How lightning strikes could explain the origin of life—on Earth and elsewhere

번개 덕분에 생명이 탄생했다?

번개가 초기 지구를 생명이 살 수 있는 환경으로 만드는데 중요한 역할을 했다는 새로운 연구 결과가 나왔다.

다른 행성에서 생명체를 찾는 것은 요리와 비슷하다. 물, 따뜻한 기후, 두꺼운 대기층, 적절한 영양분, 유기물, 그리고 에너지원과 같은 모든 재료를 한곳에 둘 수 있다. 하지만 그러한 재료로 무언가 할 수 있는 어떤 과정이나 조건들이 없다면, 아무리 재료가 많더라도 어떤 것도 할 수 없을 것이다.

생명이 등장하려면 생명을 불어넣어 줄 어떤 계기가 필요하다. 셀 수 없이 많은 계기가 있어야 할 수도 있다. 최근 네이처커뮤니케이션(Nature Communications)에 게재된 새로운 연구에 따르면 번개는 약 35억 년 전 지구에 처음 생명체가 출현했을 때 이들이 인을 사용하도록 한 중요한 요인이었을 수 있다. 인은 DNA, RNA, ATP(모든 생명체의 에너지원)와 세포막 같은 생물체의 요소들을 만드는 데 필수 원소다.

예일대 연구원이자 이번 논문의 주 저자인 벤저민 헤스(Benjamin Hess)는 “이번 연구는 사실 운이 좋은 덕분에 가능했다. 지구와 비슷한 행성에서 생명체를 찾을 새로운 가능성을 열어준다”라고 말한다.

번개가 지구에 생명체의 존재를 가능케 한 중요한 요소라는 주장이 처음은 아니다. 번개로 인해 생성된 유기물 중 단백질을 구성하는 아미노산과 같은 전구 화합물이 포함될 수 있음을 보인 실험들이 있다.

이번 연구는 번개의 역할에 대해 다르게 접근한다. 과학자들은 항상 지구의 초기 생명체가 인에 접근한 방법에 대해 큰 의문을 가져왔다. 수십억 년 전에는 물과 이산화탄소는 풍부했지만, 인은 용해되지 않고 화학 반응을 일으키지 않는 암석에 있었다. 다시 말해서, 인은 기본적으로 영구히 격리된 상태였다.

어떻게 유기체들이 인에 접근할 수 있었을까? 일반적인 가설은 운석이 슈라이베르스석(schribersite)이라는 광물의 형태로 인을 지구에 가져왔고, 슈라이베르스석은 물에 용해되어 생명체가 쉽게 사용할 수 있었다는 것이다. 이 가설의 큰 허점은 생명체가 살아가려면 인을 많이 포함하고 있는 슈라이베르스석이 필요하지만, 35억에서 45억 년 전 생명체가 출현했을 때 운석 충돌은 기하급수적으로 감소했다는 점이다. 그리고 운석의 충돌은 공룡의 멸종처럼 초기 생명체를 죽이거나 지구로 날아온 슈라이베르스석 대부분을 증발시킬 정도로 파괴적이었을 것이다.

헤스와 그의 팀은 답을 찾았다고 생각한다. 슈라이베르스석은 번개가 발생할 때 생기는 유리질인 풀구라이트에서도 발견되는데, 풀구라이트는 생성 과정에서 지상에 있는 암석에서 인을 흡수한다. 풀구라이트는 물에 잘 녹는다.

이번 연구의 저자들은 2016년 일리노이에서 번개가 지면에 부딪혀서 생긴 풀구라이트를 수집했다. 처음에는 단순히 번개와 같은 극단적 열이 샘플에 미치는 영향을 알아보려 했다. 그러다 풀구라이트 샘플이 슈라이베르스석 0.4%를 함유했다는 것을 발견했다.

이제 지구에 최초의 생명체가 출현할 무렵인 수십억 년 전 번개로 슈라이베르스석이 얼마나 생성될 수 있었는지 계산하는 것이 관건이었다. 당시 대기 중에 번개의 요인이 되는 이산화탄소의 수치를 추정하는 많은 문헌이 있다. 이 자료들을 이용하여 연구팀은 이산화탄소 농도의 변화와 번개의 상관관계에 대한 이해를 바탕으로 당시 얼마나 많은 번개가 발생했을지 파악했다.

헤스와 그의 팀은 번개가 수조 번 치면 매년 슈라이베르스석이 110에서 1만 1,000kg 정도 생성될 수 있다고 판단했다. 번개로 생성된 인은 살아있는 유기체가 성장하고 번식하기에 충분한 양이었을 것이다. 운석 충돌로 생성된 것보다 양도 훨씬 많았을 것이다.

이번 연구는 지구의 역사를 이해하는 흥미로운 주제이며, 동시에 다른 행성의 생명체 존재 가능성에 대한 새로운 시각을 열어준다. 헤스는 “이 연구는 운석 충돌이 드문 행성에 적용할 수 있는 메커니즘”이라고 말한다. 번개로 인한 생명체 출현 모델은 얕은 물이 있는 환경에 국한된다. 얄은 물에서는 번개로 생성된 풀구라이트가 쉽게 녹아 인을 배출할 수 있다. 그렇지 않은 곳에서는 인이 방대한 물 가운데서 사라져 버린다. 하지만 이러한 제약이 나쁜 것만은 아니다. 현재 우주생물학이 해양세계 연구에 주로 초점을 두는 가운데, 이번 연구는 물에 뒤덮여있지 않은 화성 같은 행성에 다시 관심을 가질 필요가 있음을 보여준다.

이번 연구는 운석의 충돌이 생명체가 인에 접근할 수 있게 하는 데 아무 역할을 하지 않았다고 시사하는 것은 아니다. 헤스는 열수 분출구와 같은 다른 메커니즘은 운석이나 번개가 필요 없다는 사실을 강조한다.

35억 년 전만 해도 지구는 지금의 모습과는 달랐다. 인을 이용할 수 있을 만큼 충분히 많은 암석이 공기에 노출되어 있었고, 그 암석들이 번개를 맞아 슈라이베르스석의 생성으로 이어질 수 있는 환경이었는지 확신할 수 없다.

헤스는 다른 과학자들이 이러한 질문들을 해결하도록 할 것이다. 이 연구는 그의 주요 연구 주제와는 거리가 있기 때문이다. 헤스는 “이 연구로 사람들이 풀구라이트에 관심을 두고 이러한 메커니즘의 타당성을 더 시험하기를 바란다”라며 “현재 화성을 연구하듯이, 얕은 물이 있는 환경에서도 생명체를 찾는 연구를 해야 할지 고려할 때 우리의 연구가 도움이 되기를 바란다”라고 말한다.

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