지구에 생명의 불꽃을 재현할 수 있을까요?

지구에서 가장 초기 생명체의 기원은 오랫동안 과학자들을 매료시켰습니다. 그것을 일으킨 조건을 다시 만들 수 있습니까? 약 45억년 전에 새로 형성된 행성 지구에는 동물, 식물, 박테리아가 없었습니다. 그러나 불과 몇 억년 후에 최초의 원시 생명체가 나타났습니다. 정확히 어떻게 이런 일이 일어났는지는 과학의 가장 큰 미스터리 중 하나이지만, 무엇이 그것을 촉발시켰는지 알아내는 데 그 어느 때보다 가까워질 수 있습니다. 그리고 이제 연구원들은 실험실에서 프로세스를 재현하는 데 큰 진전을 이루고 있습니다.

행성이 처음 형성되었을 때 지구의 조건은 생명체가 살기에 너무 열악했습니다 . 격렬한 화산 폭발로 황화수소가 대기 중으로 분출되었고 산소가 거의 없었으며 행성은 소행성의 빈번한 폭격에 직면했습니다.

그러나 우리는 불과 2억년 후에 지구가 훨씬 더 환영받는 곳이 되었다는 것을 알고 있습니다. 화석 기록에 따르면 세계는 약 37억 년 전부터 단순한 단세포 유기체로 가득 차 있었습니다 . 그렇다면 이 최초의 생명체는 어떻게 생겨났을까요?

생명체가 존재하려면 메탄과 같은 탄소 함유 유기 화합물과 물, 에너지원이 필요하다는 데 의견이 일치합니다. 이 스파크는 단백질의 구성 요소인 아미노산과 DNA와 구조적으로 유사한 모든 살아있는 세포에 존재하는 핵산인 RNA와 같은 보다 복잡한 분자를 생성하는 데 필요한 화학 반응을 시작합니다. 그러나 불꽃을 일으킨 것은 무엇이며 우리는 그것을 재현할 수 있습니까?

 

번개 폭풍

한 가지 생각은 초기 지구에 존재했던 강렬한 자외선 복사와 번개가 아미노산에 에너지를 제공했고 나중에는 DNA와 RNA와 같은 분자가 바다에서 형성될 수 있었다는 것입니다.

이 이론에 대한 지지는 1952년 시카고 대학 대학원생 Stanley Miller가 노벨 화학상 수상자 Harold Urey와 팀을 이루어 초기 지구의 대기 조건을 재현 하려고 시도했을 때 나왔습니다 . 그들은 밀폐된 유리 용기에 암모니아, 메탄 및 수증기를 주입한 다음 비이커를 통해 전기 스파크를 통과시켜 낙뢰를 시뮬레이션했습니다. 놀랍게도 아미노산이 자발적으로 형성되었습니다. 그러나 이후 연구에 따르면 Miller와 Urey가 모델링한 대기 조건은 당시 지구에 존재하지 않았을 가능성이 높습니다. 또 다른 문제는 40억년 동안 행성이 대부분 얼음으로 덮여 있었고 그러한 조건에서 번개가 거의 발생하지 않는다는 것입니다 .

그러나 Miller의 전 학생이자 San Diego의 Scripps Institution of Oceanography의 해양 화학 교수 인 Jeffrey Bada는 번개가 화산재 구름 내에서 형성되었을 수 있다고 믿습니다 . 그러한 조건이 강한 번개 폭풍을 일으킨다고 생각할 충분한 이유가 있습니다. 2022년 남태평양의 수중 화산 훙가 통가–헝가 하파이가 폭발 하여 가스, 화산재, 해수 증기의 혼합물을 대기 중 33마일(52.8km)까지 분출했습니다. 그 결과 단 5분 만에 25,508번의 놀라운 번개가 쳤습니다.

바다는 "초기 지구에는 작은 화산섬이 많이 있었다"고 주장한다. "나는 이 화산들이 매우 격렬하게 분출하고 있다고 생각하며, 그것들이 많이 있었습니다."

웅덩이에서 특정 가스를 치는 번개는 단백질의 구성 요소인 아미노산을 생성하기에 적합한 조건을 만들었을 수 있습니다(Credit: Getty Images)

화산은 일산화탄소와 수소와 같은 가스를 대기 중으로 분출했을 것입니다. Bada에 따르면 분출을 수반하는 강렬한 번개는 이러한 가스를 아미노산으로 전환시키는 불꽃을 제공했을 수 있습니다.

최근 연구에서 Bada는 독일 뮌헨 대학의 동료들과 함께 일산화탄소와 수소 가스를 포함하는 장치에서 화산 번개를 시뮬레이션했습니다.

Bada는 "실험실에서 결과를 처리했고 확실히 아미노산을 찾았습니다."라고 말합니다.

아미노산은 화산의 측면에 떨어지기 전에 대기에서 처음 형성되었을 것입니다. 그곳에서 그들은 생명이 번식하기 더 쉬운 작은 연못과 호수로 씻겨 나갔을 것입니다.

수영장에서 시작하는 문제는 거기에 분명한 추진력이 없다는 것입니다 – Nick Lane

이것은 생성된 탄소 기반 화학 물질이 즉시 표류하고 다른 분자와 반응할 만큼 충분히 가까이 오지 않기 때문에 생명이 열린 바다에서 시작될 수 없었다는 초기 주장을 반영합니다. 그러나 얕은 웅덩이에서는 태양열이 물을 증발시켜 시안화수소와 같은 화학 물질을 함께 농축시켜 서로 더 자주 만날 수 있게 합니다. 연구자들은 실험실에서 그러한 과정을 재현하여 시안화수소로부터 생명의 세 가지 주요 분자 구성 요소인 DNA, 단백질 및 지질을 성공적으로 생성했습니다.

그러나 일부 과학자들은 이 이론에 대해 여전히 회의적이다.

UCL(유니버시티 칼리지 런던)의 진화 생화학 교수인 닉 레인(Nick Lane)은 "내 생각에 [생명]이 웅덩이에서 시작하는 문제는 거기에 분명한 추진력이 없다는 것입니다."

"이론은 UV 방사선이 시안화물 분자에 에너지를 공급하여 반응하게 만들 수 있다는 것이지만, 초기 지구에 얼마나 많은 시안화물이 있었는지는 의문입니다. 초기 생명체는 시안화물이 아닌 수소와 이산화탄소에서 성장한 것으로 생각되며, 화학적 경로는 완전히 다르기 때문에 생명체가 했던 동일한 지점에서 시작하는 것이 아닙니다."라고 Lane은 말합니다.

 

열수 분출구

Lane은 바다 밑바닥에 있는 열수 분출구가 생명이 시작된 곳일 가능성이 더 높다고 믿고 있습니다. 이 미로와 같은 구조는 탁 트인 바다에서 떨어진 안식처와 같습니다. 여기서 뜨겁고 미네랄이 풍부한 유체가 지각의 작은 틈에서 거품이 일어납니다.

일부 과학자들은 초기 지구에 형성된 화산섬이 생명체를 부화했을 수 있다고 믿고 있습니다. (Credit: Getty Images)

"수열 분출구는 많은 양의 수소를 제공하며 초기 해양에는 CO2가 풍부했기 때문에 분출구는 이러한 화학 물질이 함께 모이는 이상적인 혼합 영역이 될 수 있었습니다."라고 Lane은 말합니다.

수소가 CO2와 반응하면 카르복실산을 형성합니다. 이들로부터 세포막의 주요 구성 요소인 지방산과 아미노산 사슬을 만들 수 있습니다.

열수 분출구의 중심에 있는 기공은 수소와 CO2 사이의 반응을 촉매하는 데 중요한 역할을 했을 수 있습니다. Lane에 따르면, 그들은 거의 세포와 같은 구조를 가지고 있으며, 철 황 광물을 포함하는 막이 있습니다. 기공의 외부도 내부에 비해 양전하를 띠며, 이를 양성자 구배라고 합니다. 이것은 세포에서 일어나는 것과 같은 과정입니다.

우리는 열수 분출구와 유사한 조건에서 실제로 수행하는 것이 더 쉽다는 것을 발견했습니다 – Nick Lane

"그 세포와 같은 구조는 수소와 CO2의 반응 사이의 장벽을 효과적으로 무너뜨립니다."라고 Lane은 말합니다.

"그들은 둘 다 매우 안정적인 가스입니다. 일반적으로 매우 쉽게 반응하지 않습니다. 그러나 철황 광물과 양성자 기울기가 결합되어 반응합니다."

지난 10년 동안 연구원들은 프리바이오틱 화학물질이 열수 조건에서 형성될 수 있음을 실험적으로 입증하기 시작했습니다. 2019년 UCL의 Lane과 그의 팀은 열수 분출구와 유사한 환경에서 간단한 '프로토셀'을 만드는 데 성공했습니다 .

Lane은 이전 연구에서 열수 조건 에서 형성될 수 있는 것으로 나타났던 지방산과 지방 알코올을 선택하여 자발적으로 기본적인 세포막을 형성하도록 했습니다. 놀랍게도 효과가 있었습니다.

"우리는 이중층 막을 얻었고 내부에 물이 있습니다."라고 Lane은 말합니다.

" 우리는 실제로 열수분출구와 유사한 조건에서 하는 것이 더 쉽다는 것을 발견했습니다. 알칼리성, 따뜻한 온도 및 염수가 필요합니다."

유성 충돌

또 다른 이론은 떨어지는 운석이 최초의 유기 화합물을 형성하는 불꽃을 제공했을 수 있다는 것입니다. 운석에는 지구에서 촉매로 흔히 사용되는 철, 니켈, 코발트, 우라늄과 같은 금속이 다량 함유되어 있습니다. 운석이 대기권에 진입하면 가열되어 이러한 금속이 산화됩니다.

"초기 지구에는 대부분 CO2와 질소로 구성된 대기가 있었기 때문에 CO2가 이러한 조건에서 활성화될 수 있다고 생각했습니다."라고 Ludwig Maximilian University of Munich의 유기 화학 교수인 Oliver Trapp은 말합니다.

연구에 따르면 해저 화산 분출구는 생명체가 발달할 가능성이 더 높은 환경이었을 수 있습니다(Credit: Getty Images)

올해 한 연구에서 Trapp의 박사 과정 학생인 Sophia Peters는 운석과 화산재에서 채취한 철 입자를 초기 지구에 존재했다고 생각되는 다양한 광물과 혼합했습니다. 이 광물은 철 입자가 부착되는 일종의 지지 구조 역할을 합니다.

이 단계에서 지구의 대기에는 산소가 포함되어 있지 않았기 때문에 Peters는 혼합물에서 거의 모든 산소를 제거했습니다. 그런 다음 그녀는 혼합물을 주로 이산화탄소(CO2)와 수소 분자로 채워진 압력 챔버로 가져와 지구 표면의 높은 대기압을 복제했습니다.

실험은 효과가 있었습니다. 알코올, 아세트알데히드 및 ​​포름알데히드를 포함한 유기 화합물이 형성됩니다. 아세트알데히드와 포름알데히드는 지방산, 핵염기, 당 및 아미노산을 포함하여 생명의 가장 중요한 많은 분자의 빌딩 블록입니다.

게다가 연구자들은 시안화물, 암모니아, 황화수소 가스와 같이 지구의 초기 대기에 존재했다고 생각되는 다른 화학 물질과 알데히드를 함께 혼합하면 매우 흥미로운 일이 발생한다는 것을 보여주었습니다.

주머니는 아미노산이 정확한 위치에 위치하도록 하여 펩타이드 결합을 만들 수 있게 합니다 – Ada Yonath

"우리는 자체 구조를 직접 수정할 수 있는 유기 분자를 생산할 수 있었고 다른 유사한 분자의 생산을 촉매할 수 있었습니다."라고 Trapp은 말합니다.

유기 촉매로 알려진 이러한 분자는 자연 선택에 의한 진화 과정을 거쳐 가장 '성공적인' 분자가 번식합니다. Trapp에 따르면 그들은 생명의 출현에 중요한 역할을 할 수 있었습니다.

"우리가 발견한 것은 최초의 작은 유기 분자와 나중에 RNA와 같은 자기 복제 화합물 사이에 숨겨진 층입니다."라고 Trapp은 말합니다.

그리고 RNA는? 오늘날 모든 세포에서 발견되는 이 분자는 게놈의 DNA에 들어 있는 지침을 세포의 기능성 단백질로 바꾸는 데 중요한 역할을 합니다. 그러나 많은 과학자들은 원시 지구에서 자신을 복제할 수 있는 RNA 분자가 단백질 형성을 촉매하는 것과 같이 현대 세포가 수행하는 많은 작업을 수행했다고 믿습니다.

이 RNA 분자는 결국 DNA에 있는 정보를 사용하여 단백질을 구성하는 신체의 모든 세포에 존재하는 공장인 리보솜을 형성했을 수 있습니다. 리보솜은 주로 RNA로 구성됩니다.

오늘날 바다는 생명체로 가득 차 있지만 광활한 바다는 생명체를 시작하기에 적합한 조건이 없었을 것이라고 과학자들은 믿습니다(Credit: Getty Images)

2022년 획기적인 실험에서 이스라엘 Weizmann Institute of Science의 Ada Yonath가 이끄는 과학자들은 실험실에서 리보솜의 초기 원시 버전을 만들어 초기 지구에서 어떻게 발생했는지 보여주었습니다.

요나스는 리보솜의 구조를 규명한 연구로 2009년 노벨 화학상을 수상했습니다. 이 구조는 거대한 분자의 중심에 있는 주머니를 드러냅니다. 이 주머니는 박테리아에서 인간에 이르기까지 모든 유기체의 리보솜에서 발견됩니다. 그리고 내부는 아미노산이 연결되어 단백질을 형성하는 곳입니다.

"주머니는 아미노산이 정확히 올바른 위치에 위치하도록 하여 펩티드 결합이 이루어질 수 있도록 합니다."라고 Yonath는 말합니다.

"이러한 유형의 결합은 두 개의 아미노산에 의해 자발적으로 만들어질 수 있지만, 주머니가 있는 경우보다 빈도와 효율성이 만 배, 수십만 또는 심지어 백만 배 줄어들 것입니다."

결국 자연 선택 과정을 통해 리보솜이 탄생했을 것입니다.

그녀의 연구에서 Yonath는 단백질 합성이 일어나는 주머니를 포함하여 박테리아 리보솜의 디자인을 복사했습니다. 그런 다음 그녀는 실험실 접시에서 이러한 프로토리보솜을 준비했습니다. 원시 리보솜이 단백질을 생산할 수 있는지 여부를 확인하기 위해 연구원들은 아미노산, 염 및 기타 성분을 포함하는 용액을 추가했습니다. 연구팀은 기쁘게도 합성 리보솜이 아미노산을 결합할 수 있었다.

"우리는 실험실에서 우리가 한 일이 유사하거나 적어도 자연에서 일어난 일을 모방한다고 생각합니다."라고 Yonath는 말합니다.

"처음에는 둥글게 감겨 작은 주머니를 형성하는 몇 개의 RNA가 있었을 것입니다. 이 조각들로부터 기초적이고 기능적인 리보솜이 생겨났을 것입니다."

아미노산 사이의 결합을 촉매하는 데 더 성공적인 프로토 리보솜은 더 오래 머물고 결국 자연 선택 과정을 통해 리보솜이 탄생했을 것입니다.

이것이 우리가 생명의 기원을 이해하는 데 조금이라도 더 가까워지게 해 줍니까? 자, 이제 우리는 생명 최초의 유기 화합물이 어떻게 형성될 수 있었는지에 대한 몇 가지 가능한 설명을 가지고 있습니다. 에너지는 낙뢰, 운석 또는 열수 분출구에 의해 제공되었을 수 있습니다.

그러나 실험실에서 생명의 첫 번째 화합물을 성공적으로 재현하는 것은 우주의 다른 곳에서도 그 과정이 어떻게 일어났는지 보여주는 데 어느 정도 도움이 될 수 있습니다.