외계행성과 생명 Extraterrestrial Planets and Life 026.017 2008 년 1학기 교수 : 이 상 각 25-1동, 413호 : 880-6627 sanggak@astrosp.snu.ac.kr 조교 : 신영우 25-1동, 406호 : ywshin@astro.snu.ac.kr

외계행성과 생명 강의 12(04/29) 지난시간 요약 화학적진화 -> 생물학적진화

분자를 기반으로 한 생명체 지구상 생명체는 매우 다양하나 , 70% 물과 24% 4가지 거대 분자들: 단백질 Proteins 핵산 Nucleic Acids 지질 Lipids 탄수화물Carbohydrates

세포(Cells) 세포의 기능은 다양한 유기중합체와 직접 관련 : 단백질(Proteins) : 아미노산을 단량체로하는 중합체로서 세포의 구조를 형성하고 세포안에 화학반응을 촉진시키는 효소로 작용한다 DNA: 효소조절과 세포 재생을 조절하는 유전적 코드 분자. 당(Sugars) : 세포에 에너지원

단백질 (Proteins) 단백질은 크고, 복잡한 분자로 매우 다양하게 많다. 모든 생명체 기관에 단백질들은 단지 20여개의 아미노산의 조합으로 이루어진다.(실제는 100 종이 있느나). 효소는 이 20여 종의 아미노산이 수백 내지 수천개가 모여 만들어진다. 따라서 20100+ 조합이 가능 그러나 단지 10000여 개의 단백질만 사용 인간은 20% 가 단백질로 됨

DNA / RNA DNA 와 RNA의 기원은 신비스럽고 놀랍다. DNA/RNA 는 매우 복잡하다: 세가지 기본 단량체에서 생성 당 (deoxyribose or ribose) 인산 (phosphate PO4) 4가지 질소염기(이를 뉴클레오티드라 함) 중 하나 “ Adenine (A) Guanine (G) Cytosine (C) Thymine (T) in DNA / Uracil (U) in RNA “nucleotides”

DNA 바이러스보다 복잡한 생명에서는, DNA에 유전 정보가 있다. RNA 와 다른 점: ribose sugar 대신 deoxyribose sugar uracil 대신 thymine 이 포함. 두 개의 상보 결합이 약한 수소 결합(분리가 쉽게)과 함께 이중 기둥 줄기를 만든다. 이때 , 베이스는 일정한 쌍을 유지: AT, TA, GC, CG

이중 나선구조 꼬아논 사다리 모양 DNA 사다리 옆면은 당(sugar)과 phosphate로 됨. 사다리 계단들은 4개의 nitrogenous base pairs. AT, TA, GC, CG 수소 결합이 꼭지에 있어 사다리는 나선모양으로 꼬아진다. 3 쌍이 하나의 codon (4x4x4 = 64) 각codon 은 amino acid 정보, 단지 20개의 아미노산.-개개 아미노산은 1 –6 다른 codon 들로 특정지어짐

분자를 기초로 한 생명은 HCNO 와 약간의 P와 S 가 필요 단백질과 핵산의 두개 분자 이들은 중합체로 단량체 합성으로 만들어진다. 유전 정보에 따라 단백질을 만들고 이것의 복제는 다른 모든 복제에 매우 중요한 역할을 한다. 초보 단계에서는 단백질과 핵산은 밀접하게 연관되어있다. 이들은 유전자 코드를 통해 교신. 유전자 코드는 생명진화 초기부터 발생 현재 생명기관에 단백질 합성은 핵산의 명령에 따르며 효소가 필요  닭과 달걀?

유전자 각각의 생명들은 각각 다른 수의 유전자를 갖는다. Tobacco mosaic virus 는 4 개의 genes. 작은 박테리아는 1000 개의 gene을 갖으나 – 평균크기의 박테리아는 4000개의 gene을 갖음 . 인간은 Human Genome Project 에서 30,000 - 40,000 개의 genes을 발견했다. 인간 세포 안에 핵산을 쭉 펼치면 그 길이가 1m 이상이 된다. 인간 세포는 3 x 109 base pairs을 갖으나 그 중 98%는 특정한 기능이 없고 99.9% 는 모든 인간이 다 같다.

Chirality Handedness’: 고분자에는 서로가 거울에 이미지가 되도록 본드의 위치가 놓이는 두 종의 분자가 있다.

운석 Murchison 운석(Australia 1969) 대략 같은 양의 좌우 아미노산을 포함 70 여가지 다른 아미노산이 발견-그중 단지 6가지만이 생명체에서 발견되는 것 새 연구 결과에서 4개의 아미노산에서 좌향 아미노산이 약간 더 많은 것으로 밝혀짐

지구상 첫 생명 발생 38억년 전 또는 지구 생성 후 7억년 후 이 때쯤 충돌이 잦아들 때 . 액체 물의 존재 약간의 산화대기, 화산, 지각분출 가스  수증기, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소, 메탄, 암모니아등의 2차대기 여러 에너지원 – 자외선, 번개, 화산활동  초기 생명체=원시형태의 원핵세포(스트로마톨라이트 –35억년전 화석)

단량체 (Monomers) 합성 생명체 발생 액체 물 중성 또는 상당히 환원(reducing)된 대기 산화(oxidizing )란 산소처럼 전자를 얻는 원소들이 있는 화성대기 같은 경우 . 중성 . 자외선을 포함한 에너지원들.

Miller & Urey 실험 1953, Miller and Urey (UC) 초기 지구 대기 를 복제 – 심하게 환원된 대기를 가정 한 실험 . 프라스크(대기)에 CH4, H2, and NH3 혼합 가스를 넣고 물이 있는 프라스크(대양) 와 연결 스파크를 이용하여 번개처럼 대기프라스크를 자극 A 유기분자가 물 프라스크( “ocean”)에 생김 . http://physicalsciences.ucsd.edu/news_articles/miller-urey-resurrected051903.htm

Miller & Urey 실험 특히 4개의 amino acids: glycine, alanine, aspartic acid, and glutamic acid 이 만들어지고 nucleotide bases, and acetic acid 이 만들어짐. 생명에 필요한 20개 모두의 아미노산이 이렇게 만들어 짐 이처럼 아미노산을 만드는 것을 Strecker 합성이라 부른다. http://www.ucsd.tv/miller-urey/ 핵산의 모든 단량체가 만들어지지는 않지만 중간 것들은 생산된다. http://www.vobs.at/bio/evol/e05-millerurey.htm

초기의 단량체 초기 지구에서 어떻게 단량체가 만들어 졌는지의 구체적인 이론은 없다. 일반적으로 초기 상당히 환원된 지구대기에서 생명에 필요한 단량체을 많이 만들었을 것으로 생각되나 각각의 단량체들은 상당히 다양한 환경이 요구된다. 이러한 단량체들은 또 중합체를 만들어야 한다. 실제 초기 지구대기가 상당히 환원되었다는 것은 옳지 않은 것으로 여겨지나 최근 일본인들의 실험에서 희박하게 환원된 여건에서 아미노산을 만들었다.

또 다른 환경 초기 지구대기가 화원되어 있지 않았다면 다른 환경을 찾아 보아야 할까? 바다 밑 고온의 구멍(hot vent) : 이곳에는 아주 많이 화원된 CH4, NH3 같은 가스와 hydrosulfide 같은 에너지가 풍부한 분자들이 많이 있다. _ 박테리아는 hydrosulfide의 화학에너지를 이용하여 생명을 유지하고, exotic fauna of worms and clams은 박테리아를 먹고 산다. –광합성에 의한 먹이 사슬과 다르다. – 이런 구명이 생명의 기원지인가는 pre-biotic 합성이 이런 여건에서 생길 수 있는가 에 달렸다. –오늘날 이런 vents 는 합성된 물질이 파괴 됬을지도 모르게 상당히 단명(수십년) 하고 뜨겁다. Interstellar space.

우주 공간 태양계 형성시 초기 원반과 초기 행성에 환원대기 . 우주에서 복잡한 분자들 발견 . 태양근처에서 얼음이 사라졌으나 더 바깥에는 존재할 수 있음 혜성에 의한 전달. 행성간 물질-먼지 입자 –PAH

혜성 우주 공간에 얼음 알갱이와 유사 지구와 부딪치는 혜성은 과거 더 빈번, 5%의 혜성은carbonaceous chondrites로 이것은 질량으로 1-2%의 비생물학적인 아미노산을 포함하여 유기 화합물을 갖는다. (Murchison 운석에도 많은 아미노산이 발견된 것을 기억하시오 ). 생명이 외계에서? Panspermia again.

결론적으로 우리는 생명에 필수적인 단량체의 기원을 모른다. 그러나 이들을 생산할 수 있는 다양한 과정들이 발생할 수 있다. 초기 지구대기 hydrothermal vents 우주 공간 다음 단계는 어떻게 중합체로 만드나?

중합체 합성 초기 지구에 단백질과 핵산의 초기단계 단량체가 존재했다면 이들은 단백질과 핵산이란 중합체를 쉽게 만들까? 초기 지구에 단백질과 핵산의 초기단계 단량체가 존재했다면 이들은 단백질과 핵산이란 중합체를 쉽게 만들까? prebiotic soup 라는 개념은 빠르지는 않지만 쉽게 중합체를 만든다는 것이다. 문제는 각각의 단량체는 낮은 에너지 상태이므로 각각의 상태로 존재하게 된다. 따라서 단량체가 중합체가 되려면 에너지 벽을 넘어야 한다. http://www.heartsong3.com/Images%202000/Uphill.jpg

단량체 연결. 초기 단량체 스프가 증발되며 단량체 연결 또는 중합체를 만드는 반응을 촉진하는 에너지 공급, 초기 단량체 스프가 증발되며 단량체 연결 또는 중합체를 만드는 반응을 촉진하는 에너지 공급, 현재 생명에서의 에너지는 ATP (adenosine triphosphate)로 adenine base, ribose sugar, a tail of 3 phosphates로 되어 phosphates bonds 깨지면서 에너지를 공급하고 다시 결합 초기 생명에서는 너무 복잡하나 비슷하고 단순한 과정이 존재 Miller-Urey 실험처럼 uv흡수나 전기적 방전으로 에너지가 풍부한 bond를 생성 .

진흙에서 결합 또 다른 중합체 형성 지역 - 진흙 진흙은 실리케이트와 물의 층으로 됨 물이 증가되면 진흙 층이 팽창하여 아미노산이 층 사이를 쉽게 이동. 물이 제거되면 층이 부착되면서 아미노산은 진흙면에 흡수되어 마치 우주에서 먼지 알갱이 표면에서 복잡한 분자가 생기는 것처럼 아미노산 연결이 이루어짐 어떤 진흙에서는 50개 이상의 아미노산이 효율적으로 연결됨 다시 물이 생기면 중합체는 떨어져 나옴 바다 갯벌에서 조석에 의한 경우.

그렇다면 RNA/DNA? 핵산은 아미노산에 의한 단백질 보다 복잡하므로 훨씬 더 만들기 어렵다. RNA 와 DNA의 단량체는? 이들을 만드는 기본은 당과 인산 염기다. : 당과 염기가 연결된 뉴클레오사이드 뉴클에오사이드에 인산이 연결된 뉴클레오디드 nucleotide P S A

Nucleoside Synthesis 뉴클레오사이드 결합은 잘 모른다. 리보스 당에 산소를 기준으로 탄소 4개가 고리를 이루고 5번째 탄소가 꼬리를이룬다면 염기는 제 1 탄소에 붙어 뉴클레오사이드를 만든다. . 왜 하필 제 1 탄소?. 초기 지구부터?

Phosphate 연결 nucelic acid을 만들려면 인산은 제3, 제5 탄소에 연결되야만 한다 그렇지 않으면 배열이 휘어져 긴 핵산을 만들 수 없다. A S A S P

Nucleoside Synthesis Nucleoside 합성은 비 효율적이다. ribose sugar 와 purine bases 를 가열하여 얼마간의 nucleoside를 만들고 소금이 첨가되면 좀 더 만들어 진다. 다시 지구열 에너지로 증발되는 바다를 고려할 수 있다. 그러나 피리미딘 염기를 갖는 뉴클레오사이드는 더욱 어려다. 때로 금속이온이 촉매 역할을 하는 것이 알려졌다. - 이온 금속이 있는 바다?

결과적으로 초기 지구에서 아미노산에 의한 중합체 단백질이 만들어질 가능성이 있으나 핵산의 합성은 상당히 어려울 것으로 보인다. 따라서 핵산보다 단백질이 먼저 만들어져 작동했을 것으로 추정? 그러나 생명에 필요한 중합체를 만드는 것은 더 더욱어려운 과제 – 단량체의 연결 순서까지 고려해야 하므로 .

확률 단백질을 만드는 가장 단순한 생각은 확률을 고려 하는 것이다. 단백질특성은 아미노산의 서열에서 결정 단백질을 만드는 가장 단순한 생각은 확률을 고려 하는 것이다. 단백질특성은 아미노산의 서열에서 결정 동전 던지기에서 앞,뒤는 각각 50/50 (½) 기회를 갖는다. . 일렬로 10개의 앞이 나올 찬스는 (½)10 또는 1/1024. 20개의 아미노산에서 어떤 특정 아미노산이 나올 찬스는 1/20. 따라서 10개의 특정 아미노산으로 이루어진 단백질이 될 찬스는 (1/20)10 약 1/1013 또는 10조 분에 1의 기회다.!!!!

운이 따른다면 ? 실제 단백질의 길이는 아미노산이 200개 정도 연결되므로 성공의 찬스는 (1/20)200! 는 10260 분에 1 R. Shapiro : 풍부한 pro-biotic 바다에 빠른 반응을 가정하여 찬스는 1051 분에 1.

낙관적 ? 초기 지구에는 몇 가지 안되는 아미노산만 있었다. 따라서 어떤 특정한 단백질을 만드는 것은 더욱 어려울 수도 있다. . 생명에 있는 20개 아미노산 중 4개가 초기에 있었다면 (1/4)200 = 10-120 : 아직 너무 작은 확률 다른 아미노산으로 대치 시킬 수있는 단백질의 경우 , 효소 활동.. 10-20 상호 교환될 수 있는 domain을 갖는 70여개의 단백질의 존재 . – domain에 대략 18개의 아미노산을 갖으므로 . 10-18 만큼 감소

Transition to Life 실제 큰 문제 중합체가 모여 어떻게 생명으로 발전? 화학적 진화의 최후 단계: 생물학적 진화.

생명체 – 필요한 것 명령에 따라 완벽하지는 않으나 거의 정확하게 복제 촉매를 통해 화학 반응을 조절하는 능력 . 생명체 – 필요한 것 명령에 따라 완벽하지는 않으나 거의 정확하게 복제 촉매를 통해 화학 반응을 조절하는 능력 . 환경과 분리하여 명령이나 촉매를 분리하는 보호막 에너지를 얻고 사용하는 능력 상기 4가지가 서로 연관되어 있다 .

생명으로 전환: 화학진화-> 생물진화 생명으로 전환: 화학진화-> 생물진화 두 가지 개념 원시적 단백질, 핵산, 원시세포가 각각 독립적으로 발생하여 초생생명(primitive life)을 생성 하나의 지배적인 중합체로 부터 시원생명(protolife)이 발생하여 생명으로 발전 primitive life 보다 protolife 선호 핵산을 기초로 한 시원생명 (naked gene – RNA world 시기 ) 단백질을 기초로 한 시원생명

오파린 가설 1936 환원대기  다양한 유기화합물  원시스프 : 생명의 기원 단백질이 매우 중요한 역할 단백질 특성 : 염기성 아미노기들과 산성인 카르복시기들을 동시 함유  수용액에서 양으로 하전된 자리들과 음으로 하전된 자리들을 갖는 여러자리 전해질 특성  물에 용해된 단백질분자들이 모여 콜로이드 상태의 친수 복합체 형성 적절한 농도  용액에서 분리 : 코아세베이트 형성  시원세포?? (유사하나 시원세포는 아니다 – 현재 단백질 이용)

단백질 시원세포 (Protein Protocells) Sydney Fox 실험 아미노산을 가열하여 물을 추가하면 단백질 방울 “proteinoids” 가 만들어진다.. 이것은 초기 지구에서 밀물, 썰물에 의해 만들어질 수 있다.. 이 프로테노이드는 크게 자라 갈라져 딸프로테노이드를 만든다. 세포분열 같으나 핵산의 복제가 아니므로 진정한 복제는 아니다. 시원세포의 후보 http://www.biology.iupui.edu/biocourses/N100H/ch19life.html

Protocells: Sydney Fox의 주장 시원세포는 현재의 생명으로 진화 할 수 있는 시원생명을 형성한다고 주장  핵산 중심의 세포로 어떻게? 이 프로테노이드 미크로스페어가 아미노산에서 자신의 단백질을 만들 수 있는 능력을 개발하여 그 능력을 후손에 전달한다고 주장 핵산은 아미노산 정보를 저장하는 데만 사용하다가 후에 복제 기능을 획득한다고 주장 대부분 생물학자들은 핵산이 없는 생명에 부정적

RNA 세계 윈시스푸에 녹아 있던 리보누쿨레오티드들이 중합해서 무작위한 누클에오티드 배열을 가진 RNA 분자들 합성 돌연변이 체들도 발견 효율성이 큰 자기 복제력을 가진 RNA가 지배 –적자생존 http://www.bizspacebiotechnology.com/rna1.htm

RNA World 현존하는 생명체에서 처음으로 RNA가 효소로 작용하는 것 발견 (1980 알트만과 체크 1989년 공동 노벨상) RNA 세계의 초기 : 원시대사작용이 RNA 효소들만으로 일어남 RNA세계의 진화와 더불어 아미노산을 축합하여 팹티드를 합성하는 반응을 촉진시키는 ㅅ로운 RNA 효소 등장 . RNA 세계 후기: 마침내 원시적 단백질 합성 방식이 고도화되고, 상보구조를 갖는 DNA 중합 효소가 생김

결국 이후 RNA는 유전 정보를 보존하는 기능을 DNA에 넘겨주고 자신은 단백질 합성 기능만 보존한다. 마지막 단계에서 : --- 단백질은 효소기능 획득 --- 시원세포의 대사작용, 유전자조직과 화학 구조, 호소작용 기구들 발달  새로운 DNA-단백질 세계로

RNA 세계 가설을 지지 1.현존하는 생물에 있는 효소들 중에는 아데닐산을 구성성분으로 하는 보조 효소들을 필요로 하는 것들이 많다. – 원시 지구에서 아데닌이 HCN 중합체에서 쉽게 생성 2. 알트만이 대장균 세포에서 발견한 효소는 단백질 성분과 RNA 성분으로 되 있다. 3. rRNA 선구체에서 떨어져 나온 인트론 부분이 RNA를 가수분해하고, 합성하고, RNA 효소로 작용

선-RNA 세계 RNA 간단히 만들어지기 어렵다. 유기 염기(피린, 피리미딘), 당(리보스), 인산 으로 구성된 리보누클레오티드들 리보스 생성문제 (손성 ; D-리보스) 리보누클레오티드 중합반응  누클레오티드의 유사체들을 성분으로하는 선구-RNA  선-RNA 유기체 의 진화 : 선-RNA 세계

선-RNA 세계의 선구-RNA 1. 선-RNA 세계에서 생긴 최초의 정보 물질은 촉매 도움없이 자기 복제 능력을 가졌을 것이다. 2. 유전정보를 저장한 고분자 물질은 진화하는 동안 자기 복제 효율성과 정확성을 개선하는 능력 획득 3. 촉매력 획득

고대세균 진정세균 진핵생물 마지막 공통조상세포 시원세포 DNA 유전구조 단백질 합성의 기원 원시 tRNA RNA 세계 원시수프

점토결정 유전자(Clay) RNA world 라는 개념이 널리 받아들여 지고 있으나 생명이전(prebiotic) 화학(chemistry)에 관한 문제 . 진흙을 기반으로 한 유전적계. 진흙에 불순한 층이 패턴을 생성. 층이 분리되어 다른 데서 성장 . 패턴들은 완벽히 복사되지 않는다 별로 중요한 것 같지 않으나 진흙은 아미노산을 포획하여 중합체를 만든다. 진흙을 기반으로 한 생명으로 발전 ? 결국 단백질은 핵산을 만들고, 진흙 없이 a parallel genetic system을 제공 . 고분자에서 생명으로 되는 단계에 대한 이해는 아직도 먼 길이다. .

Exotic Life 만일 다른 행성에 아주 다른 생명체가 존재한다면? Drake 식의 fl , ne. 의 증가? 단백질과 핵산이 중심이 아닌 다른 고분자에 의한 생명?.

실리콘을 기반으로 한 생명 ? 실리콘은 탄소처럼 4개의 bonds (산소 2개, 질소 3개) 지구상 실리콘 함량은 탄소의 135배 4가지 문제점 : C-C bonds 가 Si-Si bonds 보다 2배 강하다. Si-O , Si-H 가 Si-Si 보다 강하고 단단해서 긴 사슬을만들기 어렵다. Si은 탄소같이 multiple Si bonds를 만들지 않는다. C 가 O 와 합하여 CO2 가스를 만들지만 Si은 O와 합쳐져 커다란 고체 결정인 silicates (SiO2),를 만든다. 따라서 자유로이 움직일 수 없다. . 그러나 가능성은 배제되지 안음.

물대신 다른 용제 Molecule Freezes (K) Boils (K) Water (H2O) 273 373 Ammonia (NH3) 195 240 Methyl alcohol (CH3OH) 179 338 Methane (CH4) 91 109 Ethane (C2H6) 90 184

용제 1. 물질을 잘 분해해야 한다. 물은 암모니아 메틸 알콜의 2배 2. 높은 승화 온도 효율적인 냉각 효과 3. 물은 암모니아와 메틸알콜 보다 좋은 온도 조절기 4. 물은 uv 광을 차단  물 외의 용제 사용  CHZ 영역 확대

비-화학적 생물 : 과학소설 “pure energy” 우리 생명- 화학에너지를 기반 electro-chemical process Body 없이 전자기적 지적 생명체? The Black Cloud (1957) by Fred Hoyle The story describes a small interstellar molecule cloud that is alive. The organism is half a billion years old, as big as the orbit of Venus, and as massive as Jupiter. The brain is a complex network of molecules. Once it discovers the Earth it communicates with us:

Black Cloud 에서의 문제 구름이 진화하여 40억년 안에 어떻게 지구에 지적 생명체로 진화되나? 가장 밀도가 높은 구름이라도 지구 대기보다 1013배나 희박하여 상호반응이 매우 드물다. 우주에서 성간운은 107 년 유지되나. 지상에 지적 생명체가 출연하기위해서는 109 년이 요구됨 . 그러나 매우 창의적인 개념 .

다른 에너지? 핵에너지에 기반을 둔 생명(put forward by Drake) 중성자별에서의 생명? 지구생명체에게는 중력과 온도가 너무 높다. 빽빽히 밀집된 핵물질로 된 생명 그들의 상호 작용시간 10-21 seconds 양성자 수명 10-15초, 크기 10-11cm 생명형태를 만들 후보로 부적합 – 행태가 존재하더라도 교신불가능 이런 개념은 Robert Forward 에 의해 Dragon’s Egg

결론요약 생명은 자연법칙에 의해 필연적으로 발생되는 결과인가? 비-생명 화합물  생명세포로 가는 중간단계들 올바른 환경에서 필연적으로 생명발생? 즉 fl = 1 ? 반대 : 올바른 조건은 얼마나 흔한가? 1. 물이 액체상태 행성? 2. 행성이 가스를 방출하여 물을 만들고? 3. 올바른 대기(환원대기)? 4. 올바른 에너지 소스 ? 5. 육지 와 중합체 생성? 6. 기조력(상당히 큰 달 : 밀물 설물 -> 바다로 중합체  지상 생명체는 unusual fl 10-4% ~ 100%.

N = R*  fp  ne  fl  fi  fc  L Drake Equation Frank Drake N = R*  fp  ne  fl  fi  fc  L # of advanced civilizations we can contact # of Earthlike planets per system Rate of formation of Sun-like stars Fraction of stars with planets Fraction that commun- icate Fraction on which life arises Fraction that evolve intelligence Lifetime of advanced civilizations 10 Stars/year 0.34 Planetary System/star 0.208 Livable Planets /Planetary System 0.235 Evolved Life /Livable Planet

Big Bang (H, He only) First Generation Stars (H,He, C, and O, plus some Heavy elements ) Second Generation Stars (H, He, C, N, O, etc) Stars with planets Interstellar Molecules(H2O, CO, H2CO, HC5N, etc) Earth-like Planet (reducing conditions + water) Comets Mantles on Dust Grains Monomers Life on Dust Grains? Clay Life Polymers Protolife (protein+nucleic acid Black Cloud Life?? Protocells Life as We Know it