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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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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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.