밀러와 유리의 실험

3. 실험 과정

밀러-유리 실험은 밀폐된 유리 플라스크와 튜브로 연결된 순환 장치를 사용하였다. 실험에는 물(H₂O), 메테인(CH₄), 암모니아(NH₃), 수소(H₂)가 사용되었으며, 이는 당시 과학자들이 추정했던 원시 지구 대기의 조성을 반영한다.^[91][92] 한쪽 플라스크에는 물을 반쯤 채우고 가열하여 수증기를 발생시켰고, 다른 플라스크에는 한 쌍의 전극을 설치하여 전기 방전을 일으켜 낙뢰를 모방하였다. 수증기와 기체 혼합물은 전기 방전을 통과하면서 반응하고, 냉각기를 거쳐 다시 액체 상태로 돌아가 순환하는 과정을 반복하였다.

4. 실험 결과 및 해석

밀러와 유리의 실험은 무기물에서 유기물, 특히 생명체의 기본 구성 요소인 아미노산이 생성될 수 있음을 실험적으로 증명하였다.^[3] 실험 결과, 글리신, α-알라닌, β-알라닌이 확인되었고, 아스파르트산과 α-아미노부티르산 (AABA)도 생성되었을 가능성이 있다.^[3] 생성된 유기물은 단순한 분자들이었지만, 생명체를 구성하는 복잡한 유기물도 자연적인 과정을 통해 형성될 수 있다는 가능성을 제시하였다.

5. 의의 및 비판

밀러-유리 실험은 무기물에서 유기물이 생성되는 과정을 최초로 규명하여, 생명 기원 연구의 새로운 지평을 열었다.^[103] 이 실험은 원시 대기 환경을 모방하여 아미노산 합성에 필요한 에너지가 번개와 같은 방전을 통해 공급될 수 있음을 보여주었다. 이는 자연 환경에서도 아미노산 합성이 충분히 가능함을 시사한다.

19세기까지는 곤충이나 설치류와 같은 "하등" 동물이 부패 물질에서 발생한다는 자연 발생설이 받아들여졌다.^[10] 그러나 루이 파스퇴르의 백조 목 플라스크 실험^[11] 등으로 생명체가 부패 물질에서 발생한다는 이론은 반증되었다. 찰스 다윈은 종의 기원에서 생물학적 진화의 메커니즘을 설명하면서,^[12] 최초의 생물에 대해 "어떤 따뜻한 작은 웅덩이에서 암모니아와 인산염, 빛, 열, 전기가 모두 존재하고, 단백질 화합물이 화학적으로 형성되어 훨씬 더 복잡한 변화를 겪을 준비가 되었다고 상상할 수 있다면 [...]"^[13]라고 추측했다.

이후 프리드리히 뵐러의 요소 합성,^[14] 알렉산더 부틀레로프의 당 합성, 아돌프 슈트레커의 아미노산 알라닌 합성^[15] 등 유기 분자가 무기물에서 형성될 수 있음을 보여주는 연구들이 이어졌다. 1920년대에는 알렉산드르 오파린과 J. B. S. 홀데인의 "원시 수프" 가설이 등장했는데, 이는 초기 지구의 환원성 대기에서 햇빛이나 번개로 유기 합성이 촉진되어 생명이 나타날 때까지 해양이 유기 분자로 농축되었을 것이라는 가설이다.^[20]

이러한 배경 속에서 밀러-유리 실험은 1952년에 수행되었으며, 메탄(CH₄), 암모니아(NH₃), 수소(H₂)를 2:2:1 비율(수소 1)로 혼합한 기체에 전기 방전을 가하여 글리신, α-알라닌, β-알라닌 등 5가지 아미노산을 합성하는 데 성공했다.^[3]

이후 RNA 합성 실험 등을 통해 밀러-유리 실험 결과가 재입증되었으며,^[102] 현대 원시 생명 탄생 모델 연구의 기초가 되고 있다.^[100] 초기 지구의 대기가 수소, 메테인, 암모니아 등 환원성 기체로 이루어졌다는 최근 증거들은 밀러-유리 실험이 올바른 환경에서 이루어졌음을 보여준다.^[100]

그러나 밀러-유리 실험에 대한 비판도 존재한다.

• 라세미 혼합물: 생성된 아미노산이 라세미 혼합물(L형과 D형 아미노산이 모두 포함)이라는 점은 생명체가 주로 L형 아미노산을 사용한다는 사실과 부합하지 않는다는 비판이 있다.^[77] 그러나 호모키랄성의 기원은 생명 기원 연구의 별도 영역이며,^[81] 자성 광물 표면이 키랄 분자의 거울상 선택성 결정화를 위한 템플릿이 될 수 있다는 연구 결과도 있다.^[82][83]
• 초기 지구 대기 조성: 초기 지구 대기 조성이 밀러와 유리가 가정한 것과 다를 수 있다는 점도 비판의 대상이 된다. 초기 지구 대기가 이산화 탄소나 질소 산화물 등의 산화성 기체가 주성분이었을 것으로 추정되면서, 유기물 합성이 매우 어렵기 때문에 밀러-유리 실험이 과거의 것으로 여겨지기도 한다.

6. 이후의 연계 실험

스탠리 밀러는 기체 크로마토그래피를 이용하여 원시 대기에 관한 연구를 계속하였고, 사망 시까지 연구를 지속하였다.^[104] 밀러 사후, 그의 제자이자 동료였던 제프리 베다는 밀러의 유품에서 1950년대 실험 샘플을 발견하였다. 베다는 최신 분석 장비를 통해 당시 밀러가 확인했던 것보다 더 많은 유기 분자(아미노산 22종, 아민 5종)가 있음을 확인하여 2008년 '사이언스'에 발표하였다.^[104]

2008년, 제프리 베다는 화산 분출 구조와 스파크를 이용한 실험을 통해 더 다양한 아미노산이 발견됨을 보고하였다.^[105] 이 실험에는 고출력의 액체 크로마토그래피와 질량분석기 등이 이용되었다. 그 결과 22가지 아미노산, 5종류의 아민을 비롯한 수많은 수산화물이 생성되었다. 2010년에는 황화수소 스파크 실험을 통해 황을 포함한 아미노산 등 다양한 유기물이 생성됨이 확인되었다. 발견된 아미노산은 아래 표와 같다.

시드니 폭스 등의 과학자들은 아미노산과 같은 단순 유기물에서 폴리펩타이드, 핵산과 같은 복잡한 유기물이 합성될 수 있음을 실험적으로 증명하였다.

7. 초기 지구 대기 논쟁

밀러-유리 실험 당시 해럴드 유레이는 초기 지구 대기가 메탄(CH₄), 암모니아(NH₃), 수소(H₂) 등으로 구성된 환원성 대기일 것이라고 추정했다.^[23] 이는 알렉산드르 오파린과 J. B. S. 홀데인의 "원시 수프" 가설에 따른 것이었다.^[20]

그러나 이후 지구물리학 연구가 발전하면서 초기 지구 대기는 이산화 탄소(CO₂)나 질소 산화물 등이 주성분인 산화성 기체였을 가능성이 제기되었다.^[91] 산화적인 대기에서는 유기물 합성이 어렵기 때문에, 밀러-유리 실험의 결과는 더 이상 초기 지구 환경을 반영하지 못하는 것으로 여겨지게 되었다.

하지만 스탠리 밀러와 다른 연구자들은 다양한 대기 조성을 시험하며 실험을 반복했다.^[53] 그 결과, 혼합물에 암모니아(NH₃)가 있거나 없어도 아미노산 생성량에는 큰 차이가 없었고, 메탄(CH₄)이 높은 수율을 얻는 데 중요한 성분임을 발견했다.^[53] 이산화 탄소(CO₂)를 사용했을 때 수율은 낮았지만, 높은 H₂/CO₂ 비율에서는 비슷한 수율을 얻을 수 있었다.^[53]

제프리 바다는 CO₂와 N₂가 풍부한 대기에서 아미노산을 파괴하는 아질산염이 생성되어 아미노산 수율이 낮다고 추정했다.^[54] 그러나 탄산 칼슘으로 완충하고 아스코르브산을 첨가하면 덜 환원적인 대기에서도 아미노산이 잘 생성됨을 발견하여,^[54] 지구화학적 조건에 따라 중성적인 대기에서도 아미노산이 형성될 수 있음을 보여주었다.

최근 연구에 따르면, 대규모 충돌 사건으로 인해 일시적으로 환원성 대기가 형성되었을 가능성도 제기되고 있다.

8. 외계 생명체와 관련된 연구

밀러-유리 실험과 비슷한 조건이 태양계 다른 지역에도 존재하며, 번개 대신 자외선을 에너지원으로 사용하기도 한다.^[67][68][69] 1969년 오스트레일리아 빅토리아 주 머치슨 근처에 떨어진 머치슨 운석에서는 밀러-유리 실험의 생성물과 매우 비슷한 아미노산 분포가 발견되었다.^[27] 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석법으로 머치슨 운석의 유기물을 분석한 결과, 10억 분의 1(ppb)에서 100만 분의 1(ppm) 정도의 매우 낮은 농도지만 10,000개 이상의 고유한 화합물이 검출되었다.^[70][71][72] 이러한 발견은 머치슨 운석의 유기 성분이 지구 밖에서 일어난 밀러-유리 합성을 통해 만들어졌다는 증거로 여겨진다.

혜성과 태양계 외곽의 얼음 천체는 밀러-유리 실험과 유사한 과정을 거쳐 형성된 다량의 복잡한 탄소 화합물(톨린 등)을 포함하고 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 물질은 해당 천체 표면을 어둡게 만든다.^[52][73] 일부 학자들은 초기 지구에 충돌한 혜성이 물, 휘발성 물질과 함께 다량의 복잡한 유기 분자를 지구에 가져왔을 것이라고 주장하지만,^[74][75] 생물학적으로 관련된 물질의 농도가 매우 낮고, 충돌 과정에서 유기물이 살아남을 수 있는지 불확실하여 이를 정확히 파악하기는 어렵다.^[15]

참조

_[1] 논문 The catalytic potential of cosmic dust: implications for prebiotic chemistry in the solar nebula and other protoplanetary systems https://www.liebertp[...]
_[2] 논문 The analysis of comet mass spectrometric data
_[3] 논문 Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions http://www.abenteuer[...] 2011-01-17
_[4] 논문 Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth
_[5] 논문 The 1953 Stanley L. Miller Experiment: Fifty Years of Prebiotic Organic Chemistry
_[6] 웹사이트 The Spark of Life http://www.bbc.co.uk[...] 2009-08-26
_[7] 논문 New insights into prebiotic chemistry from Stanley Miller's spark discharge experiments https://semanticscho[...]
_[8] 논문 Creation and Evolution of Impact-generated Reduced Atmospheres of Early Earth 2020-05-01
_[9] 논문 Origin-of-life Molecules in the Atmosphere after Big Impacts on the Early Earth 2023-09-01
_[10] 서적 Astrobiology and Planetary Missions 2005-08-18
_[11] 웹사이트 Pasteur's "col de cygnet" (1859) https://www.immunolo[...] 2022-05-27
_[12] 서적 On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life John Murray
_[13] 문서 Darwin Correspondence Project, "Letter No. 7471" http://www.darwinpro[...] 1871
_[14] 문서 Ueber künstliche Bildung des Harnstoffs 1828
_[15] 문서 Prebiotic chemistry on the primitive Earth 2006
_[16] 문서 Über das Verhalten des Formamids unter der Wirkung der stillen Entladung Ein Beitrag zur Frage der Stickstoff‐Assimilation 1913
_[17] 서적 Life's origin: the beginnings of biological evolution Univ. of California Press 2002
_[18] 문서 Die Verbreitung des Lebens im Weltenraum 1903
_[19] 논문 Historical Development of Origins Research 2010-11-01
_[20] 간행물 Preface: The origin of life and astrobiology Elsevier 2020
_[21] 웹사이트 Harold C. Urey – Biographical https://www.nobelpri[...] NobelPrize.org 2023-11-13
_[22] 웹사이트 Harold C. Urey https://www.nndb.com[...] 2023-11-13
_[23] 논문 On the Early Chemical History of the Earth and the Origin of Life 1952-04-01
_[24] 논문 Stanley L. Miller (1930–2007): Reflections and Remembrances https://doi.org/10.1[...] 2008-10-01
_[25] 논문 The 1953 Stanley L. Miller Experiment: Fifty Years of Prebiotic Organic Chemistry https://doi.org/10.1[...] 2003-06-01
_[26] 잡지 The elusive origins of life New Scientist 2023-11-06
_[27] 뉴스 A Conversation With Jeffrey L. Bada: A Marine Chemist Studies How Life Began https://www.nytimes.[...] 2010-05-17
_[28] 뉴스 Astrobiology Collection: Miller-Urey Apparatus http://www.dmns.org/[...] Denver Museum of Nature & Science
_[29] 논문 The mechanism of synthesis of amino acids by electric discharges https://dx.doi.org/1[...] 1957-01-01
_[30] 서적 Planets and life: the emerging science of astrobiology Cambridge University Press 2007
_[31] 논문 Chemical evolution. XXVI. Photochemistry of methane, nitrogen, and water mixtures as a model for the atmosphere of the primitive earth https://pubs.acs.org[...] 1975
_[32] 논문 A Chemical Kinetics Network for Lightning and Life in Planetary Atmospheres 2016-05-23
_[33] 논문 The chemistry of planetary atmospheres https://pubs.acs.org[...] 1976
_[34] 논문 PRIMARY PRODUCTS OF LIQUID WATER PHOTOLYSIS AT 1236, 1470 AND 1849 Å https://onlinelibrar[...] 1968
_[35] 논문 A Critical Review of the Gas-Phase Reaction Kinetics of the Hydroxyl Radical https://doi.org/10.1[...] 1972-04-01
_[36] 논문 The reaction of O( 1 D ) with CH 4 https://onlinelibrar[...] 1972
_[37] 논문 Photochimie du méthanol en phase vapeur A 1 236 et A 1 849 Å https://jcp.edpscien[...] 1965
_[38] 논문 Prebiotic Chemistry: What We Know, What We Don't 2012
_[39] 논문 Photochemistry and Spectral Characterization of Temperate and Gas-rich Exoplanets 2021-11-01
_[40] 논문 Prebiotic Adenine Revisited: Eutectics and Photochemistry https://doi.org/10.1[...] 2004
_[41] 논문 A Closer Look at Reactions in the Miller-Urey-Experiment using Coupled Gas Chromatography – Mass Spectrometry https://www2.physik.[...] 2019-12
_[42] 서적 History of Shock Waves, Explosions and Impact: A Chronological and Biographical Reference Springer-Verlag
_[43] 뉴스 Looking Back Two Billion Years http://timesmachine.[...] 2023-11-14
_[44] 논문 The Reaction Occurring in CO₂, ₂O Mixtures in a High-Frequency Electric Arc 1953-07
_[45] 서적 Prebiotic Chemistry and Life's Origin 2022
_[46] 논문 Synthesis of purines under possible primitive earth conditions. I. Adenine from hydrogen cyanide 1961-08
_[47] 논문 Amino-acid synthesis from hydrogen cyanide under possible primitive earth conditions 1961-04
_[48] 서적 Origins of Prebiological Systems and of Their Molecular Matrices New York Academic Press
_[49] 논문 Formation of nucleobases in a Miller–Urey reducing atmosphere 2017-04-25
_[50] 논문 Oxygen and ozone in the early Earth's atmosphere https://dx.doi.org/1[...] 1983-06-01
_[51] 논문 Synthesis of organic compounds from carbon monoxide and water by UV photolysis https://doi.org/10.1[...]
_[52] 논문 Tholins: organic chemistry of interstellar grains and gas https://www.nature.c[...] 1979
_[53] 논문 The atmosphere of the primitive earth and the prebiotic synthesis of organic compounds https://dx.doi.org/1[...] 1983-01-01
_[54] 논문 A Reassessment of Prebiotic Organic Synthesis in Neutral Planetary Atmospheres http://link.springer[...] 2008
_[55] 논문 The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment https://www.science.[...] 2008-10-17
_[56] 논문 Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H 2 S-rich spark discharge experiment 2011-04-05
_[57] 논문 Plasma modeling and prebiotic chemistry: A review of the state-of-the-art and perspectives 2021-06-16
_[58] 논문 The role of borosilicate glass in Miller–Urey experiment 2021-10-25
_[59] 논문 Earth's Earliest Atmospheres 2010-10-01
_[60] 서적 Atmospheric Evolution on Inhabited and Lifeless Worlds https://www.cambridg[...] Cambridge University Press 2017
_[61] 간행물 Development of the Hydrosphere and Atmosphere, with Special Reference to Probable Composition of the Early Atmosphere https://doi.org/10.1[...] 2023-11-15
_[62] 논문 Widespread mixing and burial of Earth's Hadean crust by asteroid impacts https://www.nature.c[...] 2014
_[63] 문서 Escape of Atmospheres to Space Cambridge University Press 2017
_[64] 논문 A Hydrogen-Rich Early Earth Atmosphere https://www.science.[...] 2005-05-13
_[65] 논문 Effective hydrodynamic hydrogen escape from an early Earth atmosphere inferred from high-accuracy numerical simulation https://www.scienced[...] 2013-08-01
_[66] 논문 Strange messenger: A new history of hydrogen on Earth, as told by Xenon https://www.scienced[...] 2019-01-01
_[67] 논문 Evolution of the atmosphere
_[68] 논문 Organic syntheses in gas phase and chemical evolution in planetary atmospheres.
_[69] 논문 Prebiotic-like chemistry on Titan
_[70] 논문 High molecular diversity of extraterrestrial organic matter in Murchison meteorite revealed 40 years after its fall 2010-02-16
_[71] 논문 Summary and implications of reported amino acid concentrations in the Murchison meteorite https://dx.doi.org/1[...] 1990-11-01
_[72] 논문 A new family of extraterrestrial amino acids in the Murchison meteorite 2017-04-04
_[73] 논문 Coloration and darkening of methane clathrate and other ices by charged particle irradiation: applications to the outer solar system 1987-12-01
_[74] 논문 Amino acid survival in large cometary impacts 2010
_[75] 논문 Endogenous production, exogenous delivery and impact-shock synthesis of organic molecules: an inventory for the origins of life https://www.nature.c[...] 1992
_[76] 논문 Evolution of amino acid frequencies in proteins over deep time: inferred order of introduction of amino acids into the genetic code http://mbe.oupjourna[...] 2002-10-01
_[77] 웹사이트 Why the Miller Urey research argues against abiogenesis https://creation.com[...] 2023-11-15
_[78] 논문 On the origins of life's homochirality: Inducing enantiomeric excess with spin-polarized electrons 2022-07-12
_[79] 서적 Lehninger principles of biochemistry W.H. Freeman 2017
_[80] 논문 Conducting Miller-Urey Experiments https://www.jove.com[...] 2014-01-21
_[81] 논문 The Origin of Biological Homochirality 2019
_[82] 논문 Origin of biological homochirality by crystallization of an RNA precursor on a magnetic surface 2023-06-09
_[83] 논문 Chirality-induced avalanche magnetization of magnetite by an RNA precursor 2023-10-10
_[84] 논문 The central dogma of biological homochirality: How does chiral information propagate in a prebiotic network? https://pubs.aip.org[...] 2023-08-14
_[85] 논문 From soup to peptides https://www.nature.c[...] 2019
_[86] 논문 In situ observation of peptide bond formation at the water–air interface 2012-09-25
_[87] 간행물 Bernal's Conception of Origins of Life Springer, Berlin, Heidelberg 2011
_[88] 논문 Mineral surface chemistry control for origin of prebiotic peptides 2017-12-01
_[89] 논문 Peptide ligation by chemoselective aminonitrile coupling in water https://www.nature.c[...] 2019
_[90] 논문 A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions 1953
_[91] 논문 Organic Compound Synthes on the Primitive Eart: Several questions about the origin of life have been answered, but much remains to be studied 1959
_[92] 문서 惑星の低温凝集説という。対立する説として高温凝集説があり、近年ではそちらの方が有力な説とされる。
_[93] 논문 Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions http://www.abenteuer[...] 2011-01-17
_[94] 논문 Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth https://archive.org/[...] 1959
_[95] 논문 The 1953 Stanley L. Miller Experiment: Fifty Years of Prebiotic Organic Chemistry 2004
_[96] 웹인용 The Spark of Life http://www.bbc.co.uk[...] 2009-08-26
_[97] 논문 New insights into prebiotic chemistry from Stanley Miller's spark discharge experiments https://semanticscho[...] 2013
_[98] 논문 Creation and Evolution of Impact-generated Reduced Atmospheres of Early Earth 2020-05-01
_[99] 논문 Origin-of-life Molecules in the Atmosphere after Big Impacts on the Early Earth 2023-09-01
_[100] 문서 Earth's early atmosphere. 1993
_[101] 문서 The development of the atmosphere. British Museum, London 1981
_[102] 문서 http://www.pnas.org/[...]
_[103] 문서 Henahan, Sean, 1996. From primordial soup to the prebiotic beach: An interview with exobiology pioneer, Dr. Stanley L. Miller. http://www.accessexc[...]
_[104] 문서 과학동아 2011년 11월 호 동아사이언스 2011
_[105] 논문 New insights into prebiotic chemistry from Stanley Miller's spark discharge experiments https://archive.org/[...] 2013