2010-05-03

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생명생명 탄생의탄생의 서곡서곡: : 우주우주 공간에서의공간에서의 분자분자 진화진화

강강 헌헌

서울대학교서울대학교 자연과학대학자연과학대학 화학부화학부

물질의 구분

오래 전에는 …

무기물: 물, 돌멩이, 화학 약품 등 …

물질

유기물: 생명 현상의 물질 (단백질, 탄수화물 등 …)

신비한 활력(생명력)을 가짐

X무기물 유기물

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독일의 화학자 뵐러가 무기물로부터 유기물을 만들어 냄 (1828 년).

19세기

Pb(OCN)2 + 2 NH3 + 2 H2O → 2 (NH2)2CO + Pb(OH)2

시안화 납 암모니아 물 요소

열역학의 정립 : 신비한 ‘생명 에너지’와 물리적 에너지는 차이가 없음

(예: 생물이 에너지를 얻는 호흡/대사 과정은 음식물의 화학적 산화과정)(예: 생물이 에너지를 얻는 호흡/대사 과정은 음식물의 화학적 산화과정).

생명현상은 정교하게 조절되는 일련의

화학적 과정임이 밝혀짐.

20세기

왓슨과 크릭, 1953

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생명의 기원

생명체는 처음에 어떻게 탄생되었을까?

유기분자들은 처음에 어떻게 만들어졌을까?

신앙인가 과학인가?

지구 상에서 유기 분자의 생성

(1) 오파린의 가설 (A Oparin 러시아 1920년대): 지구의 원시 대기에서 번개

생명의 기원 - 여러 가지 가설들

(2) 유레이와 밀러의 실험 (H. Urey & S. Miller, 미국 시카고 대학, 1950년대)

CH4 + NH3 + H2O + H2 유기 분자

메탄 암모니아 물 수소 (아미노산 등)

(1) 오파린의 가설 (A. Oparin, 러시아, 1920년대): 지구의 원시 대기에서 번개,

자외선 등의 외부 에너지가 주어져 간단한 유기 분자들이 생성됨.

전기방전

* 아미노산 : 생체 단백질의 구성물질

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문제점 : 원시 대기에는 산화성 기체들이 상당량 있었을 것으로 추정되며, 따라서

아미노산과 같은 복잡한 유기 분자들이 생성될 가능성은 매우 낮음.

유레이-밀러 실험: 생명 기원의 단서?

원시 지구의 대기 조성

과거로의 시간 (십억 년 단위)

외계 생명체의 유입 (Panspermia 가설, 아레니우스, 크릭 등이 제안)

원시적인 생명의 씨앗(박테리아 등)이 얼음 먼지에 붙어 지구로 날아왔을 가능성

외계 유입설

- 공상과학 수준의 가설

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COH2

H2CO

(CH3)2O

NH3

HC11NC6H6

외계의 분자들은 어떻게 지구로 유입되었을까?

혜성

운석

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운석 충돌의 흔적

퉁구스카 폭발 (러시아 시베리아, 1908)

운석 충돌의 흔적

바링거 크레이터 (미국 아리조나)

직경 1200 m, 깊이 200 m

충돌 시기: 5만년 전

칙술룹 크레이터 (멕시코 유카탄 해역)

직경 180 km, 깊이 1.6 km

충돌 시기: 6천5백만년 전

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운석에서 발견된 유기 분자들

머치슨 운석

1969년 호주의 머치슨 지역에 떨어진 운석에서는

다량의 유기물과 70종 이상의 아미노산이 발견되었다

(C. Ponnamperuma, 스리랑카, 미국 우주항공국).

운석, 혜성의 빈번한 충돌 (지구 생성 후 약 10년 간 지속)

활발한 화산 활동

지구 상에 최초의 원시 생명체 출현 (10억년 이후)

원시 지구의 상상도

지구 상에 최초의 원시 생명체 출현 (10억년 이후)

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우주 공간에서 어떻게 분자가 만들어졌을까?

지구의 조건: 온도 = 230-330 K (섭씨 -50 ~ 60도), 대기의 밀도 ~ 1 기압

성간 영역의 조건: 온도 = 1-100 K, 기체의 밀도 < 1x10-17 기압 (진공)

기체 반응: 원자 충돌과 분자 생성

원자1+원자2 원자1 + 원자2

삼중 충돌이 일어날 확률 ~ 1017년에 1 번

이중 충돌이 일어날 확률 ~ 1년에 10 번

원자 원자 원자 원자

원자1 원자2 들뜬 중간체

성간 영역에서는

우주의 나이(1 x 1010 년) 동안에 삼중 충돌이 일어날 확률 ~ 0.0000001 !!

원자1+원자2 들뜬 중간체들뜬 중간체 +원자3 분자+ 원자3

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성간 먼지 입자 (사진) 얼음에 둘러싸인 먼지 입자 (상상도)

얼음 층의 쌓임 속도 ~ 먼지 입자 당 1년에 106 개의 분자

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고체 표면 반응에 의한 분자 생성

쌓임 이동

화학 반응떨어짐

분자의 생성은 별이 탄생되는 주변 영역에서 가장 활발하다.

- 높은 밀도의 기체와 성간 먼지 입자

- 강한 자외선

- 고에너지 이온 및 우주선 입자들의 충돌

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성간 화학 반응: 실험실에서 어떻게 연구할까?

진공 환경

적외선 조사기적외선 검출기

수증기,일산화탄소,

혼합 기체극저온 시편

실험실

암모니아 등

먼지알갱이 흡착층 성간 환경

진공용기액체 헬륨냉각기

시편

질량분석기

이온 총

기체 밸브

냉각기(T ≥ 50 K)

질량분석기

자외선 램프

기체 밸

서울대 화학부의 실험장치

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104

105UV irradiated film

CsCHO +MAH(H2O)+

CsCHN+MAH+

(b)

CsC2H

5NO

2

+

실험실 연구 결과: 얼음에서의 아미노산 합성

100

101

102

103 CsC2H

4O

2

+

(or CsCH2NO

2

+)

CsCHO2

(2)

Inte

nsi

ty (

cps)

2 5 2

CH2O

2

+

(or CH4NO+)

20 30 40 50 130 140 150 160 170 180 190 200 210

m/z (amu/charge)

이산화탄소 + 메틸아민 + 얼음 → 글리신 (NH2CH2COOH)자외선

가상적 반응:

간단한 성간 물질 → 핵산의 염기분자 (아데닌)

H H

4 X H C N

CN

CN

CN

CN

H

H

H

H

CN

CN

CN

CN

H

C H

N

HH C N

자외선

H H<아데닌>

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H

N

H

6-Aminopurine (아데닌)

C

H

2-Aminopurine

분자 생성에서의 선택적 진화 가능성: 핵산 염기분자의 예

C

CN

C

N

C

C

N

NH

H

H

CN

C

N

C

C

H

N

N

NH

H

H

이완 속도 ~ 10-12 초

(매우 빠름)이완 속도 ~ 10-8 초

(느림)

화학적 변화X

이완 과정

김 성근 교수 (서울대 화학부)

S1

S0

빛 흡수

돌연 변이

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첫 번째 문제: 광이성질체의 선택

생명체의 단백질은 어떻게 L─아미노산 만으로 이루어지게 되었는가?

두 가지 중요한 의문 (1)

* 광이성질체란 ?

생명체의 단백질은 어떻게 L 아미노산 만으로 이루어지게 되었는가?

두 번째 문제: 핵산과 단백질 ─ 어느 것이 먼저 탄생되었을까?

두 가지 중요한 의문 (2)

* 생명 현상의 작용 메커니즘

핵산 (DNA) 단백질(설계도) (생산 공장)

둘 중에 하나가 먼저 있기 전에는 다른 쪽이 만들어질 수 없다.

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-1.5x1010 년 -1x1010 년

1010

온도 ~ t(초)1/2

에너지, 소립자

(온도 ~ 1010 K)

양성자, 가벼운 원자

무거운원자

간단한 분자:CO, H2O, HCN, H2CO(온도 < 1,000 K)

-4x109 년 -3x109 년

복잡한 분자(온도 < 100 K)

현재

지구(230 < 온도 < 330 K)

조립된분자

생명 분자(박테리아 등)

생각하는 분자