화학적 진화와 생명의 기원
L.E.Orgel
〈전생물적 화학 前生物的 化學〉(prebiotic chemistry)이라는 용어는 원시지구 상에서 일어 난 과정들을 흉내낼 의도로 실험실에서행해지는 화학반응을 기술하기 위해 보통사용되는 것이다.반응들 자체는 화학자들이 전혀 다른 동기를 갖고 연구하는 실험들과 거의 다르지 않을 때가 많다. 자기가 수년 동안 산문을 써왔음을 발견하고 놀란 사람처럼 많은 유기화학자들은 수년 동안 전생물척 화학을 해왔으면서도 깨닫지뭇하고 있었다.
전생물적 화학에서 가장 중요한 실험들 중의 하나는 1832년에 도이칠란트의 화학자 픈리드리히 뵐러(Friedrich Wohler, 1800 -82)가 행한 것이다. 뵐러가 그의 연구를 발표했을 때 과학자들은 아직도 광물이나 바위갈은 무생물의 화학과 생물에 관한 화학에는 본질적인 차이가 있는 것으로 믿었다. 이 두 분야는 각각 무기화학 및 유기화학이라 일컬어졌다. 오늘날 유기화학의 내용은 생체로부터 나온것인지 아닌지를 구별하지 않고 거의 모든 탄소화합물의 성질을 취급하고 있지만, 이 용어들은 아직도 사용되고 있다.뵐러는 무기화합물인 시안산암모늄(ammonium cyanate)을 가열할 때 유기화합물인 요소가 생성됨을 보였다. 뵐러의 실험이 중요한 것은 이것이 무생물의 화학과 생물의화학 사이에 메꿀 수 없는 간격이 존재하지 않음을 증명하는 일련의 증거 중의 일부이기 때문이다. 요소는 원시지구장에서 암모니아와 시안산염으로부터 생성되었을 가능성이 있으므로 뵐러의 요소합성을 현대적인 생각으로는 한 중요한 전생물적 반응으로 간주할 수 있다.
19세기 후기와 20세기 초에 전생물적 반응이라 볼 수 있는 것들이 많이 수행되었다. 예컨대 중요한 아미노산인 글리신이 시안화수소로부터 얻어졌으며, 당들이 포름알데히드로부터 합성되었다. 시안화수소와 포름알데히드는 둘 다 이미 무기물들로부터 얻어겼으므로, 이 반응들은 당연히 전생물적 반응들로 기술될 수 있었다.
원시지구 상에서 일어 났던 반응들을 고의적으로 흉내내는 의미로서의 前生物的 化學은 훨씬 최근에 생긴 것이다.오빠린과 흩데인은 첫 생물이 출현하기 이전 기간에 지구의 대기는 분명히 환원성이었음을 강조하였다. 그들은 이러한 대기 중에 유기화합물들의 혼합물이 생성되었으며,첫 생물은 이 화합물들로부터 조립되었다고 제안하였다.우리들은 아직 미해결의 세부적인 문제들이 많이 남아 있는 것은 인정하지만, 천문학적 및 지구물리학적 연구의 결과가 원시지구가 환원성이었다는 가정과 대체로 부합함을 논술하였다.
아미노산,당 및 뉴클레오티드 염기들의 합성
1953년에 쉬카고대학의 유리교수의 학생으로 있던 밀러는 메탄, 암모니아, 수소 및 물의 혼합물에 천기방전을 작용시켰다. 그는 오빠린과 홀데인이 예언했던 대로 아미노산을 포함한 유기화합물들의 혼합물이 형성됨을 보일 수있었다. 이 실험들은 이와 연관된 많은 연구들을 자극하였으며, 당연히 전생물적 화학에 대한 현대적 연구의 효시로 간주될 수 있다.
전생물적 화학은 유기화학의 복잡한 한 분야이다. 자세한 결과는 고도로 기술적인 것이므로 메커니즘적 유기화학의 데두리 안에서만 이해될 수 있다. 이 장에서 우리는 자세한 내용에는 들어가지 않고 현재까지 달성된 진전을 간추려 보기로 한다. 밀러가 사용한 장치가 아래에 나와 있다.
작은 플라스크는 물로, 장치의 나머지 부분은 메탄(CH4), 수소(H2),질소(N2) 및 암모니아(NH3)의 흔합물로 채웠다. 작은 플라스크 내의 물을 끓임으로,써 기체 혼합물이 약간의 수증기와 함께 텅스텐 전극을 지나 순환되도록 하였다. 그리고는 천극 사이에 고전압을 걸어 스파크 방전이 일어나게 하였다.
전기방전 중에 생성된 것은 냉각기에서 액화된 물에 녹아 작은 플라스크로 내려간다. 이런 종류의 장치에서는 휘발성 생성둘은 계속해서 수증기와 함께 작은 플라스크 밖으로 증류되어 나가 다시 방전의 작용을 받고 비휘발성 생성물은 작은 플라스크에 축적된다.
밀러의 실험에서 배울 점이 많은 것은 이것이 원시지구상에서 일어났던 화학을 흉내내려는 수많은 시도들에 있어 여러가지 공통적인 점들을 예시하기 때문이다. 밀러는 당시에 원시대기의 주성분이 메탄, 수소, 암모니아 및 수증기라고 생각하였으므로 이 기체들의 혼합물을 사용하기로 결정하였다. 작은 플라스크에 든 끓는 불은 원시해양을 대표하는 것으로 가정하였다. 마지막으로 기체에 통한 전기방전은 원시대기 중의 번개와 동등한 것으로 간주하였다. 결과의 해석에서는 끓는 물 중에 축적된 물질은 원시해양 중에 축적되었을 유기물질에 해당하는 것으로 가정하였다.1)
밀러의 실험에서 어떤 점들은 분명히 실제와 맞지 않는다. 예컨대 해양들은 생명이 출현한 당시에 끓고 있지 않았다. 밀러는 기술적인 이유 때문에 찬 〈해양〉보다 끓는물을 사용하기로 하였다. 만약 그렇게 하지 않았다면 장치 내의 기체들이 충분히 빨리 순환하지 않았을 것이다.이 방법의 다른 중요한 이점은 찬 용액에서는 때우 느린 많은 반응들을 촉진한 것이었다. 대학원생의 연구기간은 기껏해야 수년에 불과하므로 원시지구 상에서 수백년 흑은그 이상 걸린 것이라할지라도 며칠 내에 성취할 필요가 있는 것이다. 따라서 전생물척 화학의 실험들은 원시지구상에 존재했던 조건들을 정확히 재현하려고 시도하는 경우가드물다. 정확히 흉내낼 수없는 경우에는혼히 외삽법(extrapolation)을 사용한다. 그리하여 우리는 원시지구장에서 장구한기간에 일어났던 것을 짧은 시간내에 일어나게 할수있는조건 하에서 화학반응들을 연구하는 것이다.
두가지 형태의 외삽법이 특히 중요하다. 일반적으로 화학반응의 속도는 온도가 증가함에 따라 증가한다. 두가지 이상의 고온에서 반응속도를 측정하면, 저온에서의 반응속도를 정확히 추정할수있다. 이러한 방식으로 원시해양 중에서 수백만년이나 걸렸을 반응들에 관해 며칠 흑은 몇주만에 배울 수 있다.
많은 화학반응들의 속도는반응물들의 농도와 매우 간단한 방식으로 관련되어 있다. 이것을 이용하여 실험실에서 보다 진한 용액을 연구함으로써 원시해양 중의 묽은용액들이 어떻게 행동했는가를 결정할 수있다. 이점이 중요한 것은 해양의 부피는 광대한데 비해, 보통 화학실험실에서는 기껏해야 몇 리터의 용액을 갖고 실험해야하기 때문이다.
이제 밀러의 실험들의 결과로 돌아가기로 하자. 1주일이 경과한뒤, 스파크를 끄고 장치의 내용물을 식게 하였다. 그리고는 작은 플라스크내의 용액을자세히 분석하였다. 그결과는 매우 놀라왔다. 원래 〈대기〉중에 들어 있던 탄소의 15%가〈해양〉속에서 검출된 유기화합물들로 존재했다. 이 탄소의 약 5%는 중요한 생화학적 화합물로 변해 있었다. 밀러의 결과중 가장 놀라운 점은 몇가지 천연 아미노산이 상당히 생성되었음을 발견한 것이었다. 글리신,알라닌, 아스파르트(aspartic)산 및 글루탐(glutamic)산이 확실히 검출되었다.
밀러의 실험에서 검출된 반응초기 화합물들
밀러의 실험에서 형성된 아미노산들
이 사실이 얼마나 놀라운가를 이해하기 위해서는, 이 결과를 일반 유기화학을 배경으로해서 고찰해야한다. 수백만가지의 유기화합물들이 알려져 있으며, 수천종은 아미노산들의 구조보다 덜 복잡한 구조를 갖고 있다. 이 실험들이 보고되기 전에는, 대부분의 화학자들이 메탄, 암모니아,수소 및 불의 혼합물에 전기방전을 작용하면 많은 다른 종류의 물질들을 소량씩 함유한 혼합물이 생성될 것으로 예측했을 것이타. 비교적 적은수의 물질이 얻어졌다는 점과 이들 중 다수는 모든 생물들에서 발견되는 중요한 생화학적 화합물이라는 점은 분명히 우연한 일치가 아닐 것이다.
이 관찰을 가장 쉽게 설명하려면, 가장 원시적인 생물들을 구성한 유기화합물들이 환원성대기에 대한 전기방전의 작용으로 생성되었다고 가정하면 된다. 현대생물들은그들의 원시조상의 면모를 많이지니고 있음에 틀림없으므로 세포들이 왜 밀러가 그의 생성물 중에서 검출한 화합물을 그렇게 많이 함유하고있는지 이해할수 있는 것이다.
실제로는 상황이 더 북잡하다. 밀러의 연구는 원시지구상에서 일어났던 유기화학을 이해하려는 많은 노력을 유발하였다. 곧 환원성 기체 혼합물을 충분히 강하게 가열하거나, 자외선으로조사하거나, 혹은 어떤 형의 전기방전이라도 작용시키면 아미노산을 포함해서 비슷한 무리의 유기분자들이 생성됨을 발견하였다. 나아가서 기체혼합물이 환원성인 한, 그 혼합물의 조성은 중요하지 않음이 발견되었다. 메탄, 수소, 질소. 암모니아 및 수증기로 구성된 밀러의 혼합물은 예컨대 일산화탄소, 수소, 질소 및 수증기의 혼합물로 대치될 수 있다. 환원성 기체혼합물을 격렬하게 처리하기만 하면 언제나 아미노산들이 생기므로 이들이 원시지구 상에 존재했음을 결론내릴 수 있다. 지구 상에서 어느 에너지원이 가장 중요했는지는 알려져 있지 않지만,필자로서는 전기방전이 전생물적 생성에 주된 기여를 했다고 믿는다.
밀러의 창의성있는 논문이 발표된지 20년이 경과하는 동안, 보고된 다수의 전생물적 합성들중 어느 것에서 자연에 존재하는 거의 모든 아미노산들이 생성물로서 검출되었다. 반웅들 모두가 다 꼭같이 믿을만한 것은 아니냐, 만약대기가 환원성이었다면 20종의 천연 아미노산중 다수가 원시지구 상에 축적되었으리라는 것을 의심할 이유는 거의 없다.
지금까지 유리산소를 포함하는 대기나 이산화탄소, 질소및 수증기의 흔합물로부터는 아미노산을 얻을 수 없음이 증명되었다. 이것은 원시대기가 환원성이었다는 오빠린-흘데인 가설을 강력하게 지지한다는 점에서 매우 중요한 "부정적' 결과이다. 현존하는 대기와 같은 곳에서는 생명이 출발하지 뭇했을 것이다.
오늘날 모든 고등생물과 다른 대부분의 생물들이 완전히 산소에 의존하고 있으므로, 위와 같은 상황은 다소 역설적으로 보일지 모른다. 생명의 기원에 필요했던 그런 조건하에서는 단지 몇 종류의 박테리아와 다른 어떤 미생물들만이살아 남을 수 있다. 이것은 매우 인상적인 적응의 예이다.아마도 대부분의 생물들은 산소가 풍부해지자 그것을 사용하기 시작했고 얼마 후에 그것에 절대적으로 의존하게 되었을 것이다.이제 그들은 산소가 없는 환경에서는 잔존할 수 없게 되었다.
유기화학자가 놀라운 발견을 했을 때, 그의 첫 본능은 보통 이 사실이 전혀 놀라운 것이 아님을 증명하려는 것이다.그는 그가 발견한 새로운 사실들이 일반적으로 수락되고 있는 이론들과 부합하며, 아마 이들을 확장할지도 모른다는 것을 보이려고 노력한다.밀러는 곧 그의 생성물중 몇가지 아미노산들은 잘 알려진 과정에 의해 형성됨을 밝힐수 있었다.보고된 글리신의 첫 합성방법 중의 하나는 암모니아의 수용액에서 시안화수소와 포름알데히드를 가열하는 것이었다. 밀러는 시안화수소와 포름알데히드가 전기방전에 의해 생성되며 수용액에서 반응하여 글리신을 냄을 증명하였다. 따라서 밀러는 이미 잘 알려진 글리신의 합성을 되풀이한 것이며 단지 반응물들을 전생물적 조건 하에서 전기방전을 만들었을 뿐이다.
이 연구는 시안화수소에 주의를 집중하게 하였고 전생물적 화학에서의 다음번 주요 진전을 가능하게 하였다.오로(Juan Oro)는 포름알데히드나 이와 유사한 물질이 없이 시안화수소와 암모니아로부터 아미노산들이 생성될 수 있는지를 조사하고 있었다.그는 수용액내에서 암모니아와 시안화수소를 며칠 동안 가열하면 밀러가 발견한 것과 비슷한 아미노산들이 생성됨을 발견하였다.이에 첨가하여 그는 아데닌이 약 0.5%의 수거율로 얻어짐을 발견하였다. 보다 최근에는 일본에서 암모니아와 시안화수소로부터 아데닌을상업적으로 합성하는 방법이 개발되었다.
아데닌은 생물체내에서 에너지를 저장하는 ATP 분자일 뿐 아니라 정보를 저장하는 DNA의 넷 염기중의 하나이다
물론 아데닌은 RNA와 DNA에 들어 있는네 염기 중의하나이다. 이것은 또한 생체에서 화학적 에너지를 저장하고 이용하는데 관여하는 중간체인 ATP의 성분이기도하다.아데닌의 구조는 매우 복잡하므로 이것이 간단한 반응에 의해 시안화수소로 부터 다량 생성될 수있다는 사실은 매우놀라운 일이다. 아데닌이 생화학에서 중심되는 위치를 점하는 것은 이 정도의 복잡한 분자로서는 원시지구상에 다량 생성된 소수의 유기화합물 중 하냐였기 때문이라는 결론을 내리지 않을 수없다.
다수의 중요한 생화합물들이 전생물적 조건 하에서 아주 쉽게 형성된다는 증거가 계속축적되었다. 지금까지 유전기구의 단위체 성분들의 거의 전부가 전생물적 조건 하에서합성되었다. 여기에서는 한가지 예만 더 들면 족할것이다. RNA에는 네개의 누클레오티드 염기들이 함께 존재하므로 이들은 원시지구상에서 비숫한 메커니즘에 의해 함께 형성되었을 가능성이 있을것이다. 그러므로시안화수소와 비숫한 중간체로부터 시토신(C)과 우라실(U)의 합성을 찾아 보았다.시토신의 구조를 조사해 보니, 시안화수소와 밀접히 관련된 기체인 시아노아세틸렌(cyanoacetylene)으로부터 출발하여 합성할수 있을 것 같았다. 사실상 이러한 결과가 나타났다. 어쨌든 시안화수소를 내는 거의 모든 전생물적 반응들에서 시아노아세틸렌이 풍부한 생성물이라는사실을 발견한 것은 놀라운 일이다. 예컨대 메탄과 질소에 전기방전을 작용시키면 시안화수소가 질소를 함유한 주된 생성물이지만 시아노아세틸렌 역시 상당량 생산된다.
지금까지는 유전계의 두 매우 다른 성분의 당인, 디욱시리보스와 리보스의 합성에 관해서는 언급하지 않았다.사실상 리보스의 전생물적 합성은 19세기에 러시아의 과학자 부들레로프(Alexander Mikhailovich Butlerov, 1828-86)에 의해 이뤄졌다. 부뜰레로프 반응에서는 포름알데히드를 백묵이나 석회와 함께 흔든다. 이처럼 매우 간단한 방법이 리보스를 포함하여당들의 복잡한 흔합물을 내는 것이다. 디옥시리보스는 이 방법을 수정하여 얻을 수 있다.
우리는전생물적 화학의 이 국면을 다음과 같이 요약할 수 있다. 탄소, 수소, 질소 및 산소를 포함하는 환원성기체 혼합물을 충분히 격렬하게 처리하기만 하면 작고 반응성이 큰 분자들의 비슷한 집단이 헝성된다. 이 분자들 중에는 포름알데히드, 시안화수소 및 시아노아세틸렌과 같은 중간체들이 포함되어 있다. 물과 암모니아가 존재하면 이 반응성이 있는 중간체들은 결합하여 보다 복잡한 유기분자들을 형성한다. 생성물 중에는 현대 생화학에서 중요한 분자들이 우연에 돌릴 수 있는 것보다 훨씬 많이 들어,있다.이 사실을 설명하기 위해서는 첫생물들은 고에너지원이 환원성대기에 작용하여 형성된 유기 화합물들로 부터 생겨났으며. 현대 생물들은 화학적 조성에 큰 변화없이 원시생물들로부터 진화한 것으르 가정해야 한다.
제14장에서 이 결론들을 뒷받침하는 새로운 증거가 예상외의 곳에서 나왔음을 보게 될 것이다. 천문학자들은 다량의 유기물질을 항유한 별 사이의 먼지구름을 발견하였다.처음으로 검출된 유기화합물은 가장 잘 알려신 세가지 전생물적 중간체인 포름알데히드, 시안화수소 및 시아노아세틸렌이었다. 이것은 어느 정도까지는 우연한 일치이겠으나 아마도 전생물적 합성에 대한 우리의 생각이 대체로는 옳다는 것을 나타내는 것이다. 전생물적 조건 하에서 무기물질들로부터 출발하여 생성된 유기분자들의 매우 다른 집단둘이 그렇게 많이는 존재할 수 없다.
L.E.Orgel,『생명의 기원』(The Origins of Life),소현수 옮김,전파과학사,8장
1) 간단한 기체혼합물로부터 유기분자들이 생성되는데 관련된 화학은 여기서 다룰 수 없다.그 대신 한 예로서 한가지 반응,즉 질소와 메탄으로부터 시안화수소(HCN)가 생성되는 반응을 살펴보자.이것은 가장 중요한 전생물적 반응의 하나이다.
질소를 함유한 대기를 전기방전이 통과하면 분자들중의 많은 에너지를 흡수하여 한쌍의 원자들로 쪼개진다.
N2 → 2N
질소분자들은 반응성이 약하나 질소원자는 다른 분자들과 쉽게 결합한다.특히 질소원자는 메탄분자와 반응하여 시안화수소를 낸다.
N + CH4 → HCN + 3/2 H2
따라서 시안화수소는 원시대기중에서 번개,화산,혹은 자외선에 의해 메탄과 질소로부터 충분히 생겨날 수 있다.
시안화수소는 질소나 메탄과는 달리 물에 잘 녹는다.그러므로 원시대기중에 생긴 시안화수소는 모두 빗방울에 녹아 해양속으로 들어갔을 것이다.시안화수소는 반응성이 크므로 원시대기하에서 유기화합물의 형성에 중요한 역할을 한 것으로 생각되고 있다. (Orgel,『생명의 기원』,126-127)
