극한의 저온, 저압 환경에서 단순한 분자들이 결합하여 고분자를 형성할 수 있는 가능성을 설명해주세요.

Question

우주 성운에서 발견되는 복잡한 유기 분자들은 생명 탄생의 기원으로 연구됩니다. 극한의 저온, 저압 환경에서 단순한 분자들이 결합하여 고분자를 형성할 수 있는 가능성을 설명해주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

우주 성운과 같은 극한의 환경에서 복잡한 유기 분자가 만들어지는 과정은 우리가 지상에서 경험하는 일반적인 화학 반응과는 전혀 다른 경로를 따릅니다. 영하 260도에 달하는 초저온과 진공에 가까운 저압 상태에서는 분자들이 서로 충돌할 기회조차 희박하기 때문에 일반적인 액체나 기체 상태의 반응은 일어나기 어렵습니다. 하지만 과학자들은 성운 내 미세한 먼지 입자의 표면이 화학 공장 역할을 한다는 사실에 주목하고 있습니다.

​성운의 먼지 입자 표면에는 얼음층이 형성되어 있는데, 이곳에 달라붙은 단순한 분자들이 자외선이나 우주선 같은 강력한 에너지를 받으면 반응성이 큰 라디칼 상태로 변하게 됩니다. 평소라면 에너지가 부족해 결합하지 못할 분자들이 먼지 표면이라는 좁은 공간에 모여 있다가, 외부에서 전달된 에너지를 통해 서로 연결되며 점차 복잡한 고분자 구조로 성장하게 되는 것입니다. 특히 온도가 너무 낮아 분자들이 멈춰 있는 것 같아도, 양자역학적 터널링 현상을 통해 고전적인 에너지 장벽을 뛰어넘어 결합이 일어날 수 있다는 점이 핵심적인 가능성으로 꼽힙니다.

​이렇게 형성된 유기물들은 성운이 수축하여 별과 행성이 만들어지는 과정에서 혜성이나 운석에 실려 행성 표면으로 전달될 수 있습니다. 초기 지구와 같은 환경에 떨어진 이 고분자 화합물들이 단백질이나 핵산의 기초가 되는 아미노산, 당류 등으로 발전했을 것이라는 가설은 현대 우주생물학의 중요한 축을 담당합니다. 결국 우주의 텅 빈 공간은 생명이 없는 정지된 상태가 아니라, 극한의 조건 속에서도 탄소를 중심으로 한 복잡한 화학적 진화가 끊임없이 일어나는 역동적인 실험실이라고 볼 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

우주 성운과 같은 극한의 저온, 저압 환경에서는 분자 간 충돌 빈도가 매우 낮기 때문에, 지상에서처럼 빠른 화학 반응이 일어나기는 어렵지만 표면 촉매 역할, 양자 터널링, 복사 에너지에 의한 라디칼 생성, 그리고 매우 긴 시간 규모가 결합되면서 단순 분자들이 점차 결합해 복잡한 유기 구조, 나아가 고분자 전구체를 형성할 수 있는 것입니다. 우선 성운 내에는 규산염이나 탄소 기반의 미세 입자가 존재하고, 그 표면에는 물, 메탄, 암모니아, 일산화탄소 등의 단순 분자가 얼음 형태로 흡착되어 얇은 얼음 맨틀을 형성하는데요, 기체 상태에서는 충돌이 드물지만, 표면에 흡착되면 분자들이 국소적으로 농축되고 이동 거리도 짧아져 반응 확률이 크게 증가합니다. 즉, 3차원 기체 반응이 아니라 2차원 표면 반응으로 전환되면서 반응성이 높아집니다. 또한 극저온에서는 열에너지가 부족해 활성화 에너지를 넘기 어렵지만, 특히 수소 원자처럼 가벼운 입자는 에너지 장벽을 넘지 않고 통과하는ㅈ터널링 효과로 반응에 참여할 수 있으며, 이로 인해 수소 첨가 반응이나 라디칼 결합 반응이 저온에서도 진행됩니다.자외선과 우주선이 반응을 유도하는데요, 성운 내부에도 외부에서 들어오는 자외선이나 고에너지 입자가 존재하는데, 이들이 얼음 맨틀 속 분자를 분해하여 라디칼을 생성합니다. 생성된 라디칼들은 낮은 온도에서도 서로 결합하여 점점 더 복잡한 분자를 형성할 수 있고, 이 과정은 일종의 광화학 반응으로, 에너지원이 열이 아니라 복사 에너지라는 점이 특징입니다. 이러한 과정이 반복되면 단순 분자로부터 더 복잡한 유기 분자로 이어지는 단계적 분자 진화가 일어나고, 일부는 서로 결합하여 올리고머나 초기 형태의 고분자 유사 구조를 형성할 가능성이 생깁니다. 감사합니다.