신비로운 ......
■ 생명의 기원
(Origin of life)
. 생명은 어떻게 시작되었을까 ?
. 생명이란 무엇일까? (What is life?)
. 옛 사람의 생각은 "생명은 자연스럽게 발생한다"
→ 파스퇴르가 실험으로 부정(1862)
. 최초의 생명은 어디에서 왔을까?
□ 개요
생명이란 외계와 세포 내외를 가리는 “단위막 계”를 가지고, “자기복제 능력”이 있으며, 외계의 물질을 받아 이를 대사 하는 “대사 계”를 가진 특성을 가진 것으로 정의한다.
생명의 기원을 찾으려는 노력은 신화, 종교, 과학 등 분야마다 그 나름대로 관심이 크다. 현재로서는 큰 흐름이 있음은 미루어 짐작하지만 도막 난 아주 작은 단편만을 짐작할 뿐이다. 시대와 사상, 기술이나 처한 입장에 따라 다르게 해석되고 있는 것이 현실이다.
생명의 기원에 관한 간단한 역사와 과학에서의 몇몇 학설을 일반상식 정도로 조각모음 하여 본다.
현대 과학에 있어서 가장 유력한 학설은 원시 지구의 바다에서 시작된다고 한다. 해수에 녹아 있는 유기물의 화학 진화를 통해 최초의 생명이 탄생했으리라 짐작하고 있다.
생물의 원자 조성은 해수의 그것과 유사하기 때문에, 생명은 바닷속에 녹아 있는 유기물의 화학 진화에 의해 탄생했다고 하는 의견이다. 여기에도 최초의 계기가 되는 물질이나 탄생 장소 같은 의문은 계속 남아 있다.
지구 외에서 생긴 생물에서 유래한다고 하는 Panspermia 가설도 관심을 끈다.
□ 생명의 기원에 관한 두 가지 접급 방법
(Two approaches to the origin of life)
. Bottom-up 형···분자나 광물 등에서 생물로 되었다.
. Top-down 형···현재의 복잡한 생물로부터 단순한 생물이 되었다.
□ 우주의 유기물
(Organic matter in the Universe)
. Bottom-up 방법의 접근
- 생명의 기본적인 요소인 유기물의 기원을 생각한다.
- 적색거성의 주위에서 방향족 탄화수소 화합물이 만들어진다.
- 화합물이 별들의 바람으로 성간(星間) 공간에 뿌려져
분자구름 등 여러 가지 유기화합물을 생성할 수 있는 환경에 가까스로 도착한다.
- 차가운 분자 구름 안에는 먼지가 있어,
분진 표면에 흡착한 물질 끼리 화학반응이 진행된다.
근처에 별이 생기면 따뜻하게 할 수 있어 생성물이 분진으로부터 증발한다.
- 가스나 분진이 모여 태양계가 된다.
□ 초기 지구의 유기물 합성
(Synthesis of organic molecules on the early Earth)
. 에너지의 원천 (Energy sources)
- 태양광 : 현재보다 20~30% 약하다고 생각되나,
주요한 에너지원 이었음이 확실하다.
- 번개 : 다양한 유기물이 생길 수 있으나, 전체에서 차지하는 비율은 적다.
- 방사능 : 지구를 내부에서부터 따뜻하게 한다
- 중력 에너지 : 화산
- 충격파 : 운석이 떨어질 때
. 머치슨 운석 (The fall of the Murchison meteorite)
- 운석으로부터 아미노산이 발견되었다.
. 아미노산등에서 간단한 유기물은 우주에서도 충분히 생성된다.
* 1969.9.28.에 오스트레일리아·빅토리아주의 마티슨 마을에 떨어진 운석. 운석중에 글리신,
알라닌, 글루타민산이라고 하는 단백질을 구성하는 아미노산 외에도, 이소바린, 슈드로이신
이라고 하는 생체에서 볼 수 없는 아미노산도 발견되었다.
최근에 원시 지구 대기에 암모니아나 메탄이 그만큼 많지는 않았던 것을 알게 되었고,
때문에 원시 지구상에서 아미노산 등은 만들어지지 않았다고 생각되고 있다.
. 외계의 유기물이 초기지구로 유입된 것일까?
(Delivery of extraterrestrial organic matter to the early Earth)
. 우리는 행성의 분진일까? (We are stardust)
- 유기물： 내혹성에는 거의 없음.
- 물： 현재는 지구 부근 밖에 없음.
→ 1961년, Juan Or′o 의 가설：
생명은, 지구 밖 외계로부터 원시 지구에 옮겨진 물질 중에 있던 유기물을 사용해
진화 될 수 있던 것은 아닐까?
→ 생명체의 유기물과 운석내의 (무생물인, abiotic) 유기물을 비교한 것이다.
이들 간의 가장 큰 차이는 분자가 단순한가 그렇지 않은가 이다.
→ 태양계내의 다량의 유기물을 포함한 영역에서 40~38억 년 전에는,
운석이나 인화 철광석이 잘 떨어져 내리고 있었다는데 (late heavy bombardment)
그것이 생명의 원일지도 모른다?
□ 우주의 유기물
. Top Down 방식
系統發生論
(The top-down approach molecular phylogeny)
- 系統樹（phylogenetic trees）
- 리보좀 RNA의 일부로부터 얻을 수 있는 유전 정보를 이용해 만들어져
서로 다른 종 사이의 비교에 의해서 진화의 계층을 밝힌다.
- 크게 3 종류로 나누며,
. Eukarya (진핵생물
, 眞核生物
)：
세포 내부에 핵을 가지는 생물. 인간을 포함한 동물이나 식물 등 고등 생물을 포함한 집단
. Bacteria（세균, 진정(
眞正
) 세균）：
원핵생물 세포의 외측이 세포벽으로 둘러싸여 세포의 내부에 핵을 가지지 않는 생물.
대장균 O-157이나, 위암의 원인이라고 하고 있는 피로리 킨토우를 포함한 집단
. Archaea（고(古)세균）：
생물종이 매우 적다. 또, 고세균은 진정 세균이나 진핵생물에 비해 극한 환경을 생육 환경으로
하는 것에 주목 받고 있다. 또, 생육 온도가 55도 이상인 호열성 세균의 상당수가 이것에 속한다.
- 특징：
. 이러한 가지는, 같은 1개의 가지에서 시작되므로 같은 조상을 갖고 있다.
. 계통수의 중심의 근처에 있는 생물은
호열균 (thermophile)이나 초호열균 (hyperthermophile).
- 깊은 곳의 가지에 있는 생물은 빛을 에너지원으로 하지 않는 것이 대다수
→ 가장 오랜 공통의 조상은 오늘날 온천 등에 사는,
뜨거운 곳을 좋아하며 화학 합성을 수행하는 생물일까?
□ 생명에 대한 요약
. 생명이란 스스로 복제를 하고, 또한 진화하는 능력을 가진 시스템으로 설명될 수 있고,
. 모든 생명은 물과 탄소를 근간으로 할 수 있다.
. 생명을 구성하고 있는 유기물 (biogenic elements)은 우주에 풍부하게 존재하고 있다.
. 생명은 탄소가 가지고 있는, 다른 물질을 이어 맞추는 능력이나
생물의 내부에서 기능 하는 여러 가지 유기 화합물을 만드는 능력을 이용하고 있다.
. 생물 내에서 사용되는 분자는 대부분 크고, 지방질, 탄수화물, 단백질, 핵으로 되어 있다.
. 생물내의 프로세스를 거치지 않고도, 유기물이 만들어지는 환경은
carbon star의 쉘이나, 분자구름, 원시 태양계 성운 등 지구의 외계에도 많이 있다.
. 지구의 외계에서 만들어진 유기물은, 생명이 탄생한 시간과 거의 같은 시기에 지구로 쏟아졌다.
지구상의 생물이 가지는 아미노산의 광학 이성체가 주로 왼손계 (L) 라고 하는 공통된 특징은,
지구에서의 생명 유래의 유기물과 지구 외의 생명으로 부터가 아닌, 다른 유래의 유기물 사이의
연결에 의한 것은 아닌지, 하는 주장도 있다.
. 분자의 complex system는 처음은 단순한 화학반응에 의해서,
그 다음은 단백질의 효소가 촉매의 기능을 해 한층 더 반응이 일어나기 쉬워지는 것으로 나타났다.
화학반응은 물질이 농축되는 프로세스나, 아니면 막상(
膜?
)의 경계층 내에 분자를 집적하는 것에
의해서 촉진되는 것이 분명하다.
. 초기의 생명은, 현재와 같은 DNA, RNA, 단백질이 근간은 아니었다.
RNA가 유전자 정보의 보관, 유지, 촉매의 기능을 행하고 있었을 것이다.
. 생물을 섭취하는 것에 의한 에너지의 흡수는, 독립영양의 기능에 의한 탄수화물의 생산과 관계가
있다. 이러한 탄수화물은 발효, 흡수 등과 같은 대사의 프로세스를 거쳐 고에너지 인산 결합(ATP)
으로 변화된다.
. 분자의 계통 발생론(
系統發生論
)에 의하면, 지구상의 모든 생물의 공통되는 조상으로서 가장 오랜 것
은 심해의 온천공(孔)에 생식 하는 것과 비슷한 뜨거운 곳을 좋아하는 생물일 것이다.
- 675도 이상이라면 고도호열균 (extreme thermophile),
- 90도 이상에서 클 수 있는 호열균은 초호열균 (hyperthermophile)
From : An Introduction to Astrobiology
Cambridge University Press
須藤 2005 年度前期輪講レジュメ集 (發表者：太田泰弘 外)
■ 생명기원의 대표적인 가설
. 자연 발생설
. 아리스토텔레스의 자연 발생설
. 파스퇴르의 실험
. 화학 진화설
. 표면 대사설
. 생물 진화와 생명의 기원
. 화학 합성 독립 영양 생물군의 세계
. 새로운 화학 진화설
. RNA 세계 가설
. 단백질 세계 가설
. DNA 세계 가설
. Panspermia가설
■ 외계 유입설
From : An Introduction to Astrobiology
Cambridge University Press
Edited by Iain Gilmour and Mark A. Sephton
須藤 2005 年度前期輪講レジュメ集 (發表者：太田泰弘 外)
□ 외계의 유기물이 초기지구로 유입된 것이 생명의 기원은 아닐까?
(Delivery of extraterrestrial organic matter to the early Earth)
. 우리는 행성의 분진에서 시작된 것일까?
(We are stardust)
. 유기물： 내혹성에는 거의 없음
. 물 ： 현재는 지구 부근 밖에 없음
. Juan Or′o 의 가설 (1961년) ：
생명은,지구 밖 외계로부터 원시 지구에 옮겨진 물질 중에 있던 유기물로 부터
진화 될 수 있던 것은 아닐까?
. 생명체의 유기물과 운석 내의 유기물(무생물인, abiotic) 을 비교하면,
이들 간의 가장 큰 차이는 분자가 단순한 지 그렇지 않은 지 이다.
. 태양계 내에서 다량의 유기물을 포함한 영역에서는 (40~38억 년 전의 경우)
운석이나 인철이 잘 떨어져 내리고 있었다는데 (late heavy bombardment) 그것이
생명의 원일지도 모른다.
□ 이성체와 생명 (Chirality and life)
생물적인 프로세스를 거치지 않으면, 광학이성체의 경우 우수계(D)도 왼손계(L)와 같은 량 만큼
(라세미 혼합물) 나오겠지만, 지구 위의 모든 생물 단백질은 왼손계(L)만의 아미노산으로 되어 있다.
일반 화학반응에서는 절반인 50%씩의 광학이성체(D형, L 형) 가 나오지만,
지구상 대부분 생물의 아미노산의 광학이성체(Chirality)에는 왼손계(L형)만으로 되어 있다.
이로 미루어, 지구가 아닌 다른 외계에서 온 "D형 Chirality 아미노산"의 기본 물질에서
지구의 생명이 시작되지는 않았을까?
. 이성체의 기원 (The origin of chirality)
Murchison 인화 철광 등에는, 왼손계의 아미노산 쪽이 많이 포함되어 있다.
(* 몇 퍼센트 정도는 다른 듯함 - 국립 천문대, 천문대 뉴스)
그 이유는, 원편광을 한 별 빛의 탓? (UVCPL： ultraviolet circularly polarized light)
Chiral의 분자는 UVCPL의 회전 방향에 의해서 빛을 흡수하는 광도가 다르다.
. 광학 이성질체 (Chirality)
이성체 중에는, 오른손계(D 右手系)와 왼손계(L, 左手系)로 나눌 수 있다.
* chiral은 희랍어로「hand-like」이라고 하는 의미
. 광학이성체 :
광학 이성질체(光學異性質體)는 분자 모양이 거울 대칭이 되는 분자이다.
탄소는 네 개의 결합가능성을 가지고 있는데, 네 곳 모두 다른 결합을 하게 되는 경우
키랄 중심이 된다. 평면으로 그릴 때에는 다음과 같이 보이는 결합 형태는
c
|
a - C - b
|
d
공간상에서 임의로 하나의 결합축을 중심으로 볼 때 다음 두 가지의 형태를 가질 수 있다.
(a) (b)
b c b d
C C
d c
b-c-d 순서로 배열할 때,
(a)의 경우 시계 방향으로 배열되어 있고
(b)의 경우 반시계 방향으로 배열되어 있다.
따라서 이 화합물은 키랄 화합물이고, (a)와 (b)는 키랄 이성질체이다.
이 경우 원소의 종류와 수효는 같음에도 불구하고 물리적인 배열이 다르므로
이에 따른 여러 가지 특이한 성질을 나타낸다.
. 이 배열법이 정해져 있으며, 회전 방향에 따라
. 각각의 키랄 중심 탄소에 R 또는 S
. 과거 프랑스식 명명법으로는 d 또는 ㅣ을 화합물 이름 앞에 - 붙여서 명명한다.
. 광학적 특징 : 결정 구조가 편광을 가지는 경우, 서로 다른 편광을 보인다.
. 화학적 특징 : 합성시는 발생 확률이 동등하므로, 최초로 만들어지는 키랄 이성질체는
50:50으로 만들어진다.
화학 반응시 입체적인 모양이 다르므로 효소반응과 같은 입체적인 화학 반응에서
특정한 종류의 키랄 이성질체만이 반응에 참여할 수 있다.
그 예로 생명체가 사용하는 아미노산은 모두 l 타입이고 당의 경우는 d 타입이다.
■ 표면 대사설
□ 어떤 과정을 통해서 복합물질로 되었을까?
(Achieving complexity)
. 화학반응은 그 반응 물질이 집중하고 있으면 일어나기 쉽다.
즉, 인화철광 등에서의 유기물이 화학반응에 의해서 생명을 낳으려면,
그것들이 농축하는 메카니즘 이 필요하다.
. 개펄이나 바다웅덩이에 있는 바위에 바닷물이 고이는 등의 환경에서는,
옅은 농도의 액체가 농축 되기 쉬워진다.
. 고분자 생성과 거대분자 들을 묶는 연결
(The ties that bind creating polymers and macromolecules)
. 생명에는 거대 분자 (macromolecules)가 중요하다.
. 1개의 monomer는, 물 분자를 잃으면서 중합 할 수 있다（탈수 중합）
. - OH 기나 ― NH2 기, - COOH 기, 핵산 사이에서도 이러한 반응이 생기며 이것이 유기물이다.
. 기본 틀을 갖추려면, 생명의 시스템 중에서 사용하는 복잡한 거대 분자를 만들어야 하고,
더 복잡 다양한 방법이 필요하게 됨.
. 효소의 촉매 작용
. 계면 형성의 중요성 (Formation of boundary layers)
. 오늘날의 생물은 세포와 막상의 경계 있다.
그렇지만 생물이 나타나기 전의 지구에서는 이러한 거대한 분자는 존재하지 않았다 ?
. 수성 용매나 유성 용매에 친화성이 있는 양쪽친매성(amphiphiles)인 유기물을 물에 넣으면?
. 단분자층 (monolayer)이나 미셀( micell)→
. 2분자층 (bilayer)이나, 2분자막 소포 (bilayer vesicle)→
2분자막 소포： 많은 생물이 세포막으로서 이용하고 있는 구조
. 생명이 나타나기 전의 상황 (유기물 입장) 시에는?
. 코아세르베이트（coacervates）：
. 단백질을 물에 넣으면 모여서 물방울 형태로 됨.(1924년, A.Oparin)
. 프로테이노이드（proteinoids）：
아미노산의 혼합물을 따뜻하게 하며 탈수중합 시킨 것.
이를 뜨거운 물에 녹여서 식히면 직경 2 μm의 작은 구상의 구조를 만들었다.(1958년, S.Fox)
생체막 과 유사한 2층 구조로 염분 농도에 의해 신축가능.
수주간 가만히 두면, 한층 더 프로테이노이드를 흡수해, 분열하는 것도 있음.
. Murchison 있는 철로부터 유기물을 꺼내, 물을 더하면 막을 만든다.(1985년, D.Deamer)
. 비생물적인 유기 화합물이, 세포의 기원이 되는 막을 만드는 역할을 한다는 증거.
(From 위키백과)
.「점토설」: 점토의 계면에서 아미노산 중합 반응이 일어난다.(1959년, 존·바날).
. 어떠한 계면은 화학반응이 일어나기 쉬워지고,
화학반응의 촉매로서의 기능을 계면이 가지는 것은 그 때도 잘 알려졌다..
이 설 자체는, 아카보리 시로에 의해서 제창된「폴리 글리신설」을 기본으로 하고 있다.
. 이러한 계면에서 유기물이 발생해, 그들이 폴리머로 진화해 나가는 모습을 한층 더 구체적으로
설명한 논문이 1988년 발표된 독일인 변리사 G.Wachtershauser의 ”표면대사설”이다.
. 황철광(FeS2) 표면에서 유기물의 중합 반응을 포함한 모든 화학반응이 발생한다.
초기의 생명은 단위막에서 복제된 것이 아니라, 황철광 표면에 존재하는 대사계가 생명이 된 것이다.
황철광 계면에 발생한 대사계는 독립영양적인 것으로서, 최초로 태어난 생명은 독립영양 생물이다.
황철광 계면에서 발생한 이소프레노이드알콜은 고세균 지방질을 구성하는 물질로서, 단위막에
의해 복제된 최초의 생명은 이 고세균이었다.
. 표면 대사설의 의의
. 생명의 정의와는 괴리가 있으나, 생명의 정의를 재인식시킴.
. 단위막 계를 가지지 않는다
. 자기복제 능력을 가지지 않는다
. 오파린의 화학 진화설 주장 - 초기의 생명체는 유기물 용액을 원료로 한 종속영양 생물
표면 대사설 주장 - 탄산 고정을 통한 독립영양 생물
. 광물성의 역할 (The role of minerals)
. 광물이 가지는 네 가지 역할
. text protecting：
화산암이나 광물에는 크고 작은 많은 구멍이 열려 있어, 거기에 화확적 혼합물을 모아 둘 수 있다.
. support：
광물의 표면에 분자 구조를 보관 유지해, 퇴적이나 반응할 수 있다.
. selectivity：
생물에게 유용한 특정 분자의 선택. 예를 들면, 아미노산이 녹아 있는 라세미산 용액 안에
방해석을 가라앉히면, 왼손계와 우수계의 결정방식의 아미노산이 각각 다른 결정면에 흡착된다.
. catalysts：
질소는, 그 대로는 대기에 포함되어 있어 반응할 수 없지만, 질소와 수소를 금속의 표면을 거치면,
암모니아를 만드는 공업적 프로세스처럼 원시 지구에서도 일어나게 되어, 생물 반응에 이용될 수
있게 된다.
. 1988년, G.Wachtershauser：
. 철이나 황화 니켈 촉매는 생물적인 분자를 생성하는 에너지원은 아닐지 ?
. 만약 광물이 촉매로서 작용하면, 효소 없이도 원시적인 대사가 가능하지 않을까?
. CO2 + H2 → HCOOH (G0'= 30.2kJ/mol) 흡열반응
그러나, 황철광 상에서는 발열반응
FeS + H2S + CO2 → FeS2 + H2O + HCOOH (G0'= -11.7kJ/mol) 발열반응
■ RNA월드 가설
(The RNA world)
□ 화학약품에서 생물의 생체로 되는 과정은? (From chemical to biological systems)
. 닭이 먼저 인지? 알이 먼저 인지? (chicken and egg paradox)：
핵산은 자기 자신을 낳기 위해서 필요한 유전 정보이지만, 거기에는 단백질이 필요.
그러나, 단백질은 핵산에 의한 정보가 없으면 만들 수 없다.
. 머리부문에 3 개의 친수성(hydrophilic)과 꼬리부문에 소수성(hydrophobic).
head가 전하를 가지고 있으므로 물 등에 녹는다.
. 그렇다면, DNA, RNA, 단백질의 효소는, 각각 단독으로 존재할 수 있는지?
. 1980년 중반, S. Altman, T. Cech： 각각 독립으로 복제를 하는 효소 기능을 가진 RNA,
리보자임(ribozymes)을 발견했다.
. RNA는 유전 정보를 가지면서 촉매 기능도 하기 때문에, 단순 생물로서의 단백질은 필요치 않다.
. ”RNA world”의 증거：
. RNA내의 뉴클레오티드는, DNA내의 뉴클레오티드 보다 합성하기 쉽다
. DNA가 RNA로부터 발전했다고 생각하는 것은 쉬운 일다.
안정성의 이유로 DNA가 RNA에 의해서 바뀌었다.
. RNA 없이 단백질을 복제하는 그럴듯한 시나리오는 없다.
. RNA는 단백질의 이전에 벌써 진행하고 있었다.
. RNA가 DNA를 복사하는 능력은, 기존 RNA world 가설을 지지하는 증거 중 하나이다.
* “RNA 월드”라 하는 것은 원시 지구상에 존재했었다고 가정, RNA로부터 되는 자기 복제계.
또, 이로부터 현재의 생물로 진화했다고 하는 가설을 말함.
□ 생화학의 근원 (Primitive biochemistries)
. 에너지는, 받아 들인 후, 대사의 프로세스를 거쳐, 이용된다.
. 합성 :
. 광합성（photosynthesis）：
가장 중요한 에너지 소스는 태양광. 물과 이산화탄소로부터 탄수화물을 만든다.
→ nCO2 + nH2S－ → (CH2O) n + nH2O + nS
→ nCO2 + nH2O－ → (CH2O) n + nO2
. 화학 합성（chemosynthesis）：
해저 화산이나 온천에서 나오는 뜨거운 물이, 바위에 있는 화학물질을 용해할 때 일어난다.
그것에 의해 여러 가지 유기물이 합성되고, 태양광과는 별도의 생물 세계를 유지한다.
(deep hot biosphere)
. 분해 :
. 발효（Fermentation）：
탄수화물의 글루코오스(C6H12O6)를, CO2와 에탄올(CH3CH2OH) 혹은 유산(C3H6O3)으로 분해
하고, 두 번째로 고에너지 인산 결합 4에서 에너지를 얻는다.
. 호흡（respiration）：
대기중의 산소를 사용하고, 글루코오스로부터 에너지를 꺼내는 방법. 글루코오스는 이산화탄소와
물에 분해되어 36의 고에너지 인산 결합 에너지를 얻는다.
→ (CH2O)n + nO2－ → n CO2 + nH2O + energy
. 두 가지 종류의 생물 :
. 자가 영양 생물（autotrophes）：
광합성이나 화학 합성을 이용해 에너지나 무기물로부터 유기 화합물을 만든다.
4 아데노신3 인산(Adenosine TriPhosphate： ATP)는 생물체에서 이용되는 에너지 보존 및
사용에 쓰이는 뉴클레오티드.
이것은 아데노신이라고 하는 물질에 3개의 인산기가 결합하고 있지만,
이것이 고에너지 인산 결합으로, ATP 분해 효소의 기능에 의해서,
인산기가 떼어져 분해해 나간다. 하나의 인산기가 빠질 때마다, 약 8 kcal/mol의 에너지를 방출
. 종속영양 생물（heterotrophs）：
생명의 유지를 위해서 자가 영양 생물을 소비하고,
그 들이 진행되는 일련의 작업(영양분 등)을 이용하는 생물.
■ 생명기원 가설과 문제
□ 일반적으로 인정되는 것
. 지구의 나이는 약 45억년 되었다. . 최초 생물체 흔적: 약 35억년 된 청록조류의 미화석, 약 38억년 되었다는 간접적 추론 . 우주로부터 생명체가 도달하였다는 것보다 지구에서의 시작을 대체로 동의 . LCA (last common ancestor); 현대의 모든 생물은 공통의 한 생명체에서 유래 . 단백질 서열 분석에 의한 추론: 약 32-38억년 전에 박테리아 정도의 생명체
□ 미해결 문제
. 유기분자의 선생물적 합성 . 환원성 대기에서 합성되었다는 주장 (reducing atmosphere) . Urey-Miller 실험: 환원성 기체 혼합물에서 아미노산 등의 유기화합물 합성 . Oro and Kimble: 시안화수소, 암모니아에서 아데닌 합성 . Sanchez, Ferris and Orgel: 메탄, 질소에서 시아노 아세틸렌 (피리미딘 염기의 원천 가능성) 합성 . 문제: 원시지구의 대기는 실제로 환원성이었을까? . 그렇지 않다는 주장 (Kasting, 1993, Science, 259, 920)
. 운석이나 외계로부터 왔다는 주장 (충돌 이론 impact theory) . 탄소질 운석: 상당량의 유기탄소와 아미노산, 핵산 함유 . 문제: 지구 대기권 진입이나 충돌시의 열과 충격에서 유기분자가 얼마나 살아남았을까? . 대기의 밀도와 조성, 충돌 물체의 크기 등에 따라 달라짐
. 해저 열수공 이론(deep-sea vent) . Wachtsauser: 황화철(II)과 황화수소의 반응(FeS + H2S → FeS2 + H2)에서 CO의 환원에 필요한 자유에너지 생성. 황화철 표면에서 복잡한 대사 회로가 자기조직화 됨. . Stetter 등: 황화철(II) 존재 하에서 황화수소가 환원제로 작용함을 확인. . Wachtsauser: FeS + NiS (전기방전) → CO 환원
□ 자기조직화 과정 (Self-Organization) 문제와 연구
. 자기복제 계의 진화: 몇 가지 이론이 존재, 실험적 자료 거의 없음.. 가장 일반적인 인정: 한 때 RNA 세계가 존재하였다. . RNA world; RNA 분자가 유전물질과 유사효소 촉매의 두 가지로 작용함 . 문제점: (1) RNA가 최초의 유전물질인가?, 아니면 앞서서 더 간단한 유전물질이 존재하였을까? (2) 유전물질의 존재 없이 반응순서의 자기조직화가 얼마나 가능할까?
ㅡ 문제 (1)
. 최초의 유전물질 (RNA 또는 그것에 앞서는 다른 것)의 합성
. RNA가 대부분의 누클레오타이드 합성과정을 촉매하였을 것이며 포스포다이에스터와 펩타이드 합성에 필요한 산화환원 반응을 촉매하였을 것이다. . Ferris 등(1993): 점토광물인 몽모릴로나이트를 촉매로 사용하여 단위체 누클레오타이드의 풀에서 RNA 올리고머 합성에 성공. . 그럴듯한 시나리오:
활성화된 모노누클레오티아드가 몽모릴로나이트 표면에서 올리고머 형성 → 단위체와 짧은 올리고머를 기질로 하여 더 긴 주형 복사 → dsRNA 분자 library 축적 → RNA 이중 나선 중 한 가닥이 RNA-중합효소 활성을 가지게 되었다. → 그 가닥이 분리되어서 상보적인 가닥을 복제하여서 또 다른 중합효소 가닥을 합성해낸다. → 중합효소 가닥이 두 번째 중합효소 가닥을 복제하여 상보적인 처음의 가닥을 합성 → 이 가닥을 상보적으로 복제하여 다시 복제효소 가닥을 합성 ......으로 계속 이어지게 된다.
(결국 RNA 세계는 활성화된 누클레오타이드 풀에서부터 생김)
. 누클레오티드 자체가 복잡한 분자이다. . RNA 세계 이전에 더 간단한 화합물로 된 다른 화학세계가 존재하였을까?
. Cairns-Smith: RNA 이전에 한 두 가지의 선형 유기분자가 존재. . Eschenmoser 등(1997): 핵산 유사물질들의 연구. 리보오스가 피라노오스 형태인 폴리누클레오타이드(p-RNA)가 RNA 보다 더 안정한 왓슨-크릭 이중나선을 형성한다는 것을 발견. 그러나 피라노오스형이 푸라노오스형보다 더 합성이 쉬었을 것 같지는 않다. . Nielson 등 (1992): 펩타이드핵산(PNA) 합성. 전하가 없고, 키랄성(손성)이 없는 RNA 유사체. 리보오스-인산 뼈대를 아마이드 결합으로 대치. 상보적 RNA나 DNA와 안정한 이중나선 형성. . Orgel 등 (1997): 주형 반응에 의하여 PNA → RNA, RNA→PNA로 정보가 전달된다.
문제: PNA는 활성화되면 고리화가 이루어져 올리고머 형성이 어려움.
. 제삼의 가능성: 염기가 아닌 더 간단한 분자가 쌍을 이루어서 유전 중합체로 작용. 그러나 더 간단한 분자가 누클레오타이드를 대신하였을 가능성은 희박.
ㅡ 문제 (2)
. 복제 가능한 정보분자와 원시지구에서 쉽게 합성되는 분자 사이의 차이 극복 . 방안: 유전 이전에 대사가 존재하였다(Kauffman, Wachtsaser, De Duve). 유전 중합체가 없이도 반응 서열의 상당한 조직화가 가능하였을 것이다.
생명의 기원에 대하여 우리는 몇 가지 아이디어와 그것을 추론한 방법에 대한 지식은 얻을 수 있지만 정확한 것은 알 수 없다.
L.E.Orgel (1998) TIBS 23, 491-495 요약 chosun.ac.kr, mjk역<meta! content=" 생명기원의 가설, 자연 발생설, 화학 진화설, 새로운 화학 진화설, RNA 세계 가설, Panspermia가설" name="생명기원의" 가설>■ 생명의 기원
“제5의 기적 - 생명의 기원” 머릿글 중에서
도서출판 북스힐, 서울 (2000)
폴 데이비스 지음, 고.문주 역
……
과학자들은 지난 수년 동안 생명의 기원에 대한 생각들을 극적으로 다시 생각하고 있다. 교과서에는 생명이 수십억 년 전에 지구 표면의 어떤 따뜻한 웅덩이에서 시작되었다고 되어 있다. 그러나 매우 다른 시나리오를 지적해주는 증거들이 점점 증가하고 있다. 지금은 최초의 지구 생물체가 지열로 가열된 압력밥솥 같은 환경에서 암석 안에 묻혀 깊은 지하에서 살았다고 생각되고 있다. 후에 그것들은 표면으로 이주하였다. 놀랍게도 이런 원시적 미생물의 자손들이 우리 발 아래 수 킬로미터의 지하에 아직도 존재하고 있다.
수년 전까지만 하여도 아무도 생명체가 그런 가혹한 환경에 존재하리라고 생각하지 않았지만 일단 생물체가 지하에서도 번성할 수 있다는 것이 인정되자 더 이상한 가능성도 제안되었다. 화성의 지하 암석에도 미생물이 잠복해 있을까? 그럴듯한 화석화된 박테리아를 함유한 화성 암석의 발견은 이런 이론의 중요한 후원자가 되었다. 그러나 그것이 전부가 아니다. 과학자들은 재빠르게 매혹적인 결과에 초점을 맞추었다. 즉 생명이 실제로 화성에서 시작되었고 그 후 운석을 통해서 지구로 왔다는 것이 가능해진다.
화성 운석을 둘러싼 열띤 흥분은 증거의 해석에 대한 전문가들 사이의 깊은 경계를 숨겨버렸다. 확실하다면 그것은 생명이 태양계에서 두 번 시작되었거나 아니면 한 행성에서 다른 행성으로 퍼졌다는 것을 의미할 수 있을 것이다. 생물체가 한 행성에서 다른 행성으로 옮겨 갈 수 있다는 것을 발견하는 것은 흥분되는 것이겠지만 나중 설명이 옳다면 최종적인 생명의 기원은 여전히 풀리지 않는 수수께끼로 남는다.
생명은 정확하게 어떻게 시작하였을까? 어떤 화학적 과정과 물리적 과정이 무생물 물질을 살아있는 생물체로 변화시켰을까? 이 매우 어려운 문제는 우리시대의 가장 커다란 과학적 도전거리 중 하나로 남아있다. 수많은 화학자, 생물학자, 천문학자, 물리학자, 및 수학자들이 지금 이 문제에 도전하고 있다. 그들 중 많은 사람은 자신들의 연구에 기반을 두고 간단하게 말하자면 자연의 법칙은 생명에 유리하게 채비되어 있다고 열렬하게 결론을 내리고 있다. 그들은 조건이 허용된 곳에서는 화성뿐만 아니라 우주의 어디에서나 생명체가 나타날 것이라고 기대한다. 그들이 옳다면 생명은 사물에 대한 자연법칙의 일부이며 우리는 홀로가 아니라는 것을 의미할 것이다. 생명이 자연의 법칙에 따라서 존재한다는 믿음은 과거의 종교시대와 창조물의 거주를 위하여 설계된 우주에 대한 희미한 반향을 가져온다. 많은 과학자들은 그런 개념을 조소하며 생명의 기원은 지구에만 국한되었던 화학의 진기한 사건이며 이어지는 의식을 가진 존재를 비롯한 복잡한 생물체의 등장은 순전히 거대한 우주 복첨의 우연한 결과라고 주장한다. 이 논쟁에서 문제가 되는 것은 바로 우주에서의 인류의 위치이다. 즉 우리는 누구이며 거대한 구조에서 우리는 어디에 위치하는가 하는 문제이다.
천문학자들은 우주가 100에서 120억 년 전에 대폭발로 시작되었다고 생각한다. 그 폭발적 탄생은 순간적인 막대한 열이 수반되었다. 처음 1초 동안 기본적인 물리적 힘과 물질의 기본 입자들이 등장하였다. 1초가 경과하였을 때는 우주의 필수적인 물질들이 이미 형성되었다. 우주는 모든 곳이 아원자 입자들(양성자, 중성자, 전자)의 수프로 채워져 있었고 백억 도의 복사선에 잠겨 있었다.
현재 기준에 의하면 그 시대의 우주는 놀랄 만큼 특징이 없었다. 우주 물질은 거의 완전하게 균일성을 이루며 공간에 퍼져 있었다. 어느 곳이나 온도가 같았었다. 높은 열에 의하여 기본 구성물질로 벗겨진 물질은 특별히 간단한 상태로 존재하였다. 만일 가상적인 관찰자가 있었다면 이 가망 없는 상태에서 우주가 막대한 가능성을 준비하고 있다는 아무런 암시도 찾아내지 못하였을 것이다. 수십억 년이 지나면 수조개의 빛나는 별들이 수십억 개의 나선형 은하로 스스로 조직화되고, 행성과 결정, 구름과 대양, 산맥과 빙하가 등장하고, 나무와 박테리아와 코끼리와 물고기가 그런 행성들 하나에 서식하고, 그 세계가 인간의 웃음소리로 둘러싸이리라는 어떤 단서도 나타나지 않았다. 이런 것 중 아무 것도 미리 예측할 수 없었다.
우주가 균일한 원시 상태에서 팽창됨에 따라서 냉각되었다. 온도가 낮아짐에 따라서 더 많은 가능성이 나타났다. 물질은 서로 응집하여 거대한 비정형 구조를 이루게 되고 이것은 오늘날 은하의 씨앗이 되었다. 원자가 형성되어 화학과 고체물질 형성의 길을 닦았다.
그 시대 이후부터는 우주에는 이상한 현상이 많이 등장하였다. 태양의 수십억 배의 질량을 가지는 거대한 블랙홀이 항성을 삼키고 기체를 분사하였다. 초 당 수천 번 자전하는 중성자별은 그 물질이 세제곱 센티미터 당 수십억 톤으로 수축하였다. 아원자 입자들은 너무나 잘 달아나서 광년 두께의 고체 납을 투과할 수 있었다. 유령 같은 중력파는 잠깐 통과하면서 인식할 수 있는 흔적조차 전혀 남기지 않는다. 이런 것들이 놀랍기는 하지만 생명 현상은 이런 모든 것들을 합한 것보다도 더 놀랄만하다. 그것은 우주 현상에 갑작스럽고 극적인 변화를 전혀 일으키지 않는다. 실제로 지구의 생물체는 무시할만한 것이며 그것이 만든 변화는 지극히 점진적인 것이다. 그럼에도 불구하고 일단 생명이 시작되자 우주는 결코 전과 같지 않았다. 느리지만 분명히 생명은 행성 지구를 변화시켰다. 그리고 생명은 의식, 지능 및 기술에 대한 통로를 제공하여서 우주를 변화시킬 수 있는 가능성을 가지게 되었다.
이 책은 생명의 기원 즉 생물발생에 관한 책이다. 나는 처음부터 이 주제가 내 전공 분야가 아니라는 것을 밝혀야 하겠다. 나는 이론물리학자로 교육을 받았다. 그러나 나는 항상 생물 발생 문제와 그와 연관된 우주에서 우리가 홀로인가 아닌가 하는 문제에 매혹되어 왔다. 나는 1960년대에 런던의 University College에서 물리학을 공부하던 학생시절부터 이 문제들에 흥미를 가졌었다. 많은 나의 친구들과 마찬가지로 나도 호일(Fred Hoyle)의 유명한 공상과학 소설 검은 구름을 읽었다. 그것은 성간 공간으로부터 거대한 가스구름이 태양계에 도착하는 것에 대한 것이었다. 그런 구름은 천문학자들에게는 잘 알려져 있었지만 호일의 흥미를 자아내는 아이디어는 그것이 살아있을 수 있다는 것이었다. 이제 그것은 어려운 문제가 되었다.
어떻게 구름이 살아있을까? 나는 그것을 오랫동안 생각하였다. 틀림없이 가스구름은 물리법칙들을 따를까? 그것들이 어떻게 자율적인 행동을 나타내고 생각을 하고 선택을 할 수 있을까? 그러나 그 때 나는 모든 살아있는 생물체들은 물리학의 법칙을 따른다는 생각이 들었다. 호일의 뛰어난 재기는 순수한 방법으로 역설을 이끌어내는 구름의 예를 이용한 것이었다. 나는 검은 구름 때문에 당황하고 막연하게 혼란스러웠다. 내가 이상하게 생각한 것은 정확하게 생명이란 무엇인가 이었다. 그리고 그것은 어떻게 시작되었을까? 살아있는 생물체 내부에서는 무엇인가 흥미로운 것이 존재하고 있을까?
바로 그때 나의 박사학위 지도교수는 가벼운 연습으로서 나에게 매우 유명한 물리학자인 위그너(Eugene Wigner)가 쓴 이상한 논문을 주었다. 그 논문은 어떤 물리계가 양자물리학의 법칙을 위반하지 않고서는 무생물 상태에서 생물 상태로 전이를 만들 수 없는 것을 증명하는 것 이었다. 아하! 그래서 위그너는 생명이 시작되면 무언가 흥미로운 것이 진행되어야 한다고 생각한 것이다.
얼마 되지 않아서 내 지도교수는 생물학에 관련된 다른 논문을 건네주었다. 이번 것은 천체물리학자 카터(Brandon Carter) 것이었다. 그것은 생명이 실제로 무엇이며 그것이 어떻게 시작되었는지에 대해서는 걱정할 필요가 없다고 피한 점 한 가지만 제외하고는 생명에 관하여 중요하고 흥미로운 문제를 제기하였다. 카터는 이런 문제를 제기하였다: 어떤 종류의 생명체가 존재하기 위해서는 물리적 우주는 어떤 성질들을 가져야만 하는가? 여러분이 마술에 의해서 자연의 법칙이나 대폭발의 초기 조건을 바꿀 수 있다고 가정해보자. 여전히 생명체를 허용하면서 어느 정도까지 기본 법칙이나 우주의 구조를 바꿀 수 있을까? 간단한 예를 들면, 우리가 알고 있는 한 생명은 어떤 화학 원소 특히 탄소에 의존하고 있다. 그러나 대폭발에서 탄소 원자들은 거의 만들어지지 않으며 그것은 대부분 항성의 내부에서 만들어진다. 호일은 항성 내분에서의 성공적인 탄소 생성이 실제로 매우 아슬아슬한 사건이라는 것을 이미 인식하였다. 그것은 핵력의 성질에 미묘하게 의존한다. 핵물리학의 기본법칙을 어설프게 만지작거리면 우주에는 거의 또는 전혀 탄소가 존재하지 않고 아마도 생명도 존재하지 않을 것이다. 카터의 생각은 인류발생 원리로 알려지게 되었고 생명의 존재는 우주의 수학적 구조 아래 놓여 있는 어떤 다행스러운 일치의 결과인 아슬아슬한 사건이라고 과감하게 제안하였다.
카터의 논문은 시사하는 바가 많았지만 여전히 생명의 비밀은 설명되지 않고 남아있었다. 나는 그것을 읽은 후 곧 캠브리지에 있는 이론천문학연구소에 일자리를 얻게 되었는데 그곳은 호일이 책임연구원이었고 카터가 선임연구원으로 있었다. 그 동안 나는 물리학자 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)가 쓴 작은 책을 우연히 발견하게 되었다. 그 책은 내가 추구하던 문제를 바로 제기하고 있었다. 제목은 생명이란 무엇인가? 란 제목을 가진 그 책은 왜 생물체가 물리학자의 눈으로 보면 그렇게 신비스럽게 보이는지를 설명하였다. 나는 나중에 이 책이 분자생물학의 초기 시절이었던 20년 전에 막대한 영양을 끼쳤다는 것을 알았다.
불행하게도 슈뢰딩거의 책은 나에게 대답이 되기보다는 더 많은 의문을 불러일으켰으며 나는 내 머릿속의 너무 어려움 바구니에 생물발생의 문제를 따로 담아두었다. 그러나 카터는 인류발생 원리에 관한 그의 증보판 논문을 나와 연구소의 연구원이던 새슬로(Bill Saslaw)에게 주었으며 (그 논문은 결국 발표되지 않음) 나는 카터의 생각을 취미 삼아 연구하였다. 우리는 켐브리지에 있는 의학연구위원회 실험실(Medical Research Council Laboratory)에 있던 크릭(Francis Crick)과도 모임을 가지려고 하였다. 그러나 크릭은 너무나 바빴고 카터는 인류발생 원리 주제를 꽤 잘 꿰매 맞추고 있는 것처럼 보여서 나의 생물학적 물질에 대한 흥미는 감소하기 시작했다. 그것은 수년이 지난 1980년대에 다시 등장하였다. 리즈(Martin Rees, 지금은 왕립 천문학자, Martin Rees경)는 켐브리지에서 열리는 '물질에서 생명으로'라는 학회 개최를 돕고 있었다. 리즈는 동료 천문학자인 카(Bernard Carr)와 함께 1979년에 Nature에 발표된 유명한 논문에서 인류발생 원리 주제를 재생시켰다. 그 학회에는 천문학자이여 물리학자인 Brandon Carter, Freeman Dyson, Tommy Gold와 생물학자인 Lewis Wolpert, Sydney Brenner, 수학자인 John Conway, 생물발생 전문가인 Manfred Eigen, Graham Cairns-Smith가 참석하였다. 학회 일정은 어떻게 생명이 시작되었는지에 초점을 두고 어떤 확고한 결론도 이끌어내지 않았지만 그 회합은 중요한 과학적 문제와 개념적 문제를 지적하는데 이바지하였다. 나는 생명의 신비에 대해서 생각하는 것을 다시 시작하였다. 나는 십여 년 동안 내가 다시 호일의 생각과 다이슨과 골드의 생각에도 영향을 받고 있음을 깨달았다. 그 협력자인 위크라마싱(Chandra Wickramashinghe)과 함께 호일은 과감하게 생명이 지구에서 시작되지 않았으며 혜성을 통해서 이곳으로 왔다고 제안하였다. 다이슨도 생명의 기원을 의심하였으며 기술 문명의 장래 운명과 최종적 운명에 대하여 자유롭게 상상을 하였다. 골드는 대량의 탄화수소가 지하에 갇혀 있다는 이론을 가지고 있었다. 그의 가설을 시험하기 위하여 탐사를 하자 새로운 지하 생명 형태가 발견되었다. 이런 모든 발전은 내가 이 주제에 대하여 사고형태를 갖추는데 도움을 주었다.
생물 발생에 대한 나의 생각에 커다란 영향을 준 다른 한 사람은 New Castle upon Tyne 대학의 동료였던 작고한 런콘(Keith Runcorn)이다. 런콘은 지질물리학자로서 그의 관심은 지구를 너머서 태양계까지 뻗어 있었다. 지질물리학이 내 전공 분야와는 상당히 떨어져 있지만 나는 자주 런콘의 세미나와 회합에 참석하였다. 1987년 뉴캐슬에서 열린 제15회 운석학회 모임은 특별히 기억에 남는데 내가 처음으로 화성 운석에 대하여 배웠기 때문이다. 조각 그림 맞추기의 마지막 조각은 내가 아델레이드 대학에 근무하기 위하여 오스트레일리아로 옮겨온 1990년대 초반에 나타났다. 그곳에서 나는 행성에 대한 소행성과 운석 충격 에 대한 전문가인 스틸(Duncan Steel)의 연구에 관심을 가지게 되었다. 나에게 우주 충돌에 의하여 행성에서 물질이 이탈될 수 있다는 사실을 알려준 것은 바로 스틸이었으며 이 생각은 화성과 지구 사이를 여행하는 미생물에 대한 내 이론의 기초로 자리잡았다.
내가 이 책을 쓰기 시작하였을 때 나는 과학이 생명의 기원을 둘러싸고 있는 신비에 근접하고 있다고 확신하였다. 지하 깊숙하게 살고 있는 미생물에 대한 극적인 증거들은 생화학적 수프의 선생물 세계와 최초의 원시적 세포 사이의 잃어버린 고리를 제공해 줄 것을 약속하고 있다. 그리고 이 분야에서 연구하고 있는 많은 과학자들은 생물발생의 중요한 문제들이 대부분 해결되었다고 확실하게 믿고 있다. 최근의 몇 가지 책들은 생명의 기원이 결국 그렇게 신비스러운 것이 아니라는 확실한 전령을 시사하고 있다. 그러나 나는 그것들이 옳지 않다고 생각한다. 나는 그 분야를 일년이나 이년 연구한 후 우리가 알아야 할 것이 엄청나게 남아있다는 의견을 가지게 되었다. 우리는 확실히 생명의 기원에 대한 장소와 시기에 대하여 훌륭한 생각들을 가지고 있지만 어떻게 그렇게 되었는가를 완전히 이해하는 것은 아직도 멀었다. 이 알지 못하는 부분은 어떤 기술적인 세부사항에 대한 단순한 무지 때문이 아니라 중요한 개념적 결함 때문이다. 나는 생명의 기원이 초자연적인 사건이라는 것을 제안하려는 것은 아니며 단지 우리가 전체적인 것에 있어서 무엇인가 기본적인 것을 놓치고 있다는 것을 말하려는 것이다. 그렇게 많은 전문가와 비평가들이 제안한대로 생명이 적당한 조건에서 갑자기 생겨났다면 우주에서 정말로 놀라운 것이 일어난 것이며 심오한 철학적 결과를 가진 것이 일어난 것이다. 다만 그대로 말하자면 내 개인적 신념은 생명의 기원에 대한 완전히 만족스러운 이론은 무엇인가 근본적으로 새로운 아이디어를 필요로 한다는 것이다.
많은 연구자들은 밀실 안에서는 자신들도 당황하고 있다는 것을 자유롭게 인정하면서도 생명의 기원이 신비스럽다고 공개적으로 말하는 것을 거북하게 느낀다. 그들의 거북함에는 두 가지 이유가 있는 것으로 보인다. 첫째, 그들은 그것이 종교적 원리주의자들과 그들의 신에 호소하는(god-of-the-gaps) 유사 설명에게 문을 열어주는 것이라고 생각한다. 둘째, 그들은 무지의 솔직한 인정이 특히 우주에서의 생명 연구에 대한 연구비의 침식을 가져올까 우려한다. 이런 견해는 과학자들이 그것이 그곳에 있다고 이미 확신을 하면 외계 생물을 찾는데 정부가 더 많은 연구비를 주기를 좋아한다고 생각한다.
내 의견으로는 이런 태도는 전체적으로 잘못되어 가고 있는 것이다. 과학자들은 아무런 신용도 없이 단지 대중들을 위하여 과장된 주장을 하여서 그들의 학문분야를 연구한다. 더 중요한 것은 무지가 확신보다도 실험에 대한 훨씬 더 좋은 동기를 부여한다는 것이다. 우리가 그것이 어떻게 나타날지 확신할 수 없기 때문에 생명을 다른 세계에서 찾고 실험실에서 합성하려고 하는 것은 중요하다. 이런 이유로 나는 NASA의 새로운 우주생물 프로그램을 강력하게 지지한다. 내 생각이 옳다면 생물발생은 무엇인가 매우 새롭고 흥미로운 것을 넌지시 말해줄 것이고 그러면 우리는 다른 세계를 조사하여 작용 중인 이런 중요한 전이를 알아낼 수 있을 것이다. 천문학자들은 토성과 목성 같은 외행성과 그들의 위성이 복잡한 화학 영역과 실제 생물학 영역 사이의 경로들이 균형을 잡고 있는 거대한 선생물적 실험실이며 그곳에는 지구에 생명을 가져온 단계들이 얼어붙어 있다고 생각한다. 화성의 경우에는 무생물과 생물 사이의 선이 교차되어 있어서 과거의 어느 단계에는 붉은 행성에서 생명이 번성하였을 것으로 생각된다. 실제로 이 책에서 내가 설명할 이유들 때문에 나는 화성의 과거 생물체의 존재를 거의 확실하다고 믿고 있다. 나는 또 어디를 조사해 보아야 할지를 안다면 그곳에서 오늘날에도 생명체를 찾을 확률이 크다고 생각한다.
생물발생의 신비를 푸는 것은 해야 할 과학 계획들의 기다란 목록에 있는 별개의 문제가 아니다. 그것은 우리 과학과 우리 세계관의 기본을 시험하는 것이기 때문에 우주의 기원, 의식의 기원과 같이 그것은 매우 심오한 것이다. 우리의 물리적 세계를 이해하는 바로 그 원리를 변화시키도록 약속해 주는 발견은 최우선적으로 다루어질 가치가 있다. 생명의 기원에 대한 신비는 철학자, 신학자, 과학자들에게 지난 2500년 동안 의문이었다. 다음 10년 동안 우리는 이 분야에서 몇 가지 중요한 진보를 할 수 있는 황금기를 가지게 될 것이다. 과학자들이 현재 벽에 부딪쳐 있다는 것이 이 기회를 한층 더 흥분되고 가만히 두지 않게 만든다. 나는 생명의 본질에 대한 깊은 이해가 없이는 생물발생의 문제를 풀 수 없을 것이라고 믿는다. 정확하게 생명이란 무엇인가? 생명은 그 성질이 너무나 특별하여서 그것은 물질의 다른 상태를 나타내는 특성이 된다. 나는 이 책을 어렵기로 유명한 생명의 정의를 찾는 문제로 시작한다. 대부분의 교과서는 세포 내부에서 어떤 분자가 무엇을 하는지 같은 생명의 화학에 초점을 맞추고 있다. 분명히 생명은 화학적 현상이지만 그 특별성은 그런 화학에 있는 것은 아니다. 생명의 비밀은 오히려 그 정보성에서 온다. 살아있는 생물체는 복잡한 정보가공 시스템이다.
복잡성과 정보는 물리학, 화학 및 계산학을 연결시켜주는 과학 분야인 열역학에 의해서 설명될 수 있다. 수십 년 동안 생명은 너무나 놀라운 것이어서 어떻게든 열역학 법칙들을 우회하여야 한다는 주장이 있었다. 특히 모든 자연 법칙의 가장 기본인 열역학 제2 법칙은 생명이 분명히 거역하고 있는 붕괴와 축퇴 경향을 나타내고 있다. 나는 제2장에서 열역학 제2법칙을 상세하게 설명하였는데 그것이 내가 생물 발생의 최종적 문제라고 생각하는 것에 대한 배경을 제공하여 주기 때문이다. 그 문제는 생물학적 정보가 어디에서 왔는가 하는 것이다. 아무리 중요한 화학이 원시 지구나 다른 행성에서 일어났다고 하더라도 생명은 그러한 분자적 소용돌이에 의하여 점화되는 것이 아니라 어떤 식으로든지 정보의 조직화에 의하여 점화되는 것이다. 나는 이 주제를 3, 4, 5장에서 더 발전시켜서 원시수프에 대한 여러 가지 이론과 화학이 생명으로 전환되는 다른 시나리오들, 실험실에서 생명을 창조하려는 몇 가지 시도들을 다루었다. 나는 또 최초의 생명 형태들에 대한 화석 증거에 대해서도 간단하게 요약하였다. 다윈주의와 기본적 분자생물학의 도입 부분은 독자들에게 친숙할 것이며 건너뛸 수도 있다. 그러나 나는 정통적인 아이디어를 새로운 관점을 가지고 나타내려고 하였다.
내가 옳다면 생물발생의 열쇠는 화학이 아니라 특별한 논리와 정보 구조의 형성에 놓여 있으며 그렇다면 정보 가공시스템의 창조에 필요한 중요한 단계는 소프트웨어 조절을 적용하는 것이었다. 나는 4장에서 이 단계가 유전암호의 등장과 밀접하게 관련되어 있다고 주장하였다. 나는 컴퓨터의 용어와 개념을 이 문제에 적용하여 생물체의 유전자에서 발견되는 매우 새로운 형태의 복잡성을 해명하려고 노력하였다. 생물학적 복잡성이 갖는 특수성은 거의 불가능한 물체처럼 보이게 하지만 어떻게든 그것들이 생성되었음에 틀림없다. 나는 어떤 친숙한 자연 법칙도 모순된 화학물질로부터 일부 과학자들이 주장하는 필연성을 가지고 그런 구조를 만들어 낼 수 없다는 결론에 이르렀다. 생명이 쉽게 형성된다면 그리고 우주 전체에 흔하다면 새로운 물리학적 원리가 작용해야만 한다. 그것이 내가 마지막 장에서 다룬 주제이다. 나는 그 장에서 많은 사람들이 믿는 것과 같이 우주가 생명으로 충만하다면 이에 뒤따르는 막대한 철학적 결과를 자세하게 설명하려고 하였다. 나는 분명히 생명의 기원이 기적이 아니라고 믿지만 우리가 참으로 정교한 특성을 가진 생물친화적 우주에 살고 있다고 믿는다.
이 책 후반부 대부분은 생명의 기원에 대한 전혀 새로운 이론들을 다루었다. 다윈 시대 이래로 생물발생에는 크게 두 가지 줄기가 있었다. 첫째는 지구 표면 어딘가의 물 속에서 화학적 자기조립에 의해서 생명이 시작되었다는 것이다. 다윈 자신은 따뜻한 작은 연못이라고 표현하였다. 둘째는 생명이 살 수 있는 미생물 형태로 우주로부터 지구로 왔다는 것이다. 이것을 포자범재설이라고 한다. 뒤의 시나리오에서는 최종적인 생명의 기원은 의문으로 남아있다. 그러나 나는 최근에 점증하는 증거들에 의하여 제3의 대안을 제안한다. 즉 생명은 지구 안쪽에서 시작되었다는 것이다. 물론 내부 깊숙이는 아니지만 고체 지각의 수 km 지하, 아마도 대양저 아래일 것이다. 그곳에서는 지열 활동이 가마솥 비슷한 환경을 조성한다. 표면 지역, 특히 화산공 근처의 극단적인 온도와 화학적 잠재력은 즉시 대부분의 알려진 생물체들을 죽일 것이다. 그러나 그런 환경은 생물발생에는 이상적인 곳이었으며 과학자들은 오늘날에도 물의 끓는점보다도 상당히 더 높은 이런 뜨거운 장소에서 여전히 살고 있는 기괴한 미생물들을 발견하였다. 나는 이런 수퍼박테리아들을 7장에서 설명하였다. 그 장에서는 나는 그것들이 생명의 새벽에서부터 남아있는 살아있는 화석이라고 주장하였다.
나는 그런 비슷한 수퍼박테리아가 한때는 화성 표면의 지하에서도 살았으며 8장에서 설명한 이유들 때문에 더 깊은 지하에서 오늘날에도 존재하고 있다고 믿고 있다. 더욱이 나는 미생물들이 거대한 운석 충격에 의하여 행성에서 떨어져 나온 암석 안에 갇혀서 지구와 화성 사이를 여행하였다고 확신하고 있다. 8장에서는 주로 논쟁이 분분한 화성 운석 주제에 대하여 다루었다. 특히 NASA 과학자들이 화성 미생물 화석을 함유하고 있다고 주장한 유명한 ALH84001에 대하여 다루었다. 거의 확신을 가지고 있는 행성 교차 오염이 최종적인 생명의 기원을 의심스럽게 만들 것이다. 최근의 화성 생물 논쟁에 참여하고 있는 대부분의 과학자들과 비평가들은 행성 교차 오염을 간과하고 있는 것으로 보인다. 생명은 지구에서, 혹은 화성에서, 혹은 두 곳에서 모두 별개로 시작되었을까? 그렇지 않으면 전혀 다른 어떤 곳에서 시작되었을까? 나는 생물발생에 대한 천문학의 중요성을 6장에서 설명하였으며, 소생된 포자범재설의 증거를 9장에서 설명하였다. …
마지막으로 나는 이 책의 제목에 대하여 몇 마디를 덧붙이고 싶다. 그것은 하나님이 세상을 어떻게 특별하게 단계적으로 만들었는지를 설명해 놓은 창세기의 성서 이야기에서 가져온 것이다. 첫 장의 11절에는 땅은 푸른 움을 돋아나게 하여라 라고 하였다. 이것이 생명에 대한 최초의 언급이며 이것은 다섯 번째 기적으로 생각된다. 앞서의 네 가지 기적은 우주의 창조, 빛의 창조, 하늘의 창조, 육지의 창조이다. 성서학자들은 나에게 이런 서열화가 창세기를 오해하게 만든다고 하였다. 왜냐하면 첫째 줄 태초에 하느님이 천지를 창조하셨다는 기적 행위를 실제적으로 나타내는 것이 아니라 이어지는 절에서 항목별로 설명된 전체적인 일정을 말하는 것이기 때문이라는 것이다. 그럼에도 불구하고 나는 제5의 기적이라고 정하였다. 이 제목을 사용하면서도 나는 생명의 기원이 실제로 기적이라는 것을 암시하려는 것은 아니다. 나는 이 주제에 대한 신학적 측면에 흥미를 가진 독자는 내가 앞서 저술한 신의 마음(The Mind of God) 과 우리뿐인가? (Are We Alone?)를 참고하기 바란다.
폴 데이비스(PAUL DAVIES) 아들레이드, 사우스 오스트레일리아
국내출판 . 현대물리학이 탐색하는 신의 마음, 한뜻, 1994. . 우리뿐인가, 김영사, 1996.
□ 생명, 지구에서 탄생한 것일까? 외계에서 옮겨 온 것일까?
조선일보, 2000.12.30
“태초에 ‘딥 임팩트’(deep impact)가 있었다.” 저자는 거대 운석과 혜성이 원시 지구와 많은 충돌을 일으키며 생물에 필요한 원료물질을 지구에 전달해 주었다고 주장한다.
“ 생명이란 무엇일까? 그리고 어디서, 어떻게 왔을까”라는 의문을 한 번쯤 가져 보 지 않은 사람이 있을까. ‘제5의 기적-생명의 기원’은 누구나 품어봤을, 그러나 그 누구도 명확한 해답을 내리기 불가능한 말 그대로 생명의 기원에 대한 분석을 시도한 책이다. 이 책은 놀라운 폭과 지식을 지닌 책으로 우리 시대의 대표적 수수께끼인 생명이 어떻게 시작되었으며, 물리적 우주 진화와는 어떤 연관이 있는지를 자세히 살피고 있다. 한 과학자의 폭넓은 연구로 생명 탄생의 가능성을 찾으려는 의지를 엿볼 수 있는 책이다. 폴 데이비스는 과학의 철학적 의미에 대한 연구로 1995년 템플턴상을 수상하였다. 다윈의 ‘종의 기원’으로 시작된 진화론은 인류가 어떻게 진화되어 왔는가는 보여주지만, 이보다 근원적인 물음, 즉 생명 기원의 근본적 문제를 해결해주지 못한다. 폴 데이비스는 지하 세계와 해저 화산 주위에서 발견된 새로운 미생물들을 살아있는 화석으로 생각하며 이 문제에 대해 새로운 접근을 시도한다. 이 책은 화성과 우주의 다른 곳에 있을 생명에 대한 과학자들과 우리들의 견해를 바꾸어 놓고 있다. 또한 저자는“혜성과 소행성에 의한 행성과의 충돌이 생명의 기원과 진화에서 중요한 역할을 하였다”고 강조한다. 화성에 대한 경이로움, 화성 영구 동토대에의 생명체 존재 가능성, 우주 충격에 의하여 화성에서 튕겨 나온 박테리아를 함유한 운석이 우주를 떠돌다가, 지구 또는 다른 행성에 도달하여 새로운 생명체의 씨앗을 뿌렸을 수도 있음을, ‘화성 운석(ALH84001)’의 분석을 통하여 제시하고 있다. 현재 인간의 유전자체계는 거의 해독 단계에 와 있다. 그러나 유전자의 구성 요소가 일정한 법칙에 의해 결합하면서, 어느 순간에 생명이 들어가게 되는지는 아무도 모른다. 폴 데이비스는 물리학적인 양자논리, 정보가공 및 복잡성 이론 분야에서 생명에 대한 새로운 발견이 있을 것으로 믿고 있다. 폴데이비스의 생명기원 추적이 주는 놀라움은 생명의 기원을 단지 물리학적인 관점에서뿐만 아니라, 생물학, 천문학 및 화학의 조화로운 상황에서 찾고자 하는 데 있다. 하지만 뭐니뭐니 해도 이 책의 중심이론은 생명이 뜨겁고 깊은 곳에서 시작되었다는데 두고 있으며, 다른 과학자들 또한 이 이론에 많은 동조를 보이고 있다. 아무쪼록 생명의 신비에 대한 호기심을 누를 수 없는 독자들에게 즐거운 상상과 교양산책의 묘미를 제공하는 이 책의 일독을 권하는 바이다.
(김.태완, 홍익대학교 물리학과 교수)
( 목 차 )
제1장: 생명의 의미
생명의 신비한 기원 생명이란 무엇인가? 생명력 및 다른 의심스러운 생각들 고대 분자 이야기 미생물과 에덴 찾기
제2장: 조류에 대항하여
축퇴 원리 생물학적 정보는 어디에서 오는가? 엔트로피 틈새: 질서 원천으로서의 중력
제3장: 진흙에서 나와서
생명의 나무 생명의 세 구역 가장 오래된 암석 자발적 발생 원시 수프 다시 만들기 우연과 생명의 기원
제4장: 기계 속의 전령
복제하라, 복제하라! 생물 만들기 유전 암호 전령 획득 암호 안의 암호?
제5장: 닭과 달걀 문제
RNA 우선설 RNA 나중설 자기조직화: 무 대신에 유?
제6장: 우주 연관성
여러분 눈 속의 우주 티끌 우주화학 우주 공간에서의 생성 충돌 시시포스 효과
제7장: 수퍼박테리아
뜨거운 것을 좋아하는 것들 지하세계의 생명 지하세계에서 올라옴 그들이 암석을 먹게하라 그 다음은 역사이다.
제8장: 화성은 붉은 죽음의 별인가?
좋지 못한 휴양지 홍수 화성 온실 화성에는 생명체가 있었을까? 아직도 화성에는 생명체가 있을까? 화성에서 온 운석 생명의 흔적? 붉은 행성에서 온 죽음의 전염병
제9장: 포자범재설
우주에서의 생존 생명체가 운석을 타고 지구로 왔을까? 지구의 생명체는 화성에서 왔을까? 지구의 생명체가 화성으로 갔을까?
제10장: 우주는 생물친화적인가?
생명은 시작되었을까? 자연법칙은 생명에 유리하게 만들어져 있을까? 항상 다윈주의는 내려오는가? 진보의 사닥다리? 의식은 예정된 것인가?
■ RNA연구는 생명의 차가운 요람을 암시한다.
Gretchen Vogel Science, 283, 155-157 (1999); 220-221(1999)
chosun.ac.kr, kmj 역
최근의 생명의 기원에 대한 연구 주제는 간단한 질문으로 요약된다: 생명의 요람은 따뜻했을까? 차가웠을까? 많은 연구자들은 최초의 세포가 뜨거운 온천이나 열수공의 뜨거운 물에서 생겼다고 생각하지만 몇몇 소수의 연구자들은 차가운 연못 심지어 추운 대양에서 생겼다고 주장한다. 화석과 같은 직접적 증거가 없으므로 논쟁은 간접 증거들에 의존하지만 최근에는 뜨거운 환경에 유리한 간접 증거들이 늘어나고 있다. 그러나 차가움을 주장하는 진영에도 좋은 소식이 있다. 생물 유전자들의 증거는 오늘날 모든 생명 형태를 발생시킨 세포가 매우 뜨거운 환경에는 부적당하다고 암시하고 있다.
초기 세포의 온도 선호도를 조사하기 위해서 Edinbroug 대학의 Galtier, Texase 대학의 Trousse, C. Bernard 대학의 Gouy는 40가지 생물들에 대하여 두 가지 유전자를 분석하였다. 두 가지 유전자는 생물의 이상적 생존온도를 위한 온도계 역할을 하는 유전자이다. 그들의 연구에 의하면 고대 세포에서 이런 유전자들은 70℃이상은 견디지 못하였을 것으로 생각된다. 그러나 이 증거는 간접적이기는 하지만 생명이 시작될 시기의 환경에 대한 새로운 논쟁을 불러일으킬 것이다.
모든 생명체의 공통선조는 매우 뜨거운 환경에서 살았었다(Science, 2 May, 1997, p.700)는 것이 점점 추종자들을 얻어가고 있다. 그 이유는 hyperthermophiles이라고 하는 80℃와 90℃ 사이에서 생존하는 생명 계통도의 가장 저급하고 초기적인 가지의 일부가 아직도 그런 극단적인 환경에 살고 있기 때문이다. 그리고 대부분의 지질학자들은 초기 지구가 뜨거운 환경을 유발하는 화산, 유성 충돌이 빈발하였다고 생각하기 때문이다.
Galtier등은 이 이론을 시험하기 위하여 세포의 단백질 합성 공장인 리보솜의 두 가지 온도 감수성 RNA 분자의 진화를 추적하기로 하였다. 리보솜은 일부가 RNA로 구성되어 있으므로 정상적으로 작용하기 위해서는 염기들 사이의 결합에 의존해야 한다. 그러나 그런 결합은 온도에 매우 민감하다. 일부는 고온에서 잘 견딜 수 있다. 예를 들면, 구아닌(G)과 사이토신(C)은 강한 결합을 형성하지만 아데닌(A)과 우라실(U)은 약한 결합을 형성한다. 다른 연구들은 고열 생물의 리보솜 RNA는 AU보다 GC가 더 많다는 것을 보여 주었는데 아마도 G-C 결합이 열에 더 잘 견디기 때문일 것이다.
Galtier 등은 구 가지 RNA 분자를 이용하여 박테리아에서 포유류에 이르는 40가지 생물의 진화계통도를 구성하였다. 그들은 컴퓨터 모형을 이용하여 이 40가지 RNA 분자의 공통 선조에 가장 가까운 GC 비율을 추정하였다. 놀랍게도 두 가지 분자의 선조 RNA는 중간 정도의 G+C 만을 가졌으며 잘 알려진 hyperthermophile 의 경우보다 훨씬 더 낮았고 중간 온도에서 사는 생물의 것과 일치하였다.
이것을 검토하기 위해서 그들은 다른 계통도를 가지고 모형을 돌려보았으나 결과는 마찬가지이었다. 그 모형이 단순히 모든 생물의 G+C 함량을 평균하는 것이 아니라는 것을 보여주기 위해서 G+C가 고 함량인 생물들만을 대상으로 모형을 돌려보았지만 역시 중간 G+C 함량이 나왔다.
그렇다 치더라도 이것을 수십억 년 전으로 외연 하는 것은 위험하다고 UC Berkeley의 Pace는 주장한다. 중간의 G+C 함량을 상기하며 "그 때는 모든 것이 굉장히 자욱하였고(murky) 진흙도 이미 자욱한 물 속에 있었다. 모든 생물의 가장 최근의 공통 선조는 그 최초의 생명의 회오리 후 언젠가에 나타났을 것이다."
그러나 일부는 이 결과를 환영한다. College London 대학의 Yang은 "통계학적 방법은 많은 사람들이 알고 있은 것보다 훨씬 더 강력할 수 있다." 그는 그것을 최종 결과로 생각하지는 않지만 분석을 믿을 만하다고 확신하고 있다. Galtier도 이점에는 동의한다. 그러나 그가 방법을 찾는다면 차가운 선조에 대한 증거는 또 다시 생명의 기원 논쟁을 일으킬 것이다.
■ 우주 공간의 PAH
P. Ehrenfreund (1999) Science 283, 1123
chosun.ac.kr, kmj 역
운석과 같은 외계물체에서 방향족 분자들이 확인되었으며, 그 흔적도 우주스펙트럼에서 관찰되었다. 그들이 널리 분포한다는 것은 최근의 적외선우주천문대(Infrared Space Observatory, ISO)의 3에서 15 ㎛의 미확인 적외선 발광 띠(UIR)에서도 확인되었다. 여러 고리 방향족 탄화수소(PAHs)는 우주에서 가장 풍부한 유기분자일 것이며 전 우주탄소의 20%가량을 차지한다. 이런 분자들이 생명의 기원에 단서를 제공할 수 있을까? 이번 호에 발표된 Berstein등의 논문은 PAHs가 우주로부터 지구상의 생명의 기원을 가져오는 중요한 중간물질이라는 생각을 지지해 준다.
방향족 화합물은 우주의 여러 지역에서 폭넓게 관찰된다. 이런 지역에서 관찰되는 UIR 띠들은 PAH 분자, 수화된 비결정질 탄소, 탄화 조성물, 석탄 같은 방향족으로부터 나온다. 이중 PAH를 제외하고는 모두 응축상을 이루고 있다. ISO는 이런 지역의 UIR 띠가 낮은 UV 조사와 함께 존재한다는 것에서 해당 운반체가 단일 UV 광자 흡수를 통해서 일시적으로 가열된다는 것을 밝혔다. 이것은 그런 환경에서 PAH가 기체상으로 존재한다는 좋은 증거가 된다.
PAH는 성간 공간에서만 발견되는 것은 아니다. 예를 들면 지상에서도 불완전 연소에 의한 대기 오염물질 같은 다양한 PAH가 발견된다. PAH의 흔적은 태양계에서도 발견된다. 여기에서 그것들은 탄소질 구립운석(운석의 입자), 행성간 티끌 입자, 혜성에서 발견된다. 화성에서 온 운석 ALH84001에 존재하는 PAH 기원에 대하여 화성에서 온 것인지, 지구에서 오염된 것인지에 대한 논쟁이 아직도 뜨겁다.
PAH 분자는 탄소항성의 바깥 층 대기에서 생성된다고 생각된다. 탄소질 고체물질의 cdrur적 파쇄도 중요한 방향족 분자의 원천이 된다. 최근 UIR 띠를 분석하면 성간 PAH 분자들은 일부는 30에서 70개의원자에 해당하지만 전형적으로 수백 개의 원자를 함유한다는 것이 알려졌다. PAH는 그 탄소 골격에 전자들이 비편재화 되어 있어서 매우 안정하다. 성간 공간에서 지역적인 자외선 장 세기가 이온화, 탈수, 조각화 및 파괴를 결정한다. 일단 PAH가 생성이 되면 분자들은 성간 입자들을 두꺼운 구름 형태로 둘러싼다고 생각된다. 최근 실험에 의하면 PAH는 은하 우주선 입자와 성간 얼음이 충돌할 때도 생성된다고 알려졌다.
PAH는 더 반응하여서 다양한 화합물을 생성할 수 잇다. 성간 얼음 입자는 성간 매질의 중요한 촉매가 된다. 자외선 조사, 우주선 충돌 및 온도 변화 등이 성간 얼음 입자의 성장과 화학적 진화를 결정하게 된다. 그런 과정들은 초기의 춥고 조용한 상에서 따뜻하고, 밀집되고 활발한 선행성 지역으로 분자 구름이 진화하게 될 때 특히 중요해진다. 선행성 가까이에서 관측되는 얼음(물, 메테인, 메탄올, 이산화탄소로 구성)은 기체상일 때보다 훨씬 더 풍부하다. 따라서 복잡한 분자를 향한 대부분의 화학적 진화는 고체상에서 일어날 것 같다. 다행스럽게도 고체상은 모의실험에서 접근하기가 쉽다.
Berstein 등은 얼음-물에서 자외선으로 PAH를 조사하면 이써, 퀴논, 알코올을 비롯한 다양한 sdbrl분자 혼합물이 생성된다는 것을 보여주었다. Berstein 등이 제안한 메카니즘으로 복잡한 유기분자들이 생성되는데 제한 요소는 불확실한 자외선 장인데 이것은 짙은 구름에서는 급격하게 약해진다. 최근의 ISO 결과는 얼음의 열 과정에 대한 강한 증거를 보여주었으며 복사과정에 대한 증거는 존재하지 않았다.
선행성 성운의 운석과 혜성에 성간 물질이 편입되는 것은 "우주 티끌 연결고리"의 기반이 된다. 즉 지구상의 생명체 구성분자들이 우주티끌에서 유래하였으며 지구로 운반되었다는 것이다. 시안화 수소, 포름알데하이드, 퓨린, 아미노산 같은 많은 생명의 구성분자나 선구체들이 성간 가스, 혜성, 외계물질에 대한 실험실 측정 등에서 관측되었다. PAH 같이 어떤 화합물들의 비정상적인 동위원소 조성과 운석 시료의 중수소 축적은 그런 화합물들의 태양계 외부에서 유래하였다는 중요한 자료가 된다. Berstein 등이 찾아낸 중요한 발견은 PAH와 얼음 사이에서 수소와 중수소 교환이 매우 빠르게 일어난다는 것이다. 이것은 일부 운석에서 관찰되는 중수소 축적을 설명해 줄 수 있을 것이다. 그러나 최근의 화학적 모형은 PAH 양이온이 기체상에서 수소의 재조합을 촉매하며 따라서 PAH의 중수소 축적 정도를 증가시킬 수 있다는 것을 보여 주었다.
초기 지구의 집중적인 충돌 시기에 외계 유기물질이 전달되었을 수는 있다. 4억년 전부터 30억년 전 사이의 년간 전달 량을 행성간 티끌 입자, 혜성, 운석들로부터 그럴듯하게 계산할 수 있다. 그러나 이런 그럴듯한 생명 구성분자나 선구체들의 전달이 어떻게 그것으로부터 생명이 생겼는지를 설명해주지는 못한다.
일부 단서들에도 불구하고 Berstein등은 PAH가 두꺼운 성간 구름에 존재하는 성간 얼음 입자의 생체 생성성 분자들로의 전환을 제안하였다.
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