 서로 다른 현대 미생물의 유전 데이터를 수집하며 연구를 시작했습니다. 연구자는 오늘날 살아있는 유기체에 존재하는 유전자가 그들의 고대 조상으로부터 상속되었다고 가정하며, 이 게놈들을 하나의 역사적 기록으로 취급했습니다. 강력한 컴퓨터 프로그램을 사용하여 이들은 조상들의 유전적 기능을 재구성했으며, 이는 사실상 가장 초기의 생명체들이 어떤 유전자를 가졌는지 예측하기 위해 시간을 거슬러 올라가는 작업이었습니다. 그 후 연구자는 재구성된 유전자들에 두 가지 다른 계산 도구를 적용했습니다. 한 가지 도구는 현대 유기체를 학습한 머신 러닝 방식을 사용하여, 특정 유전적 구성을 바탕으로 고대 미생물이 특정 과업을 수행할 수 있었는지를 추측했습니다. 두 번째 도구는 유전자를 알려진 화학 네트워크에 매핑하여 특정 대사 경로를 위한 필요한 기제들이 존재하는지 확인했습니다. 이 도구들을 진화 계통 전체에 걸쳐 실행함으로써, 연구자들은 음식물을 발효하거나 황 화합물을 호흡하는 능력과 같은 특정 형질이 언제 처음 나타났는지 정확히 짚어낼 수 있었습니다.

결과는 명확한 세 단계의 진화적 파동을 드러냈습니다. 34억 년 전부터 시작된 가장 이른 파동은 혐기성 생물, 즉 산소 없이 번성하는 유기체들이 지배적이었습니다. 이 초기 미생물들은 에너지를 생성하기 위해 발효와 황 화합물의 호흡에 의존했습니다. 이 시기는 암석 기록에서 미생물 생명체의 존재를 보여주는 첫 번째 널리 받아들여지는 화학적 증거와 일치합니다. 두 번째 파동은 약 32억 년 전 시작되었으며, 호기성 다양화를 향한 중요한 전환점을 마련했습니다. 이 시대에는 산소를 에너지원으로 사용하는 능력인 호기성 호흡의 출현이 나타났고, 그 뒤를 이어 호기성 성장이 급증했습니다. 또한 이 시기에는 질소 고정과 산소 발생 광합성(오늘날 우리가 숨 쉬는 산소로 대기를 채우게 된 과정)과 같은 다른 복잡한 형질들의 등장도 포함되었습니다. 약 14억 년 전이라는 훨씬 나중에 나타난 세 번째 파동은 전문화가 특징이었습니다. 이 시기에 미생물들은 셀레늄이나 클로레이트를 호흡하는 능력과 같이, 더 적은 계통에서 발견되는 매우 특정한 대사 능력을 발달시켰으며, 이는 진화 역사의 더 정교한 단계를 나타냅니다.

연구자는 컴퓨터로 생성된 연대표의 신뢰성을 검증하기 위해 이를 지질 기록에서 유도된 독립적인 연대와 비교했습니다. 연구자는 그들의 예측과 고대 암석에서 얻은 가장 보수적이고 널리 받아들여지는 연대 사이에 강력한 일치성이 있음을 발견했습니다. 예를 들어, 모델은 황 기반 호흡과 호기성 성장의 부상을 가장 오래되고 신뢰할 수 있는 지화학적 증거와 일치하는 시기에 예측했습니다. 이러한 일치는 그들의 방법론이 견고하며, 이 연대표가 단순히 컴퓨터 모델의 산물이 아니라 실제 역사적 사건을 반영하고 있음을 시사합니다. 또한 본 연구는 암석 기록에 흔적을 남기지 않는 일부 대사 형태들이 이 유전적 접근법을 통해 이제 연대를 측정할 수 있게 되었음을 강조했습니다. 이를 통해 과학자들은 이전에는 불가능했던 수준의 세부 정보를 사용하여 지구 역사의 빈칸을 채울 수 있게 되었습니다.

이 연대표가 강력한 틀을 제공하기는 하지만, 연구자는 이것이 최종적인 결론은 아니라는 점을 인정합니다. 그들의 모델은 현재 존재하는 효소에 의존하며, 효소 없이 발생했거나 이미 멸종한 유기체들에 의해 수행된 대사 과정은 설명할 수 없습니다. 이러한 한계는 왜 그들의 모델이 일부 논쟁적인 지화학적 흔적들보다 특정 과정이 약간 더 늦게 나타난 것으로 예측하는지를 설명해 줄 수 있습니다. 예를 들어, 모델은 질소 고정의 기원을 일부 암석 증거가 시사하는 것보다 늦게 배치하지만, 연구자가 무엇을 완전한 대사 체계로 간주할지에 대한 기준을 조정했을 때 그 시기는 지질학적 기록에 더 가까워졌습니다. 이러한 미묘한 차이에도 불구하고, 이 연구는 화석 기록, 암석의 화학적 역사, 그리고 생명의 유전적 역사를 하나로 묶어 서로 다른 증거들을 성공적으로 화해시켰습니다. 이는 미생물의 대사가 어떻게 진화하여 침묵하는 화학적 세계를 오늘날 우리가 거주하는 활기차고 산소가 풍부한 행성으로 변화시켰는지에 대한 포괄적인 관점을 제공합니다.