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40억년 전 고대 지구의 생화학 반응



(Scientists constructed this metabolism-like chemical network from non-enzymatic reactions that could have occurred in Earth's 4-billion-year-old oceans. The network shows that the reaction types depend on pH and the reaction rates depend on iron concentration (arrow thickness and red color intensity indicate the relative acceleration). Credit: Keller, et al. Science Advances)​


 오랜 세월 과학자들을 괴롭힌 문제 하나가 있습니다. 그것은 최초의 생명체가 어떻게 탄생했느냐는 질문이죠. 최초의 단세포 생명체에서 인류에 이르는 진화과정은 많은 부분이 밝혀져 있지만, 무생물에서 생물에 탄생하는 경이로운 과정에 대해서는 아직 수많은 가설들이 존재할 뿐입니다. 이 과정은 화석으로 남을 수도 없고 고대 지구의 환경을 현대에 똑같이 복원할수도 없기 때문입니다. 다만 여러 연구를 통해서 과학자들은 몇 가지 중요한 가설을 가지고 있습니다.


 이중에서 고대 지구의 바다 밑 진흙에서 중요한 생화학 반응이 일어났다는 가설이 있습니다. 물을 비롯한 여러 물질들이 높은 농도로 존재하기 때문에 각종 화학 반응이 일어나기 안성맞춤이기 때문입니다. 실제로 지금도 실험실에서 각종 유기물이 화학 반응을 일으키는 과정이 재현되고 있습니다.


 캠브리지 대학의 마커스 켈러와 마커스 랄서(Markus A. Keller and Markus Ralser from the University of Cambridge )는 이전에 발표한 논문에서 이런 진흙 환경에서 유기물 화학 반응이 효소 없이도 일어날 수 있음을 증명했습니다.


 글루코오스를 산소 없이 혐기적으로 분해하는 해당과정(Glycolysis)는 오늘날 대부분의 생명체에서 볼 수 있는 매우 기본적인 대사 과정으로 수많은 효소들이 관여하는 복잡한 과정이기도 합니다. 이 과정을 통해서 1개의 글루코오스 분자가 2개의 젓산 분자가 되면서 2개 ATP 및 부산물들을 내놓게 됩니다. 생화학을 배우면 빠지지 않는 매우 중요한 반응이죠.


 그런데 해당과정 전체가 효소없이 완벽하게 일어나기를 기대하기는 어렵습니다. 이런 복잡한 과정에 필요한 모든 효소가 저절로 생성된다는 것 역시 매우 기대하기 어려운 일입니다. 따라서 가장 논리적인 해결책은 과거 초기 생명체는 복잡한 효소가 없는 보다 단순한 과정을 가지고 있었다는 것입니다.
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 연구팀은 이전 연구에서 초기 지구에 풍부했던 (당시에는 산소가 적어서 철 이온이 산화철이 되지 않고 풍부하게 존재할 수 있었음) 철 성분이 촉매의 역할을 해서 글루코오스를 피루빈산(Pyruvate)로 만들 수 있다는 사실을 알아냈습니다. 피루빈산은 해당과정의 중간 산물로 여러 대사 과정에 사용되는 중요한 물질입니다.
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 이런 과정이 복잡한 효소없이도 발생할 수 있다는 것은 초기 생물체의 탄생에 중요한 과정이 처음에는 효소없이 발생할 수 있다는 것을 시사합니다.
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 연구팀은 여기서 더 나아가서 피루빈산 생성과정과 해당과정의 다른 경로인 오탄당인산경로(pentose phosphate pathway)가 철과 유기물이 풍부한 진흙 환경에서 효소의 도움 없이 철을 촉매로 하여 발생할 뿐 아니라 pH에 따라 반응의 종류가 바뀔수 있음을 입증했습니다. (위의 개념도)
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 연구팀에 따르면 철의 농도는 반응 속도에 영향을 주고 pH는 (즉 산과 염기, 중성) 반응의 종류와 반응 중단에 영향을 준다고 합니다. 이와 같은 반응 조절은 현대의 세포 내에서는 흔히 볼 수 있는 것이지만 무생물 환경에서는 보기 어려운 현상입니다. 
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 아마도 초기 생물체는 이렇게 복잡한 효소 없이 여러 가지 생화학 반응이 일어날 수 있는 환경에서 탄생했을 것입니다. 그리고 더 정밀하고 효율적인 화학 반응을 위해서 효소를 하나씩 도입해서 현재에 이르렀을 것입니다. 처음부터 복잡한 효소의 존재가 필요하다면 생명체는 사실 탄생할수가 없는 것이죠.
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 다만 그 과정이 어떻게 진행되었는지는 아직도 논란이 많은 분야 가운데 하나입니다. 어쩌면 이 문제의 답은 지구에서 찾을 수 없을지도 모릅니다. 일부 과학자들은 이 과정이 유기물이 풍부한 운석이나 혜성 같은 우주공간에서 진행되었다고 주장하기도 하니까요.
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 진실이 어떤 것인지를 알기는 쉽지 않지만, 언제나 그러했듯이 인류가 언젠가는 이 문제에 대한 답을 얻을 수 있을 것으로 생각합니다.
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 참고 ​ 
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