생명 탄생의 기원을 밝히려 한 밀러-우레이의 실험

진화의 정점에 있는 인간이 인공지능과 로봇을 개발하는 오늘이지만, 과학자들은 최초의 생명체가 언제 어떻게 생겨나게 되었는지 아직도 모른다. 생명 탄생의 의문을 풀어보려는 첫 실험이 화학자 밀러(Stanley Miller 1930-2007)와 물리화학자 우레이(Harold Urey 1893-1981) 두 시카고대학 과학자에 의해 1952년에 이루어졌다.

​지구에 나타난 최초의 생명체는 지구에서 탄생했을까? 아니면 우주 어딘가에서 왔을까? 지금도 답을 모르는 논쟁이다. 지상에 떨어진 운석이나 소행성 등에서 유기물이 발견되면 그때마다 ‘우주 외래설’이 힘을 얻기도 한다.

1969년 9월 28일 오스트레일리아 머치슨에 무게가 약 100kg인 운석이 떨어졌다. 이 운석을 정밀 분석한 우주화학자들은 지구 나이보다 25억 년 앞선 70억 년 전의 물질(silicone carbide)과 알파 아미노산이 발견되었다고 2020년에 발표했다.

​지구의 역사는 생명체 탄생 이전과 이후로 나눌 수 있다. ‘생명 탄생 이전’의 지구를 prebiotic earth라 한다. 생명 탄생 이전의 지구에는 무기물만 있고 유기물은 전혀 없었다. 화산에서 뿜어져 나오는 가스 등을 분석한 과학자들은 생명 탄생 이전의 지구 대기에는 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 수소(H), 물(H2O)이 있었다고 믿는다. 그러므로 생명체의 몸을 구성하는 유기물(C.H.O.N)은 이들로부터 자연적으로 합성되어야 할 것이다.

​과학자들은 생명체가 탄생하게 된 확실한 과정과 증거를 알기 원한다. 구소련의 생화학자 오파린(Alexander Oparine 1894-1980)은 1924년에 <생명의 기원>(Origin of Life)이라는 유명한 저서를 발표했다. 그는 이 책에서 최초의 생명체는 탄소화합물의 분자들이 화학적 진화를 하여 형성된 ‘유기물의 원시적 죽(Primodial soup)’에서 탄생하게 되었다고 주장했으며, 그의 이론은 과학자들의 호응을 얻었다.

20세기 초까지만 해도 다수의 과학자들은 다른 천체로부터 날아온 암석 속에 포함된 어떤 단세포 생물이 지구에 떨어져 최초의 생명체가 되었을 것이라는 생각을 하고 있었다. 이럴 때 구소련의 오파린은 자연적으로 합성된 원시적인 유기물의 죽이 모인 곳에서 첫 생명체가 탄생하게 되었을 것이라는 이론을 발표했다.

​밀러-우레이의 실험

시카고대학의 생화학자 밀러와 우레이 두 교수는 1952년에 아래 그림과 같은 장치를 만들어 메탄, 암모니아, 수소, 물을 일정 비율로 혼합한 용기 속에서 전기방전을 일으키는(자연의 번개를 대신하여) 실험을 한 결과, 자연적으로 아미노산(C,H,O,N으로 구성)이 합성되도록 하는 데 성공했다.

밀러와 우레이 두 교수가 고안한 아미노산 자연생성 실험장치의 구조이다. 이 아마노산 발생 실험기에서는 글라이신을 포함한 5가지 아미노산 종류가 합성된 것이 확인되었다.

spark: 방전, electrodes: 전극, cooling: 냉각, direction of circulation: 순환 방향, gas inlet: 가스 출입, heat source: 열 공급

​밀러-우레이의 실험에 의해 ‘생명 탄생 이전’의 지구 환경 속에서 아미노산이 자연적으로 합성되는 증거가 확인된 것이다. 그들의 논문은 1953년 5월호 <Science>에 실렸다. 당시 논문 투고와 관련된 한 에피소드가 알려져 있다. 두 과학자가 논문을 <Science>에 제출했을 때, 편집진에서는 내용의 진실 여부를 두고 발행을 미루고 있었다. 이를 알게 된 밀러와 우레이는 즉시 발간하지 못하겠으면 그들의 논문을 <Journal of the American Chemical Society>에 보내겠다고 하자, 바로 출판했다고 한다.

1999년에 촬영된 밀러 교수와 아미노산 발생 실험장치. 이 유명한 실험장치는 현재 덴버 자연사박물관에 전시되어 있다.

​밀러-우레이의 실험이 알려지자, 세계 곳곳에서 같은 방법으로 또는 더 세련된 방법으로 생명 탄생의 신비를 풀어보려는 실험이 이루어졌다. 그중에는 SO2, H2S와 같은 물질을 추가한 실험도 있다.

​지구의 생명은 어디에서 왔는가? 어떤 과정을 거쳐 탄생하게 되었는가? 지구는 45억 년 전에 탄생했고, 가장 오래된 화석은 37억년 전의 것이다. 생명 탄생의 과학(abiogenesis)은 가장 큰 신비를 연구하는 분야의 하나이다. – YS