밀러 실험

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실험 도해

밀러 실험 혹은 밀러-유리 실험(Miller-Urey experiment)은 초기 지구의 가상적인 환경을 실험실에서 만들어, 그 조건에서 화학적 진화(chemical evolution)가 일어나는지 여부를 알아보는 실험이다. (오파린홀데인의 가설에 따르면, 원시 지구는 무기 화합물이 유기화합물로 합성되기 좋은 조건이었다고 한다.; 유리-밀러 실험은 이 가설을 검증하려 했다.) 이 실험은 생명의 근원에 관한 고전적인 실험으로 여겨지며, 1953년 시카고 대학스탠리 밀러해럴드 클레이턴 유리가 처음 실행했다.

실험 과정[편집]

실험에는 (H2O), 메테인 (CH4), 암모니아 (NH3), 수소 (H2)가 사용된다. 화학물질들은 살균된 유리관과 플라스크로 이루어진 루프형의 실험기구 안에 밀봉된다. 실험기구 중에 플라스크 하나에는 물이 반쯤 채워져 있고, 다른 하나에는 한 쌍의 전극이 들어있다. 물은 가열하여 기화시키고, 수증기가 포함된 내부 공기중에 불꽃을 튀겨, 자연의 번개를 흉내낸다. 그리고, 다시 공기는 식혀져서 수증기는 물이 되고 처음 플라스크로 돌아가는 이 과정을 계속 반복한다.

일주일 동안 계속 실험을 행한 결과, 유리와 밀러는 10 ~ 15%의 탄소가 유기물질로 합성되어 있는 것을 관찰하였다. 더욱이, 2%의 탄소는 살아있는 세포의 단백질을 구성하는 아미노산 중에 몇 종류의 형태라는 결과도 얻었다. 결론 적으로 밀러는 원시대기의 조성을 기초하여 원시지구의 모형을 만들고 결과 반응을 조사하는 것이 연구의 테마였다.

해석[편집]

생성된 분자들은 완전한 살아있는 생화학적 시스템을 이루기에는 상대적으로 모자란 단순한 유기물질이었다. 그러나, 실험은 이미 있는 생명체를 가정하지 않고, 자연적인 과정만으로 생명체를 이루는 기본 요소들이 생성될 수 있다는 사실을 확립시켰다.

반론[편집]

밀러의 실험에는 결정적인 오류들이 몇 가지 있다고 지적한 사례가 여럿 있다.

원시 대기[편집]

1. 원시 대기 환경이 수소, 메테인, 암모니아 등 환원성 기체로 이루어졌다는 주장은 전혀 과학적 근거가 없는 추론이라고 주장하는 과학자들이 있다. 반론을 제기한 과학자들은 원시 대기에는 메테인과 암모니아가 아닌 질소 (N2)와 이산화탄소 (CO2)가 포함된다고 지적했다.[1] 원시 지구암석을 분석한 결과 초기 대기환경의 산소의 농도는 기존의 측정된 산소의 농도보다 훨씬 높다는 결과가 있었고 이에 페리스(J. Ferris) 박사[2]와 첸(C. Chen)박사[3]는 원시 대기 환경의 조건으로 질소와 이산화탄소 등을 사용하여 밀러의 실험을 진행한 결과, 아미노산을 전혀 생성할 수 없었다고 한다.[4]

2. 원시 지구암석에서 발견된 산소 또한 원시 대기에 포함이 된다면 밀러의 실험대로 아미노산이 생성되어도 금방 파괴되어 버릴 것이다. 원시대기에는 풍부한 산소가 있었을 것이다[5]

3. 원시대기에는 오존층이 없었기 때문에, 대기중에서 합성된 유기물에 자외선이 쪼여지면, 복잡한 분자들이 파괴된다. [6]

아미노산 생성[편집]

1. 밀러의 실험에선 L-형 아미노산과 D-형 아미노산 두 가지가 생성되었는데 생명체에는 L-형 아미노산밖에 존재하지 않는다. D-형 아미노산은 죽은 생명체에서 L-형 아미노산이 변화하여 서로 분자의 수가 같아지는데 밀러의 실험에서도 L-형과 D-형의 아미노산이 발견되므로 생물로서의 역할을 할 수가 없다.[7]

2. 밀러-유우레이 실험을, 이산화탄소, 질소, 수증기로만 이루어진 조건에서 실험하면 어떠한 아미노산도 만들어지지 않는다.[8]

3.스탠리 밀러의 오리지날 화학진화 실험은 20개의 아미노산에서 오직 4개만이 생성되었으마, 후에 그럴 듯한 조건에서 실험을 다시하여도 아미노산 20가지를 모두 생성하지는 못했다.[9]

4.밀러 유우레이 실험은 시아나이드나 포름알데하이드와 같은 독성 물질을 생성하지, 아미노산을 생성하지 못한다.[10]

인위적인 실험[편집]

밀러는 원시 대기환경을 실험관에 그대로 옮긴 후 번개와 같은 방전을 재현하려 했으나 밀러의 시험 장치와 실제 번개에는 큰 차이가 존재한다.

  • 밀러의 실험 장치: 6만 볼트/200℃의 열/자외선/연속적으로 모든 공간에 작용
  • 번개: 15만 볼트/30, 000℃의 열/X선, 감마선/순간적으로 제한적 일부 공간에 작용

반론에 대한 반박[편집]

원시 대기/반박[편집]

1-1. 원시 대기 환경이 수소, 메테인, 암모니아 등 환원성 기체로 이루어졌다는 주장이 허구라는 이야기는 우선 근거가 없다. 오히려 최근 증거들은 초기 지구가 약하게 환원적인 대기 상태였다는 것을 알려준다.[11]

1-2. 설사 지구의 전체적인 대기가, 산화도 환원도 아닌 조건이라고 해도, 활발히 활동하는 화산 근처와 같이 부분적으로 환원조건이 될 수 있는 많은 지역이 있었을 것이다[12][13]

2-1. 초기 지구의 대기에 충분한 산소가 없었음을 나타내는 다양한 증거들이 있다.[14]

  1. 띠모양의 철 지층이 형성된 것은 해양의 25억년에서 18억년전 사이에서 적철광(Fe2O3) 층이나 기타 다른 철산화물이 퇴적된 것이다. 일반적인 해석은 광합성이 진화된 25억년전부터 상당한 양의 산소가 대기로 유출되었다는 것이다. 이렇게 됨으로, 해양에 녹아있던 자유상태의 철과 결합하고 침전이 형성되었다. 그러므로 철이 띠 모양으로 형성된 것은 산소가 적고 철분이 많이 녹아있는 초기 지구와 산소가 많고 철분이 적게 녹은 현재의 상태와의 변환기이다.
  2. 띠 모양의 철 지층이 보다 오래된 암석에는 uranite 와 pyrite 가 강물이나 해변가에 운반되어온 detrital grains 혹은 sedimentary grain의 형태로 존재한다. 이러한 금속은 산소 농도가 높은 상태에서는 장기간 안정하게 있을 수 없다.
  3. 철 산화물이 많은 육지의 퇴적물은 형성되기 위해서는 산소가 필요하다. 이것은 23억년 전에서는 발견되지 않으며 그 이후로는 계속 증가한다.

2-2 자유 산소는 주로 광합성에 의해서 생성되는 것이다. 광합성을 하는 식물이나 박테리아가 나타나기 전에는 산소를 발생시킬 원천이 없으므로 산소가 매우 적었을 것으로 예상할 수 있다. 가장 오래된 화석(대기중에 산소가 형성되기 10억년전)은 박테리아이며, 가장 오래된 퇴적층에서 물고기, 조개, 혹은 기타 산소가 필요한 유기체는 발견할 수 없다.[15]

3-1. 단순한 유기물이 예를 들어 먼지나 얼음 알갱이 등과 같이 꽤 높은 농도로 있을 수 있는 지역에 존재한다면, 자외선은 실제로는 복잡한 분자를 만드는 것을 촉진한다. 이것은 일부 결합을 끊고 새로운 결합을 하도록 만들기 때문이다.[16][17] DNA와 RNA는 상대적으로 자외선에 강한데, 그것은 이 분자들의 일부분이 다른 분자들의 피해를 막아주기 때문이며, 염기에 손상이 오면 다른 물질로 하여금 backbone을 수리하게 만든다. 자외선은 핵산이 선택적으로 분해가 되지 않도록 하기 때문에, 화학진화에 있어서 필수적인 구성요소라고 할 수 있을 것이다.[18][19]

3-2. 이러한 분자들은 자외선을 오래 노출되는 것은 아니다. 일부는 바다나 호수에 녹게 된다. 제안된 시나리오 중 한가지는 복잡한 유기물이, 자외선이 없는 깊은 해양의 뜨거운 지열이 방출되는 주변에서 합성된다고 한다.

아미노산 생성/반박[편집]

1. 위 주장의 출처는 없으며, 3번을 참고.

2. 위의 주장은 사실이 아니다. 위와 같은 대기 조건에서도 아미노산이 형성된다.[20]

3-1. 밀러의 실험은 생명체에서 사용되는 20개 아미노산중에서 13개를 생성하였다.[21] 다른 아미노산은 다른 기작으로 형성될 수도 있을 것이다. 예를들어, 우주 공간에서 형성되어 운석과 함께, 지구에 운반되었을 수도 있다.[22]

3-2. 어떠한 아미노산이 가장 원시적인 생명체에 꼭 필요한지는 모른다. 쉽게 생성되는 아미노산이면 충분하며, 생명체가 나중에 다른 것을 생성하고 사용하도록 진화되었을 수도 있다.

4-1.시아나이드와 포름알데하이드는 아미노산을 포함한 중요한 생화학 물질에 필요한 구성 물질이다.[23] 이러한 관점으로 보면 이것은 독성물질이 아니다.

4-2. 밀러-유리 실험은 다른 화학물질은 물론 아미노산을 생성하였다[Kawamoto and Akaboshi 1982 Schlesinger and Miller 1983].[24][25]

인위적인 실험/반박[편집]

번개와 같은 방전을 재현한 이유는 아미노산 합성에 필요한 에너지를 공급하기 위함이다. 결과로 보면, 이는 번개보다 에너지가 적지만 그보다 적은 에너지로도 충분히 아미노산이 합성이 될 수 있음을 보여준 것이다.


다른 실험들[편집]

폭스의 실험으로 아미노산 같은 간단한 유기물은 폴리펩타이드, 핵산과 같은 복잡한 유기물로 합성될 수 있음이 입증되었다.

결론[편집]

밀러(Miller, S.)유리(Urey, H.)의 실험은 오파린(Oparin, A. I.)과 홀데인(Haldane, J. B. S)의 화학진화설의 가능성을 보여주었다.

각주[편집]

  1. 출처필요
  2. 실존인물인지 불명확함. 출처 필요.
  3. 실존인물인지 불명확함. 출처 필요.
  4. 출처필요
  5. Ankerberg, John, Steve Austin, Duane Gish and Kurt Wise, 1990. The creation debate: oxygen -- the deathblow to life?
  6. Watchtower Bible and Tract Society, 1985. Life--How Did It Get Here? Brooklyn, NY, p. 41.
  7. 출처필요
  8. Discovery Institute, 2003. A preliminary analysis of the treatment of evolution in biology textbooks currently being considered for adoption by the Texas State Board of Education. http://www.discovery.org/articleFiles/PDFs/TexasPrelim.pdf, p. 5.
  9. Watchtower Bible and Tract Society, 1985. Life--How Did It Get Here? Brooklyn, NY, pg. 40.
  10. Discovery Institute, 2003. A preliminary analysis of the treatment of evolution in biology textbooks currently being considered for adoption by the Texas State Board of Education. http://www.discovery.org/articleFiles/PDFs/TexasPrelim.pdf, p. 5.
  11. Kasting, J. F., 1993. Earth's early atmosphere. Science 259: 920-926.
  12. Delano, J. W., 2001. Redox history of the Earth's interior since approximately 3900 Ma: Implications for prebiotic molecules. Origins of Life and Evolution of the Biosphere 31: 311-341.
  13. Kasting, J. F., 1993. Earth's early atmosphere. Science 259: 920-926.
  14. Turner, G., 1981. The development of the atmosphere. In: The Evolving Earth, ed. L. R. M. Cocks. London: British Museum, 121-136.
  15. [표사광상](漂砂鑛床 detrital deposit)
  16. Bernstein, M. P., S. A. Sandford, L. J. Allamandola, J. S. Gillette, S. J. Clemett and R. N. Zare, 1999. UV irradiation of polycyclic aromatic hydrocarbons in ices: Production of alcohols, quinones, and ethers. Science 283: 1135-1138. See also: Ehrenfreund, P., 1999. Molecules on a space odyssey. Science 283: 1123-1124.
  17. Cooper, G. et al., 2001. Carbonaceous meteorites as a source of sugar-related organic compounds for the early Earth. Nature 414: 879-883. See also: Sephton, M. A., 2001. Life's sweet beginnings? Nature 414: 857-858.
  18. Mulkidjanian, A. Y., D. A. Cherepanov and M. Y. Galperin, 2003. Survival of the fittest before the beginning of life: selection of the first oligonucleotide-like polymers by UV light.
  19. Mullen, Leslie, 2003. Shining light on life's origin. Astrobiology Magazine
  20. Schlesinger, G. and S. L. Miller, 1983. Prebiotic synthesis in atmospheres containing CH4, CO, and CO2. I. Amino acids. Journal of Molecular Evolution 19(5): 376-382.
  21. Henahan, Sean, 1996. From primordial soup to the prebiotic beach: An interview with exobiology pioneer, Dr. Stanley L. Miller.
  22. Pizzarello, S. and A. L. Weber, 2004. Prebiotic amino acids as asymmetric catalysts. Science 303: 1151.
  23. Abelson, P., 1996. Chemical events on the primitive earth. Proceedings of the National Academy of Science USA 55: 1365-1372.
  24. Kawamoto, K. and M. Akaboshi, 1982. Study on the chemical evolution of low molecular weight compounds in a highly oxidized atmosphere using electric discharges. Origins of Life 12(2): 133-141.
  25. Schlesinger, G. and S. L. Miller, 1983. Prebiotic synthesis in atmospheres containing CH4, CO, and CO2. I. Amino acids. Journal of Molecular Evolution 19(5): 376-382.

외부 연결고리[편집]