The Last Frontier Life without light Hydrothermal vents (열수구)

Hydrothermal vents의 발견 In the deep sea (2 –3km depth) 200 – 300 기압 No light, no plants 생물이 살 수 없는 환경처럼 보임 1977년 처음으로 hydrothermal activity가 우연히 발견 2500 m 깊이 (280 km northeast of the Galapagos Islands) Vents 주변에 거대한 생물군집이 발견 Clams, mussels, worms, crabs

Plate tectonics (판구조론) 지구표면 (지각)은 약 12개의 판으로 구성 두께는 약 70 – 100 km 유동성의 약권 (asthenosphere)위에 떠 있음 지구내부의 열에 의해 약권이 팽창되면 밀도가 낮아지고 융기하게 됨 융기된 약권이 암석권에 도달하면 판을 이동시킴 이동속도: 5cm/year 경계부분 한쪽에서는 새로운 판이 만들어 지고 (mid-ocean ridges; 대양저산맥, 대양중앙해령) 반대쪽에서는 다른 판 밑으로 들어가거나 주름을 만들어 산맥을 형성 대부분의 지진과 화산활동이 판의 경계부에서 나타남

Hydrothermal vents Seafloor spreading at mid-ocean ridges causes volcanic eruptions (대양중앙해령에서 화산 활동) Heat transfer from the magma to the adjacent seawater (마그마에서 해수로 열 전달) Hydrothermal vents 생성 바닷물이 new crust 속으로 스며들어감 heating에 의해 밀도가 낮아짐 위로 올라 오면서 vents를 형성 물의 온도가 400°C 까지 올라감 높은 압력 때문에 증기로 변하지 않음 These fluids are replaced by cold seawater Active hydrothermal circulation 형성

Chemical reactions in hydrothermal systems Hydrothermal circulation 내의 seawater는 magma와 화학반응: 고온 고압 (400°C, 200 – 300 기압) Metal-rich, acidic solution으로 변함 H2S, CO2, H+, Fe2+, Mn2+,Cu2+, Zn2+, Ca2+, silicon 녹아있던 minerals 들이 cold, alkaline ambient seawater와 만나 particles로 떨어져 내림 Reduced metals 들이 H2S 와 급격하게 반응, particles의 precipitation Chimneys, black smoker를 형성 CaSO4, CuS, FeS2, ZnS 등의 precipitation이 chimneys를 형성 대부분의 sulfide precipitates는 검은색, 따라서 검은 연기처럼 보인다. 특히 FeS (Iron sulfide) 1979년에 처음 black smoker 발견

Hydrothermal vent community Darkness Poison gas (ex. Sulfide) Heavy metal (Cu, Zn) Extreme acidity (vent 주변: pH 2.8) 높은 수압 생물이 살수 없는 환경처럼 보임 그러나 vent 주변에 수많은 생물들이 community를 형성 New form of life 이곳 생물들은 energy의 기원이 태양이 될 수 없음 식물은 존재하지 않음 Making their living on the stuff of the Earth rather than the sun

Living at extremes 300여종 Blind shrimp, giant white crabs, tube worm (30 cm – 1 m), clam, mussel 95% 이상이 new species 미생물을 제외하고는 모든 vent 생물은 Kingdom Animalia에 속함 지구상의 생물체의 energy source는 태양 빛은 몇 100 m 수심까지만 Vent 에서는 빛이 전혀 없음 Energy가 지구내부의 화학물질에서 온다 Chemoautotrophs

Metabolic categories Based on energy source Based on carbon source Phototrophs: light energy를 사용 Chemotrophs: chemical energy를 사용 Based on carbon source Heterotrophs: organic carbon 사용 Autotrophs: inorganic carbon 사용

Metabolic categories Based on energy source and carbon source 1. Photoautotroph (photolithotroph) Cyanobacteria, algae, higher plants: normal or oxygenic photosynthesis CO2 + H2O  CH2O + O2 Bacteria: anoxygenic photosynthesis (no oxygen produced; 비산소발생광합성) CO2 + H2S  CH2O + S0 (using light energy) 2. Photoheterotroph (photoorganotroph) A variety of bacteria and some algae Organic carbon oxidized (using light) to CO2 + H2O

Metabolic categories Based on energy source and carbon source 3. Chemoautotroph (chemolithotroph) Reduced inorganic compounds (e.g. sulfides)의 oxidation으로 생성되는 energy를 inorganic carbon을 환원시키는데 사용 CO2 + O2 + H2O + reduced inorganic compounds  CH2O + oxidized inorganic compounds Reduced inorganic compounds (electron donor; energy source): H2, H2S, S0, Fe2+, NH3, NH4+ 4. Chemoheterotroph (heterotroph) 동물 CH2O + O2  CO2 + H2O

Vent life community Chemoautotroph bacteria가 유기물을 합성하여 vent community 내 동물을 먹여 살림 Hydrothermal vents 에 H2S가 매우 풍부함 H2S가 solar energy의 역할을 함 CO2 + H2S + O2 + H2O  CH2O (유기물) + H2SO4 Tubeworm (30 cm – 1 m)의 trophosome (영양체)내에 endosymbiotic sulfur bacteria Large clam과 mussel의 gill에도 symbiotic sulfur bacteria가 살고 있음 이들이 유기물 공급  vents 주변에 많은 생물들의 community가 구성

Black smoker hypothesis 최초의 생물체 지구의 역사: 45 – 46억년 최초의 생물: 40 – 35억년 전 c.f) Miller 의 실험: 유기물 인공합성 무기물이 전기방전 (강한 energy)을 통해 유기물로 합성됨 생명체로 발달 Black smoker 가설에서는 지구내부로부터의 열 energy가 Miller 실험의 전기방전과 같은 energy 공급 유기물이 vents 주변에서 합성 생물체로 발달

Black smoker hypothesis Ultraviolet radiation 으로부터 보호 Asteroids (소행성, 소혹성)의 충돌 energy 로부터 보호 증거 지구상에서 가장 원시적인 생물인 archaebacteria (고세균)가 현재 hydrothermal vents 에서 발견 Hydrothermal vents 에서 30억년 된 화석 발견

The first organic molecule 생성 높은 수압때문에 gas 로 변할 수 없음 고온의 물이 주변의 암석과 반응, mineral 들이 녹아 나옴 Sulfur나 mineral을 가진 hot water가 chemosynthesis를 위한 energy source를 제공 Miller 의 실험과 같은 방법으로 organic compounds 가 생성 Organic compounds 가 식으면 물속의 minerals 표면에 붙어 농축됨 Mineral 표면이 charge를 띰 이들 charge 가 organic compounds 를 끌어당기고 질서를 가지고 배열된다 배열된 organic compounds 가 합해져서 larger organic compounds 를 형성

The first organic molecule 생성 Protein-like chain structure or proteinoids (단백질양물질) 형성 Proteinoids 가 protocells (원시세포)로 발달 protocell은 많은 cell의 특성을 나타냄 a film-like outer wall Osmosis 에 의해 swelling or shrinking Budding (출아) Binary fission (이분법): 동일한 두개의 daughter cells 내부의 particles 이 움직임