21장 생명의 기원

생명의 기원에 대한 가설 생명의 기원에 대한 제안: 홀데인 (J.B.S. Haldane)과 오파린 (A.I. Oparin) 지금과는 매우 다른 상황에 있었던 따뜻한 원시 대양에서 자발적으로 화학합성이 일어나기 시작했다고 제안 암모니아, 메탄, 물과 같이 수소를 많이 함유한 물질에서 아미노산, 당, 뉴클레오티드의 염기가 자발적으로 생성 이때 합성에 필요한 에너지는 번개, 자외선, 열, 높은 에너지를 가진 복사선에서 얻을 수 있었다.

생명의 기원에 대한 가설 형성된 유기분자를 자발적으로 분해할 생명체가 없었기 때문에 유기분자가 농축되어 원시대양은 뜨겁고 묽은 수프가 되었다. 엉성한 막으로 둘러싸인 작은 물방울 즉 코아세르베이트 (coacervate) 생성: 자가 촉매적 분자 홀데인-오파린 가설은 대부분 사건의 무작위적인 출현과 원시 지구의 물리적 조건에 대한 가설에 기초하고 있다.

밀러-유리의 가설 홀데인-오파린 가설에서 가장 중요한 것은 생명체 분자를 만드는 선구물질이 원시대기에서 자발적으로 생성되었다는 점이다. 밀러-유리의 실험장치: 산소를 배제하고 적은 양의 물과 함께 메탄, 암모니아, 수증기, 수소를 주입 에너지원을 위해 플라스크 윗부분에서 전기방전을 발생시킴 일주일 후, 알데히드, 카르복시산, 아미노산 발견

원시지구 태양과 태양계의 다른 행성과 함께 대략 46억년 전에 형성되었다. 태양계의 선구체는 광활하고 평평하며 기체로 이루어진 구름, 먼지, 다른 부스러기의 집합체였다. 높은 고온 때문에 지구의 지각은 반액체 상태로 녹아 있다가 6~8억 년이 지나고 나서 굳어졌다.

원시지구 화산에서 분출된 대기는 대량의 수증기와 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소, 암모니아, 수소, 황화수소로 이루어졌다. 원시대기는 현재 물, 이산화탄소, 일산화탄소, 질소, 수소로 이루어졌다고 생각됨 에너지 공급원으로는 자외선, 번개, 열, 충격에너지 (지진과 진동)

오늘날의 가설 원시지구의 물리적 상태에 대한 검증과 설명은 계속되어야 한다. 아미노산, 염기, 당과 같은 필수 단위체가 효소나 효소 이외의 다른 생물학적 작용이 없는 원시 지구 조건하에서 생성될 수 있음을 증명해야 한다. 단백질, 핵산 등 생명체에서 볼 수 있는 중합체가 단위체로부터 자발적으로 형성될 수 있음을 증명해야 한다. 막이나 테두리로 분리되고 활동적인 세포 집단이 자발적으로 형성될 수 있음을 증명해야 한다. 대대로 유전정보를 전달할 수 있고 대사과정을 유지할 수 있는 간단한 자기복제계가 생성될 수 있다는 가능성을 제시해야 한다.

단위체 현재 실험실에서 합성된 단위체 목록을 보면 당, DNA와 RNA의 모든 뉴클레오티드 염기, 아미노산, 대부분의 필수 비타민 오늘날 생명체에서 가장 널리 나타나는 뉴클레오티드 염기인 아데닌이 가장 쉽게 합성된다는 것이 판명됨 연구결과는 생명체와 관련된 많은 단위체가 원시 지구 상에서 자연발생 되었다는 가설을 지지한다.

중합체 – 생물의 고분자 우스 (Carl R. Woese): 생명이 바다가 아니라 원시 지구의 뜨겁고 매우 짙은 대기에서 시작되었다고 제안 폭스 (Sidney Fox): 아미노산 중합반응이 뜨겁고 건조한 화산 가장자리나 심지어는 뜨거운 원시 바닷가에서 쉽게 일어날 수 있었다고 설명. 뜨겁고 건조한 조건 하에서 200개의 아미노산으로 이루어진 중합체를 생성하는 데 성공했다 (열성 프로테이노이드 생성). 현재까지 핵산 중합체가 자발적으로 생성될 수 있다는 증거는 없다.

자기복제계 현존하는 생물체는 DNA, mRNA, tRNA, rRNA 같은 핵산을 이용하여 폴리펩티드를 합성해서 효소를 만든다. 그러나 동시에 핵산을 합성하기 위해서는 효소가 필요하다. 닭과 달걀을 문제

원세포 모델 – 오파린과 코아세르베이트 코아세르베이트: 단백질이나 다른 중합체들이 물에 들어가게 되면 서로 뭉쳐 코아세르베이트라 불리는 작은 방울을 형성하는 경향이 나타나게 된다. 코아세르베이트는 여러 종류의 분자들에 대하여 선택 작용을 하는 경계층으로 자신을 둘러싼다. 코아세르베이트가 임계 크기 및 질량에 도달하면 자발적으로 나뉘는데, 이것은 세포에서의 특징적인 과정이다.

원세포 모델 – 폭스와 열성 프로테이노이드 프로테이노이드 마이크로스피어: 둥근 형체가 자동적으로 두 층의 막을 형성하여 코아세르베이트와 같이 수중 환경으로부터 스스로를 격리시킨다. 이 둥근 형체는 주위 환경으로부터 선택적으로 분자들을 받아들인다. 그것들은 자라고, 다른 마이크로스피어와 융합하며 표면에 작은 돌기를 만들어 조건이 허락되면 분열한다.

원세포 모델 – 한 조각의 점토 실험 조건 하에서 유기 단위체는 점토 미립자에 부착하여 그 표면에 농축된다. 점토 미립자는 전기적으로 하전되어 있어 단위체와 반응할 수 있으며, 어떤 경우에는 단위체의 중합반응을 촉매한다. 아미노산은 점토미립자의 표면에 프로테이노이드를 형성했다.

원세포 모델 – 모델에 대한 고찰 자기복제계: 작은 물방울 안에 있는 분자가 작은 분자들로 나누어지고 이들이 주형이 되어 새로운 복제 사본을 만들 수 있다 바이러스 중 가장 간단한 것은 중앙에 있는 핵산과 이를 보호하는 단백질 외피만으로 구성되어 있다. 현재 알려진 모든 바이러스는 기생생활을 하기 때문에 숙주세포 밖에서는 물질대사나 생식을 하지 못한다. 아미노산이 쉽게 폴리펩티드로 중합되는 것과는 달리 핵산은 효소 없이는 뉴클레오티드로부터 형성될 수 없다.

최초의 세포: RNA – 유전자와 효소 최초의 진정한 유전자가 DNA 보다는 오히려 RNA에서 암호화됐다고 확신하는 연구자가 늘어나고 있다. 오글 (Leslie E. Orgel)은 염성 환경에서 RNA 뉴클레오티드 생성에 성공했다. 그러한 중합체는 복제가 가능하며 RNA 염기쌍 형성을 통해 자신의 사본을 만들 수 있다. DNA 복제는 생명의 역사에서 RNA 복제 보다 후에 일어났을 것이다.

최초의 세포: RNA – 유전자와 효소 최근 원생생물에서의 인트론 절단에 대한 연구에 따르면 rRNA 일차전사체 역시 효소의 도움없이 그들 스스로 인트론을 제거할 수 있다 최초 DNA가 역전사를 통해 만들어졌을 수도 있다고 제안 DNA가 RNA 보다 유리한 점은 DNA는 안정성이 더 높고 정보 저장에 있어서 더 효율적이며 이중가닥이 있어서 복제가 잘못된 곳을 고치고 돌연변이를 삭제할 수 있다.

최초의 세포: 세포의 조상인 프로게노트 프로게노트라고 부른 최초의 세포가 인트론을 완전히 갖춘 DNA로 형질전환을 일으켰다고 주장 리보솜을 가지고 있어서 유전적 메시지를 폴리펩티드로 번역할 수 있다. 프로게노트는 세 가지 계열로 분리되었다고 짐작 고세균 (archaebacteria), 진정세균 (eubacteria) 과 진핵생물

최초의 세포: 물질대사를 하던 초기 세포 최초의 생명체가 광독립영양적이거나 화학독립영양적이었을 것으로 추정 이 둘은 다른 유기체에 의존하지 않고 각각 빛과 무기화합물로부터 에너지를 끌어내어 사는 독립영양생물이다. 초기 종속영양세포는 대양에서 자발적으로 생성된 단위체로부터 에너지를 얻었을 것이다.

최초의 세포: 초기의 독립영양세포 현재 원시적 광독립영양생물들은 햇빛으로부터 에너지를 얻고 용해되어 있는 황화수소로부터 수소를 얻는다. 최초의 독립영양생물도 수소를 얻기 위해서 가장 간단한 형태의 광계로 빛에너지를 이용하였으리라 추측 원시 남세균이 에너지적으로 덜 유리하나 매우 풍부한 물로부터 수소를 공급받아 광합성을 하기 시작 광합성이 원시 지구의 강한 환원성 대기를 산소가 풍부한 오늘날의 매우 산화된 대기로 바꾸어 놓았다.

최초의 세포: 초기의 독립영양세포 종속영양생물이 풍부한 남세균을 삼켜서 그들의 저장된 에너지를 이용할 수 있게 되었다.

최초의 세포: 초기의 독립영양세포 세포내공생설