위대한 고생물학자이자 진화 생물학자인 스티븐 제이 굴드는 “지구는 첫 화석이 만들어진 뒤 내내 ‘세균의 시대’였다.”라고 말한 적이 있다. 30억 년 전부터 지구의 암석 속에서, 바다 속에서 번성해 온 세균류는 지구에서 가장 유서 깊고, 지구에서 가장 많은 생물량을 차지하는 지배적인 존재였다. 세균만이 아니라 고세균류나 바이러스류까지 포함한 미생물의 역사는 더 오래되고 깊다. 지구가 소행성과 혜성의 대규목 폭격에서 막 벗어나 식기 시작했을 때인 40억 년 이전까지 그 역사가 거슬러 올라간다. 암석이 처음 생겼을 때부터 지구 미생물의 역사가 시작된 셈이다.
사실 지구 역사의 4분의 3의 기간 동안, 생명의 역사로 치면 6분의 5 기간 동안 지구에는 미생물만 있었다. 만물의 영장이라는 인류의 역사와 다양성은 미생물의 역사와 다양성에 비할 바가 못 된다. 하지만 눈에 보이지 않는 미생물은 보이지 않는다는 단 하나의 이유만으로 무시되어 왔다.
지구의 진정한 지배자 미생물의 왕국은 1673년 네덜란드 옷감 상인 안톤 판 레이우엔훅이 현미경을 발견해 이슬 한 방울을 들여다보기 전까지 존재하지 않는 세계였다. 그러나 이제 레이우엔훅으로부터 350년 정도 흐른 지금 인류는 미생물 왕국의 힘을 이해하게 됐다. 아니, 현대 인류 문명 자체가 미생물 없이는 존재할 수 없다. 빵, 술, 김치 등을 만드는 식품 산업은 물론이고, 보톡스, 항생제, 백신, 항암제 등을 개발하는 제약 산업, 심지어 바이오 연료를 생산하는 에너지 산업에 이르기까지 현대 문명의 곳곳에서 미생물학이 다양한 모습으로 활약하고 있다. 미생물이 없으면 이제 우리는 식사 한 끼 제대로 하지 못하고 질병 치료조차 원활히 받을 수 없다.
이번에 (주)사이언스북스에서 출간된 『아름다운 미생물 이야기』는 현대 사회의 필수 교양으로 부각되고 있는 미생물학에 대한 종합적인 개괄서다. 김완기 아주 대학교 의과 대학 약리학과 교수 겸 대학원 의생명 과학과 교수와 최원자 이화 여자 대학교 자연 과학 대학 생명 과학과 교수 겸 대학원 에코 과학부 교수가 함께 펴낸 이 책은 40년간 분자 생물학과 미생물학 분야에서 연구와 교육을 해 온 두 저자의 경험과 지혜가 오롯이 녹아 있다. “작아서 더 아름다운” 존재인 지구 미생물의 어제, 오늘, 내일을 입체적으로 짚어내고 있다.
특히 미생물의 진화사를 대폭발(big bang)과 우주 팽창, 그리고 은하와 태양계 형성 같은 우주의 진화사와 결합해 빅 히스토리의 일부로서 소개하고 있는 지점이 기존의 미생물학 개괄서들과의 차이점이다. 이것은 자연 과학에 대한 융합 교육의 필요성이 증가하고 있는 교육 현실과 극한 미생물에 대한 연구 성과가 축적되고 있는 현재의 학계 동향을 반영한 결과다. 최근 육상이나 해양 같은 지구 표면만이 아니라 지하 수천 킬로미터 아래 마그마처럼 뜨거운 환경에서 서식하는 미생물이나 방사선 폐기물 저장고 같은 극한 환경에서 서식하는 미생물에 대한 연구 성과가 최근 축적되면서 미생물이 지구에서만 서식 가능한 게 아니라, 우주 공간에서도, 혹은 다른 행성에서도 충분히 서식 가능하다는 게 밝혀지면서, 우주 생물학에 대한 관심이 뜨겁다. 폴 데이비스 같은 이는 지구 생명의 기원이 화성에서 탄생했다 지금은 사라진 생명체가 화성 운석을 타고 우주 공간을 건너온 것이라고 주장하기까지 한다. 김완기 교수와 최원자 교수는 이런 최근 연구 성과들을 바탕으로 한 통찰들을 이 미생물학 입문서에 녹여냈다. 1부 「미생물의 행진」은 최근 연구 성과에 바탕을 두고 미생물의 역사, 지구 생명의 역사를 재구축해 내 미생물학 초심자라도 미생물의 진화사에 대한 큰 그림을 그릴 수 있게 구성했다. 또 2부 「미생물학의 역사」에서는 미생물학의 ‘큰아버지’ 레이우엔훅, ‘아버지’ 파스퇴르, ‘작은아버지’ 코흐의 삶과 업적을 통해 미생물학의 탄생사를 흥미진진하게 살핀다.
최신 연구 성과에 바탕을 두고, 융합 교육의 염두에 둔 구성은 책 곳곳에서 확인할 수 있다. 항생제에 대해 내성을 가진 질병 등에 맞서 분투하는 미생물학자들의 이야기나, 보톡스 같은 새로운 미용 및 의료 관련 기술이나, 바이오 에탄올 같은 새로운 에너지원 개발에 공들이는 산업계 소식을 3부 「생활 속의 미생물」에서 만날 수 있고, 공진화, 전유전체, 합성 생물학 등등 미생물학계의 최근 이슈들도 4부 「미생물과 진화」에서 만나 볼 수 있다.
전 세계적으로 미생물학 산업의 시장 규모는 2016년 현재 89억 달러(약 10조 원)에 이르며 2026년에는 165억 달러(20조 원)에 이를 것으로 추정된다. 사실, 한국의 미래 먹을거리로 주목받는 바이오 산업은 미생물학이 없으면 존재할 수가 없다. 『아름다운 미생물 이야기』를 21세기의 필수 교양으로 그 무게가 날이 갈수록 커지는 미생물학 공부의 출발점으로 삼아 보면 어떨까, 독자들에게 일독을 권한다.

40여 년간 미생물을 연구해 온
분자 생물학과 바이오테크놀리지의 권위자들이 들려주는
미생물학 이야기 보따리

미생물 한 종(種), 한 종, 그리고 생물학적 의미의 사람까지 모두는 자연이라는 커다란 생명 나무를 이루는 하나의 나뭇잎이다. 겉으로는 무관해 보이지만 다른 거의 모든 생물과의 관계와 마찬가지로 미생물과 사람은 떼려야 뗄 수 없는 관계다. 때로는 서로 불편한 관계를 맺지만 대부분은 아름다운 관계다. 그런 관계를 이해함으로써 자연 속에서 인간을 이해하고 왜 자연을 자연답게 보존해야 하는지에 대한 답도 구할 수 있을 것이다.
우리가 미생물을 이해하고 알아야 하는 또 다른 이유는 단순히 미생물이 자연계에서 차지하는 중요성 때문만은 아니다. 사실 몰라도 불편한 것은 없다. 그 이유는 미생물이 생명의 시작이기 때문이다. 미생물들 대부분이 단 하나의 세포로 존재하면서도 그 속에는 생명의 오묘하고 경이로운 현상들을 고스란히 담고 있다. 우리를 귀찮게 하는 파리나 모기를 죽이면서 미안한 마음이 든다면 그것이 생명에 대한 경외심이다. 더 나아가 도저히 하루아침에 생길 것 같지 않은 그 생명 현상들이 인간에게 주는 의미는 무엇인가? 인간에게 생명이란 무엇인가? 에 대해 잠깐만이라도 고민할 필요성을 느낀다면 이 책의 목적 그 이상이다. 각자가 내린 결론이 파괴적이지만 않다면 그것이 어떠하든 인간의 미래는 아름다울 것이다. -본문에서

1부 미생물의 행진
생명이란 무엇인가? 생물학적으로 볼 때 살아 있는 생명체는 엄밀하지는 않지만 일반적으로 다음과 같은 특성을 지닌다. 자라고, 물질 대사를 하고, 외부적으로나 내부적으로 움직이고, 자신과 닮은 개체를 생산하고, 외부 자극에 반응한다. 이를 위해서 탄수화물, 지질, 핵산, 단백질과 같은 성분을 지니고, 살아가기 위해 에너지와 물질을 필요로 하며, 하나 혹은 그 이상의 세포로 이루어져 있다. 또한 살아 있는 생명체는 항상성을 유지하며 진화한다. 사람을 비롯한 지구 상의 모든 생명체는 탄소로 이뤄진 유기체로 이루어져 있지만, 유기체의 반응이 사람의 정신 세계까지 영향을 미칠까 하는 주제에 들어가면 상당히 혼란스러운 것이 사실이다. 이 책에서는 미생물에 국한하기로 한다.

2부 미생물학의 역사
미생물학의 역사는 1600년대 후반 호기심으로 가득 찬 네덜란드의 상인 레이우엔훅이 현미경을 발명함으로써 시작되었다. 그 후 독일의 코흐와 프랑스의 파스퇴르를 거쳐 세포 수준의 근대 미생물학이 완성된다. 20세기 들어 양차 세계 대전으로 인한 정체기에 들었다가 1945년경부터 분자 수준의 현대 미생물학으로 발전한다. 편의상 레이우엔훅, 코흐, 파스퇴르 시대 약 150년 동안을 미생물학 태동기로, 1945년 이후를 현대 미생물학 시대로 나누어 기술한다.

3부 생활 속의 미생물
생활 속에서 미생물은 우리에게 이롭거나 해롭다. 이롭지도 않고 해롭지도 않은 것은 있어도 이로우면서 동시에 해로운 것은 거의 없다. 이롭거나 해롭지 않은 미생물의 수는 해로운 미생물의 수보다 훨씬 많다. 우리 주위에 퍼져 있는 미생물만 중요한 것이 아니다. 우리 몸 안의 미생물도 중요하다. 아주 최근을 제외하고는 인간 질병의 역사는 해로운 미생물과의 싸움이었다. 하지만 우리가 느끼지 못하는 곳에서 미생물들은 눈에 보이지 않게 자연을 아름답게 만든다. 3부에서는 인간과 미생물 혹은 생활 속의 미생물을 다루되 재미를 끌 만한 미생물만 골라서 기술한다. 자세한 내용이 필요할 경우 각 분야의 전문적인 서적을 참조하기 바란다.

4부 미생물과 진화
수많은 미생물 가운데 사람과 직접 접촉하면서 살아가는 미생물도 상당히 많다. 4부에서는 감염성 미생물에 대처하는 사람의 면역 체계의 진화, 장내 세균과 사람의 공진화, 미생물의 시험관 안의 진화, 그리고 인공 미생물의 등장과 이에 따른 생명의 이해를 기술한다.

조이스는 “지상 생명체가 모두 이런 식으로 진화했음을 입증하는 것은 아니다.”라고 덧붙였다. 그는 “생명이란 다윈식 진화를 하는 화학이다.”라고 결론지었다. “다윈식 진화”란 돌연변이를 통한 자연 선택을 받는다는 뜻이다. 무정하게 들릴지 모르지만, 조이스의 결론에서 “다윈식 진화”란 말을 지워 보자. 그럼 다음 결론이 나온다.
“생명은 화학이다.”
-2장 「생명으로 가는 길」에서

세포에서 생명을 유지하기 위해 생명체 안에서 일어나는 화학 반응을 물질 대사(物質代謝, metabolism) 혹은 신진 대사(新陳代謝)라 한다. 그리스 어 metabole는 영어로 change를 뜻한다. ‘신진’은 새 것(新)과 묵은 것(陳), ‘대사’는 번갈아(代) 갈아듦(謝)을 뜻한다. 즉 묵은 것이 없어지고 새것이 대신 생기는 일이다. 생명을 유지하기 위해서는 생명체가 필요한 것을 섭취하고 불필요한 것을 배출해야 한다.
-4장 「물질 대사」에서

일여름철에 우리는 가끔 흔히 ‘녹조 라테’라고 부르는 물 위의 초록색 양탄자를 볼 수 있다. 이른바 녹조(綠潮, algal bloom) 현상이다. 담수 조류의 일종으로서 옅은 초록색을 띠는 녹조(綠藻, green algae)와 혼동하기 쉽다. 녹조 현상은 남조류(藍藻類)가 과도하게 성장해 물의 색깔이 짙은 초록색으로 변하는 현상을 말한다. 이 남조류의 조상이 바로 37억 년 전 스트로마톨라이트를 만든 그 남세균이다. 스트로마톨라이트를 아는 사람들에게 남조류는 35억 년 전으로 돌아가는 타임머신이다. 이 타임머신을 타면 지구 최초의 광합성 세균이면서 아직도 산소 방울을 보글보글 내뿜는 오스트레일리아 샤크 만 해멀린 풀의 남세균 조상을 만날 수 있을 것이다
-5장 「미생물의 진화」에서

섬미생물(微生物, microorganism)은 일반적으로 맨눈으로는 관찰할 수 없는 작은 생물이다. 맨눈으로 볼 수 있는 사물의 크기가 머리카락 한 올의 지름이 평균 50~70마이크로미터(μm, 1마이크로미터는 100만분의 1미터다. 20개의 머리카락을 쌓아야 1밀리미터 두께가 된다.) 정도임을 감안하면, 그 크기를 짐작할 수 있다. 미생물은 영어로 ‘microorganism’이라고 하는데, micro-는 그리스 어로 ‘작다.’라는 의미다. 안 보인다고 없는 것은 아니다.
-6장 「미생물이란?」에서

미생물학의 ‘큰아버지’ 레이우엔훅, ‘아버지’ 파스퇴르, ‘작은아버지’ 코흐의 시대가, 곧 근대 미생물학 시대이고 그들의 미생물 연구 역사가 곧 근대 미생물학 역사다. 개인적으로 파스퇴르가 미생물학의 아버지라고 생각하는데 우연히 맞아 떨어진다. 초기 미생물학의 역사는 이 세 사람의 전기나 마찬가지다.
-7장 「미생물학의 태동」에서

지난 몇 년간 그러한 기술의 진보에 기초한 극한 미생물의 연구는 현대 생물학의 패러다임들에 도전하고, ‘생명이란 무엇인가?’, ‘생명의 한계는 어디까지인가?’, ‘생명의 기본 특징은 무엇인가?’ 같은 생명에 대한 흥미로운 질문들을 다시 생각하게 하는 만드는 획기적인 발견을 제공했다. 이러한 발견들은 극한 환경에서 사는 생물들의 연구를 가장 흥미진진한 연구 분야 중 하나로 만들었으며 생명의 기초에 대해서 많은 것을 이야기해 줄 것이다.
-9장 「자연과 미생물」에서

지표면 70퍼센트를 덮고 있으며 평균 깊이가 3,800미터나 되는 바다는 맨눈으로 보이지 않는 미생물들로 가득 차 있다.7, 8 약 3.6×1030개로 추정되는 해양 미생물은 해양 생물 총량의 90퍼센트 이상을 차지한다. 바이러스 입자들의 수는 이보다 100배 많을 수 있다.
-9장 「자연과 미생물」에서

항생제 내성을 가지는 세균 출현의 원동력은 돌연변이와 형질 전환이다. 돌연변이는 막을 수 없는 자연 현상이므로 항생제 붉은 여왕 효과의 결과는 자명하다. 이 시점에서 우리가 선택할 수 있는 방법은 간단하다. 또 다른 슈퍼 박테리아의 출현을 최대한 늦추는 것이 상책이다. 병원균의 항생제 내성 돌연변이가 될 수 있으면 안 일어나게 항생제 노출, 즉 항생제의 사용을 최소화해야 한다.
-10장 「항생제」에서

우리 밥상 위에서 활약하는 미생물들을 다루는 학물이 식품 미생물학이다. 식품 미생물학은 음식 부패를 유발하는 미생물의 연구를 포함해, 음식물에서 살아가고, 음식물을 만들거나 오염시키는 미생물에 대한 학문이다
-11장 「밥상 위의 미생물」에서

전 세계적으로 산업 미생물학 제품의 시장 규모는 2016년 현재 89억 달러에 이르며 2026년에는 165억 달러에 이를 것으로 추정된다. 이중 식품 관련 산업이 49퍼센트를 차지하며 의약 산업이 21퍼센트, 화장품을 비롯한 미용 및 위생 등의 개인 생활용품(personal care product, PCP) 산업이 17퍼센트, 맥주 등 음료 산업이 7퍼센트, 수질 관리 등 환경 산업이 4퍼센트, 그리고 기타 산업이 2퍼센트를 차지한다. 전 세계적으로 9만 개의 산업 미생물학 관련 공장이 운영되고 있다.
-12장 「미생물 공장」에서

면역 체계를 갖춘 다세포 생물에서 몸의 일부분이지만 몸 밖이라고 여겨지는 모든 기관 혹은 부위에서 세균이 살 수 있다. 사람의 경우 입부터 항문까지의 소화 기관, 허파, 콩팥을 비롯한 비뇨기, 귓속, 생식기, 피부 등이 해당되며 서식하는 미생물의 수는 인간의 전체 세포 수의 10배 이상이다.
-13장 「장내 세균」에서

2012년부터 활성균 효과에 대한 연구를 검토한 끝에 유럽 식품 안전청은 유럽에서 생산된 활성균 제품이 건강에 도움이 된다는 상업적 활성균 제조자들의 주장에 대한 모든 청원을 기각했다. 이유는 건강에 이롭다는 주장을 바탕으로 유럽 식품 안전청에 요청된 모든 사례에서 활성균 제품 복용과 건강상 이로움 사이의 인과 관계를 증명하기에는 과학적 증거가 불충분한 것으로 판단했다. 미국 FDA는 미국에서 판매되는 활성균의 효능을 알리는 문구에 대해 사전 승인을 요구한다. 임상적 증거 없이 활성균 제품이 건강상 이롭다는 주장만 하면 법적 조치를 당할 수 있다.
-14장 「활성균」에서

오늘날까지 1,200종 이상의 생물 무기 또는 잠재적 생물 무기가 생산 또는 연구되고 있다. 그러나 이 생물 무기는 전쟁과는 아무런 상관없는 민간인을 대량 살상하는 단점을 가지고 있다. 생물 무기, 화학 무기 등은 매우 싼 값의 개발비와 대량 생산비로 대량 학살을 할 수 있어서 ‘빈자(貧者)의 핵무기’라고 불린다.
-16장 「생물 무기」에서

상대방을 죽여야 자기가 사는 병원체와 숙주의 숨바꼭질이 언제 시작되었는지 모르지만 둘 중 하나는 멸종될 때까지 계속될 것이다. 역사상 인류가 정복한 유일한 병원체인 천연두 바이러스가 그 사례다. 거대한 종의 진화 사다리에서는 벗어났지만 병원체와 숙주의 숨바꼭질은 매우 정교한 국소적 진화의 정수를 보여 준다. 미생물은 숙주의 면역 체계를 고도로 변화시켜 종분화를 촉진했는지도 모른다.
-17장 「미생물과 면역 체계의 진화」에서

공생 관계에 있는 생물들은 서로를 받아들이도록 진화하며 공생 관계는 참여 종들의 전체적인 건강을 증진시킨다. 전유전체 이론은 아직도 논쟁 중일지라도 그것은 전통적인 다윈주의 틀 안에서는 일어나기 어려운 신속한 적응 변화를 설명하는 수단으로서 과학계 안에서는 상당한 정도의 인기를 얻고 있다
-18장 「미생물과 공진화」에서

합성 생명체의 밝은 전망에도 불구하고 우려의 목소리 또한 크다. 이것은 순전히 인간의 신뢰에 대한 문제다. 이미 그러한 조짐이 보이지만 잘못 사용된 인공 생명체가 가져올 재앙은 상상하기 쉽지 않다. DNA 합성으로 효모의 염색체 3분의 1 정도 만들 수 있는 현재의 기술력으로 보아 세균을 만드는 것은 단지 시간 문제일 것이다. 컴퓨터 바이러스나 생화학 무기의 예에서 볼 수 있듯이 미친 인간은 언제든 어디서든 있어 왔고, 장담하건대 또 있을 것이다. 최선을 바랄 수 없으면 차선을 구해야 한다. 유전자 재조합과 동물 복제 경우처럼 합성 생명체의 악용 가능성에 대한 최악의 상황을 상정해 사회적 합의하에 적당한 규제를 통해 해결하는 수밖에 없다.
-20장 「인공 미생물」에서

머리말 007
용어에 대하여 011

1부 미생물의 행진
1장 생명 물질 019
2장 생명으로 가는 길 047
3장 최초의 생명체 075
4장 물질 대사 095
5장 미생물의 진화 125
6장 미생물이란? 153

2부 미생물학의 역사
7장 미생물학의 태동 171
8장 현대 미생물학 199

3부 생활 속의 미생물
9장 자연과 미생물 237
10장 항생제 255
11장 밥상 위의 미생물 271
12장 미생물 공장 291
13장 장내 세균 315
14장 활성균 333
15장 미생물과 감염 351
16장 생물 무기 377

4부 미생물과 진화
17장 미생물과 면역 체계의 진화 395
18장 미생물과 공진화 413
19장 시험관 안의 미생물 진화 429
20장 인공 미생물 449

맺음말 469
후주 475
찾아보기 490

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