생명 기원의 새 학설 - 마이크로 번개(microlightning) 이론

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태초의 지구는 물 분자 하나 없는 고독한 불덩어리 천체였다. 수억 년이 지나 지구가 냉각되면서 바다가 생겨나고 드디어 생명체가 나타났다. 최초의 생명체는 어떻게 생겨났을까? 생명의 기원(abiogenesis)에 대한 엄청난 의문에 대해 정확히 설명하는 과학자는 아직 아무도 없다. 그동안 제기된 생명의 기원에 대한 몇 가지 이론에 추가하여, 지난 2025년 5월 14일에 발행된 힉술지 <Science Advance>에는 ‘마이크로 번개’가 최초의 생명체를 탄생시켰을 것이라는 새로운 이론과 그를 입증하는 실험결과가 발표되었다.

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생명의 기원에 대한 최초의 이론은 1924년에 러시아의 오파린(Aleksandr Oparin)과 1929년에 영국의 할데인(J. B. S. Haldane) 두 과학자가 각각 독립적으로 발표했다. 그들은 대기 중에 있는 탄소, 수소, 수증기, 암모니아가 자외선의 작용으로 서로 결합함에 따라 NH3, CH4와 같은 최초의 유기물이 형성되고, 이들로부터 단백질이 만들어지면서 생명체가 탄생하게 되었을 것이라고 했다. 이런 이론을 전개한 두 과학자는 그들의 주장을 증거할 마땅한 실험이 없었다. 그들이 말한 최초의 생명 기원론은 ‘오파린-할데인의 생명 기원설’로 오늘날 알려져 있다.

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1953년, 캘리포니아대학의 물리화학자 우레이(Harold Urey 1893-1981)와 그의 제자 밀러(Stanly Miller 1930-2007)는 메탄, 암모니아, 수소, 수증기가 혼합된 시험관 속에서 전기 방전을 시켜 유기물이 가득 생겨난 죽(soup)을 생성하는 실험에 성공했다. 아래 그림은 ‘밀러-우레이의 실험’으로 알려진 그들의 실험장치 구조이다.

 

 

 

밀러와 우레이 두 과학자는 H2O, CH4, NH3, H2가 혼합된 공간에서 전기방전(lightening)을 시켜 ‘생명체 기원 물질’(prebiotic)을 합성하는 데 성공했다. 이 발표 이후 과학자들은 실험을 더 발전시켜 시안화수소, 포름알데하이드 및 몇 가지 아미노산까지 합성할 수 있었다. 그러나 원시 생명체는 생겨나지 않았다.

 

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마이크로 번개란?

번개는 수십만 볼트의 전압을 가진 전기의 방전 현상이다. 1950년대에는 이러한 번개의 방전이 질소와 탄소를 결합시켜 생명체를 탄생시킨 유기물 분자를 합성했을 것이라고 생각했다.

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번개라고 하면 구름과 지면 사이의 초고압 방전(flash) 현상을 생각한다. 겨울에 합성섬유 옷에서 발생하는 정전기의 방전 역시 규모가 작은 번개 현상이다. 미국 스탠퍼드대학의 화학자 자레(Richard Zare) 교수가 이끄는 연구팀은 밀러-우레이의 ‘번개에 의한 유기물 합성설’에 대해 의문을 가져왔다.

 

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물을 분무기로 살포하면 작은 물방울들이 낙하하면서 서로 충돌한다. 자레 교수팀은 이러한 작은 물방울들이 서로 충돌할 때, 맨눈에 보이지 않는 지극히 작은 마이크로 번개(방전)가 발생한다는 사실을 확인하고, 이러한 물방울의 미세한 방전(번개)이 몇 가지 유기물과 단백질, DNA 및 엽록소의 성분 일부까지 합성한다는 사실을 실험으로 확인했다.

 

 

물방울은 원래 전하를 갖지 않는다. 그러나 자레 교수는 물방울이 폭포에서 떨어지거나, 거센 파도가 바위와 부디칠 때 생겨나는 물방울은 전하를 갖는다는 사실을 주목했다. 이런 충돌 때, 작은 물방울은 음전하를 갖고 큰 물방울은 양전하를 가지며, 이들이 서로 만나면 마이크로 번개가 발생하는 것이다.

 

 

자레 교수는 이 마이크로 번개가 유기물 분자를 합성할 수 있지 않을까 하는 의문을 가지고 밀러-우레이와 비슷한 실험을 했다. 그들은 계획대로 실험에 성공했다. 실험 장치 속에서 일어나는 마이크로 번개는 맨눈에는 보이지 않았지만 특수 촬영한 영상 속에서 미세한 방전(spark)을 확실히 볼 수 있었다.

 

 

자레 교수팀은 원시 지구의 대기 성분인 질소, 메탄, 이산화탄소 및 암모니아를 채운 공간에 물을 스프레이 하여 실험한 결과, 마이크로-번개에 의해 몇 가지 화합물이 생겨나는 것을 확인했다. 물방울 번개의 에너지는 미약하지만 질소 분자(N2)를 원자 상태(N)로 분리하고, 다른 분자들도 이온화시킬 수 있었던 것이다.

 

 

 

물을 분무하면 크기가 다양한 미세 물방울(microdroplets)이 형성된다. 큰 물방울은 양전하를, 작은 물방울은 음전하를 가져 서로 마이크로 방전(microdischarge)을 하게 된다. E는 에너지, d는 거리를 나타낸다. 밑에 나타낸 분자들의 그림은 마이크로 번개에 의해 일어난 변화를 나타낸다. 생성된 화합물들은 모두 생명체 탄생 이전의 물질(prebiotic)이다.

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자레 교수팀은 이 새로운 생명 기원론을 발표하면서, 미세한 번개의 에너지가 질소만 아니라 산소, 이산화탄소, 메탄, 암모니아의 분자를 이온화시켜 쪼개고 결합하여, 밀러-우레이의 실험과 같이 유기물과 생명체의 기원 물질을 합성하는 결과를 얻은 것이다.

 

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태초의 지구에는 유기물이 없었다. 생명체가 나타나려면 유기물부터 생겨나야 한다. 지구상에 처음 존재하게 된 유기물은 운석에 실려 왔을 수도 있고, 화산 폭발 때 생겨났을 수도 있다. 이번에 자레 교수팀에 의해 추가된 새로운 ‘마이크로 번개에 의한 생명 기원 이론’은 앞으로 더욱 연구가 진행될 것이다.

 

 

참고문헌

Journal: Y. Meng et. al. Spraying of water microdroplets forms luminescence and causes chemical reactions in surrounding gas. Science Advances. Vol. 11, March 14, 2025.

 

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