지구에서 최초로 생명체가 발생한 것은 벼락이 떨어지면서 일어나는 스파크나 행성 간 먼지 또는 해저화산이 원인이었을 것이다.
하지만 그 다음에는 무슨 일이 일어났을까?
생명체는 산소가 없이는 존재할 수 없다. 하지만 충분한 질소가 없이는 바이러스나 박테리아 또는 다른 생명체에 핵심적인 유전자를 구성할 수 없으며 초기 지구에서 생명체는 희귀했을 것이다.
광범위한 생명체를 지지하기 위한 대기 중 질소의 사용능력은 약 20억년 전 경에 생성되었을 것이라고 생각하고 있다. 현재 미국 워싱턴 주립대학 (University of Washington)의 연구자들은 지구의 가장 오래된 암석들 중에서 32억년 전에 생명체는 공기 중에서 질소를 끌어 사용했으며 질소를 대규모 군집을 지지할 수 있는 형태로 전환시킬 수 있었다는 증거를 찾아냈다.
이번 연구의 공동저자인 워싱턴 대학의 지구우주과학교수인 로저 뷰익 (Roger Buick)은 “사람들은 항상 고대의 생명권은 이 생명이 살기 힘든 지구에서 희미하게 버텼다는 아이디어를 갖고 있다. 그리고 결국 질소고정이 발생하면서 갑작스럽게 생명권이 거대해지고 강력하고 다양성을 갖게 되었다. 우리의 연구는 초기 지구에서는 질소 위기가 존재하지 않았다는 점을 보여주고 있으며 결국 상당히 대규모의 다양한 생명권을 지지할 수 있었다”고 말했다. 이번 연구결과는 학술지 <네이처>지에 발표되었다.
이번 연구의 저자들은 27억 5000만 년에서 32억 년된 남아프리카와 북서부 호주에서 수집된 52개 암석샘플을 분석했다. 이들 샘플은 가장 오래되고 가장 잘 보존된 암석이다. 이 암석은 대륙의 외곽지역의 지층에서 형성되었으며 해저화산 근처에서 일어날 수 있는 화학적 비정규성이 없었다. 이들은 또한 대기에서 산소를 얻어서 약 23억 년에서 24억년 전에 형성되었으며 현대 암석에서 사라진 화학적인 실마리를 찾을 수 있다. 가장 오래된 암석샘플은 32억년 전에 형성되었으며 이것은 지구의 탄생 이후 지금까지 3/4정도의 시기에 형성되었으며 생명체가 공기 중에서 질소를 끌어 사용했다는 화학적 증거를 보여주고 있다. 무거운 질소원소와 가벼운 질소원소 사이의 비율은 질소고정 효소의 패턴에 적합하게 나타나고 이들 효소는 단세포 조직을 포함하고 있다. 그리고 생명체가 없는 상황에서 일어나는 다른 화학적 반응과는 일치하지 않는다.
워싱턴 대학의 박사과정 연구원이면서 이번 연구의 주저자인 에바 스튀켄(Eva Stueken)은 “이것이 매우 오래된 복잡한 과정이라는 생각과 이러한 현상이 약 32억 년 전에 이루어졌다는 것은 놀라운 일이다. 실제로 매우 복잡한 효소는 매우 이른 시기에 형성되었으며 이들 효소가 진화하는데 큰 어려움은 없었을 것”이라고 말했다. 질소고정 효소에 대한 유전자 분석은 그 기원을 약 15억년 전에서 22억 년 전 사이로 보고 있었다. 뷰익은 “이번 연구결과는 십억년 정도의 시간을 끌어올렸다”고 말했다. 질소를 고정한다는 것은 질소원소가 대기에서 쌍으로 결합되어 있었으며 단일 질소가 하나의 입자로 결합되어 생명체가 사용하기 쉬운 형태인 희박한 삼중결합이 해체되었다는 것을 의미한다. 암석의 화학적 특징은 질소를 현재 존재하고 있는 질소고정 효소의 세 가지 형태 중에서 가장 흔한 몰리브덴 (molybdenum)에 기반한 효소에 의해서 분해되었다고 연구자들은 주장했다. 몰리브덴은 현재 산소가 암석과 반응하여 해양에 들어갔기 때문에 풍부하지만 고대 지구에서는 암석을 풍화시킬 수 있는 산소가 대기에 존재하기 전이었기 때문에 미스터리한 측면이 존재한다.
저자들은 일부 초기 생명체가 단세포층으로 지상에 존재했을 것이며 적은 양의 산소를 배출하여 암석과 상호작용하여 몰리브덴을 물에 배출하게 되었다는 또 다른 증거라는 가설을 내놓았다. 뷰익은 “육지에 단세포층이 형성되어 있었을 것이라는 직접적인 증거는 발견할 수 없을 것이다. 하지만 이것은 육지가 서식지였다는 간접적 증거를 제공하는 것일 수 있다. 미생물은 해양에서 기어나올 수 있으며 육지의 암석에서 진흙층에서 약 32억년 전에 살았을 것”이라고 말했다. 앞으로 연구자들은 초기 지구에서 생명체의 성장을 제한했던 요소를 찾을 것이다.
출처: <ScienceDaily> 2015년 2월 15일
원문참조:
Eva E. Stueken, Roger Buick, Bradley M. Guy, Matthew C. Koehler. Isotopic evidence for biological nitrogen fixation by molybdenum-nitrogenase from 3.2 Gyr. Nature, 2015; DOI: 10.1038/nature14180
http://www.sciencedaily.com/releases/2015/02/150216131121.htm
