과학자들은 생명을 시작했을 수 있는 자발적인 반응을 밝혀냈습니다.

물방울 내 요소 형성을 그래픽으로 표현한 이미지. 출처: Luis Quintero / ETH Zürich

요소는 전 세계에서 생산되는 가장 중요한 산업용 화학물질 중 하나입니다. 비료, 합성 수지 및 폭발물 생산, 그리고 자동차 배기가스 정화용 연료 첨가제로 사용됩니다. 또한 요소는 생명의 기원에 대한 의문과 관련하여 RNA와 DNA와 같은 생물학적 분자 형성의 핵심 구성 요소로 여겨집니다. 지금까지 초기 지구에서 요소의 기원은 명확하게 밝혀지지 않았습니다.

취리히 연방공과대학(ETH Zurich) 물리화학과 루스 시뇨렐 교수가 이끄는 연구팀은 이전에는 알려지지 않았던 요소 생성 반응 경로를 발견했으며, 이는 그 해답을 제공할 수 있을 것입니다. 이 연구는 과학 저널 Science 에 최근 게재되었습니다.

물 표면의 화학

암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)로부터 요소를 산업적으로 생산하려면 고압과 고온 또는 화학 촉매가 필요합니다. 효소는 사람과 동물에서 동일한 반응이 일어나 요소와 같은 단백질 분해 과정에서 독성 암모니아를 제거합니다. 이 단순한 분자는 탄소뿐만 아니라 질소도 포함하고 있으며, 아마도 사람이 살지 않았던 원시 지구에도 존재했을 것으로 추정되기 때문에, 많은 연구자들은 요소를 복잡한 생체 분자의 전구체로 보고 있습니다.

시뇨렐은 "저희 연구에서는 요소가 원시 지구에서 형성될 수 있는 한 가지 방법을 보여줍니다. 즉, 물 분자가 대기 가스와 상호 작용하는 곳, 즉 물 표면에서 형성될 수 있다는 것입니다."라고 말했습니다.

물방울 가장자리의 반응기

시뇨렐 연구팀은 바닷물 분무나 미세한 안개에서 발견되는 것과 같은 작은 물방울을 연구했습니다. 연구진은 주변 환경에서 물방울 표면층에서 이산화탄소(CO2)와 암모니아(NH₃)로부터 요소가 자발적으로 생성될 수 있음을 관찰했습니다. 공기와 액체 사이의 물리적 계면은 수면에 특별한 화학적 환경을 조성하여 자발적인 반응을 가능하게 합니다.

물방울은 부피에 비해 매우 넓은 표면적을 가지므로 화학 반응은 주로 이 표면 근처에서 일어납니다. 이 영역에서는 화학 물질의 농도 구배가 형성되어 미세한 반응기처럼 작용합니다. 물방울 계면층을 가로지르는 pH 구배는 필요한 산성 환경을 조성하여, 액체에서는 발생하지 않는 특이한 경로들을 만들어냅니다.

"이 반응의 놀라운 점은 외부 에너지 없이 주변 환경에서 일어난다는 것입니다."라고 두 명의 주저자 중 한 명인 메르세데스 모하헤르 아지즈바이그는 설명합니다. 이는 기술적 관점에서 이 과정을 흥미롭게 만들 뿐만 아니라, 진화에 중요할 수 있는 과정에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.

지구 초기의 모습을 엿볼 수 있는 창

생명의 기원은 현재 다양한 접근법을 통해 광범위한 연구가 활발히 진행되고 있는 주제입니다. 제1저자인 팔랍 바수리는 "이처럼 논란의 여지가 많은 연구 분야이기 때문에, 우리의 관찰 결과를 뒷받침하는 것이 중요했습니다."라고 설명했습니다. 오번 대학교의 공동 저자인 에반젤로스 밀리오도스와 안드레이 에브도키모프의 이론 계산은 실험 결과를 뒷받침했으며, 물방울에서 요소 반응이 외부 에너지 공급 없이도 발생한다는 것을 확인했습니다.

이 결과는 이러한 자연적 반응이 초기 지구 대기, 즉 이산화탄소가 풍부하고 미량의 암모니아를 함유했을 가능성이 높은 대기에서도 가능했을 가능성을 시사합니다. 그러한 환경에서 수성 에어로졸이나 안개 입자는 요소와 같은 전구체 분자가 생성되는 자연 반응기 역할을 했을 수 있습니다. 시뇨렐은 "이번 연구는 겉보기에 평범한 계면이 어떻게 역동적인 반응 공간으로 변할 수 있는지를 보여주며, 이는 생물학적 분자가 이전에 생각했던 것보다 더 공통적인 기원을 가질 수 있음을 시사합니다."라고 말합니다.

장기적으로 주변 조건에서 CO2와 암모니아의 직접 반응은 기후 친화적인 요소 및 하류 제품을 생산할 수 있는 잠재력도 가질 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250627234119.htm