지질학의 화학: 죽은 토양이 여전히 숨을 쉴 때

15년 동안 생화학자 Sébastien Fontaine은 기묘한 투쟁을 벌여왔습니다. 바로 흙을 죽이려는 시도였습니다. 생명력이 없는 토양의 탄소 배출 기준선을 설정하기 위해, Fontaine과 그의 팀은 French National Institute for Agriculture, Food, and Environment 소속으로서 감마선을 사용하여 토양 샘플을 멸균했습니다. 그들은 미생물의 호흡을 나타내는 특징인 이산화탄소 배출이 생명체가 사라지면 완전히 중단될 것이라고 예상했습니다.

하지만 그들은 토양이 계속해서 "숨을 쉰다"는 것을 발견했습니다. 방사선이 미생물을 박멸한 후에도, 그리고 그 후 몇 년 동안이나, 멸균된 토양은 산소를 소비하고 이산화탄소를 배출하는 과정을 계속했습니다. 이 발견은 대사 작용이 살아있는 세포에만 국한된 과정이라는 근본적인 생물학적 가정을 뒤흔듭니다.

비생물적 호흡의 지속성

Fontaine의 연구 결과는 처음에 회의적인 반응에에 직면했습니다. 과학계의 많은 이들은 이 결과를 실험적 오류로 치부하거나 토양이 완전히 멸균되지 않았다고 시사했습니다. 그러나 팀은 10년 동안 샘플의 멸균 상태를 엄격하게 증명하는 데 시간을 보냈습니다. 전자 현미경을 사용하여 세포를 식별했지만, 염색 과정을 통해 RNA와 DNA가 없음을 확인하여 세포가 죽었음을 증명했습니다.

추가 조사를 위해 팀은 6년 동안 실험을 진행했습니다. 그들은 glucose가 보충된 토양에서 더 높은 배출률을 보였다는 점을 관찰했으며, 이는 토양 내의 비생물적 촉매가 설탕의 대사 분해와 유사한 반응을 유도한다는 것을 시사합니다.

Krebs cycle의 모방\n

이 연구의 가장 놀라운 측면 중 하나는 Krebs cycle—세포가 탄소 함유 분자로부터 고에너지 전자를 추출하기 위해 사용하는 일련의 반응—과 유사한 과정을 관찰한 것입니다. Fontaine의 팀은 6개월 된 멸균 토양에서 Krebs cycle의 8개 중간 단계 분자 중 4개를 관찰했다고 보고했습니다.

이것이 단순한 표면적인 화학 반응이 아니라는 것을 증명하기 위해, Fontaine은 전자 흐름을 감지하기 위한 fuel cell을 개발했습니다. 결과는 방사선을 조사한 토양이 대조군인 소금물 용액보다 현저히 높은 전류를 통과시킨다는 것을 보여주었으며, 이는 산소 의존적 대사와 일치하는 전자의 흐름을 나타냅 |n|s.

지질 화학 vs 생화학

이 연구는 "생명의 화학"이 실제로는 "지질학의 화학"일 수 있음을 시사합니다. 유기 화학자 Joseph Moran은 생명의 화학이 생명체에만 국한된 것이 아니라고 언급하며, 이는 이러한 대사 반응이 생물학적 세포의 출현 이전에 존재했을 수 있음을 암시합니다.

광물 촉매의 역할

토양 생태학자 Joshua Schimel은 토양 내 철과 알루미늄 산화물의 존재가 glucose의 산화를 촉매하여 자연스럽게 Krebs-cycle 중간체를 형성할 수 있다고 제안합니다. 이는 철과 아연과 같은 금속이 많은 고대 효소의 핵심 요소로서, 생명이 진화하기 전부터 이러한 반응을 촉매했을 수 있다는 더 넓은 이론과 일치합니다.

효소 논쟁

모든 연구자가 이것이 순수하게 지질학적 과정이라고 확신하는 것은 아닙니다. astrobiologist Sudha Rajamani와 생화학자 Markus Ralser를 포함한 일부 연구자들은 죽은 세포에서 방출된 효소가 토양에 남아 지속적으로 반응을 촉매할 수 있다고 제안합니다.

그러나 Fontaine과 그의 동료 Clémentin Bouquet은 효소 활성이 일반적으로 지수적으로 감소하며, 알려진 어떤 효소도 6년 동안 활성을 유지할 수 없다고 주장합니다. 그들은 배출이 장기간 지속된다는 점을 근거로 생물학적 효소 잔해물이 설명하기에는 부적절하다고 주장합니다.

더 넓은 함의

멸균된 토양이 대사를 모방할 수 있다는 발견은 여러 과학 분야에 여러 가지 심오한 함의를 것을니다:

The Origin of Life: 만약 대사 작용용이 세포의 구속 없이 발생할 수 있다면, 이는 지질 화학적 과정이 생명 탄생에 필요한 에너지 구배를 생성했다는 "metabolism-first" 가설을 뒷받침합니다.
Astrobiology: 이 발견은 다른 행성의 생명체 탐색을 복점을잡니다. 한 관찰자는 만약 대사 산물이 비생물적으로 생성될 수 있다면, $#$ Mars의 토양 실험에서 생명체의 "false positives"를 유발할 수 있다고 언급했습니다.
Planetary Science: 지구의 지각 상층부가 생물학적 구조물—수십억 년의 생명 활동에 의해 수정된—이라는 깨달음은, 생명이 존재하지 않았던 다른 행성의 regolith에 유사한 과정이 일어어질 수 있는지에 대한 질문을 던집니다.

Clémentin Bouquet이 말하듯, 생명 자체보다 앞섰을 수 있는 과정의 생명력은 "바로 우리 발밑에서" 일어나고 있습니다.