느끼고 생각하고

지구생명탄생의 비밀-RNA염기 합성 초기조건 모의실험

작성일 작성자 eemukko

생명의 탄생에 관한 이론은 언제나 흥미롭다. 이 논문은 오파린 가설의 전단계를 보충하는 매우 중요한 의미를 지닌다. 코아세르베이트라는 원시생명체의 성질을 가진 물질이 만들어지려면 그 전에 아미노산, 단백질, 인지질과 함께 RNA나 DNA 같은 핵산도 있어야 하기 때문이다. 사실 나머지 과정들은 오파린-홀데인가설이나 밀러와 폭스의 실험에서 설명되고 있지만 생명기원설 중에서 지구에서 공중방전으로 자생한 것을 입증하려면 꼭 필요한 실험이었다. 이것으로 외계기원이나 열수분출설에 비하여 보다 납득할 만하다.(mrpond) 

 

아수라장 속에서 탄생한 생명

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2014-12-17

 

 

체코 공화국의 과학자들은 고전력 레이저(high-powered laser)를 이용하여, (소행성이나 혜성이 지구를 강타할 때 발생하는) `지옥 같은 조건`이 지구상의 생명체를 구성하는 핵심 요소(building blocks)를 만들어냈음을 입증했다. RNA는 유전정보를 코딩하는 최초의 분자로 믿어지고 있는데, 과학자들은 생명탄생기(期)의 고온·고압 조건을 재현하는 실험을 통해, 간단한 전구물질 용액을 RNA의 핵염기(아데닌, 구아닌, 시토신, 우라실)로 전환시키는 데 성공한 것이다.

"내가 알기로, 한 세트의 반응조건 하에서 4가지 핵염기(nucleobases)를 모두 만들어낸 것은 이번이 처음이다"라고 플로리다주 게인스빌 소재 응용분자진화재단(Foundation for Applied Molecular Evolution)의 스티븐 베너 박사(우주생물학)는 말했다.

"과학자들은 오랫동안, 간단한 물질로부터 RNA나 DNA를 구성하는 핵염기를 창조해 내는 방법을 찾아내는 데 몰두해 왔다. 그래야만, 생명이 `어디서` `어떻게` 탄생했는지에 대한 단서를 얻을 수 있기 때문이다"라고 프라하 소재 J. 헤이로프스키 물리화학연구소(이하 `연구소`라 함)의 스바토플루크 치비시 박사(물리화학)는 말했다.

최근 과학자들은 `포름아마이드(formamide)라는 단출한 화합물이 핵염기의 원천이 될 수 있다`는 의견을 제시해 왔다. 포름아마이드는 시안화수소(hydrogen cyanide)가 물과 반응할 때 형성되는데, 초기 지구에 풍부하게 존재했던 것으로 생각된다. 포름아마이드는 전생물적 화학물질(prebiotic chemicals), 즉 수소, 질소, 탄소, 산소를 생성하는데 필요한 주요 요소를 보유하고 있는 데, 이미 몇몇 연구팀들은 실험실에서 촉매를 이용하여 포름아마이드와 다른 구성요소 간의 반응을 촉진함으로써 개별 핵염기를 합성하는데 성공한 바 있다. 또한 어떤 연구팀은 다른 단순화합물의 혼합물로부터 핵염기를 만들어 내기도 했다.

치비시 박사가 이끄는 연구진은 이번에 새로 실시한 실험에서, 연구소가 보유한 1킬로줄짜리 레이저(1-kilojoule lase)를 포름아마이드가 담긴 혼합용액(점토 포함)에 발사했다. 이 혼합용액은 화학물질이 풍부했던 초기 지구표면의 상태를 모방한 것으로, 순간적(나노세컨드의 1/3)으로 가해지는 레이저 펄스는 ① 엄청난 압력, ② 4,200°C 이상의 고온, ③ (자외선과 엑스선 파장을 포함한) 일련의 방사선을 생성했다. 이 3가지 조건은 혜성이나 소행성이 지구를 강타할 때 발생하는 조건과 맞먹는 것이었다.

이러한 극한조건은 화학반응을 일으켜, 시안화수소, 일산화탄소, 암모니아, 메탄올은 물론 4개의 RNA 핵염기(A, G, C, U)를 생성했다. 연구진은 이상의 연구과정을 정리하여 지난주 PNAS에 기고했다. "이번 연구는 실험 자체도 훌륭하지만, 생물학적 타당성이 매우 높다. 왜냐하면 연구진이 사용한 출발물질(포름아마이드)은 초기 지구에 풍부하게 존재했던 것이 확실시되기 때문이다"라고 베너 박사는 논평했다.

"선행연구에서는 `일부 운석들이 아데닌이나 구아닌과 같은 핵염기들을 이미 포함하고 있었다`고 보고한 바 있다. 그러나 이번 연구는 천체가 지구와 충돌하면서 핵염기들을 만들어내기도 했음을 시사한다"고 이탈리아 투시아 대학교의 라파엘 살라디노 교수(유기화학)는 말했다. "나는 좀 더 완화된 조건 하에서 포름아마이드를 연구해 왔다. 그러나 운석의 충돌과 맞먹는 조건에서 포름아마이드를 연구한 것은 체코의 연구진이 처음이다"라고 그는 덧붙였다.

소행성이나 혜성의 충돌은 지구의 초기 역사에서 흔히 일어났던 것으로 보인다. 지금으로부터 40억 년 전에 시작되어 1억 5,000만 년 동안 계속된 소위 후기운석대충돌기(LHB: Late Heavy Bombardment)에는, 커다란 물체들이 수성, 금성, 화성은 물론 지구와 달을 지속적으로 강타했던 것으로 알려져 있다. 비록 많은 과학자들은 "그러한 충돌들이 지구 표면의 생명체들을 몰살시키거나, 이미 탄생한 생명체의 싹을 잘라버렸다"고 주장해 왔지만, 이번 연구는 "LBH 시기에 빈발한 천체의 충돌로 인해 지구상에 `생명 탄생에 필요한 씨앗(원재료)`이 뿌려졌다"는 것을 강력히 시사한다. "이번 연구는 약 40억 년 전에 일어난 운석대충돌이 지구 표면에 에너지를 공급하여, 포름아마이드를 RNA와 DNA의 핵염기로 전환시킨 과정을 훌륭히 설명했다"고 베너 박사는 말했다.


laser.JPG
http://news.sciencemag.org/space/2014/12/hell-earth-lifes-building-blocks

 

참고) http://kin.naver.com/qna/detail.nhn?d1id=11&dirId=1116&docId=126800223&qb=7JuQ7Iuc7JWE66+464W47IKw&enc=utf8§ion=kin&rank=2&search_sort=0&spq=0&pid=S5vHzspySEKssZaZL3Vsssssss0-522920&sid=VJD4ywoUU1cAAGAuXIM

생명의 기원

(1) 원시 대기

1) 원시 지구의 상태

지구의 탄생 -46억년전

최초의 지각 및 대양 화석 -35억년전

최초의 생물화석 -32억년전 (처트층 : 1-10세균)

원시지구

* 태양계의 가스와 먼지에 의해 생성화산활동으로 원시 대양 형성 고에너지원(화학변화의 원동력)

2) 원시 대기의 상태

오존층이 없어서 자외선이 많았다.

태양 자외선 에너지, 공중방전(번개), 고온(), 지진에 의한 에너지 풍부.

대기는 수증기(H2O), 수소(H2), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 황화수소(H2S)로 구성됨

산소(O2)가 없는 환원성 대기

(2) 유기물의 생성

1) 무기물에서 유기물의 합성

원시 지구의 자외선, 방전 및 열에너지가 원동력이 되어 원시 대기의 환원성 기체에 작용하여 유기물이 합성

오파린의 가설

*원시대기 단순유기물 복합 유기물 코아세르베이트 원시생명체 세포의분화

밀러의 실험(화학적 진화)

* 무기물로부터 최초로 유기물 합성

* 원시대기물질을 밀폐된 플라스크에 넣고 전기 방전, 냉각, 가열을 1주일간 계속유지액체의 침전물에 아미노산과 유기산 등 여러 종의 유기물을 생성하여 오파린 가설 검증

2) 유기물의 축적과 단백질 형성

무기물에서 합성된 아미노산과 유기물이 대양으로 흘러 들어가 농축이 되면서 고분자단백질 형성

폭스의 실험(1957)

a. 고압하에서 건조시킨 18종의 아미노산을 혼합하여 고열로 처리한 후 냉각시키는 실험을 통해 단백질 합성에 성공효모와 같은 마이크로스피어(microsphere)로 되어 원시 생명체로 진화되었다고 주장

b. 마이크로스피어

* 세균의 크기와 염색성이 유사

* 저장액이 팽창하고 이중막, 출아법으로 분열

* 핵산을 넣어주면 RNA나 단백질을 만듦

* 단백질이 출아하는 효모와 유사

3) 핵산과 ATP의 형성

원시 바다에 존배하는 NH3 CO에 의해 HCN(시안화수소)가 합성퓨린, 피리미딘 합성 중합 반응으로 뉴클레오티드 합성 핵산

HCN에 의해 합성된 아데닌과 리보오스, 인산이 결합 ATP

*아미노산과 에틸메타인산의 혼합물에 자외선을 쬐어주면 ATP가 만들어진다.

 

(3) 원시 생명체

* 원시 대양에 축적된 유기물과 최초의 생명체 전 단계인 코아세르베이트를 형성하여 생명체로 발전

1) 코아세르베이트의 형성

원시 지구상에 존재하고 있던 간단한 무기물들이 저분자 물질을 합성하고 이것이 고분자 물질로 변화되었다.

단백질, 핵산, 당류 등의 수프 상태의 화합물(고분자 물질)이 물 속에서 콜로이드 상태를 이루며 서로 결합하고 뭉치면서 막에 싸인 유기물 복합체인 코아세르베이트 형성(아메바 성질과 유사)

코아세르베이트

* 콜로이드입자가 서로 결합하여 간단한 막으로 둘러 싸인 작은 액체 방울형태

* 주위와 독립된 구조이다.

* 어느정도 커지면 분열한다.(생식과 유사)

* 주위의 물질을 흡착- 지질을 흡수하면 선택적 투과성을 지닌 단백질과 지방의 이중층을 형성

* 미생물 세포와 유사

* 핵산, 효소, ATP등이 존재할 때-흡수, 생장, 분열 등이 나타남

* 1%젤라틴 용액과 1%아라비안고무 용액을 섞은 후 0.1M묽은 염산을 떨어뜨리면 형성됨

2) 원시 생명체의 탄생과 진화

무수히 많은 코아세르베이트 중에서 자연에 선택되어 잔존하는 것 중에서 자기 복

제력과 물질대사 능력이 우수한 것이 나타나 원시 대양에 축적된 유기물을 이용(발효, 무기호흡)하는 종속 영양 생물로 발전해 갔을 것이다.

코아세르베이트에서 형성된 최초의 생명체는 산소가 없는 상태에서 주변의 유기물을 흡수하여 에너지를 형성 하였을 것이다. -무기 종속영양 생물

3) 독립 영양 생물의 출현

            ① 유기물의 소비량이 증가되고, 지구의 점진적 냉각에 의해 환경이 변화 유기물의 감소와 CO2 증가생존을 위해서 유기물을 합성하는 독립 영양 생물(광합성을 함) 출현

            ② 초기의 독립 영양 생물은 오늘날 홍색 세균, 녹색 황세균 등과 같은 광합성 세균이었을 것이며, 그후 조류(藻類)와 같은 녹색 식물이 출현했을 것이다.

4) 종속 영양 생물의 출현

           ① 독립 영양 생물의 출현결과 생긴 산소(O2)가 자외서에 의해 오존층(O3)을 형성

           ② 대기중 산소(O2)NH3CH4에 결합 N2CO2형성

           ③ 오존층형성(O3) 자외선 차단 수중생물에서 육상 생물로 진화

           ④ 광합성을 하는 녹색식물(독립영양생물)이 방출하는 산소가 물 속과 대기 속에 증가

                → O2를 이용하여 호흡하며 활동할 수 있는 환경 조성 이후 대기에 O3가 형성되어 자외선을 차단

                → 생물체는 육상으로 진출 육상생활을 하며 식물을 먹고 사는 종속 영양 생물(기 종속영양 생물)이 출현

                → 현재까지 진화

      ** 원시대기 아미노산 단백질 코아세르베이트 원시세포 무기종속영양생물독립영양생물 유기종속영양생물

 



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