우주 얼음 속에 숨겨진 DNA 크기의 결정이 물과 생명 자체를 다시 쓸 수 있다

저밀도 비정질 얼음의 구조를 시각적으로 표현한 그림. 많은 작은 결정립(흰색)이 비정질 물질(파란색) 속에 숨겨져 있습니다. 출처: Michael B Davies, UCL 및 케임브리지 대학교

UCL(University College London)과 케임브리지 대학의 과학자들이 실시한 새로운 연구에 따르면, "우주 얼음"은 작은 결정으로 구성되어 있으며, 이전에 생각했던 것처럼 액체 상태의 물과 같은 완전히 무질서한 물질이 아닙니다.

우주의 얼음은 지구의 결정질(고도로 질서 있는) 얼음과는 다릅니다. 수십 년 동안 과학자들은 얼음이 구조가 없는 비정질 얼음이라고 가정해 왔으며, 낮은 온도에서는 얼음이 얼 때 결정을 형성할 충분한 에너지가 없다는 것을 의미합니다.

Physical Review B 에 게재된 새로운 연구에서 연구진은 우주에서 가장 흔한 얼음 형태인 저밀도 비정질 얼음을 조사했습니다. 이 얼음은 혜성, 얼음 위성, 별과 행성이 형성되는 먼지 구름에 대량으로 존재합니다.

연구진은 얼음이 완전히 비정질 상태가 아니라 무질서한 구조 내에 작은 결정(약 3나노미터 너비, DNA 한 가닥보다 약간 넓음)이 박혀 있을 경우, 이 얼음에 대한 컴퓨터 시뮬레이션이 이전 실험에서 얻은 측정값과 가장 잘 일치한다는 것을 발견했습니다.

실험 연구에서, 그들은 또한 서로 다른 방식으로 형성된 실제 비정질 얼음 샘플을 재결정화(즉, 가열)했습니다. 그 결과, 최종 결정 구조는 비정질 얼음의 기원에 따라 달라진다는 것을 발견했습니다. 연구진은 얼음이 완전히 비정질(완전히 무질서한 상태)이었다면 이전 형태의 흔적을 전혀 남기지 않았을 것이라고 결론지었습니다.

UCL 물리 및 천문학과와 케임브리지 대학에서 박사 학위 과정의 일환으로 이 연구를 수행한 주저자 마이클 B. 데이비스 박사는 "이제 우리는 우주에서 가장 흔한 얼음 형태가 원자 수준에서 어떻게 생겼는지에 대한 좋은 아이디어를 얻었습니다.

"이것은 얼음이 많은 우주적 과정, 예를 들어 행성이 형성되는 방식, 은하가 진화하는 방식, 물질이 우주를 돌아다니는 방식에 관여하기 때문에 중요합니다."

이 발견은 지구 생명의 기원에 대한 한 가지 추측 이론에도 시사점을 제공합니다. 판스페르미아(Panspermia)로 알려진 이 이론에 따르면, 생명의 구성 요소는 얼음 혜성을 통해 이곳으로 운반되었으며, 우주 왕복선의 재료인 저밀도 비정질 얼음을 통해 단순 아미노산과 같은 성분들이 운반되었다고 합니다.

데이비스 박사는 이렇게 말했습니다. "우리 연구 결과는 이 얼음이 생명 기원 분자들의 운반 재료로는 적합하지 않을 수 있음을 시사합니다. 부분적으로 결정화된 구조는 이러한 성분들이 박혀 있을 공간이 부족하기 때문입니다.

"하지만 얼음 속에 생명의 구성 요소가 갇혀 저장될 수 있는 비정형 영역이 있기 때문에 이 이론은 여전히 ​​유효할 수 있습니다."

UCL 화학과의 공동 저자인 크리스토프 잘츠만 교수는 이렇게 말했습니다. "지구의 따뜻한 기온 덕분에 얼음은 우주론적으로 흥미로운 존재입니다. 눈송이의 대칭성에서 얼음의 질서 있는 특성을 확인할 수 있습니다.

"우주의 나머지 부분에 있는 얼음은 오랫동안 액체 상태의 물의 스냅샷, 즉 무질서하게 고정된 배열로 여겨져 왔습니다. 하지만 이번 연구 결과는 이것이 전적으로 사실이 아니라는 것을 보여줍니다.

"저희 연구 결과는 비정질 재료 전반에 대한 의문을 제기합니다. 이러한 재료는 훨씬 발전된 기술에서 중요한 용도로 사용됩니다. 예를 들어, 장거리 데이터 전송에 사용되는 유리 섬유는 제 기능을 위해 비정질, 즉 무질서해야 합니다. 만약 섬유에 미세한 결정이 포함되어 있고 이를 제거할 수 있다면, 섬유의 성능이 향상될 것입니다."

이 연구를 위해 연구진은 두 가지 물 컴퓨터 모델을 사용했습니다. 그들은 물 분자로 구성된 이 가상의 "상자"들을 서로 다른 속도로 -120°C까지 냉각하여 얼렸습니다. 냉각 속도의 차이로 인해 결정질 얼음과 비정질 얼음의 비율이 달라졌습니다.

그들은 최대 20%가 결정질(80%가 비정질)인 얼음이 X선 회절 연구(연구자들이 얼음에 X선을 발사하여 이 광선이 어떻게 굴절되는지 분석하는 연구)에서 발견된 저밀도 비정질 얼음의 구조와 매우 일치하는 것으로 보인다는 것을 발견했습니다.

또 다른 접근법을 사용하여, 그들은 많은 작은 얼음 결정들이 촘촘히 밀집된 커다란 "상자"를 만들었습니다. 그런 다음 시뮬레이션을 통해 얼음 결정 사이의 영역을 무질서하게 조정하여, 결정질 얼음이 25%였던 첫 번째 접근법과 매우 유사한 구조를 얻었습니다.

연구팀은 추가적인 실험 작업에서 다양한 방법으로 저밀도 비정질 얼음의 실제 샘플을 만들었습니다. 예를 들어, 매우 차가운 표면에 수증기를 증착하는 것(성간 구름의 먼지 입자에 얼음이 형성되는 방식)부터 고밀도 비정질 얼음(매우 차가운 온도에서 으깬 얼음)으로 알려진 것을 가열하는 것까지 다양했습니다.

연구팀은 이 비정질 얼음을 부드럽게 가열하여 결정을 형성할 에너지를 얻었습니다. 그 결과, 얼음의 구조가 기원에 따라 다르다는 것을 발견했습니다. 구체적으로, 6중(육각형) 배열로 쌓인 분자의 비율에 차이가 있었습니다.

이는 저밀도 비정질 얼음이 결정을 포함하고 있다는 간접적인 증거라고 그들은 주장했습니다. 만약 얼음이 완전히 무질서하다면, 얼음은 이전 형태에 대한 기억을 전혀 유지하지 못할 것이라고 그들은 결론지었습니다.

연구팀은 그들의 연구 결과가 비정질 얼음의 본질에 대해 많은 추가적인 의문을 제기한다고 밝혔습니다. 예를 들어, 비정질 얼음이 형성되는 방식에 따라 결정의 크기가 달라지는지, 그리고 진정한 비정질 얼음이 가능한지에 대한 의문이 제기되었습니다.

비정질 얼음은 1930년대에 과학자들이 영하 110도까지 냉각된 금속 표면에 수증기를 응축시켰을 때 저밀도 형태로 처음 발견되었습니다. 고밀도 상태는 1980년대에 일반 얼음을 거의 영하 200도에서 압축했을 때 발견되었습니다.

최신 논문을 발표한 UCL과 케임브리지 대학의 연구팀은 2023년에 중밀도 비정질 얼음을 발견했습니다. 이 얼음은 액체 상태의 물과 밀도가 같은 것으로 밝혀졌습니다(따라서 물에 가라앉지도 뜨지도 않습니다).

케임브리지 대학교의 공동 저자인 앙겔로스 미카엘리데스 교수는 "물은 생명의 기반이지만 우리는 아직 완전히 이해하지 못하고 있습니다. 무정형 얼음은 물의 여러 이상 현상 중 일부를 설명하는 열쇠를 가지고 있을 수 있습니다."라고 말했습니다.

데이비스 박사는 "얼음은 우주에서 고성능 소재가 될 가능성이 있습니다. 우주선을 방사선으로부터 보호하거나 수소와 산소 형태의 연료를 제공할 수 있습니다. 따라서 얼음의 다양한 형태와 특성에 대해 알아야 합니다."라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250708045701.htm