대체생화학은 탄소 이외의 원소를 기반으로 하는 생명체에 대한 연구를 의미한다. 현재까지 알려진 모든 생명체는 탄소를 기반으로 하지만, 과학자들은 규소, 질소, 인, 비소 등 다른 원소를 사용하여 생명에 필요한 분자 구조를 형성하는 가능성을 탐구해 왔다. 규소는 탄소와 유사한 성질을 가지고 있어 유망한 후보로 연구되었지만, 우주적 풍부성과 화학적 특성 면에서 탄소에 비해 단점을 가진다. 또한, 물 이외의 암모니아, 메탄, 황화 수소 등 다른 용매를 사용하는 생명체에 대한 연구도 진행되고 있다. 이러한 연구는 지구 외 생명체의 존재 가능성을 탐구하고, 생명체의 다양성을 이해하는 데 기여한다.
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대체생화학
2. 탄소 기반 생화학
지구상의 모든 알려진 생명체는 탄소 기반의 구조와 시스템을 가지고 있다. 과학자들은 생명에 필요한 분자 구조를 형성하기 위해 탄소 이외의 원소를 사용하는 것의 장단점에 대해 추측했지만, 아직 그러한 원자를 사용하여 모든 필요한 구조를 형성하는 이론을 제시한 사람은 없다.
칼 세이건은 지구상의 모든 생명체에 적용되는 진술이 우주의 모든 생명체에 적용될지 여부를 확신하기는 어렵다고 주장하며,[13] 이러한 가정을 "탄소 쇼비니즘"이라고 불렀다.[14] 그는 규소와 게르마늄을 탄소의 가능한 대안으로 생각했지만,[14] 탄소가 화학적으로 더 다재다능하고 우주에 더 풍부하게 존재한다고 언급하기도 했다.[15]
노먼 호로위츠는 화성에 생명체가 존재할 가능성을 탐사하기 위해 1976년 바이킹 착륙선에 탑재된 실험을 설계하면서, 탄소 원자의 뛰어난 특성 때문에 다른 행성에서도 생명의 기반이 될 가능성이 가장 높다고 주장했다.[16] 그는 탄소 기반이 아닌 생명체가 자기 복제 능력과 진화 및 적응에 필요한 유전 정보 시스템을 가질 가능성은 낮다고 보았다.
우주생물학의 관점에서 현재 알려진 단백질, 지질, 탄수화물, 핵산 등 유기화학에 기초한 시스템 외의 생화학 시스템에 대한 연구가 이루어지고 있지만,[101]2022년 현재까지 탄소를 기반으로 하지 않는 생명체는 발견되지 않았다.
3. 탄소 이외의 원소 기반 생화학
지구상의 모든 알려진 생명체는 탄소 기반의 구조와 시스템을 가지고 있다. 그러나 일부 학자들은 탄소 외 다른 원소를 기반으로 한 생명체가 존재할 수 있다고 주장한다.[13] 이러한 주장에 반대하는 입장을 비판하는 용어로 칼 세이건이 사용한 탄소 쇼비니즘이 있다.[14] 세이건은 규소와 게르마늄을 탄소의 가능한 대안으로 제시하면서도, 탄소가 화학적으로 더 다재다능하고 우주에 더 풍부하다고 지적했다.[14][15] 화성 생명체 탐사 실험을 설계한 노먼 호로위츠 역시 탄소 원자의 뛰어난 특성 때문에 다른 행성에서도 생명의 기반이 될 가능성이 가장 높다고 주장하며, 비탄소 기반 생명체가 진화하고 적응하는 유전 시스템을 가질 가능성은 희박하다고 보았다.[16]
탄소 외 원소 기반 생화학 가설 중 가장 잘 알려지고 많이 연구된 것은 규소 기반 생명체이다. 규소는 탄소와 같은 족에 속하며 유사한 화학적 성질을 일부 공유하지만, 이중 결합 형성의 어려움, 물 속에서의 불안정성 등 여러 한계점도 지적된다. 그 외에도 질소와 인의 조합, 인을 대체하는 비소 등이 생화학의 기초가 될 가능성이 제기되었다. 특히 비소를 생체 분자에 통합하는 GFAJ-1 박테리아의 발견은 큰 논쟁을 불러일으켰으나, 후속 연구를 통해 초기 주장에 대한 반론이 제기되었다.
다른 가능한 기반 원소로는 붕소(보란 형태), 황, 염소 등이 거론되지만, 각각 폭발성, 낮은 안정성, 우주적 희소성 등의 문제점을 안고 있다. 헤테로폴리산과 같은 금속 산화물 기반 생명체나, 암모니아, 플루오린화 수소, 황화 수소, 메탄과 같은 비수성 용매 환경에서의 생명체 존재 가능성도 탐구되고 있다.
원자 구성뿐 아니라 분자의 키랄성이 다른 생화학도 가정해 볼 수 있다. 지구 생명체는 거의 대부분 L형 아미노산과 D형 당을 사용하지만, D형 아미노산이나 L형 당을 사용하는 생명체도 이론적으로 가능하다. 다만, 이러한 생명체는 지구상의 일반적인 생명체와는 생화학적으로 호환되지 않을 것이다.[12]
이 외에도 우주 끈이나 먼지 플라스마를 기반으로 하는 비화학적 생명체, 극한 환경에 적응한 생명체, 대체 핵산(XNA, 하치모지 DNA 등)을 사용하는 생명체, 지구상에 존재하지만 아직 발견되지 않은 그림자 생물권 등 다양한 가설이 존재한다.
우주생물학의 관점에서 이러한 대체 생화학 시스템에 대한 이론과 가설 연구가 일부 진행되고 있지만,[101] 2022년 기준으로 탄소를 기반으로 하지 않는 생명체는 아직 발견되지 않았다.
해양 규조류 - 이산화규소 형태로 바닷물에서 규소를 추출하여 세포벽에 통합하는 탄소 기반 유기체
규소(Si)는 탄소(C)와 많은 화학적 성질에서 유사성을 보이며 주기율표에서 같은 족에 속하기 때문에, 탄소 기반이 아닌 다른 형태의 생화학 시스템을 연구할 때 가장 많이 논의되는 원소 중 하나이다.[17] 탄소처럼 규소도 생물학적 정보를 담을 수 있을 만큼 충분히 큰 분자를 만들 수 있다.[17] 일부 학자들은 탄소 외 다른 원소에 기반한 생명이 존재할 수 있다고 주장하며, 이러한 가능성을 부정하는 관점을 비판하는 용어로 탄소 쇼비니즘이라는 말이 사용되기도 한다.
그러나 규소가 탄소를 대체하기에는 몇 가지 단점이 있다. 우선 우주 전체적으로 보면 탄소가 규소보다 10배 더 풍부하다.[19] 1998년까지 천문학자들이 성간 매질에서 발견한 분자 중 탄소 함유 분자는 84개였지만, 규소 함유 분자는 8개에 불과했고 그중 절반은 탄소도 포함하고 있었다.[18]지구나 다른 지구형 행성의 지각에는 규소가 탄소보다 훨씬 풍부하지만 (지구 지각에는 규소가 탄소보다 약 925배 더 많다[19]), 지구 생명체는 탄소를 기반으로 한다. 이는 규소 화합물의 다양성이 탄소 화합물보다 적고, 물 속에서 불안정하며, 열의 흐름을 막는 성질 때문일 수 있다.[19]
규소 원자는 탄소 원자보다 원자 반지름이 훨씬 크고, 다른 원자들과 공유 결합을 형성할 때 그 결합력이 상대적으로 약하다. 다만, 산소나 플루오린과는 매우 강한 결합을 형성한다.[17] 또한 규소는 이중 결합이나 삼중 공유 결합을 안정적으로 형성하기 어렵다는 문제가 있다. 알케인의 규소 유사체인 실란(Silane)은 물과 빠르게 반응하며, 긴 사슬 형태의 실란은 자발적으로 분해되는 경향이 있다.[20] 이러한 불안정성 때문에 지구상의 대부분 규소는 실리카(이산화 규소) 형태로 존재하며, 생명 발생 이전의 다양한 전구체(precursor)로 활용되기 어렵다. 이산화 규소는 상온에서 물에 잘 녹지 않는 고체라는 점도 생화학적 활용을 어렵게 만드는 요인이다.
반면, 규소와 산소 원자가 번갈아 배열된 실리콘(Silicone)은 실란보다 훨씬 안정적이며, 황산이 풍부한 특정 외계 환경에서는 탄소 기반의 탄화수소보다 더 안정적일 수 있다는 연구도 있다.[20] 또한, 규소 화합물의 약한 결합이 오히려 저온 환경에서는 생명 활동에 필요한 빠른 화학 반응 속도를 유지하는 데 도움이 될 수 있다는 가설도 제기된다. 예를 들어, 설탕의 규소 유사체인 폴리실라놀(polysilanol)은 액체 질소 온도에서도 용해될 수 있는 몇 안 되는 화합물 중 하나이다.[21]
하지만 현재까지 알려진 모든 규소 고분자는 인공적으로 합성된 것이며, 자연계에 존재하는 유기 고분자의 복잡하고 다양한 구조와 비교하면 상대적으로 단조롭다는 평가를 받는다.[17] 그럼에도 불구하고 일부 지구 생명체는 규소를 활용한다. 대표적인 예로 규조류는 바닷물에서 규소를 추출하여 이산화 규소 형태로 단단한 세포벽(골격)을 만드는데, 이를 생물 기원 실리카라고 한다. 그레이엄 케언스-스미스는 생명의 기원 과정에서 물속의 규산염 광물, 특히 점토가 초기 생명체의 형성에 중요한 주형 역할을 했을 수 있다는 가설을 제시하기도 했다.[22][23] 또한, 자연에서는 발견되지 않았지만 실험실 환경에서는 지향적 진화(인공 선택) 기법을 통해 ''Rhodothermus marinus''라는 생물의 시토크롬 c 단백질이 하이드로실란과 다이아조 화합물 사이에 새로운 탄소-규소 결합 형성을 촉매하도록 유전적으로 조작된 사례도 있다.[24]
우주생물학 분야에서는 현재 알려진 단백질, 지질, 탄수화물, 핵산 등 유기화학에 기반한 생명 시스템 외에 다른 형태의 생화학 시스템이 존재할 가능성에 대한 연구가 일부 진행되고 있다.[101] 그러나 2022년 현재까지 탄소를 기반으로 하지 않는 생명체는 발견된 바 없다.
3. 2. 질소와 인 기반 생화학
질소(N)와 인(P) 역시 생화학의 기초가 될 가능성이 있다. 인은 탄소처럼 길게 연결된 분자를 스스로 구성할 수 있으며, 복잡한 고분자 형성의 잠재력도 지니고 있다. 그러나 인 자체는 반응성이 상당히 높은 편이다. 하지만 질소와 결합하면 훨씬 안정적인 공유 결합 구조를 이룰 수 있다.
가상적인 이산화 질소(NO₂) 대기 환경을 가정해 볼 수 있다. 이곳의 식물과 같은 생물은 대기 중의 이산화 질소와 땅속의 인을 흡수할 수 있다. 이산화 질소는 환원 과정을 거쳐 당과 같은 유기물을 생산하고, 부산물로 산소(O₂)를 대기 중에 방출할 것이다. 반대로 동물과 같은 생물은 식물을 섭취하고 대기 중의 산소를 이용하여 유기물을 대사하며, 노폐물로 이산화 질소와 인을 배출할 것이다.
암모니아(NH₃) 대기 환경에서는 다른 방식의 대사가 예상된다. 인-질소(P-N) 기반 식물은 대기 중의 암모니아와 땅속의 인을 흡수하여, 암모니아를 산화시켜 유기물을 생산하고 수소(H₂)를 방출할 것으로 생각된다. P-N 기반 동물은 수소를 흡수하여 유기물을 환원시키고, 다시 암모니아와 인으로 되돌릴 것이다. 이는 이산화 질소 대기 환경과는 산화와 환원 반응의 방향이 반대인 패턴이다. 이러한 대사 방식은 지구 생명체에서도 찾아볼 수 있는데, 예를 들어 이산화 탄소 대신 메탄 형태로 탄소를 배출하는 메탄 생성균과 유사하다고 볼 수 있다.
그러나 인-질소 순환을 기반으로 하는 생명체 가설에는 몇 가지 해결해야 할 문제가 남아있다. 우선, 이러한 화학 반응만으로 생명 활동에 필요한 충분한 에너지를 얻을 수 있는지에 대한 논의가 계속되고 있다. 또한, 질소와 인이 우주에서 생물권을 구성할 만큼 충분한 양과 적절한 비율로 존재하는지도 아직 불분명하다. 탄소의 경우, 항성 내부의 핵융합 과정에서 비교적 초기에 대량으로 생성되는 원소이다.
3. 3. 비소 기반 생화학
비소는 인과 화학적으로 유사하여, 인 대신 비소를 기반으로 하는 생명체가 존재할 수 있다는 가설이 있다.[27] 지구상의 대부분 생물에게 비소는 독성을 띠지만, 일부 생물은 비소를 생화학 과정에 통합하기도 한다.[27] 예를 들어, 일부 해조류는 비소를 아르세노당이나 아르세노베타인과 같은 복잡한 유기 분자로 만들며, 균류와 세균 중 일부는 휘발성 메틸화 비소 화합물을 생성할 수 있다. 특정 미생물(''Chrysiogenes arsenatis'')에서는 비산염 환원 및 아비산염 산화 과정이 관찰되었고,[28] 일부 원핵생물은 산소가 없는 환경에서 성장할 때 비산염을 최종 전자 수용체로 사용하거나, 아비산염을 전자 공여체로 사용하여 에너지를 얻기도 한다.
지구상의 초기 생명체가 DNA 구조에서 인 대신 비소를 사용했을 가능성도 제기되었다.[29] 그러나 이 가설에는 중요한 반론이 있는데, 비산염 에스테르는 인산염 에스테르보다 가수분해에 훨씬 덜 안정적이어서 생명의 핵심 분자로는 부적합하다는 것이다.[30]
2010년, NASA의 일부 지원을 받은 지구미생물학 연구팀은 캘리포니아 동부의 모노 호수 퇴적물에서 발견된 GFAJ-1이라는 박테리아가 인이 없는 환경에서 배양될 때 인 대신 비소를 DNA 구성에 사용할 수 있다고 발표하며 큰 주목을 받았다.[31][32] 연구팀은 이 박테리아가 폴리-β-히드록시부티르산 등을 이용해 물의 유효 농도를 낮춰 불안정한 비산염 에스테르를 안정화시킬 수 있다고 추정했다.[32]
그러나 이 연구 결과는 발표 직후 과학계로부터 강한 비판에 직면했다. 비판의 주된 이유는 실험 설계상 적절한 통제가 부족했다는 점이었다.[33][34] 과학 저술가 칼 짐머가 여러 전문가에게 의견을 구했을 때, "거의 만장일치로 NASA 과학자들이 자신들의 주장을 입증하지 못했다"는 반응을 얻었다고 전했다.[35] 이후 다른 연구팀들이 GFAJ-1을 이용해 동일한 실험을 재현하려 했으나 실패했으며, 원 연구에 인산염 오염 문제가 있었음을 지적했다. 소량의 인산염만으로도 극한 환경에 적응한 생명체를 유지할 수 있다는 가능성이 제기된 것이다.[36] 또한, GFAJ-1 세포가 비소를 DNA에 사용하는 대신, 기존 세포 내 리보솜 등을 분해하여 얻은 인산염을 재활용하여 성장했을 것이라는 대안적인 설명도 제시되었다.[37] 이처럼 GFAJ-1을 둘러싼 논쟁은 비소 기반 생명체의 존재 가능성에 대한 중요한 과학적 논의를 촉발했지만, 현재까지 명확한 증거는 확보되지 않았다.
3. 4. 기타 원소 기반 생화학
염소는 탄소 또는 다른 원소 기반 생명체에서 산소의 대체물로 제안되기도 한다. 그러나 염소는 산소만큼 풍부하지 않으며, 행성 표면에 생화학적 기초로 삼을 만큼 충분한 양의 염소가 존재할 수 있는지는 불확실하다.
황 역시 긴 사슬 분자를 구성할 수 있지만, 인과 마찬가지로 반응성이 높다는 단점이 있다. 그럼에도 불구하고, 지구의 일부 지역에서는 황을 에너지원으로 사용하는 고세균과 박테리아가 발견되었다. 이 생물들은 산소 대신 황을 이용하여 황을 황화 수소로 환원시킨다. 대표적인 예로 황 환원 세균이나 ''Pyrodictium'' 등이 있다. 또한, 녹색 황 세균과 홍색 황 세균은 광합성 과정에서 물을 산소로 산화시키는 대신 황화 수소를 황으로 산화시킨다. 하지만 탄소 대신 황을 생명의 기본 골격으로 사용하는 것은, 황이 주로 선형 사슬만 형성하는 등의 이유로 아직 가설적인 단계에 머물러 있다.
4. 물 이외의 용매 기반 생화학
현재까지 알려진 모든 지구 생명체는 탄소 화합물 외에도 용매로서 물을 필요로 한다.[101] 물은 액체 상태를 유지하는 넓은 온도 범위, 온도 조절에 도움이 되는 높은 열용량, 증발 시 많은 열 흡수, 다양한 화합물을 녹이는 능력 등 생명 과정에 중요한 여러 특성을 가지고 있다.[101] 이러한 특성들은 물이 생명 유지에 매우 적합한 용매임을 보여준다.
하지만 물의 모든 특성이 생명에 반드시 유리한 것은 아니며,[48] 물이 아닌 다른 용매를 기반으로 하는 외계 생명체의 가능성도 제기되고 있다. 암모니아, 메테인 등 다른 물질을 용매로 사용하는 생명이 존재할 수 있다는 가설이다. 이러한 생각은 생화학자 스티븐 베너[38]와 존 A. 바로스(John A. Baross)가 의장을 맡은 우주생물학 위원회[39] 등에서 진지하게 받아들여지고 있다. 이 위원회에서는 암모니아,[40]황산,[41] 폼아미드,[42]탄화수소,[42] 그리고 지구보다 훨씬 낮은 온도에서 액체 상태인 질소 또는 초임계 유체 형태의 수소[43] 등을 잠재적인 대체 용매로 논의했다.
성공적인 생체 용매가 되려면 특정 행성 환경의 온도 범위 내에서 액체 상태를 유지할 수 있어야 한다. 용매의 끓는점은 압력에 따라 변하므로, 특정 압력 조건 하에서 액체 상태를 유지할 수 있는지가 중요하다. 예를 들어, 청산 수소는 1 기압에서는 액체 범위가 좁지만, 금성과 같이 압력이 높은 환경(92bar)에서는 더 넓은 온도 범위에서 액체로 존재할 수 있다.
칼 세이건은 한때 자신을 탄소 쇼비니스트이자 물 쇼비니스트라고 묘사했지만,[45] 다른 기회에는 탄소 쇼비니스트이지만 "물 쇼비니스트는 아니다"라고 말하며,[46]탄화수소,[46]플루오린화 수소,[47] 및 암모니아[46][47]를 물의 가능한 대체물로 추측했다.
물 이외의 용매를 기반으로 하는 생화학 시스템에 대한 연구는 우주생물학 분야에서 중요한 탐구 영역이며,[101] 각 대체 용매 후보의 화학적 특성과 생명 유지 가능성에 대한 탐구는 지구 너머의 생명체 존재 가능성을 탐색하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있다. 하위 섹션에서는 주요 대체 용매 후보들의 특성과 가능성에 대해 더 자세히 다룬다.
4. 1. 암모니아 기반 생화학
암모니아(NH3) 분자는 물 분자와 마찬가지로 수소(가장 단순하고 흔한 원소)와 질소(매우 흔한 또 다른 원소)의 화합물로, 우주에 풍부하게 존재한다.[93] 액체 암모니아가 생명체의 대체 용매로 작용할 수 있다는 아이디어는 1954년 J. B. S. 홀데인이 생명의 기원에 관한 심포지엄에서 이 주제를 제기하면서 시작되었다.[49]
액체 암모니아는 물과 화학적으로 유사한 점이 많으며, 암모니아 용액에서는 수많은 화학 반응이 가능하다.[93][50] 암모니아는 물만큼이나 대부분의 유기 분자를 용해할 수 있으며, 더 나아가 많은 금속 원소도 용해할 수 있다.[93][50] 홀데인은 다양한 일반적인 물 관련 유기 화합물이 암모니아 관련 유사체를 가지고 있다는 점을 지적했는데, 예를 들어 암모니아 관련 아민 그룹(−NH2)은 물 관련 하이드록실 그룹(−OH)과 유사하다.[50]
암모니아는 물처럼 양성자(H+)를 받아들이거나 내놓을 수 있다. 암모니아가 양성자를 받아들이면 암모늄 양이온(NH4+)을 형성하는데, 이는 히드로늄(H3O+)과 유사하다. 양성자를 내놓으면 아미드 음이온(NH2−)을 형성하며, 이는 수산화물 음이온(OH−)과 유사하다.[40] 그러나 물과 비교했을 때, 암모니아는 양성자를 받아들이는 경향이 더 강하고 내놓는 경향은 더 약하다. 즉, 더 강력한 친핵체이다.[40] 암모니아가 물에 첨가되면 염기로 작용하여 수산화물 이온의 농도를 증가시킨다. 반대로, 액체 암모니아에 물을 첨가하면 산으로 작용하여 암모늄 이온의 농도를 증가시킨다.[50] 육상 생화학에서 중요한 카르보닐 그룹(C=O)은 암모니아 용액에서는 안정적이지 않지만, 유사한 이민 그룹(C=NH)을 대신 사용할 수 있다.[40]
하지만 암모니아는 생명의 기반으로서 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 암모니아 분자 간의 수소 결합은 물의 수소 결합보다 약하다.[51] 이로 인해 암모니아의 증발열은 물의 절반 수준이고, 표면 장력은 3분의 1에 불과하며, 소수성 효과를 통해 비극성 분자를 농축하는 능력도 감소한다.[51] 제럴드 페인버그와 로버트 샤피로는 암모니아가 자가 복제 시스템의 출현을 가능하게 할 만큼 충분히 전생명체 분자를 결합시킬 수 있을지에 대해 의문을 제기했다.[51] 또한 암모니아는 산소 속에서 가연성이므로, 호기성 대사에 적합한 환경에서는 지속적으로 존재하기 어렵다.[52]
타이탄의 이론적 내부 구조, 지하 해양은 파란색으로 표시
암모니아를 기반으로 하는 생물권은 지구상의 생명체와 비교할 때 매우 다른 온도나 기압 조건에서 존재할 가능성이 높다. 지구상의 생명체는 일반적으로 표준 압력에서 물의 융점과 끓는점 사이인 0°C ~ 100°C 범위에서 존재한다. 같은 표준 압력에서 암모니아의 녹는점과 끓는점은 각각 -78°C와 -33°C이다.[52] 화학 반응은 일반적으로 더 낮은 온도에서 더 느리게 진행되므로, 이러한 조건에서 존재하는 암모니아 기반 생명체는 지구상의 생명체보다 대사 속도나 진화 속도가 더 느릴 수 있다.[52] 반면에, 더 낮은 온도는 지구 온도에서는 불안정하여 사용할 수 없는 화학종을 생명 시스템이 활용할 수 있게 할 수도 있다.[93]
지구와 유사한 온도에서 암모니아가 액체 상태를 유지하려면 훨씬 더 높은 압력이 필요하다. 예를 들어, 60 기압에서는 암모니아가 -77°C에서 녹고 98°C에서 끓는다.[40]
암모니아와 암모니아-물 혼합물은 순수한 물의 어는점보다 훨씬 낮은 온도에서도 액체 상태를 유지하므로, 이러한 생화학은 물 기반 생물 서식 가능 구역 밖에 있는 행성과 위성에 적합할 수 있다. 이러한 조건은 예를 들어 토성의 가장 큰 위성인 타이탄의 표면 아래에서 존재할 수 있다.[53]
4. 2. 메탄 및 기타 탄화수소 기반 생화학
메테인(CH4)은 우주에서 가장 흔한 두 원소인 수소와 탄소로 이루어진 단순 탄화수소이다. 암모니아와 비슷한 수준으로 우주에 풍부하게 존재한다.[93]토성의 가장 큰 위성인 타이탄 표면에는 ''카시니'' 우주선에 의해 메테인과 에테인을 포함한 탄화수소 혼합물로 이루어진 호수가 발견되었다. 이처럼 탄화수소는 넓은 온도 범위에서 용매 역할을 할 수 있지만, 극성이 부족하다는 특징이 있다. 생화학자이자 과학 소설 작가인 아이작 아시모프는 1981년, 폴리-지질이 메테인과 같은 무극성 용매에서 단백질을 대체할 수 있다고 제안하기도 했다.[93]
메테인 및 기타 탄화수소가 생명체의 용매로서 물이나 암모니아에 비해 얼마나 효과적인지에 대해서는 논쟁이 있다.[54][55][56] 물은 탄화수소보다 더 강력한 용매이기 때문에 세포 내 물질 수송에 더 유리하다.[57] 하지만 물은 화학적으로 더 반응성이 높아 가수분해를 통해 큰 유기 분자를 분해할 수 있다는 단점도 있다.[54] 반면, 탄화수소를 용매로 사용하는 생명체는 생체 분자가 이러한 방식으로 파괴될 위험이 적다.[54] 또한 물 분자는 강한 수소 결합을 형성하려는 경향이 있어, 복잡한 유기 분자 내의 내부 수소 결합을 방해할 수 있다.[48] 탄화수소 용매를 사용하는 생명체는 생체 분자 내에서 수소 결합을 더 자유롭게 활용할 수 있으며[54], 이러한 수소 결합의 강도는 특히 저온 환경에서의 생화학에 적합할 수 있다.[54]
천체 생물학자 크리스 맥케이는 열역학적 근거를 들어, 만약 타이탄 표면에 생명체가 존재하고 탄화수소를 용매로 사용한다면, 수소(H2)와 반응하여 에테인과 아세틸렌 같은 더 복잡한 탄화수소를 메테인으로 환원시키면서 에너지를 얻을 가능성이 높다고 주장했다.[58] 이러한 형태의 타이탄의 생명체 존재 가능성을 뒷받침할 수 있는 증거들이 보고되기도 했다. 2010년 존스 홉킨스 대학교의 다렐 스트로벨(Darrell Strobel)은 타이탄의 상층 대기보다 하층 대기에서 분자 수소의 농도가 더 낮으며, 수소가 아래쪽으로 확산되어 표면 근처에서 사라지는 현상을 확인했다고 발표했다. 스트로벨은 이것이 맥케이가 예측한 메테인 생성 생명체의 활동 결과와 일치할 수 있다고 언급했다.[57][58][59] 같은 해 발표된 다른 연구에서는 타이탄 표면의 아세틸렌 농도가 예상보다 낮다는 결과가 나왔는데, 맥케이는 이를 유기체가 아세틸렌을 소비하여 메테인으로 환원한다는 자신의 가설과 부합한다고 해석했다.[57] 하지만 맥케이 자신도 이러한 발견들에 대해 아직 확인되지 않은 물리적 또는 화학적 과정(예: 아세틸렌과 수소의 반응을 촉진하는 비생물학적 표면 촉매)이나 현재 사용되는 물질 흐름 모델의 오류 가능성 등 다른 설명이 더 타당할 수 있음을 인정하며 신중한 접근을 당부했다.[60] 그는 95 K (-178°C)라는 극저온에서 효과적으로 작용하는 비생물학적 촉매가 발견된다면 그 자체로도 놀라운 일일 것이라고 덧붙였다.[60]
타이탄의 액체 메테인 환경에서 기능할 수 있는 가상의 세포막으로 아조토솜(azotosome)이 제안되었다. 2015년 발표된 한 연구에서는 컴퓨터 모델링을 통해, 탄소, 수소, 질소를 포함하는 작은 분자인 아크릴로니트릴로 구성된 아조토솜이 액체 메테인 속에서 안정성과 유연성을 가질 것으로 예측했다. 이는 지구 생명체의 세포막을 이루는 인지질 이중층이 액체 물에서 보이는 특성과 유사하다.[61][62] 2017년에는 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열(ALMA) 관측 데이터를 분석한 결과, 타이탄 대기 중에 상당량의 아크릴로니트릴이 존재함이 확인되어 아조토솜 가설에 대한 관심을 높였다.[63][64] 그러나 이후 진행된 연구에서는 아크릴로니트릴 분자들이 실제로 아조토솜과 같은 구조로 자발적으로 조립될 수 있는지에 대해 의문을 제기하기도 했다.[65]
4. 3. 황화수소 기반 생화학
황화 수소(H2S)는 수소 칼코겐화물 중 물(H2O)과 가장 가까운 화학적 유사체이지만, 물보다 극성이 낮고 무기 용매로서는 약한 편이다.[70]
황화 수소는 목성의 위성인 이오에 풍부하게 존재하며, 표면 아래 얕은 곳에 액체 상태로 존재할 가능성이 있다. 우주 생물학자 디르크 슐체-마쿠치는 이오에 존재할 가능성이 있는 생명체가 황화수소를 용매로 사용할 수 있다고 제안했다.[71] 황화수소 바다를 가진 행성이 있다면, 화산 활동이 황화수소의 주요 공급원일 수 있으며, 이 경우 황화수소는 미네랄 용해를 돕는 불화 수소와 혼합되어 존재할 수도 있다.
가설적인 황화수소 기반 생명체는 일산화 탄소와 이산화 탄소의 혼합물을 탄소원으로 사용하고, 산소(O2) 대신 일산화 황(SO)을 생성하여 에너지를 얻으며 생존할 수 있을 것으로 추정된다.
황화수소는 시안화 수소나 암모니아처럼 액체 상태로 존재할 수 있는 온도 범위가 좁다는 단점이 있다. 그러나 이들 물질과 마찬가지로 압력이 높아지면 액체 상태를 유지하는 온도 범위가 더 넓어지는 특성을 가진다.
4. 4. 기타 용매 기반 생화학
현재까지 알려진 모든 지구 생명체는 탄소 화합물 외에도 용매로서 물을 필요로 한다. 이로 인해 물이 생명 현상을 유지하는 데 필수적인 유일한 액체인지에 대한 논의가 이루어졌다. 외계 생명체가 물이 아닌 다른 용매를 기반으로 할 수 있다는 생각은 생화학자 스티븐 베너[38]와 존 A. 바로스(John A. Baross)가 의장을 맡은 우주생물학 위원회[39] 등에서 진지하게 다루어지고 있다. 이 위원회에서는 암모니아,[40]황산,[41] 폼아미드,[42]탄화수소,[42] 그리고 지구보다 훨씬 낮은 온도에서 액체 상태인 질소 또는 초임계 유체 형태의 수소[43] 등을 잠재적인 대체 용매로 논의했다.
스티븐 베너는 DNA와 같은 유전 정보를 담는 생체고분자가 물속에서 기능하려면 반복적인 이온 전하가 필요하다는 유전자 폴리에틸렌 이론을 제안했다.[44] 만약 생명체가 물을 필요로 하지 않는다면, 유전 정보를 담는 생체고분자에 대한 이러한 제약 조건이 달라질 수 있다.
칼 세이건은 자신을 탄소 쇼비니스트이자 물 쇼비니스트라고 표현하기도 했지만,[45] 다른 한편으로는 탄소 쇼비니스트이지만 "물 쇼비니스트는 아니다"라고 말하며,[46]탄화수소,[46]플루오린화 수소,[47] 그리고 암모니아[46][47]를 물의 가능한 대체물로 추측했다.
물 외에 다른 여러 화합물들이 생명의 용매 후보로 제안되었다.
'''플루오린화 수소 (HF)''': 물처럼 극성을 띠는 분자이며, 많은 이온 화합물을 용해할 수 있다. 이웃 분자와 수소 결합을 형성하며, 액체 상태로 존재하는 온도 범위는 -84°C에서 19.54°C 사이이다. 피터 스니스(Peter Sneath)[66]와 칼 세이건[47] 등은 HF를 생명의 가능한 용매로 고려했다. HF는 지구 생명체를 구성하는 분자 대부분에 위험하지만, 파라핀 왁스와 같은 일부 유기 화합물은 HF 내에서 안정적이다.[47] 액체 HF는 산-염기 화학을 지원하며, 예를 들어 질산은 액체 HF 내에서 염기로 작용한다.[67] 그러나 플루오린화 수소는 물, 암모니아, 메탄과 달리 우주적으로 희귀하다는 단점이 있다.[68]
'''이산화 규소 (실리카)''': 석영으로도 알려진 이산화 규소는 우주에 매우 풍부하며 액체 상태로 존재하는 온도 범위가 넓다. 하지만 녹는점이 1600°C에서 1725°C 사이로 매우 높아, 이 온도에서는 대부분의 유기 화합물이 분해된다. 제럴드 파인버그와 로버트 샤피로는 용융된 규산염 암석이 규소, 산소, 알루미늄 등을 기반으로 하는 생명체의 액체 매질 역할을 할 수 있다고 제안했다.[72]
'''황산 (H2SO4)''': 황산(H2SO4) 액체 상태의 황산은 강한 극성을 띤다. 1기압에서 10°C부터 337°C까지 물보다 높은 온도에서 액체 상태를 유지하지만, 300°C 이상에서는 서서히 분해된다. 황산은 금성의 대기 구름 속에 에어로졸 형태로 풍부하게 존재한다. 황산을 용매로 사용하는 생화학에서는 이중 결합을 가진 알켄 그룹(C=C)이 물 기반 생화학의 카르보닐기(C=O)와 유사한 역할을 할 수 있다는 가설이 있다.[41] 진한 황산은 지구 생명체를 구성하는 대부분의 유기물을 빠르게 분해하지만, 트리페닐포스핀이나 피리미딘과 같은 일부 유기물은 액체 황산에 안정적으로 용해되는 것으로 밝혀졌다.
'''과산화 수소와 물 혼합물''': 화성에 생명체가 존재한다면 물과 과산화 수소(H2O2)의 혼합물을 용매로 사용할 수 있다는 제안이 있다.[76] 질량 기준으로 61.2%의 과산화 수소 혼합물은 어는점이 -56.5°C이며, 쉽게 결정화되지 않고 과냉각되는 경향이 있다. 또한 흡습성이 있어 물이 부족한 환경에서 이점을 가질 수 있다.[77][78]
'''초임계 이산화 탄소''': 초임계 유체 상태의 이산화 탄소(CO2)는 유기 화합물을 선택적으로 용해하고 효소의 기능을 도울 수 있다는 점에서 대체 생화학의 후보로 제안되었다. 또한, 고밀도의 두꺼운 대기를 가진 "슈퍼 지구"나 "슈퍼 금성" 유형의 행성이 우주에 흔할 수 있다는 점도 이 가능성을 뒷받침한다.[73]
염화 수소나 황산의 경우, 우주에 염소와 황이 상대적으로 적다는 점이 한계로 지적된다.[102]
5. 대체 생화학의 진화와 탐색
지구상의 생명체는 탄소를 기반으로 하며 물을 용매로 사용하지만, 과학자들은 다른 원소나 용매를 기반으로 하는 생명체의 존재 가능성, 즉 대체 생화학의 가능성을 탐구하고 있다. 이러한 가상의 생명체는 지구와는 다른 환경 조건을 가진 외계 행성이나 위성, 혹은 지구의 숨겨진 생물권에 존재할 수도 있다.
아래 표는 현재까지 제안된 다양한 가설적 대체 생화학 유형들을 요약한 것이다.
가설 생화학 개요
유형
기반
간략한 설명
비고
대체-키랄성 생체 분자
대체 생화학
거울상 생화학
지구 생명체는 거의 보편적으로 L형 아미노산과 D형 당류를 사용하지만, 이와 반대되는 키랄성을 가진 생체 분자(예: D 아미노산, L 당)를 사용하는 생명체도 이론적으로 가능하다. 다만, 기존 생명체와는 호환되지 않을 것이다. 일부 그람 양성 세균은 라세마제 작용으로 생성된 펩티도글리칸 층에 D-알라닌을 통합한다.[4]
암모니아 생화학
비수성 용매
암모니아 기반 생명체
액체 암모니아는 물과 유사한 화학적 성질을 가지며 우주에 비교적 풍부하여 생명을 위한 대체 용매 후보로 고려된다. 1954년 J. B. S. Haldane이 생명의 기원에 대한 심포지엄에서 처음 가능성을 제기했다.
제럴드 파인버그와 로버트 샤피로는 매우 높은 온도에서는 용융된 규산염 암석(녹은 이산화 규소)이 실리콘, 산소, 알루미늄 등을 기반으로 하는 생명체의 액체 매질 역할을 할 수 있다고 제안했다.
황 생화학
대체 생화학
황 기반 생명체
황은 사슬 형태의 화합물을 만들 수 있지만, 탄소처럼 복잡한 가지 구조를 형성하기는 어려워 생명의 기본 원소로 사용될 가능성은 낮게 평가된다.
대체 핵산
대체 생화학
다른 유전자 저장
지구 생명체의 DNA나 RNA 대신 다른 종류의 당이나 골격 구조를 가진 제노 핵산(XNA)이나, 다른 염기쌍을 사용하는 하치모지 DNA 등이 유전 정보를 저장하는 역할을 할 수 있다는 가설이다. XNA의 예로는 TNA, HNA, GNA, CeNA, LNA, FANA, PNA 등이 있다.[7] 하치모지 DNA는 P, Z, B, S 염기쌍을 추가로 사용한다.[8][9]
이러한 다양한 가설에도 불구하고, 우주생물학 분야의 지속적인 연구와 탐색 노력에도 불구하고 2022년 현재까지 탄소와 물을 기반으로 하지 않는 외계 생명체나 지구 내 그림자 생물권의 존재는 확인되지 않았다.[101] 대체 생화학에 기반한 생명체의 존재 가능성은 여전히 과학적 탐구와 상상력의 영역에 남아 있다.
5. 1. 대체 생화학의 진화 가능성
지구 생명체는 탄소를 기반으로 단백질, 지질, 탄수화물, 핵산 등을 사용하지만, 우주생물학에서는 이와 다른 형태의 생화학 시스템이 존재할 가능성을 탐구하고 있다.[101]
지구상의 생명체 중 일부는 극한 환경에서도 생존하고 진화하는 능력을 보여준다. 예를 들어, 극호성 생물은 매우 높거나 낮은 온도, 압력, pH, 염분 농도, 심지어 높은 방사선 환경에서도 살아남는다. 어떤 생물들은 활동적인 생명 단계 사이에 포자나 동면 상태로 오랜 기간(수년에서 수천 년)을 버티기도 한다.[81] 추운 기후의 개구리는 몸의 많은 부분이 얼어붙은 상태에서도 생존하며,[81] 호주의 사막 개구리는 건조기에 몸 속 수분의 75%까지 잃고 비활성 상태로 있다가 습기가 오면 다시 활동한다.[82] 이는 생명체가 우리가 아는 조건과 일시적으로만 일치하는 환경에서도 진화하고 유지될 수 있는 가능성을 시사한다.
알라닌 월드 가설과 가능한 대안을 포함한 유전 코드의 초기 진화 단계
유전 코드 자체의 진화 경로도 다양했을 가능성이 있다. RNA 세계에서 단백질 중심으로 전환되는 과정에서 유전 코드가 발달했을 것으로 추정된다.[83] 알라닌 월드 가설에 따르면, 초기 유전 코드는 알라닌, 글리신, 프롤린, 오르니틴(현재의 아르기닌) 단 4가지 아미노산으로 시작하여 현재의 20가지 단백질 생성 아미노산으로 진화했을 수 있다.[84][85] 이 초기 아미노산들은 현대 단백질의 주요 구조인 알파 나선과 베타 병풍 형성에 유리한 화학적 특성을 가진다. 만약 프롤린, 글리신, 또는 오르니틴을 기반으로 하는 다른 경로가 선택되었다면, 지구의 생명체와는 근본적으로 다른 신체 구조와 유전학을 가진 '병렬적 생물학적 세계'가 탄생했을 수도 있다.[86][87]
인과 화학적으로 유사한 비소를 기반으로 한 생화학의 가능성도 제기되었다. 일부 해조류, 균류, 세균은 비소를 생화학 과정에 통합하며,[27] 특정 미생물은 비소를 에너지원으로 사용하기도 한다.[28] 이를 바탕으로 지구 초기 생명체가 DNA에 인 대신 비소를 사용했을 수 있다는 가설이 나왔다.[29] 그러나 비소 기반 분자(비산염 에스테르)는 인 기반 분자(인산염 에스테르)보다 가수분해에 훨씬 불안정하여 이 가설은 일반적으로 받아들여지지 않는다.[30] 2010년, 미국 항공우주국(NASA)의 일부 지원을 받은 연구팀은 캘리포니아 모노 호수에서 발견된 GFAJ-1 박테리아가 인이 부족한 환경에서 비소를 DNA 구성에 사용할 수 있다고 발표했으나,[31][32] 이 주장은 발표 직후 실험 설계의 결함과 통제 부족 등을 이유로 학계의 강한 비판을 받았다.[33][34][35] 후속 연구들에서는 GFAJ-1이 비소를 DNA에 통합하는 대신, 극소량의 인을 효율적으로 재활용하거나[37] 주변에 존재하는 미량의 인을 사용하여 생존한다는 결과가 나왔다.[36]
광합성 방식 또한 다르게 진화할 수 있다. 지구 식물은 주로 녹색이지만, 다른 항성의 빛 조건에서는 다른 색소 시스템이 더 효율적일 수 있다. 물리학자들은 다른 색깔의 식물도 광합성이 가능하며, 지구와 다른 종류의 항성 방사선을 받는 환경에서는 노란색이나 붉은색 식물이 더 흔할 수 있다고 본다.[79][80] 예를 들어, 레티날을 이용한 광합성(주로 보라색을 띰)도 실제로 관찰된다.[6]
더 나아가, 화학적 기반이 아닌 생명체의 진화 가능성도 탐구된다. 플라스마 속 먼지 입자가 특정 조건에서 스스로 조직화되어 생명과 유사한 나선 구조를 형성하고 복제할 수 있다는 컴퓨터 모델링 연구가 있다.[88][89] 또한, 우주 끈과 자기 단극자로 이루어진 생명체가 별 내부에서 진화하여 RNA나 DNA와 유사한 복잡한 구조를 형성하고, 별의 에너지를 이용해 문명을 이룰 수도 있다는 가설도 제기되었다.[90] 지적 생명체가 중성자별과 같은 극한 환경에 존재할 수 있다는 추측도 있다.[91]
이처럼 다양한 대체 생화학의 진화 시나리오가 연구되고 있지만, 2022년 현재까지 탄소를 기반으로 하지 않는 생명체는 발견되지 않았다.[101]
5. 2. 대체 생명체 탐색 방법
물리학자들은 지구의 식물이 주로 녹색이지만, 다른 환경 조건에서는 다양한 색상의 식물도 광합성을 할 수 있다고 지적한다. 이는 외계 행성에서 생명체를 탐색할 때 고려할 수 있는 단서가 된다. 예를 들어, 지구와 다른 종류의 항성 빛을 받는 행성에서는 녹색 외에 노란색이나 빨간색 식물이 더 흔할 수 있다.[79][80] 파란색 식물은 상대적으로 드물 것으로 예상된다.[80] 또한, 레티날을 이용해 광합성을 하는 생명체도 존재할 수 있으며, 이 경우 보라색을 띨 가능성이 있다.[6] 이러한 다양한 색깔의 식물이나 생명체를 찾는 것은 분광학적 분석 등을 통한 탐색 방법의 하나가 될 수 있다.
우주생물학 분야에서는 우리가 아는 단백질, 지질, 탄수화물, 핵산 등 탄소 기반 유기화학 시스템 외에 다른 형태의 생화학 시스템 존재 가능성에 대한 이론 연구가 진행되고 있다.[101] 하지만 2022년까지 탄소를 기반으로 하지 않는 생명체는 발견되지 않았으며, 이는 대체 생명체 탐색이 아직 초기 단계에 있음을 보여준다.
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