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화학 합성 (생명과학)

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목차

1. 개요

화학 합성(Chemosynthesis)은 생명체가 무기물을 산화하여 얻는 화학 에너지를 이용하여 유기물을 합성하는 과정이다. 대형 튜브 벌레와 같은 생물들은 황화 수소를 이용하여 탄수화물과 아미노산을 생성하며, 이 과정에서 황을 생성하기도 한다. 1890년 세르게이 비노그라드스키는 화학 합성을 발견했으며, 1897년 빌헬름 페퍼가 "화학 합성"이라는 용어를 사용했다. 1977년 갈라파고스 열곡에서 열수구와 화학 합성 생태계가 발견되었고, 콜린 캐버노는 관벌레가 화학 합성 박테리아를 통해 열수구에서 생존한다는 것을 밝혀냈다. 화학 합성은 해양 지각에서도 일어나며, 해양 지각 내 화학 합성 생태계는 지구 생명체의 다양성과 생지화학적 순환에 중요한 역할을 한다. 현재 화학 합성은 생태학, 진화, 생물지리학 등 다양한 분야에서 연구되고 있으며, 혁신적인 기술 개발과 생물 자원 확보에 기여할 수 있다.

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화학 합성 (생명과학)
화학 합성 (생명 과학)
열수 분출구에 있는 관형 벌레
열수 분출구에 있는 관형 벌레
개요
정의무기 화합물의 에너지를 이용하여 유기물을 생성하는 생물학적 과정
에너지원무기 화합물 (예: 황화수소, 암모니아, 메탄)
탄소원이산화탄소 또는 메탄
주요 생물특정 세균 및 고세균
관련 어휘독립영양생물
화학 독립 영양 생물
상세
반응식 (예시)CO2 + 4H2S + O2 → CH2O + 4S + 3H2O
서식 환경심해 열수 분출구
냉수 침출 지역
지하 동굴
오일 저장소
생태적 중요성1차 생산자로서 독특한 생태계를 지탱
역사1880년대에 러시아의 식물학자 세르게이에 의해 발견
로마자 표기hwahak hapseong (saengmyeong gwahak)

2. 황화 수소 화학 합성 과정

심해 열수 분출공 주변과 같이 빛이 없는 환경에 서식하는 일부 생물들은 황화 수소(H2S)를 에너지원으로 이용하여 이산화 탄소(CO2)로부터 유기물을 합성하는 화학 합성 과정을 통해 살아간다. 이는 광합성이 빛 에너지를 사용하는 것과 대비되는 방식이다.[2][3]

대표적인 예로 대형 튜브 벌레(자이언트 튜브웜)는 몸 안의 영양체라는 특수한 기관에 공생하는 박테리아를 통해 화학 합성을 수행한다.[2][15] 이 박테리아는 황화 수소를 산화시켜 얻는 에너지를 이용해 이산화탄소를 고정하고, 탄수화물이나 아미노산과 같은 유기물을 만들어낸다.[2][15] 이 과정에는 황화 수소 외에도 산소[14]나 질산염 등이 에너지원으로 사용될 수 있다.[15]

황화 수소 화학 합성은 광합성이 산소(O2)를 부산물로 방출하는 것과 달리, 고체 상태의 황(S) 입자를 생성하는 특징을 가진다.[4][17] 이러한 황 생성 과정과 구체적인 화학 반응식에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.

2. 1. 화학 반응식

대형 튜브 벌레와 같은 생물은 체내 공생 박테리아를 이용하여 황화 수소(H2S)를 산화시켜 얻는 에너지로 이산화 탄소(CO2)를 고정하여 유기물(탄수화물, 아미노산 등)을 합성한다.[2][15] 이 과정은 영양체라는 특수 기관에서 일어난다.[2]

이때 에너지원으로 황화 수소 외에 산소[14]나 질산염을 사용하기도 한다.[15]

황화 수소를 이용한 화학 합성 반응식은 다음과 같다.[3][16]

:18H2S + 6CO2 + 3O2 → C6H12O6 (탄수화물) + 12H2O + 18S

이 반응은 광합성이 산소(O2)를 방출하는 것과 달리, 고체 황(S) 입자를 생성하는 특징이 있다. 자화 영양(화학 합성의 한 형태)이 가능한 박테리아, 예를 들어 자색 유황 세균[4]이나 홍색황세균[17]과 같은 경우, 세포질 내에 노란색 황 입자가 관찰될 수 있다.

2. 2. 황 생성

황화 수소(H₂S)를 이용한 화학 합성 과정에서는 황(S)이 생성된다.[2][3] 예를 들어, 대형 튜브 벌레(자이언트 튜브웜)는 몸 안의 영양체에 사는 박테리아를 통해 황화 수소를 에너지원(또는 전자원)으로, 산소[14]나 질산염을 에너지원으로 사용하여 이산화 탄소(CO₂)를 고정하고 탄수화물과 아미노산을 만드는데[2][15], 이 과정에서 황이 만들어지기도 한다. 대표적인 황화 수소 화학 합성 반응식은 다음과 같다.[3][16]

:18H2S + 6CO2 + 3O2 → C6H12O6 (탄수화물) + 12H2O + 18S

이 반응은 광합성이 이산화 탄소를 고정하며 산소(O₂) 기체를 방출하는 것과 달리, 고체 황 알갱이를 생성한다는 특징이 있다. 자색 유황 세균이나 홍색황세균과 같이[17] 화학 합성을 통해 스스로 양분을 만드는 자화 영양 세균의 경우[4], 세포질 안에 노란색 황 알갱이가 만들어져 관찰되기도 한다.

3. 화학 합성의 발견

거대 튜브 벌레(''Riftia pachyptila'')는 소화관 대신 화학 합성 세균을 포함하는 기관을 가지고 있다.


1890년, 러시아의 미생물학자 세르게이 비노그라드스키는 anorgoxydant|무기 산화제fra라고 불리는 새로운 유형의 생명 과정을 제안했다. 그의 발견은 일부 미생물이 무기물만으로 생존할 수 있다는 것을 시사했다. 비노그라드스키는 1880년대 스트라스부르와 취리히에서 황 세균, 철 세균, 질소 세균에 대한 생리학적 연구를 수행하는 동안 이러한 사실을 발견했다.

3. 1. 빌헬름 페퍼의 "화학 합성" 용어

1897년, 빌헬름 페퍼는 무기물의 산화에 의한 에너지 생성과 독립영양생물에 의한 이산화탄소 동화를 연결하여 "chemosynthesis|화학 합성영어"이라는 용어를 만들었으며, 이는 오늘날 "chemolithoautotrophy|화학 독립영양 성장영어"이라고 불린다. 이후 이 용어는 이산화탄소를 동화하기 위해 유기 에너지 기질을 사용하는 생물인 chemoorganoautotrophs|화학 유기 합성 독립영양생물영어을 포함하도록 확대되었다[18]. 따라서 chemosynthesis|화학 합성영어은 화학 합성 독립영양(chemoautotrophy영어)의 동의어로 간주될 수 있다.

3. 2. 앙드레 르포프의 "화학 영양" 용어

1940년대에 앙드레 르포프는 '화학 영양(chemotrophyeng)'이라는 용어를 도입했다.[6][7][19][20] 이 용어는 이전의 '화학 합성'보다 덜 제한적인 개념으로, 전자 공여체가 유기물이든 무기물이든 상관없이 산화시켜 에너지를 얻는 과정을 의미하며, 자가 영양(autotrophy)이나 종속 영양(heterotrophy)과 관련하여 사용된다.[6][7][19][20]

4. 열수구와 화학 합성

동태평양 해령의 열수 분출공. 검은 연기처럼 보이는 것은 미생물이 화학 합성을 통해 생성한 물질이다.


세르게이 비노그라드스키가 제시했던 화학 합성의 가능성은 약 90년이 지난 1970년대에 심해 열수 분출공이 발견되면서 실제로 확인되었다. 1977년, 세계 최초의 심해 잠수정인 앨빈호는 갈라파고스 열곡 탐사 중 해저에서 뜨거운 물이 솟아나는 온천과 함께 이전에는 알려지지 않았던 기묘한 생물들을 발견했다. 이 발견은 태양 빛이 전혀 도달하지 않는 심해 환경에서도 황화물 등을 이용한 화학 합성을 통해 에너지를 얻는 독자적인 생태계가 존재할 수 있음을 보여준 중요한 계기가 되었다.[8][21] 이 열수구 주변에는 화학 합성을 하는 미생물을 기반으로 관벌레, 새우, 게, 홍합 등 다양한 생물들이 복잡한 생태계를 이루고 있다.

4. 1. 콜린 캐버노의 연구

1977년, 심해 조사정 앨빈호가 갈라파고스 열곡에서 열수 분출공과 특이한 생물들을 발견했다. 이와 거의 같은 시기에, 당시 대학원생이었던 콜린 캐버노는 열수 분출공 근처에 서식하는 관벌레의 생존 방식에 대한 중요한 가설을 제시했다. 그는 관벌레가 황화물이나 황 원소를 산화시키는 화학 합성 세균과의 공생을 통해 에너지를 얻어 살아간다고 주장했다. 이후 캐버노는 자신의 가설이 옳다는 것을 실험을 통해 증명했으며, 이 연구는 화학 합성 생태계의 존재를 밝히는 데 결정적인 기여를 한 것으로 평가받아 널리 인정받고 있다.[8][21]

화학 합성의 중요성은 2004년 빌 나이가 진행한 텔레비전 프로그램 시리즈에서도 강조되었는데, 이 프로그램은 화학 합성을 "100대 과학적 발견" 중 하나로 선정했다.[9][10][22][23]

5. 해양 지각에서의 화학 합성

2013년, 두꺼운 퇴적층 아래 해양 지각의 암석 속에서 화학 합성을 통해 살아가는 박테리아가 발견되었다는 예비 연구 결과가 보고되었다.[11][24] 이 박테리아는 판 가장자리의 열수 분출공과는 다른 환경에 서식하며, 해양 지각을 구성하는 현무암 내 작은 틈으로 순환하는 해수가 암석 속 감람석과 반응하여 생성되는 수소를 이용하는 것으로 추정된다. 이들은 수소와 이산화탄소를 결합하여 메탄을 합성하며 생존하는 것으로 보인다.[11][24]

5. 1. 해양 지각 화학 합성의 중요성

2013년, 연구자들은 두꺼운 퇴적층 아래 해양 지각의 암석 속에서 박테리아를 발견했다고 보고했다. 이 박테리아는 판의 가장자리에서 형성되는 열수 분출공과는 다른, 독립적인 생태계를 이루고 있는 것으로 파악되었다. 예비 연구 결과에 따르면, 이 박테리아는 해양 지각을 구성하는 현무암 암석 내의 작은 틈을 순환하는 해수가 암석 속 감람석과 화학적으로 반응하여 생성되는 수소를 에너지원으로 삼아 살아간다. 이 박테리아는 수소와 이산화탄소를 결합하여 메탄을 합성하는 화학 합성 과정을 통해 생존한다.[11][24] 이러한 발견은 지구상 생명체가 서식할 수 있는 환경의 범위를 넓히고, 해양 지각 내부의 독특한 생지화학적 순환 과정을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.

6. 화학 합성 연구의 현재와 미래

화학 합성은 발견된 지 오랜 시간이 흘렀음에도 불구하고, 생지화학적 순환에서의 역할과 무기물을 유기물로 전환하는 능력 덕분에 오늘날에도 여전히 중요한 연구 분야이다. 특히 광합성이 불가능한 환경에서의 유기물 생산 가능성은 혁신 기술 개발, 생태계 보존 등 다양한 분야에서의 활용 잠재력을 보여준다. 이 분야의 선구자로는 세르게이 비노그라츠키(Sergei Winogradsky)가 있다.[12]

6. 1. 혁신적인 연구 분야

화학 합성은 발견된 지 100년이 넘었지만, 오늘날에도 생지화학적 순환에서 화학 원소의 변환에 있어 그 중요성이 여전하다. 특히, 암모니아를 질산으로 산화시키는 질화 세균의 중요한 과정은 지속적인 과학적 탐구와 추가 연구가 필요한 분야이다. 세균이 무기물을 유기물로 전환하는 능력은 화학 합성을 통해 인류에게 필요한 가치 있는 자원을 축적할 가능성을 보여준다.

다양한 환경에 존재하는 화학 합성 공동체는 생태학, 진화, 생물지리학적 측면에서 중요하게 다뤄진다. 또한, 이들 공동체는 영구적인 탄화수소 기반 에너지원의 존재 가능성을 보여주는 지표가 될 잠재력도 가지고 있다. 화학 합성을 하는 세균은 광합성이 불가능한 환경에서도 유기물을 생산하는 중요한 역할을 한다. 고온성 황산염 환원 세균인 ''Thermodesulfovibrio yellowstonii''와 같은 화학 합성 생물의 발견 및 분리는 이 분야의 추가 연구에 대한 새로운 가능성을 열어주고 있다. 따라서 화학 합성은 혁신적인 기술 개발, 생태계 보존, 그리고 인류의 삶 전반에 걸쳐 중요한 역할을 계속할 것으로 기대된다. 세르게이 비노그라츠키(Sergei Winogradsky)는 화학 합성 현상을 발견하는 데 기여했다.[12]

6. 2. 화학 합성 생물의 활용

화학 합성 생물은 무기물을 유기물로 전환하는 능력을 가지고 있어, 이를 통해 인류에게 필요한 가치 있는 자원을 축적하는 데 활용될 잠재력을 지닌다. 이러한 능력은 특히 광합성이 불가능한 환경에서 유기물을 생산할 수 있다는 점에서 중요하다. 예를 들어, 암모니아를 질산으로 산화시키는 질화 세균의 과정은 생지화학적 순환에서 화학 원소 변환에 중요한 역할을 하지만, 여전히 과학적 근거 마련과 추가 연구가 필요한 분야이다.

다양한 환경에 존재하는 화학 합성 공동체는 생태학, 진화, 생물지리학적 측면에서 중요하게 연구되며, 영구적인 탄화수소 기반 에너지원의 존재 가능성을 나타내는 지표로서의 역할도 기대된다. 고온성 황산염 환원 세균인 ''Thermodesulfovibrio yellowstonii'' 와 같은 새로운 화학 합성 생물의 발견은 관련 연구의 새로운 가능성을 열어주고 있다.

이처럼 화학 합성은 혁신적인 기술 개발, 생태계 보존, 그리고 인류의 삶 전반에 걸쳐 중요하게 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 화학 합성 현상의 발견에는 세르게이 비노그라츠키(Sergei Winogradsky)가 기여한 바 있다.[12]

6. 3. 한국의 화학 합성 연구 방향

화학 합성은 100년 이상 알려진 과정이지만, 오늘날에도 생지화학적 순환에서 화학 원소 변환에 중요한 역할을 한다. 특히, 암모니아를 질산으로 산화시키는 질화 세균의 과정은 과학적 근거와 추가 연구가 필요한 중요한 분야이다. 세균이 무기물을 유기물로 전환하는 능력은 화학 합성을 통해 인류에게 필요한 자원을 축적할 가능성을 보여준다.

다양한 환경에 존재하는 화학 합성 공동체는 생태학, 진화, 생물지리학적 측면에서 중요하며, 영구적인 탄화수소 기반 에너지원의 존재 가능성을 보여주는 지표가 될 수도 있다. 화학 합성 과정에서 세균은 광합성이 불가능한 환경에서도 유기물을 생산할 수 있다. 고온성 황산염 환원 세균인 ''Thermodesulfovibrio yellowstonii'' 와 같은 새로운 화학 합성 생물의 발견은 이 분야의 추가 연구 가능성을 열어준다. 따라서 화학 합성은 혁신적인 기술 개발, 생태계 보존, 그리고 인류의 삶 전반에 걸쳐 그 중요성을 유지하고 있다. 세르게이 비노그라츠키 (Sergei Winogradsky)는 화학 합성 현상을 발견하는 데 기여한 과학자이다.[12]

참조

[1] 서적 Terrestrial microbes as candidates for survival on Mars and Europa Springer
[2] 서적 Biotechnology for Environmental Management and Resource Recovery https://books.google[...] Springer
[3] 웹사이트 Chemolithotrophy {{!}} Boundless Microbiology https://courses.lume[...] 2020-04-11
[4] 서적 The Purple Phototrophic Bacteria Springer 2009
[5] 간행물 Autotrophy as a predominant mode of carbon fixation in anaerobic methane-oxidizing microbial communities
[6] 서적 The Prokaryotes Springer
[7] 서적 Marine Ecology
[8] 간행물 Prokaryotic Cells in the Hydrothermal Vent Tube Worms ''Riftia'' Jones: Possible Chemoautotrophic Symbionts
[9] 웹사이트 100 Greatest Discoveries (2004–2005) https://www.imdb.com[...] 2022-05-11
[10] 웹사이트 Greatest Discoveries http://science.disco[...] 2022-05-11
[11] 웹사이트 Life deep within oceanic crust sustained by energy from interior of Earth https://www.scienced[...] 2013-03-14
[12] 간행물 Chemosynthesis: a history of innovation https://infusion-che[...] 2022-07-24
[13] 서적 Terrestrial microbes as candidates for survival on Mars and Europa Springer
[14] 간행물 Oxygen Is the High-Energy Molecule Powering Complex Multicellular Life: Fundamental Corrections to Traditional Bioenergetics
[15] 서적 Biotechnology for Environmental Management and Resource Recovery https://books.google[...] Springer
[16] 웹사이트 Chemolithotrophy {{!}} Boundless Microbiology https://courses.lume[...] 2020-04-11
[17] 서적 The Purple Phototrophic Bacteria Springer 2009
[18] 간행물 Autotrophy as a predominant mode of carbon fixation in anaerobic methane-oxidizing microbial communities
[19] 서적 The Prokaryotes Springer
[20] 서적 Marine Ecology
[21] 간행물 Prokaryotic Cells in the Hydrothermal Vent Tube Worms ''Riftia'' Jones: Possible Chemoautotrophic Symbionts
[22] 웹사이트 100 Greatest Discoveries (2004–2005) https://www.imdb.com[...] 2022-05-11
[23] 웹사이트 Greatest Discoveries http://science.disco[...] 2022-05-11
[24] 웹사이트 Life deep within oceanic crust sustained by energy from interior of Earth https://www.scienced[...] 2013-03-14


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