밀러 실험

생명의 기원
<colbgcolor=#F1FCFE,#212121> 유기물 형성 추정원	밀러 실험
막 형성 추정원	코아세르베이트 ㅣ 마이크로스피어
중합체 형성 추정원	유기물 정렬
유전 물질 생성 추정원	RNA 세계
최초의 세포	모든 생물의 공통 조상

1. 개요2. 실험 과정과 결과3. 의의4. 관련 실험들5. 출처

1. 개요

"그 놀라운 실험 하나로 밀러는 생명의 기원에 관한 연구에 확 시동을 걸었다.
자연에 있는 단순한 기체 혼합물에서
생명과 관련된 복잡한 분자들이 만들어질 수 있었던 것이다."

앤드루 놀Andrew Knoll(2003; 74)

Miller experiment

실험실에서 원시 지구의 상태를 재현해서 인공적인 유기물을 만들어낸 실험.

생명체를 구성하는 유기물들은 지구의 원시 대기를 환원력이 높았다고 가정하고 이로부터 자연환경의 방출된 에너지흡수조건이 결국 유기물형성으로 이어지게 되었다는 러시아의 생화학자 알렉산드르 오파린(Алекса́ндр Опарин)의 가설(오파린 가설)을 검증하기 위해서, 당시 미국의 대학원생이었던 스탠리 밀러(Stanley Miller)가 1952년에 시행한 실험이다. 그를 지도했던 담당교수 해롤드 유리[1]의 이름도 따서 밀러-유리 실험(Miller-Urey Experiment)이라고도 부른다.[2]

고등학교 과학 시험에 꼭 나오는 실험이다.

2. 실험 과정과 결과

위의 그림과 같은 실험 장치에 당시 '원시 대기'의 주성분으로 추정되던 메탄, 수소, 암모니아를 채워넣은 뒤, 밑부분의 플라스크에 물을 반쯤 채우고 가열시켜서 수증기를 공급했다.(원시 바다) 윗부분의 플라스크에서는 방전을 가해서 원시 지구의 '번개'를 모방했다. 그리고 실험 장치에 냉각기를 설치해서 물이 계속 순환되도록 했다.

실험 장치를 가동한지 며칠 지나지 않아 플라스크의 물은 핑크색이 되었고, 일주일이 지나자 진한 붉은색을 띠는 탁한 용액이 되었다. [3]

이후 종이 크로마토그래피를 이용해서 생성된 물질을 분석해보니, 생명이 단백질을 만드는 데 쓰는 20가지 아미노산 가운데 네가지 아미노산[4]과 더불어 시안화물(HCN)과 포름알데히드(H2CO) 같은 유기분자들이 수없이 만들어져 있었다.

그 후에 이루어진 실험들에서는 생명에서 발견되는 20가지 아미노산 가운데 12가지가 만들어졌다.

3. 의의

이후 1990년대 과학자들은 원시 대기에 암모니아와 메탄이 흔하지 않았다고 비판했다. 하지만 메탄과 암모니아의 수준을 낮춰 구성한 대기로 실험을 수행하였고, 그렇게 해도 처음의 실험과 동일한 결과를 얻었다.

암모니아나 메탄, 또는 수소를 주축으로 이루어진 대기를 환원성 대기라고 한다. 수소 같은 경우 애초에 우주에서 가장 흔히 존재하였던 원소이며, 메탄과 암모니아는 지구 지각 내부에서 뿜어져 나오는 가스를 통해 꾸준히 공급되었을 것이므로 초기 지구의 대기를 환원성 대기라고 추측한 것이었다.

그러나 지구의 대기는 수소, 메탄, 암모니아 등으로 이루어진 환원성 대기가 아니라 산소, 이산화탄소, 질소 등으로 이루어진 산화성 대기라는 점을 들어 밀러의 실험 결과에 반대하는 이들도 있었다. 이를테면 수소와 같은 기체는 몹시 가벼워 지구 중력을 이기고 우주로 날아가기 쉬울 뿐만 아니라, 달 생성 이론 중 하나인 대충돌설에 따르면 초기 지구에 지구 질량에 준하는 미행성이 충돌하였을 것이기에 이때 수소 기체와 같이 가벼운 기체는 우주로 날아가버렸으리라는 것이다. 그리고 밀러의 실험에서와 같은 환원성, 약환원성 대기가 아니라 산화성 대기로 실험을 하였을 경우 유기물이 합성되지 않았다.

이를 보완하기 위해 등장한 가설이 열수분출공설이다. 밀러의 실험에서는 하늘에서 번개가 끊임없이 치는 지구의 환원성 대기가 맞닿은 바다에서 초기 유기물이 합성되었다고 보지만, 열수분출공설에서는 해저지각 사이의 열수분출공 또는 해저화산에서 지각 내부에서부터의 환원성 물질이 끊임없이 배출되었고 여기에서 초기 유기물이 합성되었다고 본다.

열수분출공을 지지하는 근거는 다음과 같다. 고온의 환원성 물질이 녹은 바닷물을 얇은 금박으로 감싸고, 이를 고속으로 회전시킴으로써 해저 열수분출공이라는 고온고압의 환경을 재현하였다. 시간이 경과된 후, 기존의 밀러실험에서도 발견할 수 있었던 유기물들이 발견되었다.

실제로, 지상에서 빛을 통해 광합성을 하는 식물들과 그 식물을 기반으로 하는, 우리 인류에 익숙한 생태계와는 별개로, 빛이 닿지 않는 열수분출공 주변에는 열수분출공에서 배출되는 황화수소를 기반으로 지탱되는 다른 생태계가 구축되어 있다. 또한 오늘날에도 설인게나 관벌레 같은 동물들이 신체 내부에서 황합성 세균과 공생하며 살아가고 있다.

또한 기존의 밀러 실험에서는 유기물이 바다 표면에서 합성되었다고 보는데, 이것이 드넒고 깊은 바다 전체에 퍼져나가면 자연히 전체적인 농도는 낮아졌을 것이며, 생물을 탄생시킬 만한 충분한 반응을 이뤄낼 정도의 농도를 만족하기엔 부족했으리라는 약점이 있다. 그러나 열수분출공설의 경우에는 환원성 물질이 열수분출공을 중심으로 끊임없이 공급되었을 것이므로 열수분출공을 중심으로 높은 유기물 농도를 유지할 수 있었을 것이라고 생각된다.

4. 관련 실험들

5. 출처

Stanley L. Miller. (1953). "A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions" Science 117. pp.528-529.

[1] 해롤드 유리는 중수소를 발견한 업적으로 1934년 노벨화학상을 수상하기도 했다.[2] S. L. Miller, A production of amino acids under possible primitive Earth conditions, Science 117:528–529 (1953)[3] 탁해진 것은 실험 장치의 유리로부터 나온 이산화규소 화합물 때문이었고, 붉어진 것은 유기화합물들 때문이었다.[4] 글리신, 알라닌, 베타알라닌, L-아스파르트산 등의 아미노산이 검출되었다.