밀러와 유리의 실험

밀러와 유리의 실험() 또는 밀러 실험()은 초기 지구의 가상적인 환경을 실험실에서 만들어, 그 조건에서 화학진화가 일어나는지 여부를 알아보는 실험(오파린과 홀데인의 가설에 따르면, 원시 지구는 무기 화합물이 유기 화합물로 합성되기 좋은 조건이었다고 한다. 밀러와 유리의 실험은 이 가설을 검증하려 했다.)이다. 이 실험은 생명의 기원에 관한 고전적인 실험으로 여겨지며, 1953년 시카고 대학의 스탠리 밀러와 해럴드 클레이턴 유리가 처음으로 실행했다.

실험 과정 

실험에는 수증기(H2O), 메테인(CH4), 암모니아(NH3), 수소(H2)가 사용된다. 화학 물질들은 살균된 유리관과 플라스크로 이루어진 루프형의 실험기구 안에 밀봉된다. 실험기구 중에 플라스크 하나에는 물이 반쯤 채워져 있고, 다른 하나에는 한 쌍의 전극이 들어있다. 물은 가열하여 기화시키고, 수증기가 포함된 내부 공기중에 불꽃을 튀겨, 자연의 번개를 재현해 낸다. 그리고, 다시 공기는 식혀져서 수증기는 물이 되고 처음 플라스크로 돌아가는 이 과정을 계속 반복한다.

일주일 동안 계속 실험을 행한 결과, 유리와 밀러는 10~15%의 탄소가 유기 화합물로 합성된 것을 관찰하였다. 더욱이, 2%의 탄소는 살아 있는 세포의 단백질을 구성하는 아미노산 중에 몇 종류의 형태라는 결과도 얻었다. 결론적으로 밀러는 원시 대기의 조성을 기초하여 원시 지구의 모형을 만들고 결과 반응을 조사하는 것이 연구의 테마였다.

해석 
생성된 분자들은 완전한 살아있는 생화학적 시스템을 이루기에는 상대적으로 모자란 단순한 유기물질이었다. 그러나, 실험은 이미 있는 생명체를 가정하지 않고, 자연적인 과정만으로 생명체를 이루는 기본 요소들이 생성될 수 있다는 사실을 확립시켰다.

의의와 중요한 사실들 
 원시 대기 환경이 수소, 메테인, 암모니아 등 환원성 기체로 이루어졌다는 것은 최근 증거들과 일치하며, 초기 지구가 약하게 환원적인 대기 상태였다는 것을 알려준다. 이것은 밀러와 유리의 실험이 올바른 환경에서 이루어졌음을 보여준다. 초기 지구의 대기에 충분한 산소가 없었음을 나타내는 다양한 증거들이 있으며, 이는 원시 대기의 환원성을 더욱 확실히 알려주는 지표가 된다. 현대에는 이러한 연구가 원시 생명의 탄생의 모델을 연구하는 기초가 되고 있다.
 2014년 RNA 합성 실험으로, 밀러와 유리의 실험 결과는 다시 한번 입증되었으며, 아미노산뿐만 아닌 다른 유기물이 합성되는 것도 확인되었다.
 밀러와 유리의 실험은 생명체에서 단백질 합성에 사용되는 20가지 아미노산 중에서 13가지를 생성하였으며, 무기물로부터 유기물이 형성되는 과정을 최초로 알아낸 데에 의의가 있다.
 번개와 같은 방전을 재현하여 아미노산 합성에 필요한 에너지를 공급되는 과정을 제공했다. 이는 번개보다 에너지가 적지만 그보다 적은 에너지로도 충분히 아미노산이 합성이 될 수 있음을 보여준 것으로, 이것이 자연 환경에서도 충분히 재현 가능한 것임을 확신할 수 있게 해주었다.

이후의 연계 실험들 
스탠리 밀러는 이후에 원시 대기에 관한 연구를 좀 더 진행하여, 기체 크로마토그래피를 이용하였으며, 사망시까지 연구에 손을 놓지 않았다. 밀러가 사망한 뒤 그의 제자이자 오랜 동료였던 제프리 베다 교수는 밀러의 유품에서 1950년대 실험에서 얻은 물질이 들어있는 유리병이 담긴 박스를 발견했다. 최신 분석 장비로 이 물질의 조성을 분석한 결과 당시 밀러가 확인했던 것보다 더 많은 유기분자(아미노산 22종과 아민 5종)가 들어있음을 확인해 2008년 '사이언스'에 발표했다. 2008년, 제프리 베다 교수는 화산 분출의 구조와 스파크를 이용한 실험을 통해 더 많은 아미노산이 발견됨을 보여주었다. 이 실험에는 고출력의 액체 크로마토그래피와 질량분석기등이 이용되었다. 그 결과 22가지 아미노산, 5종류의 아민을 비롯한 수많은 수산화물이 생성되었다. 이 실험은 2010년에 황화수소 스파크 실험으로 재현되었으며, 발견된 아미노산은 아래에 표기한다.
 발견된 아미노산은 *으로 표기한다.

오해 
 2011년 발표된 네이처 논문에 의하면 지구상의 가장 오래된 지질학적 시대인 명왕누대(冥王累代, Hadean)의 지르콘 산화량이 현재 지구상에서 발견되는 마그마의 산화량과 연관되어 있음을 밝혔다. 이 논문은 지르콘의 산화량으로 미루어 볼때 지구 원시 대기가 43억년전의 환원성 대기를 가졌으며 2억년전의 비환원성 대기에 대해 주장한다고 이야기 한다. 여기서 잘 모르는 사람들은 마치 이 시기가 생명의 최초 화석 발견과 비슷하다고 주장하는데, Archea를 비롯한 고균들은 이보다 훨씬 전에 존재해 왔던 생명체로서 화석들은 그 이전부터 발견되어 왔으며, 이는 유전학적 연구가 진행되어온 바가 있다. 또한 위의 논문에서 역시 생명의 탄생 시기가 이보다 전이라는 점을 언급하고 있으며, 이 논문을 인용한 다른 논문에서 사문석화작용 (serpentinization)이 일어나는 해저지각의 성분이 명왕누대로부터 지금까지 거의 변화가 없었다는 점과 함께, 36억년전의 생명탄생 시기를 이야기하고 있다. 그러므로 밀러실험의 타당성을 지적하는 것은 오류이다. 또한 환원성 인산 생명체의 발견으로서, 대기의 환원성을 다시한번 증명해주고 있다. 또한 이전부터 모든 근거들은 초기 지구가 약하게 환원적인 대기 상태였다는 것을 알려준다. 또한, 창조설자들이 직접 인용한 사람들(페리스(J. Ferris) 박사와 첸(C. Chen)박사)이 쓴 논문은 오히려 원시대기가 환원성임을 이야기하고 있었다. 위의 논문에서 이들은 원시대기의 환원성이 어떻게 유지되었는지를 수소의 적은 새어나감을 통해 제시하고 있었다. 즉, 원시 대기 조성이 환원성이라는 주장은 창조과학을 주장하는 자들이 인용한 사람들의 논문에서도 나타나는 것으로 밝혀졌으며, 원시대기는 환원성이 맞음이 입증된 상태이다. 또한 두 박사의 논문은 산화성 대기를 사용한 것도 아니며, 유리-밀러실험을 반대하는 것도 아니라는 것이 밝혀진 상태이다.
 밀러의 실험에서는 D형 아미노산과 L형 아미노산이 각각 반반씩 만들어진다. 하지만 거의 모든 생명체는 L형 아미노산으로 이루어져 있다는 점이 문제라고 주장하는 사람들도 있는데, 이 현상은 당연한 것으로, 이후에 생명체에서는 효소와의 상호작용에 의해 L 형 아미노산이 사용된다. 펩티도 글리칸을 포함한 박테리아의 세포벽과 미토콘드리아의 일부 단백질은 D-형 아미노산을 사용하며,뇌의 특정 신경전달물질(NMDA)역시 D-형 아미노산을 사용한다 또한 생물로서의 역할을 위해 번역을 위한 리보솜은 세포 밖에서도 D와 L타입의 아미노산을 구분해 단백질을 생성 가능하며, 이는 RNA세계와 연동되어, 밀러 유리 실험의 타당성을 입증해준다. 일반적으로, L형과 D형의 비율 자체에 대해서 묻는 것은 밀러실험과 무관하며, 효소와의 반응에 대한 것은 단백질학에서 연구하고 있는 중이다. D형 아미노산도 실제로 사용(박테리아의 세포벽과 미토콘드리아의 일부 단백질)이 되며, 리보자임이 존재함으로 인해 효소 자체가 문제가 있다는 주장 역시 성립하지 않는다.

다른 실험들 
폭스의 실험으로 아미노산 같은 간단한 유기물은 폴리펩타이드, 핵산과 같은 복잡한 유기물로 합성될 수 있음이 입증되었다.

결론 
밀러(Miller, S.)와 유리(Urey, H.)의 실험은 오파린(Oparin, A. I.)과 홀데인(Haldane, J. B. S)의 원시 수프 모델에 의한 화학진화의 가능성을 보여주었다.

일부의 주장과 그에 대한 반박들 
한국창조과학회 등의 반과학 운동 단체들이 밀러의 실험에는 오류들이 있다고 주장하지만, 이에 타당한 근거는 없으며 모두 반박되었다.

원시 대기의 조성 
1. 이들은 원시 대기 환경이 수소, 메테인, 암모니아 등 환원성 기체가 아닌 질소 (N2)와 이산화탄소 (CO2)라는 식으로 주장한다. 페리스(J. Ferris) 박사와 첸(C. Chen)박사가 원시 대기의 재료로 산화성 대기를 사용했고 그 결과 아미노산은 생성되지 못한다는 주장을 했다. 하지만 이는 사실이 아니다

 원시 대기 환경은 수소, 메테인, 암모니아 등 환원성 기체로 이루어졌다. 최근 증거들은 초기 지구가 약하게 환원적인 대기 상태였다는 것을 알려준다. 또한, 창조설자들이 직접 인용한 사람들(페리스(J. Ferris) 박사와 첸(C. Chen)박사)이 쓴 논문은 오히려 원시대기가 환원성임을 이야기하고 있었다., 즉, 원시 대기 조성이 환원성이라는 주장은 창조과학을 주장하는 자들이 인용한 사람들의 논문에서도 나타나는 것으로 밝혀졌으며, 원시대기는 환원성이 맞음이 입증된 상태이다. 또한 두 박사의 논문은 산화성 대기를 사용한 것도 아니며, 유리-밀러실험을 반대하는 것도 아니라는 것이 밝혀진 상태이다.

 설사 지구의 전체적인 대기가, 산화도 환원도 아닌 조건이라고 해도, 활발히 활동하는 화산 근처와 같이 부분적으로 환원조건이 될 수 있는 많은 지역이 있었을 것이다 하지만 원시대기는 환원성 대기가 맞으며, 2014년 레이저를 이용한 RNA생성에도 성공함으로서, 밀러-유리 실험에 대한 창조설자들의 반박은 잘못된 것이라는 것이 확연해졌다.

 2011년 발표된 네이처 논문에 의하면 지구상의 가장 오래된 지질학적 시대인 명왕누대 (冥王累代, Hadean)의 지르콘 산화량이 현재 지구상에서 발견되는 마그마의 산화량과 연관되어 있음을 밝힌 바 있다. 이 논문은 지르콘의 산화량으로 미루어 볼때 지구 원시 대기가 43억년전의 환원성 대기를 가졌으며 2억년전의 비환원성 대기에 대해 주장한다고 이야기한다.여기서 잘 모르는 사람들은 마치 이 시기가 생명의 최초 화석 발견과 비슷하다고 주장하는데, 문제는 Archea를 비롯한 고균들은 이보다 훨씬 전에 존재해 왔던 생명체로서, 이는 유전학적 연구가 진행되어온 바가 있다. 또한 이 논문에서 역시 생명의 탄생 시기가 이보다 전이라는 점을 언급하고 있으며, 이 논문을 인용한 다른 논문에서 역시 이를 이야기하고 있다

2. 이들은 원시 지구암석에서 발견된 산소 또한 원시 대기에 포함이 된다면 밀러의 실험대로 아미노산이 생성되어도 금방 파괴되어 버릴 것이라고 주장했으며, 원시대기에는 풍부한 산소가 있었을 것이라고 주장한다.

하지만 이 주장 역시 다음과 같은 이유로 반박된다.

 초기 지구의 대기에 충분한 산소가 없었음을 나타내는 다양한 증거들이 있다.
 띠모양의 철 지층이 형성된 것은 해양의 25억년에서 18억년전 사이에서 적철광(Fe2O3) 층이나 기타 다른 철산화물이 퇴적된 것이다. 일반적인 해석은 광합성이 진화된 25억년전부터 상당한 양의 산소가 대기로 유출되었다는 것이다. 이렇게 됨으로, 해양에 녹아있던 자유상태의 철과 결합하고 침전이 형성되었다. 그러므로 철이 띠 모양으로 형성된 것은 산소가 적고 철분이 많이 녹아있는 초기 지구와 산소가 많고 철분이 적게 녹은 현재의 상태와의 변환기이다.
 띠 모양의 철 지층이 보다 오래된 암석에는 uranite 와 pyrite 가 강물이나 해변가에 운반되어온 detrital grains 혹은 sedimentary grain의 형태로 존재한다. 이러한 금속은 산소 농도가 높은 상태에서는 장기간 안정하게 있을 수 없다.
 철 산화물이 많은 육지의 퇴적물은 형성되기 위해서는 산소가 필요하다. 이것은 23억년 전에서는 발견되지 않으며 그 이후로는 계속 증가한다.

 자유 산소는 주로 광합성에 의해서 생성되는 것이다. 광합성을 하는 식물이나 박테리아가 나타나기 전에는 산소를 발생시킬 원천이 없으므로 산소가 매우 적었을 것으로 예상할 수 있다. 가장 오래된 화석(대기중에 산소가 형성되기 10억년전)은 박테리아이며, 가장 오래된 퇴적층에서 물고기, 조개, 혹은 기타 산소가 필요한 유기체는 발견할 수 없다.

3. 이들은 원시대기에는 오존층이 없었기 때문에, 대기중에서 합성된 유기물에 자외선이 쪼여지면, 복잡한 분자들이 파괴된다고 주장했다. 이 주장 역시 과학에 대한 이해가 부족한 자들이 한 것으로 다음과 같이 반박되었다.

 단순한 유기물이 예를 들어 먼지나 얼음 알갱이 등과 같이 꽤 높은 농도로 있을 수 있는 지역에 존재한다면, 자외선은 실제로는 복잡한 분자를 만드는 것을 촉진한다. 이것은 일부 결합을 끊고 새로운 결합을 하도록 만들기 때문이다. DNA와 RNA는 상대적으로 자외선에 강한데, 그것은 이 분자들의 일부분이 다른 분자들의 피해를 막아주기 때문이며, 염기에 손상이 오면 다른 물질로 하여금 backbone을 수리하게 만든다. 자외선은 핵산이 선택적으로 분해가 되지 않도록 하기 때문에, 화학진화에 있어서 필수적인 구성요소라고 할 수 있을 것이다.

 이러한 분자들은 자외선을 오래 노출되는 것은 아니다. 일부는 바다나 호수에 녹게 된다. 제안된 시나리오 중 한가지는 복잡한 유기물이, 자외선이 없는 깊은 해양의 뜨거운 지열이 방출되는 주변에서 합성된다고 한다.

아미노산 생성 
1. 밀러와 유리의 실험에선 L-형 아미노산과 D-형 아미노산 두 가지가 생성되었다. 창조설자들은 D-형 아미노산은 죽은 생명체에서 L-형 아미노산이 변화하여 서로 분자의 수가 같아지는데 밀러와 유리의 실험에서도 L-형과 D-형의 아미노산이 발견되므로 생물로서의 역할을 할 수가 없다라고 주장한다. 하지만, 이는 사실과 다르다:
 펩티도글리칸을 포함한 박테리아의 세포벽과 미토콘드리아의 일부 단백질은 D-형 아미노산을 사용하며, 뇌의 특정 신경전달물질(NMDA)역시 D-아미노산을 사용한다
 또한 생물로서의 역할을 위해 번역을 위한 리보솜은 세포 밖에서도 D와 L타입의 아미노산을 구분해 단백질을 생성 가능하며, 이는 RNA월드와 연동되어, 밀러와 유리의 실험의 타당성을 입증해준다.

2. 밀러와 유리의 실험을, 이산화탄소, 질소, 수증기로만 이루어진 조건에서 실험하면 어떠한 아미노산도 만들어지지 않는다고 주장한다.

 위의 주장은 사실이 아니다. 위와 같은 대기 조건에서도 아미노산이 형성된다.

3. 스탠리 밀러의 오리지날 화학진화 실험은 20개의 아미노산에서 오직 4개만이 생성되었으마, 후에 그럴 듯한 조건에서 실험을 다시하여도 아미노산 20가지를 모두 생성하지는 못했다고 주장한다. 하지만 이것은 역시 아무런 근거 없는 주장이다:

 밀러와 유리의 실험은 생명체에서 사용되는 20개 아미노산중에서 13개를 생성하였다. 다른 아미노산은 다른 기작으로 형성될 수도 있을 것이다. 예를 들어, 우주 공간에서 형성되어 운석과 함께, 지구에 운반되었을 수도 있다.
 어떠한 아미노산이 가장 원시적인 생명체에 꼭 필요한지는 모른다. 쉽게 생성되는 아미노산이면 충분하며, 생명체가 나중에 다른 것을 생성하고 사용하도록 진화되었을 수도 있다.

4. 밀러와 유리의 실험은 시아나이드나 포름알데하이드와 같은 독성 물질을 생성하지, 아미노산을 생성하지 못한다고 주장한다. 이 역시 사실과 어긋난다:

 시아나이드와 포름알데하이드는 아미노산을 포함한 중요한 생화학 물질에 필요한 구성 물질이다. 이러한 관점으로 보면 이것은 독성물질이 아니다.
 밀러와 유리의 실험은 다른 화학물질은 물론 아미노산을 생성하였다[Kawamoto and Akaboshi 1982 Schlesinger and Miller 1983].

실험의 인위성 
창조설자들은 밀러는 원시 대기환경을 실험관에 그대로 옮긴 후 번개와 같은 방전을 재현하려 했으나 밀러와 유리의 실험 장치와 실제 번개에는 큰 차이가 존재한다고 주장한다.
 밀러와 유리의 실험 장치: 6만 볼트/200°C의 열/자외선/연속적으로 모든 공간에 작용
 번개: 15만 볼트/30, 000°C의 열/X선, 감마선/순간적으로 제한적 일부 공간에 작용

하지만 이는 사실이 아니다. 번개와 같은 방전을 재현한 이유는 아미노산 합성에 필요한 에너지를 공급하기 위함이다. 결과로 보면, 이는 번개보다 에너지가 적지만 그보다 적은 에너지로도 충분히 아미노산이 합성이 될 수 있음을 보여준 것이다.

같이 보기 
 스탠리 밀러
 알렉산드르 오파린
 화학진화
 생명의 기원

각주

외부 링크 
 https://web.archive.org/web/20020202084019/http://tefficks.dhs.org/~mia/urey.htm
 https://web.archive.org/web/20071225130632/http://www.talkorigins.org/faqs/wells/iconob.html#Miller-Urey
 Tamzek, Nic, 2002. Icon of obfuscation. http://www.talkorigins.org/faqs/wells/iconob.html#Miller-Urey
 http://www.icr.org/article/evolution-hopes-you-dont-know-chemistry-problem-wi/

생명의 기원
생화학
1952년 과학
1953년 과학
2008년 과학