| 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 |
| 현재 생명체의 탄생 장소로 유력하게 거론되고 있는 심해 열수분출공. |
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1. 개요
생명의 기원(abiogenesis, origin of life)은 진화생물학에서 단순한 유기 화합물과 같은 무생물로부터 생명이 발생하는 자연적 과정(natural process)을 이른다.2. 연구 관련
생명의 기원에 대한 자세한 과정에 대해서는 알려진 바가 없지만 다수의 과학 가설들은 생명의 기원은 단일 사건이 아니었고, 자기 복제, 자기 조립, 자가 촉매 및 세포막의 출현과 관련된 복잡성이 증가되는 진화 과정이었다고 설명한다.현재 과학계에서는 러시아의 생화학자 알렉산더 오파린[1]이 세운 특정한 환경에서 무기물로부터 간단한 유기물이 합성되고 이로부터 복잡한 유기물이 합성되어서 이후 생명체로 발생했다는 화학진화(chemical evolution) 가설이 널리 받아들여지고 있지만, 실험실에서 재현에 성공한 것은 유기물 생성까지일 뿐 지금까지 무생물에서 생명이 탄생하는 것을 관찰한 어떠한 사례도 보고된 바 없다. 진화론의 핵심인 자연 선택이 지금 이 순간에도 일어나고 있으며 수도 없이 많은 근거에 의해 뒷받침되어 확고한 과학법칙으로서 인정받는 것에 비교하면 무생물에서 생명이 기원했다는 것은 아직 미약한 근거에 입각한 가설 단계에 불과하다.
생명의 기원에 대한 연구는 원시 지구에서 생물 이전의 화학 반응이 어떻게 생명을 탄생시켰는지를 규명하는 것을 목표로 한다. 주로 생물학, 화학, 지구 물리학 등을 이용하여 규명을 시도하고 최근에는 우주 생물학, 생화학, 생물 물리학, 지구 화학, 분자 생물학, 해양학 및 고생물학 등도 이용된다. 생명의 기원에 대한 연구는 오늘날에도 계속되고 있다.
3. 생명 탄생의 단계
3.1. 유기물질의 합성
지구의 역사는 대략 46억 년으로 여겨진다.1952년의 밀러 실험과 이후의 연구들은 생체계에서 쓰이는 모든 아미노산 분자들을 비롯한 단순한 유기 분자들이 원시 지구의 조건하에서 무기물들로부터 합성될 수 있음을 보여주었다.
1957년의 폭스의 실험과 그 이후의 연구들은 원시 지구의 조건하에서 단순한 유기물들로부터 고분자 유기물들이 합성될 수 있음을 보여주었다.
젊은 태양이 잦은 폭발로 쏟아낸 고에너지 입자가 지구 대기와 충돌하며 화학반응을 촉발해 아미노산을 만들어낼 수 있다는 연구결과도 있다.#
현재도 지구에 떨어지는 여러 운석이나 혜성 등 여러 천체들에 아미노산이나 염기 같은 각종 유기물질이 확인되어 원시 지구에서는 내부에서 합성된 유기물과 외부에서 들어온 유기물이 충분히 모여 있었다. 빠르면 테이아 충돌(달 생성) 이전 늦어도 그 후에 지구가 식어서 환원성 대기와 이산화탄소가 녹아 산성인 원시 바다가 생성되어 수분도 충분하였다.(약 44억 년 전)
3.2. 유기물질의 농축과 막 생성
이러한 유기물질들은 다양한 과정을 통해 농축되어 코아세르베이트나 마이크로스피어 같은 막이 있고 불완전한 물질대사를 하는 합성물이 되었다.(약 43억 년 전)현재 실험실에선 코아세르베이트와 마이크로스피어 생성까지는 구현에 성공하였지만 이 다음부터는 아직 자연적으로 생성되는 것을 구현하지 못한 상태다. 그래서 이 다음 단계부터는 아직 가설이다.
3.3. RNA 세계
이러한 막구조 유기물에 자연적으로 생성된 유기물질 중 RNA와 효소 등이 우연하게 섞이면서 어느 정도 번식까지 하는 생명체와 매우 가까운 복잡한 유기물, 즉 자기복제자가 탄생하게 된 것으로 추정된다.3.4. 최초의 생명체 탄생
바이러스에 가까웠던 이 RNA 기반의 복잡한 유기물질은 여러 물질이 섞이고 농축되며 물질대사를 하는 과정을 통해 훨씬 안정적인 유전물질인 DNA를 사용하는 최초의 생명체가 탄생한다.영국의 찰스 다윈은 최초의 생명체가 탄생한 지역이 온갖 암모니아, 인산염 등을 함유한 따뜻한 작은 연못이라고 예상했다. 그러나 영국의 생물학자 J.B.S 홀데인과 러시아의 생화학자 알렉산드르 오파린은 유기물이 많이 모이고 섞이기 위해서는 지상이 아닌 바다에서 탄생했다고 예상했고 유기물이 잔뜩 모여 파도 같은 물 흐름으로 농축되어 탄생한다는 바다 탄생설 일명 원시 스프 이론을 들고 왔다. 이 원시 스프 이론은 밀러 실험을 통해 일부 확인되어 현재도 거의 정설로 믿어지고 있지만 오파린 때와 다르게 생명체 탄생 장소는 약간 다르게 예측되고 있다. 오파린이 예상한 최초의 생명체 탄생 지역은 원시 바닷가 해변 근해 쪽이었을 것이라고 예상했다. 그러나 현재는 원시 바다 심해 열수구 근처라는 심해 탄생설이 더 지지받고 있다.
당시 명왕누대 시절 원시 지구는 달과 2배나 가까웠기 때문에 조수간만의 차가 15m 이상은 됐을 것으로 추정된다. 이러한 큰 조수간만의 차이로 밤에는 바다의 유기물질이 해변가로 밀려왔고 낮에는 바닷물이 빠지면서 바위 사이사이에 유기 물질이 남아 태양빛에 수분이 증발해 유기물질이 농축되는 과정을 거치면서 코아세르베이트가 대량으로 생성되었을 것으로 추정된다. 이 과정에서 일부 코아세르베이트 내부에 적당한 효소와 RNA, DNA 등이 들어가 최초의 생명체가 탄생했을 것이다. 명왕누대 시절 태양빛은 지금보다 더 적은 73% 수준이기 때문에 오존층이 없어도 최초의 생명체가 견딜 수 있었을 것이다.
그러나 이 이론을 통한 생명발생 가능성은 통계학적인 측면에서 지극히 희박한 편으로 받아들여졌기 때문에 심해 탄생설에 도전을 받았다. 왜냐하면 지구상에서 최초의 대륙이 생성되어 해변가가 만들어진 시기와 최초의 생명체가 탄생한 시기가 거의 차이나지 않기 때문이다.(40억 년 전후) 운좋게 해변가에서 최초의 생명체가 탄생했어도 당시(41억 년 ~ 39억 년 전)에는 엄청난 양의 운석들이 지구에 충돌하던 제2폭격기 시대이기 때문에 확률상 심해에 탄생한 생명체가 더 버티기 쉬웠을 것이다.
이 때문에 대륙 해변보다 훨씬 먼저 생성된 바다[2] 내부 해령의 심해 열수구에서 유기물질이 농축되어 생명이 생겨났다는 통설이 훨씬 통계학적인 가능성 측면에서 높기 때문에 현재는 심해 탄생설이 더 각광받고 있다.
물론 어디까지나 확률적인 근거이기 때문에 어쩌다보니 최초의 생명체가 운좋게 해변가의 원시 스프에서 탄생했을 수도 있지만 현재 발견된 최초의 생명화석이 40억 년 전 심해 열수구 근처에서 사는 철광물 산화 세균이기 때문에# 특별한 화석적 증거가 나오지 않는 이상 최초의 생명체는 심해 열수구 근처에서 탄생한 것으로 추정된다.
물론 이것이 진짜 세균화석인지 여부는 논란이 있는 편이다. 명왕누대 시절 지층은 거의 남지 않았고 남은 지층에도 세균화석처럼 보이지만 실제로는 자연적으로 생성된 기포도 많기 때문이다.
논쟁의 여지가 없는 제일 오래된 생명의 흔적은 약 35억 년 전의 호주 서부 와라우나 층군의 남세균의 미화석이다. 2016년에는 약 37-38억 년 전의 지층인 그린란드의 이수아층에서는 약 37억 년 전의 스트로마톨라이트로 추정되는 암석이 발견되었다. 2017년에는 캐나다 퀘백의 누부악잇턱 암대에서 약 37.7~42.8억 년 전의 추정되는 미생물의 화석이 발견되었다.
이러한 여러 증거들로 추정하면 지구상의 생명은 최소한 현재 명왕누대로 분류된 시점 말기부터는 존재했던 것으로 보이며 최초의 생명체가 탄생한 순간부터 시생누대로 분류하기 때문에 가장 오래된 생명체 화석이 발견될 때마다 시생누대가 앞당겨질 것이다.
4. 생명의 기원
세포는 모든 생명체를 구성하는 기본 단위다. 원시세포인 원핵세포가 최초의 세포 생명체로 등장한 것은 지구 역사 46억 년에서 다시 약 8억 년이 지난 후인 지금으로부터 38억년 전으로 추정되고 있다. 현재까지 확인된 최초의 생명체는 약 37.6억 년 전으로 추정되는 시아노박테리아(cyanobacteria)가 학계에 보고된 바 있으며 선캄브리아 시대 고생대기간의 바다 속 화산활동의 화염분출구는 이러한 세포탄생에서 열에너지를 방출하고 물을 제공한다는 점에서 열수원으로 가장 유력한 장소이다.[3][4]5. 관련 문서
- 모든 생물의 공통 조상
- 밀러 실험
- 원시 세포 후보 물질 - 실험을 통해 만들 수 있으며 생명체와 비슷한 특징을 갖지만 생명체는 아니다. 생명체가 되기 전의 단계로 여겨진다. 다만 아직까진 원시 세포 후보 물질을 갖고 생명체를 만들어낼 정도로 과학이 발전하지는 못했다.
- 인공생명체
- 무한 원숭이 정리: 화학진화가 가능함의 이론적 기반이 된다.
[1] 마르크스주의자이며 변증법적 유물론을 통해 생명의 기원을 논증했다.[2] 바다 행성 이론에 따르면 빠르면 테이아 충돌 전인 45억 년 전 늦어도 44~43억 년 전[3] 사이언스지 > Research Article > PALEONTOLOGY , Metabolically diverse primordial microbial communities in Earth’s oldest seafloor-hydrothermal jasper Dominic Papineau https://orcid.org/0000-0003-0063-7514 , Zhenbing She https://orcid.org/0000-0003-0068-9138, Matthew S. Dodd https://orcid.org/0000-0003-4470-933X, Francesco Iacoviello https://orcid.org/0000-0003-3564-2380, John F. Slack, Erik Hauri , Paul Shearing, and Crispin T. S. Little ,Science Advances ,13 Apr 2022 ,Vol 8, Issue 15 ,DOI: 10.1126/sciadv.abm2296#[4] Review J Bacteriol,. 1993 Feb;175(3):575-82. doi: 10.1128/jb.175.3.575-582.1993. Environmental effects on the light-harvesting complex of cyanobacteria ,A R Grossman 1, M R Schaefer, G G Chiang, J L Collier , PMID: 8423132 PMCID: PMC196191 DOI: 10.1128/jb.175.3.575-582.1993 #