연구 용기 아틀란티스 (Atlantis)에 거의 자정이었다. 배는 코스타리카에서 서쪽으로 약 1 천 마일 떨어져 있었고, 그녀는 동부 태평양의 열수 통풍구 필드 위로 맴 돌았습니다. Rutgers 미생물학자인 Costantino Vetriani는 어두운 제어실에서 몇 피트 떨어진 곳에 앉아 시간에도 불구하고 에너지를 방사했습니다. 그는 수십 개의 모니터에서 안경을 통해 열심히 들었고 때로는 면도 한 머리 위로 손을 뻗었습니다. 바닥에서 원격으로 작동하는 수중 수수께끼의 라이브 비디오 피드에서, 우리는 바위 탑에서 350도 이상의 섭씨 온도가 우리 아래에서 1 마일 떨어진 곳에있는 두꺼운 검은 연기를 보았습니다. 지구의 어두운 창자에서 펜트 업 에너지 폭풍을 방출하는 수중 기둥은 놀라운 광경이었습니다. "RNA :다른 핵산"을 읽는 티셔츠에 손질 된 이탈리아 인 Vetriani는 그의 힘을 관찰하고 그의 어두운 눈이 빛나고있었습니다. “검은 흡연자는 지옥의 창문입니다.”그는 웃으며 말했다.
실제로, 흑 흡연자는 지구상의 생명 분화에 대한 창일 수 있습니다. Vetriani는 통풍구에 와서 모든 표면과 주변의 모든 표면을 카펫을 찍는 미생물을 연구하기 위해 통풍구에 와서 과학자 팀의 일원입니다. 이전에는 선박 도서관에서 Woods Hole Oceanographic Institution의 미생물 생태학자인 Stefan Sievert 최고 과학자 인 Stefan Sievert가 한 달 동안의 원정의 목표를 설명했습니다. 그는 지옥의 통풍구에서 미생물이 어떻게 살아남는 지 이해한다고 설명했다. 얼마나 빨리 그들이 통풍구를 살아있는 바이오 매스로 바꾸는가 - 생물학적 생명이 어떻게 진화했는지에 대한 통찰력을 줄 수 있습니다. 나는 하루 24 시간 실행되는 바닥에서 작업하는 동안 태그를 붙이고 기록 보관을 도와주었습니다.
자정 이후, Vetriani와 나는 검은 흡연자를 데려 갔을 때, 그는 열수 통풍구가“유물 환경, 우리는 지구의 초기 조건이 무엇인지에 대해 닮았다 고 설명했다. 우리가하는 일은 궁극적으로 지구상에서 삶이 어떻게 진화했는지 이해하려고 노력하는 것입니다.” 아틀란티스에 탑승 한 것은 오늘날 통풍구에 사는 원시 미생물뿐만 아니라 바다의 깊이에서 유기적 인 생명이 어떻게 처음 발생했는지에 대해 배울 수있었습니다. 우리가 바다의 바닥에서 바위와 물이 만나는 영원한 장소에서 미네랄 굴뚝에서 두껍고 뜨거운 유동적 인 유동적 인 환기를 보았을 때 마치 우리가 인생의 출생지를 직접 바라보고있는 것처럼 보였습니다.
1977 년 수중 통풍구가 수중 통풍구에 의해 수중 통풍구가 처음 발견 된 이후로, 1977 년에 수중 앨빈에서 다이빙을했을 때, 많은 과학자들은이 심해 도가니가 생명의 요람을 나타낼 수 있다고 믿었습니다. 문제는 여전히 정착하지 못했습니다. 그러나 통풍구와 주변의 물은 탄소, 수소, 산소, 질소 및 황과 같은 생명에 필요한 필수 요소를 모으고 있습니다. 과학자들은이 가연성 혼합물이 첫 번째 세포에서 생명을 자극하는 RNA와 같은 복잡한 분자의 선구자를 낳았을 수있다.
.심해 통풍구의 힌트는 갈라파고스 제도 근처의 1976 년 탐험에서 나왔습니다. 바다 바닥 근처에 견인 된 악기는 차가운 배경 해수보다 약간 따뜻한 수분을 감지했습니다. 지질 학자들은 다음 해에 수중 수수료와 함께 돌아와서 예상 한 흡연 해저 온천을 발견했다.
당시의 심해는 생물학적 사막 인 것으로 생각되었으므로 아무도 통풍구에 대한 생물 학자가 필요하지 않았습니다. 그러나 지질 학자 인 잭 코 릴리스 (Jack Corliss)는 그 통풍구로 처음 다이빙을하는 동안 앨빈에서 웅크 리고 있었으며 즉시 생명의 기원을위한 가능한 장소로 보았습니다. 그리고 열수 시스템은 아마도 초기 지구에 풍부했을 것입니다. Corliss는 통풍구에서 가장 초기의 미생물 샘플을 연구 한 미생물 학자 인 John Baross와 함께 1980 년에 가설을 발표했습니다. 그들은 아미노산과 같은 단순한 유기 분자가 뜨거운 환기 유체에서 형성 될 수 있다고 제안했습니다. Baross는 통풍구가“진정으로 원시적이라고 할 수있는 유일한 현대 지질 환경”이라고 묘사했습니다.
온도, 압력 및 기타 특성의 모든 극단적 인 경우 심해 통풍구는 초기 지구의 폭력 세계에서 비교적 아늑한 피난처를 제공했을 수 있습니다. 우리의 젊은 행성은 아직 보호 오존층을 개발하지 않았기 때문에 태양으로부터 훨씬 더 강한 자외선으로 목욕을했습니다. 광합성의 진화 적 발명이 우리의 대기로 꾸준한 산소 공급을 펌핑 한 후까지는 오지 않았습니다.
그리고 햇볕이 표면에서 유일한 도전은 아니 었습니다. 지질 학자들은 40 억년이 채되지 않아 인생이 시작되었을 때 우주 바위에 의해 폭격을 견뎌냈다고 생각합니다. 카네기 과학 연구소의 우주 생물 학자이자 지구의 이야기 의 저자 인 로버트 하젠 (Robert Hazen)은“표면과 표면 근처에 치명적이었을 것입니다. 지구의 형성과 초기 생애를 설명합니다. "그러나 이러한 열수 시스템이 발생하는 곳에서는 그런 종류의 문제로부터 절연되었습니다."
.그러나 가장 중요한 것은 통풍구가 에너지로 파열된다는 것입니다. 그들로부터 나오는 액체는 차가운 해수로 시작하여 해저의 균열과 균열로 가라 앉습니다. 빵 껍질에서 마그마는 물을 가열하여 용융 된 미네랄과 가스 (수소와 황화수소)와 같은 용해 된 미네랄과 가스를 녹인 암석에서 바다로 다시 쏘기 전에 다시 쏘아갑니다. 오늘날 통풍구의 미생물은 액체의 화학 에너지를 사용하여 설탕과 다른 에너지가 풍부한 분자를 먹이 사슬의 기초를 형성합니다.
Sievert는“생명은 에너지가 필요하다”고 말했다. “수열 시스템에는 많은 IT가 있습니다. 그래서 시작하기에 좋은 곳입니다. 그 에너지 원으로 번성하는 초기 유기체를 상상하기 쉽습니다.”
벤트에서 생물학적 생명이 시작되었다는 가설은 새로운 종류의 열수 통풍구의 발견으로 인해 향상되었습니다. 1991 년 NASA의 제트 추진 연구소 (NASA의 제트 추진 실험실의 지구 화학자 마이클 러셀은 유고 슬라비아의 마그네슘 리치 미네랄 퇴적물이 유체가 알칼리성이있는 통풍구에서 형성되었다고 제안했으며, 흑 흡연자와 다른 화산으로는 일반적으로 발견되는 산성 물질과 대조적으로 묘사했다.
그 당시 러셀이 제안한 것과 같은 알칼리 통풍구를 본 사람은 아무도 없었습니다. 그런 다음 2000 년 워싱턴 대학교의 해양 지질 학자 데보라 켈리와 동료들은 대서양 바닥을 따라 달리는 능선을 방문했습니다. 그들은 매일 앨빈에서 다이빙을하고 매일 밤 카메라를 견인했습니다. 어느 날 밤 누군가 카메라 피드에서 이상한 흰색 타워를 발견했습니다. Kelley는 이틀 후이 사이트에서 비둘기를 타고 그녀가 잃어버린 도시라는 이름을 처음으로 살펴 보았습니다.
잃어버린 도시 통풍구는 빵 껍질의 철과 마그네슘이 풍부한 암석의 해수와 미네랄 사이의 화학 반응을 통해 형성됩니다. 그 반응은 열 에너지를 생성합니다. Russell이 예측했듯이 해저에서 상승하는 알칼리성 통풍구를 생성합니다. 이러한 유체가 바다로 표류 할 때, 그들은 용해 된 이산화탄소를 생명의 시작을 수용했을 수있는 석회암 구조로 바꿉니다.
원산지 과학자들은 잃어버린 도시의 따뜻한 스프링의 속성에 대해 더 많이 배웠을 때 겁을 먹었습니다. 한 가지 큰 매력은 통풍구와 해수 사이에서 거의 모든 알려진 생명의 주요 성분 인 이온 구배의 존재입니다. 알칼리성 유체는 약 10 또는 11의 pH (산도 및 알칼리성 수준의 측정)와 함께 기본적이며, 이는 양성자 농도가 낮다는 것을 의미합니다. pH가 약 8 인 해수는 알칼리성이 적습니다. 즉, 약간 더 산성이므로 통풍구보다 양성자가 더 많습니다.
지구 화학은 과학자들의 관심을 끌었습니다. 이온 그라디언트 (한 곳에서 다른 곳마다 이온 농도의 차이)가 생물 사물의 보편적 특성 중 하나이자 세포가 에너지를 얻는 방법의 근본적인 부분이기 때문입니다. 그것은 초기 양조장이 될 수있는 조건을 제공합니다.
University College London의 생화학 자이자 Life Ascending 의 저자 인 Nick Lane은“생명의 모든 일은 양성자 그라디언트를 생성 한 다음 막을 가로 지르는 양성자의 흐름을 사용하여 화학 에너지를 생성하는 것입니다. , 삶의 기원과 진화에 관한. 일반적인 패턴은 우리 자신의 세포에 전력을 공급하는 세포 내 생성기와 대부분의 자유 생물 미생물에 대한 미토콘드리아의 경우에도 적용됩니다.
이 시스템은 수력 전기 댐처럼 작동한다고 Lane은 설명합니다. 단백질 형태의 생물학적 펌프는 풍부한 양성자를 막의 한쪽으로 이동시킨다. 그런 다음 양성자는 터빈으로서 작용하는 다른 단백질을 통해 막을 가로 질러 흐를 수 있습니다. 터빈은 세포의 활동을 전제하는 생화학 적 에너지를 전달하는 분자 인 ATP 또는 아데노신 트리 포스페이트를 생성합니다.
특정 단백질과 막은 다양한 형태의 삶에 따라 크게 다릅니다. 그러나 양성자 구배는 거의 모든 생명 형태로 존재합니다. 일부 연구자들은 보편성이 그러한 그라디언트가 생명이 태어난 환경에 존재 했어야한다는 정황 증거로보고 있다고 생각합니다. Dusseldorf 대학의 진화 생물 학자 Bill Martin은“이러한 모든 유기체가 인생이 시작된 환경에서 이러한 구배의 일부 지구 화학적 공급원을 가리킬 수 없다면 왜 이러한 유기체 가이 특성을 공유하는지 설명하기가 매우 어렵습니다. "그리고 소년은 알칼리성 열수 통풍구가 정말 좋아 보이기 시작합니다."
.그렇다면 인생의 삶이 잃어버린 도시와 같은 열수 통풍구에서, 또는 아틀란티스 바로 아래에 태평양을 점령하는 사람들과 같은 수수께끼 통풍구에서 어떻게 부트 스트리트를 쳤을까요? 한 가지 가능한 시나리오는 이산화탄소 및 수소와 같은 통풍구의 일부 간단한 화학 화합물 사이의 반응이 유기 분자를 생성하여 점점 복잡해 졌다는 것입니다.
본질적으로, 통풍구는 천연 열수 반응기 역할을했을 것이다. 예를 들어, 통풍구에서 발견되는 미네랄에 의해 촉매 된 이산화탄소와 수소 사이의 반응은 피루 베이트로 알려진 분자를 형성 할 수있다. 피루 베이트는 많은 아미노산의 선구자이며, 결국 서로 연결되어 단백질을 생성 할 수 있습니다. 이산화탄소와 수소는 또한 포름 알데히드를 형성 할 수 있으며, 이는 RNA의 성분 인 설탕 인 리보스를 형성하기 위해 스스로 반응 할 수 있습니다. 통풍구에서 발견 된 시안화물은 자체와 반응하여 다른 RNA 성분 인 염기로 알려진 고리 구조를 형성 할 수 있습니다. 리보스, 염기 및 포스페이트 그룹 (벤트에서도 이용 가능)은 함께 결합하여 뉴클레오티드라는 분자를 형성합니다. 여러 뉴클레오티드를 함께 묶으면 RNA가 있습니다. 벤트 구조 내의 모공은 막의 역할을했을 수 있으며, 작은 공간에서 RNA 및 아미노산과 같은 유기 분자를 농축시킬 수 있습니다.
결국 RNA는 자연 선택에 의해 지배되는 과정 인 자체 복제를 시작할 것입니다. 어딘가에, 아마도 약 40 억 년 전, 벤트 모공에 서식하는 젊은 프로토 라이프는 아마도 RNA에 대해 몇 가지 화학적 조정을함으로써 DNA를 획득했을 것입니다. (산소 원자를 제거하면 리보스가 데 옥시 리보스로 변환되며, 메틸 그룹의 첨가는 DNA와 RNA 사이에 다른 단일 염기를 토글합니다). 거기서부터 생명은 자체를 위해 막을 조립하고 ATP 형태로 에너지를 생산하는 데 사용될 수있는 자체 이온 구배를 생성해야합니다. 그 시점에서 그것은 첫 번째 셀로 간주 될 수 있습니다.
Atlantis에 탑승 한 통풍구의 샘플이 표면을 부러 뜨 렸고 Vetriani는 크레인이 갑판에 옮겨진 후 과학자들의 떼에 합류했습니다. 그는 해수로 채워진 상자에 손을 뻗어 검은 흡연자 굴뚝을 꺼내 황철석으로 반짝이고 바닥에서 모여 PVC와 메쉬로 만든 박테리아 샘플링 실린더를 꺼 냈습니다. 그런 다음 그는 배의 실험실로 서둘러 그와 그의 협력자들이 샘플을 처리하기 시작했습니다.
Vetriani와 Sievert가 회복 한 많은 미생물은 Epsilonproteobacteria 로 판명되었습니다. , 통풍구에서 지배적이지만 지구상의 다른 환경에서는 그렇지 않은 유기체 그룹. 이 쌍은 이러한 버그 중 일부가 산소를 견딜 수 없으며 신진 대사 경로를 사용하여 통풍구에 풍부하게 존재하는 황을 사용하여“호흡”할 수있게합니다. Vetriani는“이 유황 대사 경로는 핵심 조상 경로 일 수 있습니다.
이러한 원시 미생물에 대한 분석은 삶의 기원에 대해 어떤 구체적인 증거를 제공 했습니까? Vetriani는 자신이 편안하지 않다고 말했다. 생명의 요람에 대한 연구는 본질적으로 자체 초기 단계에 있습니다. Vetriani는“수십 년 전, 우리는이 고온 중 일부에서 삶이 살아남을 수 있다는 것을 알지 못했습니다. “생명의 기원은 첫 번째 세포가 조립되기 전에 발생했을 수있는 비 생물 적 과정으로 돌아가는 것을 의미합니다. 우리는 초기 대사 경로가 무엇인지 이해하기 위해 이러한 환기 유기체를 연구함으로써 가능한 한 가까워지고 있습니다. 그것들은 우리가 지구에 수십억 년 전에 살았던 유기체에 가장 가까운 것일 수 있습니다. 결론은 통풍구가 화산 활동에 의해 지배되는 환경이며, 광합성이 진화되기 전에 지구와 비슷할 수 있습니다. 우리는 산소가 없으면 화산 환경에서 초기 유기체가 발생했을 수도 있다고 생각합니다.”
배에서, 나는 추위가있는 모니터로 가득 찬 제어실에서 아침에 아침을 보냈을 때, 어떤 종류의 샘플이 수집되었고 어디에 있는지, 어디에서, 나는 해저의 거대한 연기가 나이가 들기를 기다렸지 만 한 달이 지나도 결코 그렇게하지 않았다. 나는 아틀란티스에서 또는 해안의 실험실에서 무슨 일이 일어나더라도 삶의 기원에 대한 확실성이 항상 손이 닿지 않는다는 것을 알고 있습니다. 그러나 이제 나는 탐험가들을 계속 해서이 장소로 돌려 보내는 풀을 이해합니다. 매번 우리 자신의 시작에 조금 더 가까워지기를 바라고 있습니다.
Jennifer Barone 과학 세계, 십대를위한 잡지. 이전에 그녀는 의 편집자였습니다 발견하다. 트위터 :@Jen_Barone
추가 읽기
바로스, J.A. &호프만, S.E. 잠수함 열수 통풍구와 생명의 기원과 진화를위한 장소로서의 자극성 통풍구 및 관련 구배 환경. 생명의 기원 15 , 327-345 (1985).
Lane, N., Allen, J.F., &Martin, W. Luca는 어떻게 생계를 유지 했습니까? 삶의 기원에서의 화학 물질. bioessays 32 , 271-280 (2010).
Martin, W.F., Sousa, F.L., &Lane, N. Energy에서의 Energy. 과학 344 , 1092-1093 (2014).
Martin, W., Baross, J., Kelley, D. &Russell, M.J., 열수 통풍구 및 생명의 기원. Nature Reviews Microbiology 6 , 805-814 (2008).
Martin, W. &Russell, M.J. 알칼리성 열수 통풍구에서 생화학의 기원. 런던 왕립 학회의 철학적 거래 B :생물학적 과학 362 , 1887-1925 (2007).
Russell, M.J., et al. 젖은 세상에서 생명을주는 운전. 우주 생물학 14 , 308-343 (2014).
Sievert, S.M., &Vetriani, C. 심해 통풍구의 C. 화학 상자 토자 :과거, 현재 및 미래. 해양학 25 , 218-233 (2012).
Vetriani, C., Speck, M.D., Ellor, S.V., Lutz, R.A., &Starovoytov, V. Thermovibrio Ammonificans sp. 11 월, 열구성, 화학 영양, 질산염-예방화 박테리아에서 심해 수열 통풍구로부터. 국제 체계 및 진화 미생물학 저널 54 , 175-181 (2004).
Zhang, Y. &Sievert, S.M. 팬 게놈 분석은 Epsilonproteobacteria에서 진화 및 적응의 계통 및 틈새 특이 적 마커를 식별한다. . 미생물학의 프론티어 5 (2014). doi에서 검색 :10.3389/fmicb.2014.00110
http://www.whoi.edu의 리드 사진. 검은 흡연자는 뜨겁고 미네랄이 가득한 액체를 뿌립니다. 오른쪽에있는 용기는 열수 유체와 미생물의 샘플을 수집합니다.
이 기사는 원래 2014 년 9 월에“빅뱅”문제에 출판되었습니다.
