(3분 30초 읽기)
- 낙뢰는 암석에 있는 인을 생명체 이용가능한 인화합물로 전환시켜
- 초기 지구에서 매년 1만kg 인 생성 했을 것

원시 수프 : 인을 가져오는 번개?
낙뢰에 의해 생성된 암석 유리는 첫 생명체에 인을 제공할 수 있었다.

생명의 불꽃 :
번개는 최초의 지구 생명체에 중요한 성분인 인(Phosphor)을 제공했을 수 있다.
연구에 따르면 낙뢰는 암석에 결합된 인을 용해성 및 생명체가 이용 가능한 인화합물로 전환 할 수 있기 때문이다. 초기 지구에서는 이러한 화합물이 매년 번개에 의해 최대 1만kg까지 생성 될 수 있었다. 연구자들이 "Nature Communications"저널에 보고한 것처럼 최초의 생명 과정을 움직이기에 충분하다. 

▲ 번개가 쳐서 원시 지구의 첫 번째 생명체에 인을 공급했을 수 있다

최초의 생명체가 어떻게 형성되었는지는 아직 명확하지 않다.
생명체의 기본 구성 요소를 어디서 얻었을까?

무엇이 화학 반응에 에너지를 제공했을까?
1950년대 초 미국의 화학자 스탠리 밀러(Stanley Miller)는 번개가 아미노산의 형성을 촉진 할 수 있다 것을 그의 유명한 실험에서 입증했다. 그 이후 추가 연구에 따르면 번개는 유전 분자 RNA의 합성을 촉매할 수도 있다.

인은 어디에서 왔을까?

DNA, RNA 또는 에너지 공급 업체 ATP와 같은 중요한 생체 분자의 합성은 충분한 원료 인이 있을 때만 가능하다. 이 모든 것들은 원시 지구에서 드물었을 수 있다.
지각에서 원소는 인회석과 같은 광물에서 불용성 인산염으로 대부분 결합돼 있다.
이 인은 세포와 생물들이 직접 이용할 수 없다.
 
첫 번째 생명은 어디에서 인을 얻었을까? 한 가지 가능성은 운석이 될 것이다.
물과 생명체의 구성 요소 외에도 용해성이 감소된 인화합물을 초기 지구에 가져올 수 있다.
이는 철-니켈 인화물인 광물 슈라이베르사이트(Schreibersite(Fe, Ni) 3P)를 함유하고 있기 때문이다.
"Schreibersite는 필수 유기 인산염 분자의 지상 생합성을 위해 일반적으로 허용되는 인 공급원이다." Yale University의 벤자민 헤스(Benjamin Hess)와 그의 동료의 설명이다.

▲ 번개에 의해 생성되는 암석 유리(풀구라이트). © Stephen Moshier / Wheaton College

인의 공급원으로 번개에 의해 생성된 암석 유리

그러나 운석 대신 연구팀은 원시 지구에 대한 또 다른 슈라이베르사이트(Schreibersite, 운철, 운석 특유의 광물) 원천, 번개가 칠 때 형성되는 암석 유리 풀구라이트* 가정한다.

* 풀구라이트(Fulgurite) :뇌전(雷電)의 작용으로 모래 또는 암석 속에 형성되는 유리질의 통(筒)을 말하며 섬전암(閃電岩)이라고도 함 

이러한 종종 갈라지고 갈색에서 검은색 구조는 번개가 땅에 부딪히고 번개 채널을 따라 있는 암석이 녹아 다시 굳어질 때 발생한다.
그러한 풀구라이트의 화학적 분석을 바탕으로 Hess와 그의 팀은 이제 미네랄 슈라이베르석(石, Schreibersite)도 포함할 수 있음을 입증했다.

특히, 과학자들은 탄소가 풍부한 토양이 있는 곳에서 번개가 치면 용해성인 화합물이 생성된다는 사실을 발견했다. 특히 풀구라이트의 더 다공성인 외층에서 이러한 반응은 인의 최대 55%를 인화물로 줄일 수 있다. Hess와 그의 팀은 “그 결과 우리가 수집한 25kg의 풀구라이트에서 60~172g의 Schreibersite가 형성됐다”고 추정했다. 

▲ a.무산소와 H2O 및 CO2가 풍부한 대기는 풍부한 지각질 고형암과 반응해 고형암에 탄산염 풍화 껍질을 형성한다. b. 초기 지구는 pCO233,44가 높기 때문에 번개율이 더 높았다. 번개가 바위를 치면 녹아 풀구라이트(진한 빨간색으로 표시)가 생성된다. c. fulgurite, 철, 인 및 mafic 광물에서 공급되는 탄소, 인회석과 같은 인산염 및 탄산염은 각각 Fe3P와 같은 환원 인산염 및 CaHPO3와 같은 중간 인산염의 형성을 허용한다. d. 지표수는 phosphate(포스파이트)와 포스 파이트를 용해시켜 육상 환경에서 수화아인산염, 차아인산염 및 인산염 종으로 축적된다. 중간 인 종은 UV 광선 및 화산에서 공급되는 HS-와 반응하여 프리 바이오틱 화학에 사용할 수있는 추가 인산염을 형성한다. (출처: 관련논문 Lightning strikes as a major facilitator of prebiotic phosphorus reduction on early Earth)

연간 최대 1만kg, 생명체가 이용 가능한 인

이것이 “원시 수프”에 대해 무엇을 의미할까?
연구진은 모델을 사용해 당시 번개에 의해 얼마나 많은 슈라이베르사이트 형태의 용해성 인을 생성 할 수 있었는지 결정했다. 젊은 지구에서는 대기의 구성이 다르기 때문에 오늘날보다 훨씬 더 자주 번쩍였다. 이 번개 중에서 매년 1억-10억회 사이의 번개가 땅에 떨어질 수 있다.

“우리는 최근 풀구라이트를 형성하는 낙뢰의 5~10% 사이에 강력한 감소 효과가 있고 암석에있는 인의 10~20%가 인화물로 환원되었다고 추정한다”고 연구원들은 설명했다.
그렇다면 번개는 10에서 1만 킬로그램의 용해성 인화합물을 생산했을 것이다.
우리 행성의 첫 번째 땅덩어리가 나타난 이후 매년. 이것은 Hess와 그의 팀이 강조하는 것처럼 보수적 인 추정치다.

▲ 헤스(Hess)와 그의 팀이 조사한 풀구라이트 샘플. © Benjamin Hess

"세상 생명의 출현에 결정적인 요소“

약 35억 년 전에 최초의 생명체가 출현했을 때, 번개는 생물학적으로 이용 가능한 인을 대량으로 생산했을 것이다. 이 시기에 운석 충돌 속도가 너무 낮아져 풀구라이트가 충격보다 더 많은 용해성 인을 제공했다고 연구원들이 설명했다.
Hess와 그의 동료들은 "이는 번개에 의해 감소 ​된 인을 지상 생명의 발전에 결정적으로 만들었다"고 말했다.
(Nature Communications, 2021; doi : 10.1038 / s41467-021-21849-2)
출처 : Nature, Yale University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]