지구 생명의 속성과 화학 진화 : I, II, III S.S.Hong _100425.

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1 지구 생명의 속성과 화학 진화 : I, II, III S.S.Hong _100425

2 지난 시간까지 우리는 나오면서 돌아보니 1. 지구 생명의 자기 복제 기작 2. 원시 지구에 유기 분자 출현
지구 생명의 속성과 정의 생명체의 기본 구성 단위 자기 복제의 비결과 구현 2. 원시 지구에 유기 분자 출현 유기 분자의 범 우주적 분포 Urey-Miller의 실험과 Murchison 운석 외계 유기물의 원시 지구로의 유입 가능성 3. 단순 화합물에서 생체계로 유기 분자의 농도 유지 복잡한 구조의 구축 중합 반응을 통한 거대 분자의 합성 복잡 구조물 형성에 광물의 역할 4. 지구 생명의 기원과 진화 원시 생화학 반응 RNA 생명의 세상 분자 계통 발생학으로 본 생명의 진화 나오면서 돌아보니 S.S.Hong _100425

3 참고 문헌: L. Darnell 2007, Life in the Universe (Oneworld: Oxford), pp 202 G. Horneck and P. Rettberg(eds) 2007, Complete Course in Astrobiology, pp 412 장 회익 1998, 삶과 온생명 새 과학 문화의 모색, (서울: 솔), pp 395 S. Jonathan Singer 저, 임 지원 역 2004, 자연 과학자의 인문학적 이성 죽이기, (서울:  다른세상), pp 270 John L. Casti 저, 김 희봉 • 권 기호 옮김 2005, 현대과학의 6가지 쟁점, (서울: 지식 의 풍경), , 338 J. Bennett and S. Shostak 2007, Life in the Universe, (Addison Wesley: San Francisco), pp 485 Sephton, M.A. 2003, Origin of Life, in An Introduction to ASTROBIOLOGY, ed. by Iain. Gilmour and Mark A. Sephton, 1-42. S.S.Hong _100425

4 지난 시간까지, 우리는 우주에 생명 형성에 필요한 화학 성분이 마련되는 과정을 짚어 보았다. 그리고 항성 주위에 행성계의 형성 과정을 이해할 수 있었다. 행성들 중에는 고체 행성이 존재할 수 있으며 거기에서 생명의 발현을 기대할 수 있을 것이다. 앞으로 서너 차례 만나면서 우리는 지구 생명의 속성을 가늠하여 생명의 기원을 엿봄으로써 외계 생명의 존재 가능성을 점쳐보고자 한다. S.S.Hong _100425

5 1. 지구 생명의 자기 복제 기작 1.1 지구 생명의 속성과 정의 생명 기원에 관한 원시 암흑기
지구가 태어난 46억 년 전부터 35억 년 전에 이르는 시기 오늘까지 발견된 가장 오래 된 생명의 흔적은 거의 39억 년 전 35억 년 전쯤에는 이미 지구에 생명이 확실히 자리잡고 있었다. 생명 기원에 관한 초기의 생각들 Spontaneous and Repeated Generation of Life 썩은 고기  구더기 ; 땀  이 ; 개펄  뱀장어, 물고기 ; 진흙  개구리, 쥐 Francesco Redi ( ) 이태리 구더기=파리의 애벌레 ; 밀폐 용기의 썩은 고기에 구더기 생기지 않음(1668) Anthony van Leeuvenhoek ( ) 네덜란드 현미경의 발명, 미생물의 발견 (1676)  Spontaneous Generation Louis Pasteur ( ) 프랑스 Sterilized broth remains sterile indefinitely, as long as micro-organism is kept off the broth. 모든 생명은 생명만이 만들 수 있다. 그렇다면 최초의 생명은 어떻게 ? “ 알 신화 ” – 위상의 변화 S.S.Hong _100425

6 지구 생명의 일반 성질 Order ; Reproduction ; Growth/Development ;
Energy Utilization ; Response ; Evolutionary Adaptation S.S.Hong _100425

7 생명 유지의 화학 기제 + 에너지의 원천 [엔트로피 증가]
생명 유지의 화학 기제 + 에너지의 원천 [엔트로피 증가] 생명 현상의 원자/ 분자 수준에서의 이해  양자 물리/ 양자 화학 에너지 준위, 들뜸 에너지, 발열/ 흡열 반응 초기 지구 상황에서 활용 가능한 에너지의 정체  궁극적으로 핵융합 반응 에너지 공급원 = 중심 별 Adaptation: Natural/ Artificial S.S.Hong _100425

8 생명의 2대 속성 생명의 정의 자기 자신을 스스로 복제.self-replication. 하는 기능 다윈 진화에 참여하는 기능
자기 복제에서 어쩔 수 없이 생기는 실수  돌연 변이 자연 선택이 특정 돌연 변이 체를 선호하여 미래 세대에로 유전 [적자 생존, 약육강식 versus 조화와 희생, 공존의 미덕] 생명의 정의 Gerald Joyce of NASA A self-sustaining chemical system capable of undergoing Darwinian evolution 말 + 당나귀  노새 주위로부터 공급될 에너지와 물질이 필요 생명 유지를 위한 화학 작용 그 화학 작용의 기제에 대한 이해  생명 또는 생명 현상의 이해 “Life is something that can reproduce and evolve through natural selection.” S.S.Hong _100425

9 1.2 생명체의 기본 구성 단위 생명 화학의 요체 생명의 은인, 탄소 C  4가 원소 탄소를 기본으로 하는 화학 반응
= 탄소화학 생명 유지의 전제, 물 H2O S.S.Hong _100425

10 생명의 은인, 탄소 우주에 충분한 양이 존재하는 원소 현재까지 알려진 지구 생명은 모두 탄소 화학에 뿌리를 두고 있다. 탄소= 생명 유지에 필요한 화학 반응을 가능케 하는 유일한 원소 다양한 종류의 원소와 화학 결합 C + H, O, N, S, P 탄소 화합물은 H2O 에 쉽게 용해  반응율 Si-based Life Si is 103 times as abundant as C in earth’s crust! Si-bonds are weaker than C’s. Si-based molecules may not last long in water. Si forms only single bonds. SiO2 has lower mobility than CO2. S.S.Hong _100425

11 polar versus apolar molecules
물 H2O = 생명 유지의 기본 전제 유기 화합물을 용해하고 화학 반응이 일어날 수 있는 매질로서 물의 중요성 물 = 극성 분자 ; 최고의 溶媒 物質 적정 온도에서 액체 위상으로 존재 화학 반응율은 온도에 민감  단위 시간에 서로 만나는 회수에 비례 너무 낮으면 반응율 떨어지고, 너무 높으면 분자가 해리된다. NH3 는 지나치게 낮은 온도에서 액체 위상을 유지 반응이 매우 느리게 진행되어 필요한 반응을 완성할 시간이 부족 수소 결합의 특성 polar versus apolar molecules 소형 분자로서 생명체 질량의 70%를 차지 H와 O가 사람의 육신에서 발견되는 가장 흔한 원소 대부분의 생체 화합물도 수용액의 형태로 존재 물의 용매성은 물 분자의 극성에 유래 극성 對 무극성 분자 Hydrophilic versus Hydrophobic S.S.Hong _100425

12 Proteins and Amino Acids
An example of a protein chain: Structure of an amino acid : If R ≠ H, then assymetric carbon (C*) All the biological A.A. are L in configuration (except glycine: no C*) S.S.Hong _100425

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14 생체 물질은 물 분자를 제외하면 거의 대부분을 매우 큰 분자들이 차지한다.
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15 탄수화물.炭水化物 Carbohydrates.
지질.脂質 Lipids. 비수용성의 지방.脂肪 fat.과 유지.油脂 oil. 물질로서 알코올이나 에테르에 용성.溶性. 물질이다 이 거대 분자들의 한 쪽 끝은 극성을 띠지만 다른 쪽 끝은 무극성이다. 거대 분자를 구성하는 단량체들 사이의 화학 결합이 비교적 약하므로 화학 에너지의 저장고의 역할을 하는 한편, 높은 유동성을 가져서 세포막을 구성하는 물질로 유용하다. 탄수화물.炭水化物 Carbohydrates. 수많은 수산기.OH. 군의 결합 물질로서 극성을 띠는 수용성 분자 저 분자량의 단량체들이 중합하여 거대 분자량의 중합체를 이룬다. Polysaccharides = 고리 구조의 거대 중합체 탄수화물 Pentoses  탄소 5개 ; Hexoses  탄소 6개 화학 에너지의 편리한 저장고 유기체의 구조물을 이루는 기본 물질로 기능 한다. S.S.Hong _100425

16 단백질.蛋白質 Proteins. 생체 물질을 구성하는 가장 복잡한 분자
20종의 단량체 아미노산이 탈수 반응을 통해 결합한 중합체 구성 아미노산들의 결합 순서에 따라 각기 다른 기능을 갖는다. 생체의 기본 구조를 구축하는 분자 – 머리카락, 손톱 생체 반응의 촉매로 작용 – 소화 촉진제 효소.enzymes. = 생체 반응에서 촉매로 작용하는 단백질 알라닌, 아미노산 (단량체) 앞의 아미노산이 탈수 반응을 통해 중합하여 만든 단백질 중합체 S.S.Hong _100425

17 DNA deoxyribonucleic acid 와 RNA ribonucleic acid
핵산.核酸 Nucleic acids. 생체 물질을 구성하는 거대 분자들 중 가장 큰 분자 염기.Nucleotide.들이 길게 결합한 선형 다중체 분자 염기 하나 = 5탄소 설탕 한 개 + 인산염 군 + [N 염기 하나]_ k DNA deoxyribonucleic acid 와 RNA ribonucleic acid k = A, T, G, C for DNA ; k = A, U, G, C for RNA S.S.Hong _100425

18 RNA.Ribonucleic acids. DNA의 T thymine 염기를 U uracil 염기가 대치하고 나머지 AGC는 동일함. 당의 종류가 DNA의 것과 다르다: Ribose DNA와 결합할 때 U는 A와 결합하므로 DNA의 한쪽 나선의 염기 서열이 RNA의 염기 서열을 결정; vice versa  염기 서열(유전자 코드)의 복사: 轉寫, DNA message is transcribed into an RNA message; mRNA 전령 RNA 가닥 S.S.Hong _100425

19 Structure of DNA DNA and RNA are linked chains of nucleotides, each of which consists of a sugar, a phosphate group, and one of five kinds of nucleobases (puric and pyrimidic bases). S.S.Hong _100425

20 DNA and RNA S.S.Hong _100425

21 1.3 자기 복제의 비결과 구현 S.S.Hong _100425

22 하나의 이중 나선 = 어머니 DNA 동일한 딸 DNA의 2개의 출현 DNA의 역할 염기 서열이 유전 정보를 가지고 있으므로
약한 수소 결합으로 연결돼 있던 염기 사다리의 계단들이 중심의 수소 결합이 깨지면서 2중 나선의 DNA가 두 가닥으로 분리 = unzip A-T ; T-A ; G-C ; C-G 의 짝을 구성 동일한 딸 DNA의 2개의 출현 계단의 완성으로 이중 나선 구조의 복원 DNA의 역할 자기 복제. self-replication . 유전 정보. genetic code .의 보관 및 차기 세대에 전달 genetic code에 따라 각종 단백질의 합성이 이루어짐 염기 서열이 유전 정보를 가지고 있으므로 동일한 특성을 갖는 개체의 탄생 세대를 거듭하며 자기 복제의 신비를 연출! S.S.Hong _100425

23 세포 Cell CELL = a small bag of molecules separated from the outside world 반응율  단위 시간에 조우하는 횟수  농도1 x 농도2 x 반응단면적 x 상대속도 반응에 참여하는 분자를 세포 안에 가두어 둠으로써 농도를 적정 수준으로 유지 핵 = 유전 정보의 보관과 발현을 제어 시토졸 = 액상 물질, 소금 용액, 리보좀, 효소 세포막 = 지질, 단백질 ; 세포벽 = 탄수화물, 단백질 박테리아 = 단일 세포 유기체 ; 사람의 세포 수 = 약 60 x1012 개 세포 분열  복제된 두 개의 DNA가 세포막의 다른 부분으로 이동하면서 둘로 분리 S.S.Hong _100425

24 단백질 합성과 mRNA DNA unzips, seeks out RNA nucleotides, and produces a strand of messenger RNA, mRNA. The resulting mRNA is released, and DNA then zips itself together again. The released mRNA carries, in a way, its own version of DNA. Molecular factories called ribosomes use the mRNA to combine free amino acids into long protein chains. S.S.Hong _100425

25 둘째, 친/소 수성: 셋째, 자주 실수 ; 쓰레기 DNA exon vs intron = 3 : 97
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26 DNA is a complex molecule that carries information, makes
copies of itself, and is capable of evolution (mutation). Ribosomes are made of proteins and RNA. S.S.Hong _100425

27 Basic components to have a cell working:
Proteins + DNA & RNA (similar in structure) S.S.Hong _100425

28 Genetic Codes: 네 개의 단어로 구성된 지구 생명 공통의 언어 생명 활동에 필요한 정보량
바이러스 104 비트; 박테리아 106 비트; 아메바 108 ~ 500쪽 짜리 책 80권 ; 고래나 인간 5 x109 비트 ~ 책1000 권 인간 세포 수 1014개  부모가 만든 단 하나 의 수정란 세포  웃는 방법, 재채기 하기, 걷기, 패턴 인식, 생식 기술, 소화 요령 생물마다 다른 도서관을 갖고 있지만 소장된 도서에는 내용이 같은 쪽이 많다. 다양한 생명이 공동의 조상에서 진화 “수십억 년에 걸친 화학 반응에 대한 반복된 실습의 결과” 그렇다면 생명은 진화 과정에서 ‘뇌’라는 특별한 기관을 ‘왜 발명’했던가? S.S.Hong _100425

29 SRAO Seoul Radio Astronomy Observatory S.S.Hong _100425

30 2. 원시 지구에 유기 분자 출현 2.1 유기 분자의 범 우주적 분포
성간 물질에서 현재 150여 종 이상의 성간 분자가 발견됐다. 상당 수가 탄소 화학에 기초한 유기물 분자이다. 75% are C bearing molecules. PAHs: polycyclic aromatic hydrocarbons 주로 10~30K의 저온 거대 성간 분자운 GMC (Giant Molecular Cloud) 에서 발견된다. 이러한 발견은 1970 년대에 들어와서 가능해졌다. IR & Radio S.S.Hong _100425

31 성간 분자, 성간 티끌, 태양계 성운, 지구형 행성 소형 분자의 형성 : 기체 화학 반응 내화성 광물질의 응결 핵 형성
우주선과 성간 UV 복사에 의한 H-H2-H+ 반응 H2의 형성은 티끌의 매개를 전제로 함 ; 기체 반응은 분자량 102 수준의 분자들 형성 내화성 광물질의 응결 핵 형성 적색 거성 외곽 층의 팽창과 냉각 ; 내화성 광물 결정의 미세 고체 입자 출현 중심별의 복사압에 의해 응결 핵은 성간으로 방출됨 휘발성 원자와 소형 분자들이 티끌 표면에 정착 성간 자외선에 의한 광합성의 결과로 내화성 유기물의 표피 층을 형성 응결 핵은 코아 – 맨틀 구조의 성간 티끌로 성장 – 암흑 성간운 회전 성간운의 중력 수축과 원시 행성의 탄생 원시 태양계 성운의 출현 중심별 근처에서는 성간 티끌이 용융과 재결정 과정을 겪으면서 내화성 입자로 변신; 먼 지역에서는 코아-맨틀 구조에 휘발성의 얼음 층을 첨가 이러한 티끌들이 겪는 충돌-병합의 결과물이 혜성의 핵과 같은 미행성 체 미행성 체들의 충돌-병합의 결과물이 원시 행성 고체 행성의 탄생 – 지구 원시 지구에서 유기 화합물의 합성 – 생명의 출현 S.S.Hong _100425

32 2.2 Urey-Miller의 실험과 Murchison 운석
abiotic synthesis of amino acids Univ of Chicago Harold C. Urey ( )와 그의 지도를 받던 학생 Stanely Miller 가 1950년대 초에 수행한 실험 물을 담은 하방 프라스크 = 원시 해양 프라스크 가열  수증기 순환 상방 프라스크 H2O, NH3, CH4, H2 전기 방전 1주일 계속 , 반응 물질 분석 생체에 필요한 다량의 유기 화합물 특히 아미노산이 합성됐음을 확인  원시 유기화합물의 합성 가능성 S.S.Hong _100425

33 유기 분자 합성에 동원 가능했던 에너지 원 원시 태양의 광도는 현재보다 20~30% 낮았다.
태양의 총 복사 ,090, [Joule m-2 yr-1] 태양의 자외선 복사 ,680.0 전기 방전 - 번개 우주선 입자 방사능 원소의 붕괴 – 지하 1km 화산 폭발 충격파 – 지구 대기 원시 태양의 광도는 현재보다 20~30% 낮았다. 자외선에 관심 갖는 이유는 화학 반응을 유발하는 문지방 에너지의 크기 때문이다. 전기 방전 에너지는 실질적으로 미미한 수준에 머문다. 방사능 붕괴는 지구 내부를 용융 상태로 유지하는 주요한 에너지 원이다. 대기에 돌입하는 유성체가 충격파를 발생하여 운동 에너지를 열에너지로 변환한다. 화학반응이 분자 또는 원자 들 사이의 충돌을 전제 하므로, 무작위 성격의 열 운동 이 중요하다. S.S.Hong _100425

34 Murchison 운석 Carbonaceous chondrite [입상구체를 갖고 있는 원시 운석]
어느 일요일 아침; Murchison, Victoria, Australia [Melbourne 근처] solvent 냄새가 유기 화합물의 존재를 시사해서 분석해 본 결과 아미노산을 포함한 수종의 유기분자 확인 Miller-Urey 실험 결과물의 분자들과 성분이 상당 부분 일치 간단한 유기 분자의 범 우주적 선 생체 합성 가능성을 시사 - pre-biotic synthesis of simple organic molecules 그 이후 원시 지구에서 중합 반응을 통해 거대 단백질 분자로 만들어질 수 있었다 ! Murchison 운석 S.S.Hong _100425

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36 Atmosphere Composition Reducing CH4, NH3, H2O, H2 CO2, N2, H2O, H2
The Miller/Urey experiment in 1950 Simulation of a putative primitive Earth environment Atmosphere Composition Reducing CH4, NH3, H2O, H2 CO2, N2, H2O, H2 CO2, H2, H2O Neutral CO2, N2, H2O Oxidizing CO2, N2, H2O, O2 S.S.Hong _100425

37 Why CH4, NH3, H2O, H2 : They have been detected in the atmosphere of giant planets since 1930s. All the primitive atmospheres of planets were identical, captured from the Solar Nebula. Giant planets, cold and distant from the Sun, have kept their original composition. Urey and Miller concluded that the current composition of the atmosphere of giant planets was a good proxy for the atmospheric composition of the primitive Earth. However; Terrestrial planets do not have sufficient mass to capture the Solar Nebula gas; at least 10~15 times the Earth mass is required. At about 1AU from the Sun where Earth accreted, the gaseous component of the Nebula was probably dominated by CO2 and N2. Terrestrial planets have secondary atmosphere built from volatile compounds that out-gassed from the mantle and were imported via meteorites and comets. In atmosphere dominated by CO2 and N2, organic syntheses are not as efficient as in a reducing atmosphere.  외계 유입의 필요성 S.S.Hong _100425

38 A link between comets’ composition and the ice history ?
Endogenous Sources of Organic Molecules Atmospheric syntheses Hydrothermal vents Exogenous Delivery of Organic Molecules Comets Meteorites Micrometeorites 20,000 ton/year A link between comets’ composition and the ice history ? Matter in Dark Interstellar Clouds Destruction of pristine ISM Conservation of pristine matter Incorporation to Sun, planets or Incorporation to comets molecule dissociation, ice sublimation Formation of asteroids Formation of comets Pristine or differentiated Gradient in composition S.S.Hong _100425

39 2.3 외계 유기화합물의 원시 지구로의 유입 가능성 1) 탄소 對 중원소 함량비로 본 탄소의 결핍 문제
생명이 탄소만 선별적으로 취한다면 해결 가능하겠지만, 105의 차이를 모두 이런 식으로 해결하기에는 무리가 따를 것이다.  외계 유입의 필요성 S.S.Hong _100425

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41 현재 H2O은 충분한 듯하지만, 옛날에도 과연 그랬을까. 지구 구성 성분으로 보건대 C의 전체 예산에는 문제가 있는 듯하다.
Life is in the inner solar system, but life ingredients are all outside !!! 태양계에 생명이 태동하던 당시 내행성계에는 유기분자가 충분히 많지 않았을 것이다. 그러나 물은 광물 내부에 수화물의 형태로 상당 양이 존재했을 것이다. Oro를 비롯한 천체생물학자들이 그래서 유기 분자의 외계 유입을 주장했다. 혜성 핵의 지구 충돌 ; 오에트의 혜성 구름이 있는 지역에는 탄소가 풍부하다. 혜성과 소행성의 원시 지구 대기로의 유입률을 계산해보면, 많은 양의 탄소가 이 과정을 통해 지구 표면에 다량으로 공급될 수 있었을 것이다. 하지만 이런 식의 탄소 유입은 40 ~ 38억 년 전 경에 끝났다. S.S.Hong _100425

42 2) 아미노산 분자의 좌 손성 손성 chirality 이란?
2) 아미노산 분자의 좌 손성 손성 chirality 이란? Isomers = 분자식이 동일한 분자들 ; chiral = ‘hand-like’ chiral = isomers having non-superimposable mirror images ; achiral = superimposable mirror images C 원자에 붙은 구조물 4개가 모두 서로 다른 종일 때 손성을 갖는다. glycine alanine Alanine can be present in L- and R- chirality versions; but in life L- version only ! (L) levo- (R) dextro- 생체에 존재하는 20개 아미노산 중 glycine만 제외한 19개 모두 좌 손성 실험실에서의 화학 반응은 양쪽 손성의 분자를 동수로 만든다. 무슨 연유에서인지 우 손성의 단백질 분자는 생체 반응을 저해하는 요인으로 작용한다. 지구 생명을 만든 유기 분자가 애초에 외계에서 유입된 것이며, 그들이 모두 좌 손성이었다면, 이 현상을 이해할 수 있을 것이다. S.S.Hong _100425

43 - Murchison 운석에서 검출된 아미노산들의 경우 좌 손성이 우세하다
그렇지만 원시 태양계 유기물질의 좌 손성이 설명되기 전에는 지구 생체 물질의 좌 손성 문제가 다 해결된 건 아니다. 미루었을 뿐. - 이와 관련하여 성간 공간을 통과한 빛의 원형 편광에 주목할 필요가 있다. 생체를 이룰 아미노산 형성에 자외선 복사가 중요한 역할을 했을 것 같다. 좌우 회전 편광이 동일한 양으로 시작한 빛이라도 정렬된 성간 티끌 사이를 통과한 다음에 회전 편광을 하게 되는데, 긴 파장의 빛은 RHCP을 갖고 자외선은 LHCP을 갖게 된다. 손성을 갖는 화합물들이 광분해/ 광합성 등의 반응을 할 때 복사의 회전 편광 방향에 따라 선호도가 다르다. 그러므로 모종의 연계가 있는 듯한데, 이 연계를 구체적으로 규명하려면 손성을 갖는 분자들이 입사 광에 대하여 정렬돼야 할 것이다. 그 기작이 과연 무엇인지 알려지지 않았다. - 그러므로 좌 손성의 우주 기원에 관한 확실한 이론은 아직 없다. - 외계 생물의 생체 반응에도 모두 좌 손성의 아미노산이 유리할 것인가 ? 3) 화학조성 면에서 생체와 ISM의 유사성 지구 생명체의 화학 조성이 지표 물질보다 성간 물질이나 태양과 더욱 비슷하다. 특히, C, N, O 원소가. 이 사실 역시 생명을 태동한 원초적 유기 분자들이 외계에서 유입됐을 가능성을 시사한다. S.S.Hong _100425

44  그렇지만 이 아이디어 역시 생명의 기원 문제를 해결한 게 아니라, 피해갔을 뿐이다.
이런 관점에서 생명의 범종설.panspermia.이 최근에 다시 주목을 받기 시작했다. 스웬덴 화학자, 노벨 수상자, Svante Ahrrenius( ) 가 1908년에 제안 Floating spores driven out of a planetary atmosphere by radiation pressure travel interstellar space and eventually fall upon another planet, like planet Earth. harsh radiation in interstellar space  meteorite protection  AHL 84001, interplanetary travel Interstellar travel of meteorites is also possible; Beta Pictoris !  그렇지만 이 아이디어 역시 생명의 기원 문제를 해결한 게 아니라, 피해갔을 뿐이다. S.S.Hong _100425

45 4) ALH 84001에서 배운 것 S.S.Hong _100425

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47 ALH 84001’s Life : On Aug 7, 1996, NASA announced fossil evidence of alien micro-organism: ALH 4.5 Ga crystallized from magma on Mars 4.0 Ga battered but not ejected by an asteroid impact 3.6 ~1.8 Ga altered by water to produce carbonated minerals 16 Ma blasted into space by an asteroid impact 13,000 yr before falls to Earth in Antarctica Dec 27, discovered in Antarctica Oct recognized as Martian meteorite Aug David McKay of NASA announcement: it contains possible evidence of Martian life by about identification of alien micro-organism has been discounted/ microscope preparation, pure chemistry, contamination, ...  But the idea of interplanetary and interstellar travels of meteorites attracts a lot of scientific attention.

48 3. 단순 화합물에서 생체계로 3.1 유기 분자의 농도 유지 미행성, 소행성, 혜성이 소유했던 유기 분자의 유입
대부분은 바다에 녹거나 표토 층에 매몰; 반응율 = 분자1 농도 x 분자2 농도 x 반응 단면적 x 상대 속도 [ number of reactions in unit volume and in unit time: # cm-3 sec-1 ] 유입된 유기 분자의 농도 증가 방안이 강구돼야 한다: pre-biotic soup/ 진흙/ 광물 결정 농도 증가가 가능한 환경 해수 유입이 차단된 바닷가 석호.潟湖.나 웅덩이 같은 곳에서는 계속되는 증발로 농도 증가함. 일반적으로 물이 먼저 얼기 때문에 수용액이 결빙될 때 농도 증가함. 진흙의 표면이나 특정 광물도 수많은 간극과 공극 때문에 농도의 증가를 돕는다. (진흙이 일종 의 촉매 구실을 함.) 자연은 오랜 시간 동안 시행과 착오를 거듭하면서 뭔가 이루어 낸 것이다. ‘자기 복제 반응’을 하는 분자가 태어난 다음부터 이들은 여타의 모든 반응을 제치고 자신이 속한 계를 급속히 지배하기 시작했을 것이다. S.S.Hong _100425

49 3.2 복잡한 구조의 구축 S.S.Hong _100425

50 3.3 중합 반응을 통한 거대 분자의 합성 Sydney Fox (1958) David Deamer (1985)
아미노산 혼합물을 가열하여 탈수와 중합 반응을 유도  proteinoids proteinoids를 녹인 수용액을 재 가열했더니 2 마이크론 직경의 구형 분자 탄생  microspheres 2중 벽의 구조; ‘세포막’; 소금 농도에 따라 microsphere 수축과 팽창 반복 microsphere를 proteinoid 수용액에 수 주 동안 담가 뒀더니 제 2세대의 microsphere 의탄생 David Deamer (1985) Murchison의 유기 분자를 추출하여 물에 녹여 수용액을 만들어 뒀다. 결과는 막으로 둘러싸인 풍선 구조의 대형 분자의 탄생이었다.  On proto-Earth mixtures of abiotic organic compounds could have helped to form membranes for primitive cellular life. S.S.Hong _100425

51 (Left a) coacervates; (Left b) proteinoid microsphere
(Right) Bylayers generated from the Murchison meteorite organic matter. S.S.Hong _100425

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53 3.4 복잡 구조물 형성에 광물의 역할 보호, 지지, 선택, 촉매의 기능
미세 공극은 화학혼합물의 보관 장소로 기능한다 : 화산탄, 풍화 간극, 광물 결정 반응 분자들이 강착 또는 집적될 수 있는 광물의 표면 역시 반응물의 농도를 높게 유지해 줄 수 있으므로 광물의 존재는 결국 반응이 잘 일어나도록 지지 또는 지원하는 구실을 하게 된다. – 성간 티끌 표면에서의 H2 분자의 형성 주어진 광물이 특정 분자들만을 선택적으로 붙잡아 보호하는 구실을 한다. 이 점은 유기 분자의 Chirality 관점에서 중요한 의미를 갖는다. 광물의 결정 구조가 특정 방향성의 Chirality를 갖는 아미노산을 선호할 수 있기 때문이다. 광물 중에는 질소 촉매로 기능하는 물질이 있다. 질소가 흔해도 분자의 형태로 존재하면 반응에 참여하기 어렵다. 암모니아 NH3 제조 공정 : N2와 H2 기체를 금속 표면을 통과시킨다. 초기에 아미노산 합성에 필요한 NH3가 이렇게 만들어져 생체 분자 합성에 쓰였을 것이다. Hydrothermal vent도 이런 반응이 일어날 좋은 장소이다. 여기에서는 N2와 H2 기체가 Fe2O3 의 표면을 통과하게 된다. S.S.Hong _100425

54 A photo of a deep-sea hydrothermal vent. 열수구
A photo of a deep-sea hydrothermal vent. 열수구. taken from the submersible ALVIN by D. Thomas/ GeoScience Features S.S.Hong _100425

55 4. 지구 생명의 기원과 진화 4.1 원시 생화학 반응 광 합성 반응 photosynthesis
탄산가스 + 물  탄수화물 n CO2 + n H2O + 태양 빛  (CH2O)n + n O2 화학 합성 반응 chemosynthesis 태평양 Galapagos Islands 해령에서 발견 금속이 풍부한 고온의 바다물 400 o C n CO2 + n H2S + 열  (CH2O)n + n H2O + n S 발효 반응 fermentation 호흡을 통한 산소 공급 (CH2O)n + nO2  nCO2 + nH2O + 에너지 S.S.Hong _100425

56 4.2 RNA 생명 세상 DNA, RNA, 단백질 효소의 “닭과 달걀” 문제
DNA가 자기 복제를 가능케 하는 반응의 정보는 갖고 있지만 그 반응을 일으키려면 촉매 단백질이 필요. 한편 촉매 단백질은 반응을 촉발시킬 수 있지만 mRNA을 통해 핵산이 주는 정보가 없으면 자기 복제가 불가능하다. - 3자 중 그 누구도 나머지 둘의 도움 없이는 존재할 수 없다. Sidney Altman + Thomas Cech (1989 노벨 화학상 수상) RNA는 DNA와 달리 자기 복제에 필요한 일종의 촉매 효소로서 작용한다는 사실을 발견했다. 효소와 비슷한 촉매 기능을 하는 “ribozyme”이라는 RNA가 있다. 즉, RNA 분자는 유전 정보도 기억할 수 있고 촉매 작용도 하므로 간단한 생명 활동에 필요한 단백질을 스스로 합성할 수 있었을 것이다. 그러므로 RNA 세상이 DNA + RNA + Protein 세상보다 먼저 있었을 것이다 : 달걀이 닭보다 먼저! RNA 염기가 DNA 염기보다 쉽게 합성된다 RNA에서 DNA로 진화하고, 보다 안정한 구조를 갖는 DNA가 RNA의 역할을 하게 됐을 것이다. 단백질이 RNA없이 복제되는 그럴 듯한 과정이 없는 것으로 보아, RNA가 단백질보다 먼저 태어났을 것이다. [GCN4 예외, 32개의 아미노산들의 쌍] RNA의 DNA로의 진화 가능성은 RETROVIRUSES에서 볼 수 있다. 암과 HIV의 원인 바이러스가 retrovirus이다. viral RNA  DNA, 숙주의 세포 공장 접수 하여 virial RNA 생산 ; 그러나 정상은 RNA  DNA S.S.Hong _100425

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58 4.3 분자 계통 발생학으로 본 생명의 진화 Ribosomal RNA/ molecular phylogeny
Life does not reject what evolution has created, but simply builds on what has gone before ! Ribosomal RNA이라는 특정 핵산의 일부분이 갖고 있는 염기 서열을 조사해보면 종들 사이의 공통성의 정도를 가늠할 수 있다. The phylogenetic tree suggests us that our last common ancestor may have been similar to heat-loving chemosynthetic organisms found hydrothermal vents today. S.S.Hong _100425

59 microbe density in sea water = billion per liter
population = 6 x 109 sea water = 1.4 x 109 km3 microbe density in sea water = billion per liter man = 50 kg ; micron-size microbe = g total mass of human beings 3 x 1011 kg total mass of microbes x 1015 kg microbe = 5x103 human ! S.S.Hong _100425

60 생명 진화의 요약도 S.S.Hong _100425

61 나오면서 돌아보니 DNA-RNA-Protein 근간의 생명; 모든 생명이 세포라는 벽돌을 사용; Tree of Life, Last Universal Common Ancestor LUCA. 유전자의 눈으로 보면 생명은 퍽 허무해 보인다. 그러나 약간의 허무함을 받아들이면 스스로가 철저하게 겸허해지는 경험을 하게 된다. 그리곤 자연의 일부로 거듭나게 된다. - 최 재천의  알이 닭을 낳는다  S.S.Hong _100425

62 세 차례에 걸쳐 진행된 나의 “지구 생명의 속성과 화학 진화” 의 전체 내용을 수강생 여러분이 자신의 말로 정리해볼 필요가 있습니다. 그러면 학기 과제 연구를 좀더 쉽게 할 수 있을 것입니다. 현대과학의 6가지 쟁점 (지식의 풍경, 2005년 간)의 쪽, ‘그것이 생명이다’ 를 철저히 읽고, 지구 생명의 최초 발현 및 이후 진화에 관한 자기 나름의 모형을 구축한 다음, 그 모형을 근거로 외계 생명의 존재와 가능한 속성을 추론하시오. 지구 생명의 특성인 쓰레기 유전자, 아미노산의 좌 손성, RNA 세상, 자가 복제 기능 등을 근거로 논의하기 바랍니다. 즉 지구 생명의 이러한 속성을 보건대, 외계에서의 생명의 발현을 기대할 수 있다거나 아니면 기대할 수 없다고 논증할 수 있을 것입니다. 외계 생명이 존재할 것이라면 우리의 탐사 노력을 어떤 조건에 놓여 있는 행성에 집중해야 할지 탐사의 지침도 마련해 보기 바랍니다. 이렇게 거창한 주제를 택하지 않아도 좋습니다. 예를 들면 지프의 법칙이 DNA의 정보 저장 및 전달 능력에 관하여 의미하는 바가 무엇인지 심도있게 다루어도 좋습니다. 또는 지구 생명의 기원을 RNA 대신 PNA 세상에서 찾으려는 시도의 의미를 외계 생명의 관점에서 따져보아도 좋을 것입니다. 심해 열수구 부근에서 발견되는 다양한 종류의 고세균, 남극의 얼음 속에서 ‘편안하게’ 살아가는 극한 생물 등을 근거로 하여 지구 생명의 우주 유입설을 지지할 수 있다면, 또 그것으로 훌륭한 보고서가 될 것입니다. 자신의 생각을 A4 3~4 장 분으로 정리하여 5월 11일 14:00 강의 시작 전에 강의실로 가지고 오시오: 이번에 쓰는 소주제 에세이로 기말 고사를 대치할 수 있게 되기 바랍니다. 이 책 338 쪽 이후에 실려 있는 참고 문헌을 공부하면 좀더 깊이 있는 지적 훈련이 될 것입니다. 원전 : John L. Casti, 2005, PARADIGMS REGAINED S.S.Hong _100425

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