천문학 자 팀은 올해 부모 별 주위에 소위 골드 락 (Goldilocks) 구역을 끄는 8 개 이상의 행성을 발견했다고 발표했다. Kepler-438B와 Kepler-442B라고 불리는이 중 두 가지는 현재 존재하는 것으로 알려진 1,900 정도의 외계인 (태양계 외부 행성) 중에서 볼 수있는 가장 지구와 같은 후보자입니다.
"지구 같은"은 부분적으로 행성이 액체 물을 운반 할 가능성이 높다는 것을 의미합니다. 우주의 다른 곳에서 생명의 징후를 추구하는 우주 생물 학자들에게“물을 따르라”는 만트라가되었습니다. 외계 행성의 대기에서 반사 된 빛에서 물의 특징적인 지문을 감지하는 새로운 능력으로 인해 일부 천문학 자들은 곧 생명을주는 세상을 발견하기를 희망합니다.
그러나 액체 물은 실제로 생명에 필요합니까?
그것이 믿음에 오랜 역사가 있습니다. 1913 년에 하버드 생화학 자 로렌스 헨더슨 (Lawrence Henderson)은 다윈의 진화에 대한 호기심 많은 역전을 제안했으며, 여기서 유기체는 적응에 의해 그들의 환경에“적합”되었다. Henderson 's Book The Fitness of the Environment 우주 환경은 그 자체가 생명을 주최하기에 독특하게 "적합하다"고 주장했다.
헨더슨은 특히 물이 생명의 용매로 독특하게 설계된 것처럼“생체 중심적”속성으로 가득 찬 것처럼 보였다. 지구상에서 전혀 액체라는 사실은 보이는 것보다 더 특이합니다. 메타탄, 황화수소, 암모니아, 염화 수소와 같은 다른 간단한 수소 분자는 실온 및 압력의 모든 가스이지만 "산소 수 소화물"H 2 는 아닙니다. O. 여분의 끈적 끈적한 결합 물 분자가 함께있는 것 같습니다.
물은 열 용량이 높기 때문에 (온도가 크게 증가하지 않고 많은 열을 흡수 할 수 있기 때문에) 해류는 막대한 양의 태양열을 재분배하고 행성 조건을보다 균일하고 안정적으로 만들 수 있습니다. 또한, 대부분의 액체는 얼어 붙을 때 수축하고 밀도가 높지만 얼음은 팽창하고 부유합니다. 결과적으로 연못은 바닥에서 고체를 얼지 않고 해동하기가 거의 불가능 해집니다. 대신, 얼어 붙은 뚜껑은 아래의 물을 절제합니다.
물은 또한 광범위한 물질을 녹여 필수 영양소와 요소를 필요로하는 유기체에 운반하는 데 도움이됩니다. 물의 탁월한 이온 (전기 하전 원자 및 분자)을 호스트하는 능력이 없으면 광합성이나 신경 자극이 없을 것입니다. 물의 표면 장력이 크면 모세관 작용을 통해 SAP가 멀리 떨어진 곳으로 올라갈 수 있으므로 식물이 키가 크게 서있을 수 있습니다.
이것은 깊이 당황했습니다. 어떻게 환경 피트니스를 얻으시겠습니까? 결국, 물, 암석, 공기 등 행성의 화학 성분은 다윈의 피트니스를 달성하기위한 핵심 속성 인 돌연변이 및 재생산이 아닙니다. 그러나 이러한 물의 중요한 속성 중 일부는 이전에 언급되어 왔습니다. 19 세기 중반, 몇몇 영국 학자들은 Bridgewater의 백작에 의해“창조에 나타난 힘, 지혜, 선하심”을 보여주는 일련의 책을 썼다. 즉, 과학의 발견에서 하나님의 지혜가 어떻게 자연 신학이라는 객관적이라는 책을 보여주기 위해 일련의 책을 썼다. 1834 년에 출판 된이 Bridgewater 논문 중 하나에서 영국 화학자 William Prout은 동결 지점에 가까운 액체 물의 확장 이이 신성한 섭리의 예라고 주장했다.
.헨더슨은 하나님 께 근거를 할 준비가되어 있지 않았지만 물의 명백한“피트니스”에 대한 대안적인 설명을 찾기가 쉽지 않다는 것을 인정했다. 그가 말할 수있는 것은“이러한 우연의 일치에 대한 단일 설명이 현재의 가설과 법률에서 발생할 수 있기를 희망하는 근거가 거의 없었다”는 것이었다. 그들이 이해해야한다면, 그는“연구가 물질의 속성에 대한 수수께끼에 훨씬 더 깊이 침투했을 때 미래에있을 것이다.”
.Henderson이 상상했던 것보다 훨씬 더 놀랍고 복잡하다는 것을 알고있는 물과 생명 사이의 호환성을 보여준 이후의 세기 정도의 연구. 그러나 그것은 또한 관계가 특히 배타적이지 않을 수 있음을 보여 주었다. 생명과 물 사이의 이상한 조화는 다윈의 진화에 의해 가능해진 놀라운 적응성의 또 다른 예일 수있다.
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현대의 관점에서, 물은 생명의 생체 분자가 드라마를 연주하는 수동적 배경과는 거리가 멀다. 대신에 적극적인 참가자입니다. 수소 결합이라고 불리는 물 분자 사이의 약한 화학적 결합의 섬세한 웹은 액체의 태피스트리로 짜는 방식으로 생체 분자 주위에 드레이프됩니다. 이것은 상호 반응하는 춤에서 용매와 생체 분자 용질을 통합합니다. 생화학 적 반응을 촉매하는 작업을 수행하려면 단백질은 올바른 경로를 따라 반응을 안내 할 때 다소 유연하고 변화하는 형태 여야합니다. 그러나 이러한 형태 변화는 주변 물 껍질을 다시 몰고 반면, 물의 흔들림과 변동은 단백질에 "주입"합니다.
이러한 상호 작용은 놀랍게도 미묘 할 수 있습니다. 예를 들어, 독일의 Ruhr University와 이스라엘의 Weizmann Science Institute의 연구원들은 단백질이 표적 분자 (기질이라고 함)에 결합하기 위해 대상 분자 (기질이라고 함)에 결합 된 물 분자가 속도를 낮추기 위해 거의 느려지는 것처럼 보인다는 것을 발견했습니다. 그리고 에너지와 엔트로피의 미묘한 이익과 손실이 있으며, 수소 결합의 양의 변화와 물 분자가 움직일 수있는 자유와 관련하여, 수많은 정교하게 조정되고 고도로 선택적인 생화학 적 과정을 지시하고 운전할 수 있습니다.
.이들은 물이 구석 및 기질로부터 배출되어 기질을위한 공간을 만들 때 효소의 표적 분자 또는 기질과의 결합을 포함한다; 새로 만든 단백질 사슬을 효소의 소형 형태로 접는 것; 단백질을 다중 부분 생체 분자 기계로 조립하고; 및 지방 지질 분자의 세포막으로의 조립. 이러한 각 과정은 물에 침수가 어떻게 든 분자의 물 반복 (소수성) 부분 사이의 매력적인 힘을 유발한다는 사실로부터 혜택을받습니다.
물 분자는 종종 단백질 표면에 부착 된 스냅 온 도구처럼 작용하여 효소의 도달 범위를 확장하고 소분자를 결합하거나 수송하는 데 도움이됩니다. 및 효소의 채널을 통한 물 분자의 사슬은 수소 이온을 전도 할 수있는 "양성자 와이어"로 작용하여 세포가 수소 원자를 새로운 위치 또는 새로운 분자로 이동 시키거나, 물의 흐름을 언덕 아래에 활용하는 것처럼 에너지를 생성 할 수있는 수소 이온 농도로 구축 및 배출 할 수있게한다. DNA의 이중 나선 사이에 실린 물 분자 웹의 작은 변화는 분자가 얼마나 쉽게 구부러지고 단백질이 유전자의 활성을 켜고 끄기 위해 단백질을 붙이는 방법에 영향을 줄 수 있습니다.
이 모든 것은 삶에서 물의 역할이 헨더슨이 인정받을 수있는 것보다 훨씬 더 복잡하고 포괄적이라는 것을 보여줍니다. 그러나 그것이 물에 얼마나 독특하고, 삶은 그러한 능력에 어느 정도 의존 하는가? 소수성 인력과 같은 물의 역할 중 일부는 다른 용매에서 유사체를 가지고 있습니다. 용해 된 분자는 용매에 대한 친화력이 많지 않으면 함께 붙어있는 경향이 있습니다. 예를 들어, 물 전선에서의 수소 이온 전도는 지구상의 생명에 매우 중요하지만, 외계의 생화학이 필요하지 않다는 것은 분명하지 않습니다.
이 질문을 제기하는 또 다른 방법은 물어 보는 것입니다. 물처럼 평범한 액체처럼? 화학 물리학 자 Queen 's University Belfast의 Ruth Lynden-Bell, 북 아일랜드에있는 Princeton University의 Pablo Debendetti는“반대 수질”의 모델을 탐구했습니다.이 기능은 물이 비정상적으로 만드는 것의 중심에 위치한 특징이 있습니다. 물의 변칙적 특성이 손실되기 전에 얼마나 많은 튜닝이 허용됩니까?
물의 가장 간단한 이론적 모델 중 하나는 수소 결합을 순수한 정전기로 취급합니다. 이웃 분자의 산소 원자에 약간 긍정적으로 하전 된 수소 원자와 전자의 전자의 "고독 쌍"사이의 인력은 테트라 헤드라의 코너에 혐오가 발생합니다. 분자의 특정 기하학적 배열을 지시하는이 매력은 반 데르 왈 (Van der Waals) 또는 분산 힘이라고 불리는 전자 구름의 경사로 인해 모든 원자와 분자가 서로를 느끼는 더 일반적인 매력 위에 작동합니다. 액체 아르곤 또는 이산화탄소와 같은 단순한 액체에서는 분자가 증기로 날아가는 것을 막는 것은 반 데르 발스 힘입니다.
Lynden-Bell과 Debenedetti는 정전기 수소 결합 (사면체 순서를 촉진)의 상대적 강도와 Van der Waals 어트랙션 (모든 방향에서 동일)의 상대적 강도가 적절히 다양 할 수있는 물의 컴퓨터 모델을 고안했습니다. 비공식적으로, 그들은이 가상의 물건을“금지”라고 불렀습니다. 그들이 발견 한 것은 물과 같은 이상이 실제로 정도의 문제가 아니라는 것입니다. 오히려, 수소 결합에서 나오는 순서의 종류와 대포처럼 포장하는 방식 덕분에 간단한 구체의 Van der Waals의 관광 명소에서 나오는 종류는 독특하고 양립 할 수 없습니다. 이 두 극단 사이에서, 당신은 두 세계의 최악을 얻습니다. 분자는 극단보다 덜 순서가 적습니다. 다시 말해, 물은 질적으로 수소 결합이없는 액체와 질적으로 다릅니다. 그러나 물은 수소 결합을 만드는 유일한 분자는 아닙니다. 암모니아와 심지어 하이드로로 클로라이드도 할 수 있습니다. 차이점은 물 분자가 사면체의 패턴으로 인해 광대 한 3 차원 네트워크를 형성 할 수 있다는 것입니다. 다른 수소 결부는 체인 만 관리 할 수 있습니다. 3 차원 수소 결합 네트워크는 냉동수가 액체 물보다 밀도가 낮은 이유이며, 암모니아 및 염화 수소에는 사실이 아닙니다. 물이 독특하다는 점을 기록하십시오.
그러나 기하학은 어떻습니까? 구부러진 h 2 의 각도를 변경하면 o 분자, 수소 결합이 거의 사면체가 아니거나 결합을 더 길게 만들면 물의 독특한 특성이 사라질까요? Lynden-Bell과 DeBendetti는“금수”로이 작업을 시도했을 때, 변화가 너무 크지 않은 한, 냉동 지점 이전의 최대 액체 밀도와 같은 이상을 얻을 수 있음을 발견했습니다. Lynden-Bell은“[기하학적] 매개 변수에는 상당한 위도가 있습니다. Debendetti는 특정 속성이 사라지기 전에 허용되는 정확한 변동 정도가 사라집니다.
는 말합니다.
물의 수소 결합 구조는 종종 그것이 운반하는 용질의 소수성 인력을 설명하기 위해 호출됩니다. 그러나 수소 결합 강도와 결합 각도가 다른“물가”를 살펴보면 Lynden-Bell, Debenetti 및 동료들은 소수성 입자가 물에 불용성이 없다는 주된 이유는 물에 너무 작아서 물 분자가 너무 작아서 물 자체를위한 공간을 사용하는 데 많은 에너지가 필요하다는 결론을 내 렸습니다. 소분자가있는 액체는 비슷한 것을 보여 주어야합니다.
균형을 잡으면 물은 어떤면에서는 독특하지만 다른 방법은 아닙니다. 특별하지만 특별한. 또한 독특한 특성이 모두 도움이되는 것은 아닙니다. 일부는 완전히 방해가됩니다. 우선, 그것은 매우 반응성입니다. 산소 원자의 고독한 전자 쌍은 양전하를 갖는 분자의 일부로 끌어 당겨지며, 이들은 기존 결합과 단편을 분해하거나 가수 분해라는 과정에서 분자를 재구성 할 수있다. 펩티드 결합의 탄소 원자 (단백질 사슬에 아미노산을 함께 보유하는 연계)는 이러한 종류의 공격에 취약하여 물이 가수 분해를 통해 단백질을 분할하는 경향을줍니다. 물은 셀룰로오스 및 전분과 같은 생물학적 다당류 화합물의 사슬과 같은 당 분자의 사슬에도 같은 일을 할 수 있습니다.
응용 분자 진화를위한 재단의 저명한 동료 인 스티븐 베르너 (Steven Benner)는“이것은 오늘날 살아있는 시스템에서는 그다지 문제가되지 않습니다. 그러나 생명의 기원에 중요 할 것이라고 그는 프로토 생물학적 분자가 효소의 도움없이 물에 형성되고 지속되어야했을 때 말했다. Benner는“물이 하나님에 의해 완벽한 바이오 솔벤트가되도록 설계 되었다면, 그녀는 확실히 공학의 나쁜 일을했습니다.
그는 암모니아, 포름 아미드와 같은 용매 (Chonh 2 와 같은 용매가 근본적인 이유를 본다. 토성의 문 타이탄과 같은 액체 탄화수소도 다른 종류의 생화학도 지원해서는 안됩니다. 결국, 실험실과 산업 분야의 많은 유기 화학은 비-수성 용매 (즉, 물 이외의 용매)에서 수행되는데, 종종 물이 너무 반응성이기 때문입니다. Benner는 특히 Titan의 탄화수소 해양이 소수성 생물을 주최 할 수 있다는 생각에 관심이 있습니다. 그와 그의 동료들은 최근에“유전자 중합체”를 만들 수 있는지 확인하기위한 실험을 수행했습니다. 이는 DNA와 RNA가하는 방식으로 일련의 분자 빌딩 블록으로 정보를 인코딩 할 수 있습니다.
그들은 탄소와 산소 원자가 골격을 따라 교대하는 폴리 에테르 (Polyethers)라고 불리는 사슬 형 분자가 액체 프로판 (C 3 에 꽤 잘 녹인다는 것을 발견했다. H 8 ) 약 94 도의 온도에서 화씨 (섭씨 70도). Benner는 Polyethers가 그러한 용매에서 유전자 데이터베이스 역할을 할 수 있다고 주장합니다.
그러나 타이탄은 그보다 훨씬 더 차갑습니다. 주로 메탄으로 구성된 탄화수소 바다 (ch 4 ) 및 에탄 (c 2 H 6 ), 화씨 약 288도 (섭씨 178도)의 온도는 약 288 도의 온도를 갖습니다. 극단적 인 극단에서 폴리 에테르는 크게 녹지 않습니다. Benner는 타이탄의 액체 메탄이“우리가 인생에서 가치있는 특성을 만들기 위해 필요한 거의 모든 것의 용해도를 지원하기에는 너무 추워서”라고 결론 지었다. 그러나 그는 탄화수소가 나쁜 용매이고 물이 좋은 것이 아니기 때문이 아닙니다. 그것은 액체 물이 따뜻하고 더 따뜻한 액체에 더 잘 녹는다는 것입니다. 그는“따뜻한 타이탄은 행성 화성의 대략 궤도 거리에서 태양 주변의 거주지에있는 온도가 있으면 프로판, 부탄 및 펜탄을 포함하는 탄화수소 해양이있을 것입니다.” 이 용매는 실제로 상당한 양의 재료를 용해시킬 수있는 온도에서 액체로 유지됩니다.
베너가 옹호하는 물에 대한 또 다른 유망한 대안은 일산화탄소와 암모니아 또는 시안화물 및 물에서 형성 될 수있는 포름 아미드입니다. 이들 중 대부분은 성간과 외계 환경에서 발견 될 수있는 간단한 분자입니다. Benner는“포름 아미드는 용해도 전력 (아마도 더 큰)과 액체 범위 (훨씬 더 큰) 측면에서 물과 매우 유사합니다. 그리고 그것은 폴리머를 분열시키는 물과 같은 경향이 없습니다. Benner와 동료들은 최근 촉매로 작용하기 위해 붕소-함유 광물의 존재 하에서, 포스페이트 화학 그룹이 RNA 및 DNA의 기본 빌딩 블록 중 하나 인 아데노신 포스페이트를 만들기 위해 포르 메이드의 분자 아데노신에 첨가 될 수 있음을 보여 주었다. 대조적으로, 물은 아데노신 인산염을 분리하는 경향이있어 더 단단하게 만듭니다. 핵산을 건설하려면
물 외에 솔벤트가 우주의 다른 곳에서 다른 삶에 잘 어울릴 수 있다는 것이 사실이라면, 지구상의 물과 생명의 친밀한 쌍은 적응이 삶에 부여하는 극단적 인 기회를 반영한 것일 수 있습니다. 지구 유기체는이 이상한 액체가 제공하는 모든 것을 완전하게 사용합니다. 우리가 천문학에서 물의 중요성을 과대 평가하고 동시에 지상 생물학에서하는 직업의 중요성과 미묘함을 과소 평가하는 것은 아이러니 한 것 같습니다.
실제로, 우리가 지구에서 찾은 매우 적응력은 우리가 물을 sine qua non 로 높이기 전에 잠시 멈추게해야합니다. 삶의. 기름이 형성되는 지구의 뜨겁고 가압 된 깊이와 표면 지하 남극 호수의 얼음 안에있는 바위에 균열에 살고있는 유기체가 있습니다. 미생물은 아타 카마 사막의 구운 건조한 토양에서 살아남으며, 심해에서 물을 뿌린 화산 열수 통풍구 주변에서 전체 지역 사회가 번성합니다. 유기체는 매우 짠 물에서 살아남을 수 있으며, 고농도의 독성 중금속 및 외부 공간의 이온화 된 방사선에 노출 될 수 있습니다. 알려진 유기체는 적어도 일부 물 없이는 신진 대사를 유지할 수는 없지만 미생물은 무거운 물의 생명에 적응할 수있는 반면, 일부 분리 된 효소는 다소 완전히 물이없는 조건에서 작용할 수 있습니다. 이 모든 것을 감안할 때, 일단 다윈의 진화가 진행되면 거의 모든 상황에서 발을 찾을 것이라고 믿고 싶은 유혹을 느끼고있는 것 같습니다.
Lynden-Bell은 모든 종류의 환경에서 생명을 유지하는 방법을 찾는 자연 선택의 능력을 과소 평가해서는 안된다는 데 동의합니다. "저는 진화가 발견 한 환경을 이용할 수 있으며 대체 시나리오를 상상할 수 있다고 개인적으로 믿습니다."라고 그녀는 말합니다. 인생은 또한 자신에게 맞게 환경을 바꿀 수 있습니다. 밴쿠버에있는 브리티시 컬럼비아 대학교 (University of Vancouver)의 콜린 골드 블라트 (Colin Goldblatt)는 차갑고 촉촉한 세계가 우리의 현재 관점에서 거주 할 수있는 유일한 세계이며, 습관의 영역이 대기 중에있는 다른 곳에 달려 있습니다. 지구상에서는 이산화탄소 (부분적으로 생명에 의해 유지 됨)가 얼어 붙은 지점 위의 지구 대부분을 유지한다고 지적합니다. 다시 말해,“거주 성은 거주에 달려 있습니다.”라고 그는 말합니다. 다른 방법으로 말하면, 우리는 물 세계가 이미 그렇게하는지 알지 못하고 생명을 지원할 수 있는지 쉽게 판단 할 수 없습니다.
이제 그 적응성을 호스팅 할 수있는 행성의 수를 곱하십시오. 현재 통계에 의해 판단되면, 우리 은하계의 거의 모든 별에는 평균적으로 한 행성이 있으며, 5 개의 별 중 1 명은 태양과 같은 행성을 거주 할 수있는 영역에 가질 가능성이 높습니다. 이로 인해 은하수 만이이 세계를 최소한 110 억을 만들어냅니다. 관찰 가능한 우주에는 적어도 1,000 억 은하가 있습니다.
이 그림에서 우리는 물이 유일한 해결책이라고 주장 할 수 있습니까?
필립 볼은 의 저자입니다 보이지 않는 :보이지 않는 의 위험한 매력과 과학과 예술에 관한 많은 책.
참조
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