[논문 리뷰] Transition metal abundance as a key parameter for the search of Life in the Universe

G. Covone, Donato Giovannelli|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 08.

Photosynthetic Processes and Mechanisms인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전이 금속 농도가 지구 외 생명 가능성 평가에서 이전에 간과되었던 핵심 요소임을 주장한다. 생명체의 대사 에너지 수확 방식이 산화환원효소에서 전이 금속에 의해 촉매되는 산화환원 반응과 연결됨을 바탕으로, 특히 Fe, Zn, Ni, Cu와 같은 원소의 가용성이 외계행성 탐색에서의 생물학적 타깃 선정 기준으로 핵심이 되어야 한다고 제안한다. 이는 기존의 CHNOPS, 물, 비평형 상태만을 기준으로 한 생존 가능성 정의를 근본적으로 확장한다.

ABSTRACT

The search for Life in the Universe generally assumes three basic life's needs: I) building block elements (i.e., CHNOPS), II) a solvent to life's reactions (generally, liquid water) and III) a thermodynamic disequilibrium. It is assumed that similar requirements might be universal in the Cosmos. On our planet, life is able to harvest energy from a wide array of thermodynamic disequilibria, generally in the form of redox disequilibrium. The amount of different redox couples used by living systems has been estimated to be in the range of several thousands of reactions. Each of these energy yielding reactions requires specialised proteins called oxidoreductases, that have one or more metal cofactors acting as catalytic centres to exchange electrons. These metals are de facto the key component of the engines that life uses to tap into the thermodynamic disequilibria needed to fuel metabolism. The availability of these transition metals is not uniform in the Universe, and it is a function of the distribution (in time and space) of complex dynamics. Despite this, Life's need for specific metals to access thermodynamic disequilibria has been so far completely overlooked in identifying astrobiological targets. We argue that the availability of at least some transition elements appears to be an essential feature of habitability, and should be considered a primary requisite in selecting exoplanetary targets in the search for life.

연구 동기 및 목표

• 생명체의 기본 요구 조건으로서 전이 금속 가용성을 통합함으로써 생존 가능성 기준을 재평가하는 것.
• 생물학적 산화환원 대사의 기여에 기여하는 특정 전이 금속의 역할을 간과한 생물우주론 분야의 문제를 해결하는 것.
• 생물학적으로 관련된 전이 금속의 농도를 바탕으로 외계행성 탐색 대상의 우선순위를 정하는 프레임워크를 수립하는 것.
• 은하계 및 행성계 형성 과정에서의 금속 농도 변화 모델과 금속성효소의 생화학적 제약 조건을 융합하여 적응 가능한 영역 정의를 정밀화하는 것.
• 열역학적 비평형 상태만으로는 생명체가 에너지를 이용할 수 없으며, 이를 활용하기 위해 필요한 촉매 금속의 가용성이 필수적임을 주장하는 것.

제안 방법

• 산화환원효소에서 기능하는 전이 금속(예: Fe, Zn, Ni, Cu)이 대사 과정에서 일어나는 수천 가지 산화환원 반응을 촉매하는 데 필수적인 보조인자임을 분석하는 것.
• 성간 환경, 특히 원형행성 원반과 행성계 내 전이 금속 분포를 항성 및 우표성 암석의 농도 데이터를 활용해 매핑하는 것.
• 핵합성 과정을 통해 별의 관측 금속 농도와 생명을 지탱할 수 있는 금속의 존재 가능성 간의 상관관계를 분석하는 것.
• 기존 생명체에서 전자 이동 사슬과 대사 경로에 있어 특정 전이 금속의 생화학적 필수성 평가.
• 생화학적 제약 조건을 은하계 금속 농도 변화 및 행성계 형성 모델과 융합하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 행성계 내 전이 금속 농도가 생명체의 출현과 지속 가능성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ2 산화환원효소에서 전이 금속이 수행하는 촉매 역할이 기존의 CHNOPS, 물, 비평형 상태 기준을 초월해 외계행성의 생존 가능성에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 어느 특정 전이 금속이 산화환원 기반 대사의 가능성을 극대화하는 데 가장 중요하며, 그 농도를 어떻게 외계행성 탐색 대상의 우선순위 정하기에 활용할 수 있는가?
• RQ4 은하계에서 전이 금속의 분포는 행성계 내 복잡한 생명체의 출현과 어떤 관련이 있는가?
• RQ5 주변 별의 금속 농도가 외계행성 환경 내 생물학적으로 관련된 전이 금속의 존재를 예측하는 데 유용한 지표가 될 수 있는가?

주요 결과

• Fe, Zn, Ni, Cu와 같은 전이 금속은 산화환원효소의 필수 보조인자로서 대사 에너지를 공급하는 수천 가지 산화환원 반응을 촉매한다.
• 이러한 금속의 가용성은 우주 전역에서 균일하지 않으며, 핵합성과 행성 축적과 같은 복잡한 천체물리 과정에 의해 결정된다.
• 생명체가 열역학적 비평형 상태에서 에너지를 추출할 수 있도록 해주는 핵심 요소임에도 불구하고, 전이 금속 농도는 생물우주론적 탐색 대상 선정에서 체계적으로 간과되어 왔다.
• 논문은 금속 가용성이 열역학적 비평형 상태에서 에너지를 이용할 수 있는 생명체의 조건으로서 필수 조건임을 입증하며, 생존 가능성의 핵심 요건임을 규명한다.
• 저자들은 주변 별과 행성계의 금속 농도가 생존 가능성 예측 요소로 통합되어야 한다고 제안하며, 적응 가능한 영역 모델에 포함되어야 한다.
• 본 연구는 전이 금속 농도를 기본 매개변수로 추가함으로써 생존 가능성의 정의를 재정의하며, 생물우주론적 탐색 기준의 범위를 크게 확장한다.