화학적 기원생명의 재료는 어떻게 나타났을까

생명의 재료는 40억 년 전부터 38억 년 전 사이에 화학 반응을 거쳐 한 단계씩 쌓였습니다. 먼저 단백질의 구성 요소인 아미노산이 생겼습니다. 이어서 뉴클레오타이드가 생겨 유전의 글자를 쓰기 시작했습니다. 지질 막이 "안"과 "밖"을 갈랐습니다. 그다음에는 한 분자가 정보를 저장하면서 반응도 촉매하는 RNA 세계가 왔습니다. 마지막으로 분자가 스스로를 복제하게 되었고, 막이 그 복제 체계를 감싸 원시 세포가 되었습니다.

생명이 어떻게 시작됐는지는 여전히 열려 있는 과학 질문입니다. 아래의 각 단계는 연구자들이 실험과 추론으로 제안한 후보 설명이며, 완전히 확정된 역사가 아닙니다.

여섯 단계

• 아미노산(밀러-유리): 단백질의 구성 요소가 나타납니다.
• 40억 년 전 · 뉴클레오타이드: 유전의 글자를 쓰기 시작합니다.
• 39억 년 전 · 지질 막: 기름방울이 "안"과 "밖"을 가릅니다.
• 39억 년 전 · RNA 세계: 한 분자가 정보를 저장하면서 반응도 촉매합니다.
• 38억 5천만 년 전 · 자기 복제: 분자가 스스로를 복제하게 됩니다.
• 38억 년 전 · 원시 세포: 막이 복제 체계를 감쌉니다.

여섯 단계를 집짓기에 비유해 봅시다. 먼저 벽돌(아미노산)을 얻고, 다음에 글씨를 쓸 획(뉴클레오타이드)을 얻고, 그다음 벽(지질 막)을 세웁니다. 그러면 집 안의 어떤 것이 설명서이면서 도구(RNA)가 되고, 스스로를 복사할 줄 알게 되고, 끝으로 벽이 그 체계 전체를 감쌉니다.

재료는 저절로 만들어질 수 있을까?

한 대학원생이 물, 메테인, 암모니아, 수소를 플라스크에 밀봉하고 전기 불꽃을 계속 흘려 보냈습니다. 그러자 단백질을 이루는 아미노산이 나왔습니다(Miller, Science, 1953). 재료는 우주에서 왔을 수도 있습니다. 머치슨 운석에서 지구 밖 기원의 아미노산이 발견되었으므로, 생명의 구성 요소는 우주에 흔할 수 있습니다(Kvenvolden et al., Nature, 1970).

뉴클레오타이드는 한때 원시 조건에서 만들기가 매우 어렵다고 여겨졌습니다. 나중에 더 "자연스러운" 화학 경로가 발견되어, 원시 조건에서 RNA의 구성 요소를 직접 합성할 수 있게 되었습니다(Powner, Gerland and Sutherland, Nature, 2009).

RNA가 정보이자 도구인 이유

RNA는 효소처럼 반응을 촉매할 수 있으므로, RNA는 정보이자 도구입니다. 이 발견은 1989년 노벨상을 받았습니다(Kruger, Cech et al., Cell, 1982). 다른 팀도 독자적으로, 효소에서 실제로 촉매를 하는 부분이 단백질이 아니라 RNA임을 밝혔습니다(Guerrier-Takada, Altman et al., Cell, 1983). 이 발견들을 바탕으로, 가장 초기의 생명이 전부 RNA로 이루어져 있었고 DNA와 단백질은 나중에 더해졌을 것이라는 제안이 나왔습니다(Gilbert, Nature, 1986).

이후 증거가 더해졌습니다. 단백질을 만드는 리보솜의 핵심은 RNA이며, 이는 RNA 세계가 남긴 직접적인 증거이고, 이 연구는 2009년 노벨상을 받았습니다(Nissen et al., Science, 2000). 두 RNA 효소가 서로를 복제하며 개체 수가 기하급수적으로 계속 늘었고, "분자 생명"에 한 걸음 더 다가갔습니다(Lincoln and Joyce, Science, 2009).

어디서 일어났나

심해 열수 분출공 주변에는 햇빛에 의존하지 않는 생태계가 있어, 생명의 기원에 새로운 후보지를 제시했습니다(Corliss et al., Science, 1979). 이 논문은 갈라파고스 열곡의 해저 온천에 관한 것입니다. 여기서 중요한 단어는 "후보"입니다. 하나의 가능성을 제시할 뿐 유일한 답은 아닙니다.

원문이 궁금하다면? 아래 제목으로 검색하세요

• Miller (1953): A production of amino acids under possible primitive earth conditions
• Kvenvolden et al. (1970): Evidence for extraterrestrial amino-acids and hydrocarbons in the Murchison meteorite
• Powner et al. (2009): Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions
• Kruger, Cech et al. (1982): Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena
• Guerrier-Takada, Altman et al. (1983): The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme
• Gilbert (1986): Origin of life: The RNA world
• Nissen et al. (2000): The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis
• Lincoln and Joyce (2009): Self-sustained replication of an RNA enzyme
• Corliss et al. (1979): Submarine thermal springs on the Galápagos Rift

게임에서는 어떻게 보여 줄까

게임에서 화학적 기원 시대의 자원은 유기 분자이고, 생성기는 열수 분출공, 번개 합성, 운석 배달, 점토 촉매입니다. 열수 분출공과 운석 배달의 단서는 위의 연구에서 모두 찾을 수 있습니다. 현실에서 어느 쪽이 주된 공급원이었는지는 과학계에서 여전히 논쟁 중입니다.