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- 최초의 세포가 정확히 어디에서 발달했는지는 여전히 논란 중
- 구조적으로 활동적인 지역의 원시 해양에 뜨겁고 산소가 풍부한 오아시스였을 것
- 실리카와 뜨거운 물의 반응으로 대기 산소 없이 상당한 농도의 H2O2를 방출할 수 있음
- 오늘날에도 다양한 박테리아는 생명체가 끓는 물에서도 생존할 수 있다

원시 지구에는 이미 산소 오아시스가 있었을까?
분쇄된 규산염 암석과 뜨거운 물의 반응으로 산소 공급 장치 생성

진화의 역설:
원시 대기에는 산소가 없었음에도 불구하고 왜 최초의 육상 생명체는 이미 산소를 이용하는 유전자를 갖고 있었을까? 이제 지구화학이 이에 대한 답을 제공할 수 있다. 실험에 따르면 규산염 암석은 뜨거운 물로 분쇄될 때 과산화수소를 방출하고 반응하여 O2를 형성할 수 있기 때문이다. 첫 번째 세포는 구조 단층과 온천에서 대사할 수 있는 충분한 산소를 발견했을 수 있다고 연구원들이 보고했다. 

▲ 해저 환경에서 수소와 산화제 생산으로 이어지는 두 가지 무산소 기계화학 메커니즘. 첫 번째 메커니즘은 ≡Si-O-Si≡에서 Si· 및 SiO·를 형성하는 지진 파생 카타클라시스에 의해 발생한다. 수소는 Si·로부터 ≤80 °C에서 형성되고 H2O2는 104 °C에서 SiO·로부터 형성된다. 이 메커니즘은 H2O2를 생성하기 위해 변동하는 온도를 필요로 한다. 두 번째 메커니즘은 마그마 결정화로부터 SiOH가 형성되어 냉각될 때 H·(결합하여 H2를 형성함)를 방출하기 때문에 발생한다. 이후에 과산화 브릿지가 형성되어 기계적 응력 하에서 2개의 SiO·로 분할된다. 스트레스를 받으면 인접한 O2- 사이트의 전자가 전자가 부족한 SiO·로 이동될 수 있으며, 이는 광물22을 통한 연쇄 반응에서 반복될 수 있다. 이것은 결정과 인접한 결정 경계를 통한 O- 결함의 이동을 허용하여 표면 SiO·6,22를 형성하고, 이 표면은 물과 반응하여 104 °C에서 H2O2를 생성할 수 있다. (출처: 관련논문 Tectonically-driven oxidant production in the hot biosphere) Published: 08 August 2022

현재의 가정에 따르면, 지구상의 최초의 생명체는 혐기성이었다. 그들은 생존하고 에너지를 생성하기 위해 공기나 빛이 필요하지 않았지만 주로 수소, 암모니아 및 이산화탄소로 살았다. 이것은 모든 생명의 마지막 공통 조상(LUCA)의 유전적 재구성에 의해 제시됐다. 최초의 원시 박테리아도 아마 혐기성이었을 것이다. 이것은 또한 지구의 원시 대기에 산소가 거의 포함되어 있지 않았기 때문에 의미가 있었다. 첫 번째 조류가 진화한 후에야 더 많은 양으로 방출됐다.

원시 세포의 "산소 유전자"에 대한 퍼즐

유일하게 이상한 점은 유전적 재구성이 이러한 최초의 생명체가 이미 산소와 과산화수소(H2O2)를 처리하는 유전자를 가지고 있다는 것을 보여준다는 것이다. 이 두 가지 모두 원시 지구에서는 거의 발생하지 않았다. 뉴캐슬 대학의 조던 스톤(Jordan Stone)과 그의 동료들은 "이러한 산소를 이용하는 유전자의 존재는 대부분 오해의 소지가 있는 인공물로 간주됐다. 이는 광합성의 진화 후에만 일어난 유전자 전달의 유물이다"라고 설명했다.

그러나 또 다른 설명이 있다.
"한 가지 대안은 광합성이 도래하기 전에도 원시 지구에 산소와 과산화물의 또 다른 상당한 지질학적 공급원이 있었다는 것이다"라고 연구자들은 말했다. 지구화학적 반응은 과산화수소를 생성할 수 있으며, 이는 다시 분자 산소와 물로 분해된다. 사실, 이전 연구에서는 이미 규산염 암석이 혐기성 조건에서 분쇄될 때 물과 반응하여 과산화수소를 생성할 수 있음을 보여주었지만 극소량만 가능하다.

▲ 광합성을 통해서만 지구의 대기는 산소가 풍부해졌다. 그러나 아마도 그 이전에 지구화학적 산소 공급원이 존재했을까? © 뉴캐슬 대학교 Published: 08 August 2022

온도가 관건

하지만 Stone과 그의 팀이 현재 시연하고 있는 것처럼 한 가지 요소가 간과되었다. "온도는 이러한 반응에서 과산화수소의 수율을 최대화하는 데 중요하고 지금까지 간과된 요소다"라고 그들은 말했다. 연구를 위해 그들은 다른 온도에서 규산염-물 반응을 다시 조사했다. 이를 위해 그들은 원시 지구에서 흔히 볼 수 있는 화강암, 현무암 및 감람암의 세 가지 암석 샘플을 미세하게 갈아서 사용했다.

약 80도 이하에서 암석과 물의 반응은 이전 연구에서와 같이 거의 수소만을 생성하는 것으로 나타났다. 그러나 이것은 약 100도에서 바뀌었다. 100도에 이르면 수소 함량이 크게 떨어졌지만 테스트 용기에서 점점 더 많은 과산화수소가 생성되었다. 팀은 "104도에서 H2O2 생산이 증가하는 분명한 경향이 있었다"고 말했다.

104도에서 일주일 후, 화강암은 그램당 평균 0.7마이크로몰의 과산화물, 감람석 3.44 및 현무암은 그램당 1.13마이크로몰의 과산화물을 생성했다. 이는 이전 실험에서 결정된 것보다 훨씬 더 많은 양이었다.

지구화학적 "핫스팟"으로서의 지각 활동 영역

연구원들에 따르면, 이것은 원시 지구의 지구화학적 반응이 이전에 생각했던 것보다 더 많은 과산화수소와 산소를 방출했을 수 있음을 보여준다. "우리의 결과는 골절된 실리카와 뜨거운 물의 반응이 대기 산소 없이도 상당한 농도의 H2O2를 방출할 수 있음을 보여준다"라고 Stone과 그의 동료들은 말했다.

그들의 계산에 따르면, 이러한 과정은 원시 지구 전체에 걸쳐 제곱센티미터당 최대 6억 4천만 개의 H2O2 분자를 생성할 수 있었다. 이것은 판 경계, 활동 단층 또는 중앙 해령과 같은 구조적으로 활동적인 지역의 원시 해양에 뜨겁고 산소가 풍부한 오아시스를 형성하기에 충분했다. 운석 충돌로 인해 마그마가 상승하거나 분화구가 있는 화산 지역도 이러한 과정을 통해 과산화수소와 산소가 국부적으로 풍부해질 수 있다.

▲ H2O2와 H2는 물이 부서진 암석과 반응하여 생성된다. H2와 H2O2의 검출한계는 각각 0.2 nmol g-1과 9.2 nmol g-1이었다. 121 °C 실험은 1 h 후에만 측정되었으며 다른 온도는 1, 24 및 168 h의 세 가지 시점을 나타낸다. 오차 막대는 각 온도 및 시점에서 관련 블랭크의 표준 편차의 2배다. 노란색 기호는 60 °C, 주황색 기호는 80 °C, 빨간색 기호는 104 °C, 파란색 기호는 121 °C를 나타낸다. 정사각형은 1 h, 다이아몬드는 24 h, 삼각형은 168 h를 나타낸다. (출처: 관련논문 Tectonically-driven oxidant production in the hot biosphere / nature communications) Published: 08 August 2022

원시 바다의 산소 오아시스

사실, 과학자들은 일찍이 2018년에 원시 지구에서 초기 산소 오아시스의 증거를 발견했다. 남아프리카 공화국의 퐁골라 분지의 황산염 퇴적물은 산소가 있는 상태에서 형성되었을 것이다. Stone과 그의 팀은 그러한 산소 오아시스가 최초의 생명체에서 중요한 역할을 했다고 가정했다. "뜨거운 산소 오아시스는 생명체가 처음 발생했다고 생각되는 뜨겁고 지진 활동이 활발한 지역의 화학 및 미생물학에 영향을 미쳤다"라고 설명했다.

따라서 새로운 발견은 모든 생명체의 마지막 공통 조상의 유전적 구성에 대한 미스터리를 해결할 수도 있다. 그러한 산소 오아시스에서 진화했다면 산소 처리 유전자가 유용했을 것이기 때문이다. 최초의 세포가 정확히 어디에서 발달했는지는 여전히 논란의 여지가 있다. 그러나 생명의 요람일 가능성이 매우 높은 곳은 뜨거운 열수 분출구로 간주되며, 따라서 구조적으로 활동적이고 뜨거운 물이 풍부한 환경이다.
오늘날에도 온천에 살고 있는 다양한 박테리아는 생명체가 끓는 물에서도 생존할 수 있음을 보여준다.
(nature communications, 2022, doi: 10.1038/s41467-022-32129-y)
출처: Newcastle University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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