강한 ......
■ 극한에서의 생명 (Life on the Edge)
□ 개요
. 초기의 지구 환경은 극한적인 환경이었을 것으로 생각된다.
. 지구 최초의 생물은 극한성 미생물 Extremophile 이라고 하는
지구의 극한 환경에도 적응할 수 있는 미생물을 생각할 수 있다.
. 생물을 분류하면, 세균, 진핵(眞核)생물, 고(古)세균으로 나눌 수 있다.
- 고(古)세균은 해부학적으로는 세균을 닮고 있고, 세균과 닮은 유전자를 가지고 있지만,
- 진핵(眞核)생물 밖에 가지지 않는 유전자도 가지고 있다는 특성이 있다.
. 극한성 미생물의 접두어 : 스페이스 알크의 영어사전(http://www.alc.co.jp/)
. psychro 차가운, 냉 ~
. halo 소금의, 할로겐의
. xero 건조한
. baro 무게, 중력, 중압
□ 온도 (Temperature)
. 너무 추우면, 얼음의 결정(結晶)으로 인하여 세포 구조가 파괴된다.
. 너무 더우면, 단백질이나 핵산이 변질되고,
한층 더 고온에서는 세포막이 유동적으로 되어 세포 구성물질이 새 버린다.
. 지구상의 생물은, 대다수가 20 ℃ ~ 45 ℃를 좋아하는 mesophile 이지만,
. 80 ℃이상을 좋아하는 초호열균으로부터, 15 ℃ 이하를 좋아하는 psychrophile까지 분포되어 있다.
. 고온 다세포 생물은 50 ℃이상에는 견디지 못하고, 진핵 미생물도 60 ℃이상에는 견딜 수 없지만,
. 화산의 온천에서 발견된 고세균의 Thermoplasma는 45 ℃에서도 증식 하며,
Sulfolobus와 같은 초호열균은 100 ℃ 이상에서도 증식 한다.
. 생물이 살 수 있는 최고 온도는?
- 200 ℃에 견딜 수 있는 세균이 있을지 어떨지는 모르지만,
- 초호열균의 효소가 활동하는 최고 온도로 미루어, 140-150 ℃근처일 것이다.
그 이상에서는 DNA등의 중요 분자가 변성된다.
- 호열균이나 초호열균은, 고온에 견딜 수 있도록,
. 세포막의 지방질이, 유동화 하기 어려운 성분
. 고온에 견딜 수 있는 단백질
. 리보솜이나 transfer RNA에, 열적으로 안정인 G-C 페어의 비율이 많다
. 저온 해양 (평균 온도는1-3 ℃)이나, 영구 동토 등, 지구상에는 차가운 영역이 많다.
- 여기에 사는 생물 : psychrophile 가장 저온으로 미생물이 활동한 기록은 -18 ℃
- 세포 중에서 물이 어는 것은 치명적: 액체의 물이 대사 반응에 필요하기 때문임.
- 얼음의 결정이 세포막을 찢기 위해.
(예외 Panagrolaimus davidi라고 하는 선충은 전신의 물이 얼어도 견딜 수 있다)
. psychrophile는 저온에 참기 위해서 세포막의 지방질이 저온으로 적당한 가변성을
가지는 성분인 그리세로르 등을 축적해 응고점 강하
(몇 개의 무척추 동물은 높은 그리세로르 농도에 의해서,－60 ℃에서도 살 수 있다.)
. 서멀·히스테리시스를 가지고, 이 부동액으로 움직이는 특수한 단백질을 만든다.
(극지방에 사는 경골 어류)
□ 방사능 (Radiation)
. 자외선이나 전리 방사선은, 뉴클레오티드 기를 변화시키거나,
DNA의 1, 2중 나선을 부숴서 DNA에 심각한 손상을 준다.
. Deinococcus radiodurans는 강한 자외선과 감마선에도 견딜 수 있다.
수백 개소 손상을 받고 있어도, 템플릿가 상하지 않고 DNA를 복구할 수 있다.
이 같은 방사선 내성은 견딜 수 있도록 진화한 결과라고 생각되고 있다.
□ 수소이온 농도 (pH)
. 전형적인 환경은 중성(해수 pH 8.2 등), 그래서 생물학적 프로세스는 주로 중성 부근에서 일어나지만
몇 개의 극한성 미생물은 강한 산성이나 알칼리성을 좋아한다.
. 산성 :
- 고산성 환경은 심해의 온천공이나, 온천 등 지구상에 많다.
- 호산성 미생물(acidophiles)는 pH 0.4~4에서 번식한다.
세포 내가 강산성이 되면 DNA 등 중요한 분자가 망가지므로,
defensive molecule(방어 분자?)에 의해서, 산을 막고 있다.
그러한 분자는 강산 중에서 움직이며, 어떤 종류의 효소는 pH 1 이하에서도 움직인다.
. 알칼리성
- 알칼리성 미생물(alkaliphiles)은 pH 8－12.5에서 번식한다.
탄산염을 많이 포함한 흙이나, 소다호수(탄산나트륨이 많은 호수) 등에 산다.
- pH 8 이상에서는 특히 RNA가 만들어지는 분자가 손상되므로,
alkaliphile도 세포 내를 중성으로 유지하고 있다.
□ 염농도 (Salinity)
. 생물은, 증류수로부터 포화 식염수까지 넓은 범위에서 생식 한다.
. 호염성 생물(halophile)은 살기 위해서 고농도의 염분 (해수의 2－5배)이 필요한 생물.
염분 호수, 사해, 염전 등에서 찾아낼 수 있다.
. 몇몇의 높은 염농도 환경은, 탄산나트륨의 풍화나 다른 소금에 의해서 고알칼리성이 되어 있으므로,
거기의 미생물은 양쪽 모두에 견딜 수 있다.
. 물은 세포막과 같은 반투막을 다니며 염분이 얇은 편으로부터 진한 편으로 흐른다.
→ 높은 염농도인 환경에서는, 세포는 물을 잃어 버린다.
호염성 생물은 세포 내에 대량의 용질을 함유 함으로서 이를 막고 있다.
□ 사막 (Dessication ?)
. 물은 생명에 있어서 불가결한 용매이므로, 물이 없는 상황은 생명체로서는 극한적.
몇몇의 생물(세균으로부터 식물, 동물까지)은 운동이나 대사를 그만두고,
무수 생활(anhydrobiosis) 에 들어가는 것으로 극한적인 건조를 이겨낸다.
□ 압력 (Pressure)
. 높은 압력 (高壓)
. 심해에서는 수압이 높고, 높은 장소에서는 기압이 낮아진다.
. 고압 하에서는 세포막의 분자가 어렵게 밀집되고, 막의 가변성이 감소한다.
. 고압에 견딜 수 있는 생물은 세포막의 성분을 조절해 세포막의 가변성을 증가시키고 있다.
. 지구에서 가장 깊은 바다의 마리아나 해협에서 발견된 호압성 생물(piezophile)은
70-80 MPa로 번식하 지만, 50 MPa 이하에서는 성장하지 않는다.
. 저중력 (低重力)
. 지구상의 모든 생물은 1 기압의 중력 속에서 살고 있다.
. 우주 개발과 함께 인류는 다른 중력을 취급할 수 있게 되었다.
국제 우주 스테이션에서, 낮은 중력이 생물에게 주는 영향을 조사하는 실험을 했다.
식물의 뿌리 끝부분과 같은 중력을 민감하게 느끼는 생물에게는 영향이 있다고 생각된다.
세포 미만의 크기에 관한 영향은 미 확인.
현재로서는 무중력 환경은 특히 세포막이나 미생물의 번식에 영향을 준다고 믿는다.
□ 산소 (Oxygen)
. 초기의 지구는 산소가 없었으나, 현재는 산소는 생물에게 있어서 결정적인 역할을 한다.
. 산소는 동식물이 생명을 유지하는데 필요한 호흡이나 광합성에 열쇠를 가지고 있다.
. 호기성의 대사는 혐기성의 대사보다 훨씬 더 효율적이지만,
분자 산소의 산화력은 생물에게 손상을 주어 암이나 노화에 관여하고 있다.
. 자외선이나 호기성의 대사는, 과산화수소 등의 반응성 높은 산소를 만들어 낸다.
. 몇몇 생물은, 항산화제를 만들어 산소에 의한 손상을 피하고 있다.
□ 극한 환경 (Extreme environments)
. 극단적인 환경에서 생물이 발견된다면, 화성이나 이오와 같은 태양계의 다른 천체에서도,
생물이 발견될수 있는 것이 당연하게 된다.
지구에 있는 여러 가지 극단적인 환경은 다른 혹성의 보통 환경과 닮아 있을지도 모른다.
. 온천 (Hotsprings)
온천이나 간헐천은 고온의 뜨거운 물이나 증기가 있어, 낮은 pH나 수은등의 유독 금속을 포함하기도 하는 환경이지만, 여러 가지 생물이 있다.
뉴질랜드의 와이오타프 온천 주위에는 여러 가지 색의 조류가 산다.
. 깊은 바다 속 (The deep sea)
심해의 환경은 고압이며 저온 또는 고온이다.
온천공(孔)의 근처에서는, 온도가 400 ℃에 이르고, pH는3-8이다.
온천공(孔)은 초기의 지구 생명에 매우 중요한 역할을 했고, 호열균이 선조였다고 시사된다.
또, 광합성 없이 생물이 존재할 수 있는 것으로 미루어, 태양계의 다른 장소,
예를 들면 목성의 위성, 에우로파의 얼음 아래 바다에도 생물이 있을지도 모른다.
. 높은 염분 농도 (Hypersaline environments)
염류 평원이나, 증발연못, 자연호수, 심해의 해분 등의 과염성 환경에서는, 호염성 생물이 자주 나온다.
. 증발 (Evaporates)
증발이 일어난 바위에는, 암염, 석고(CaSO4. 2 H2O), 또는 무수 석고(CaSO4)가 된다.
이 바위 위에, 자주 조류나 세균들의 집단적으로 갇힌다. 과학자들은, 세균은 이 안에서 수백만 년 생존 할 수 있다고 추측하고 있다.
. 사막 (Deserts)
사막은 매우 건조하며, 덥거나 춥다. 가장 더운 사막은 칠레의 아타카마 사막이고
가장 추운 곳은 남극의 dry valley.
이러한 환경의 제1 거주자는 바위의 표면이나 그 바로 아래에 사는 조류나 세균이다.
바위의 표면이나 그 바로 밑에 사는 생물을 endolith,
표면으로부터 수mm에 사는 생물을 cryptoendolith라고 한다.
. 기압 (The atmosphere)
공중에 부유 하는 미생물은 존재하고 있다. 건조와 자외선을 견딘다.
그러나, 생태계를 만들고 있는지 아니면 휴면 상태인지는 뚜렷하지 않다.
. 극한 (極寒 Ice, permafrost and snow)
어떤 종류의 미생물은 눈이나 얼음을 생식 장소로 한다.
얼음 환경은 추위에 강하지만 살아 남아 있는 것만으로 다른 환경을 좋아하는 생물이 포함됨.
. 지하환경 (Subsurface environment)
현재 화성 표면은 생물이 살아 남는 것이 어려운 환경이다.
위에 언급된 한두 종류의 생물은 화성의 기후에 이론상은 견딜 수 있다.
화성은 지구의 43%의 방사율 밖에 받지 않아 아주 추운 기후지만, 대기에서 흡수하지 않기 때문에 유해한 자외선은 지구보다 많다.
화성에 현존 하는 생물을 찾는 것은 지표하에 집중하고 있다.
지구상에 현무암을 에너지원으로 해서 광합성 없이 번식하는 생태계가 발견되고 나서, 그 가능성이 높아졌다.
이러한 생태계는 SLiME(subsurface lithoautotrophic microbial ecosystem) 라고 불러져도 됨.
SLiME는 현무암과 지하수가 반응하여 나온 수소를 주된 먹거리로 하고 있다.
Mars Global Survey의 수문지질학(水文地質學)의 데이터로부터 화성의 지표아래를 액체의 물이 흐르고 있는 것이 시사되고 있다.
이것이 옳다면 SLiME와 같은 생물이 화성에 있을지도 모르다.
□ 환경과 생명
. 행성 생존가능지역(circum stellar habitable zone)은, 별 주위의 혹성 표면에 액체의 물이 존재할 수 있는 영역으로 볼 수 있다.
지속적인 생존가능지역(continuous habitable zone)은, 별이 존속하는 사이의 기간 중인 생존가능영역(habitable zone).
. 판 구조 이론의 탄소의 리사이클에 의해서, 지구의 거주성이 유지되고 있다.
. 지구의 물은, 작은 혹성에 포함되어 있던 수화 광물로부터 생겼다.
. 초기 지구의 대기는 N2, CO2, 유황 산화물이고 수증기로부터 된 O2는 미량이었다.
지구가 생기고 10억년간 산소를 만드는 광합성이 시작되었다. 호상 철강층(縞狀鐵鋼層)이 그 증거.
. 스트로마트라이트의 화석은, 아마 35억 년 전에는 생명은 존재하고 있었다고 하는 증거.
. 탄소 동위체 비는 생물에 의한 탄소 고정이 38억 년 전부터 행해지고 있었다고 하는 증거.
그러나, 이들 둘 다 또 다른 이론도 있다.
. 지구상의 생물은 점점 크고 복잡하게 되었다. 다만, 생물이 거대하게 된 것은 6억 년 전부터.
. 극한성 미생물은 고온, 저온, 강산, 강알칼리, 고농도 염 , 고방사선 등의,
지구상에서는 극한적인 환경에 생식 하는 생물.
특히 세포막을 환경에 적응시켜 다른 생물에게는 불리한 환경에서도 번식하고 있다.
. 지구 이외 태양계의 혹성인 천체나, 태양계 외행성에, 어떠한 생물이 존재할 수 있는지를 추측할 때,
지구상의 극한적인 환경이나, 거기에 생식 하는 생물이 참고가 된다.
Fm An Introduction to Astrobiology
Cambridge University Press
須藤硏 2005 年度前期 輪講レジュメ集, 發表者：太田泰弘、平松常志
□ NASA, 독극물 비소 먹고 자란 “슈퍼 박테리아” 발견
“외계생명체 존재 가능성 훨씬 높아졌다"
"생물학적 상식 뒤집힌 사건"
기사 중에서 발췌 (2010.12.03)
NASA 과학자들이 미국 캘리포니아주 요세미티 국립공원 내 모노호수에서 극한 환경에서 번식하는 슈퍼 박테리아를 발견했다. 이에 따라 NASA는 지구 밖 외계에도 생명체가 존재할 가능성이 높아졌다고 판단하고 있다. 이번 NASA의 발견은 생명체에 대한 기존의 상식을 전면적으로 뒤엎는 동시에 극한의 상황에서도 생명체가 존재할 수 있다는 점을 밝혔다는 데 의의가 있다.
지금까지 알려진 지구상의 모든 생명체는 탄소(C)，수소(H)，질소(N)，산소(O)，인(P)，황(S) 등 이른바 '생명체 필수 6대 원소'를 기반으로 구성돼 있다. 그러나 이번 슈퍼 박테리아 발견을 주도한 울프사이먼 박사는 모노호수의 침전물 속에서 찾아낸 박테리아를 실험실로 갖고 와 인 대신 비소를 넣은 배양액을 기반으로 배양하는 데 성공했다.
원소주기율표에서 인 바로 밑에 위치해 화학적으로 유사한 성질을 갖고 있는 비소가 인을 대체한 생명체의 존재 가능성이 있다는 가설이 작년 1월 국제 천문학 저널에 발표됐으며, 이번 발견은 우리가 알고 있는 생명체가 우리가 통상 추정해 왔거나 상상할 수 있는 것보다 훨씬 큰 융통성을 가질 수 있음을 상기시켜 준다는 것이다.