[논문 리뷰] Cosmic Thermobiology: Thermal Constraints on the Origin and Evolution of Life in the Universe

Charles H. Lineweaver, David Schwartzman|arXiv (Cornell University)|2003. 05. 13.

Space Science and Extraterrestrial Life참고 문헌 31인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 지구 표면 온도가 약 40억 년 동안 약 90 °C에서 약 10 °C로 감소하는 열적 제약 조건이 생명의 기원과 진화를 형성했다고 제안한다. 16S rRNA 유전자 거리와 현존 생물의 최대 성장 온도를 기반으로 한 생물학적 온도계를 사용하여 저자들은 독립적인 산소 동위원소 데이터와 일치하는 선형 냉각 추세를 추론하며, 초기 행 星의 생물권에서 초고온성 생물이 지배적일 가능성이 높다고 제기한다.

ABSTRACT

We review the thermal history of the Universe. We obtain a new estimate for the thermal history of the Earth over the past four billion years using a biological thermometer based on (1) a rough estimate of the absolute time calibration of the genetic distances in the 16S rRNA-based tree of terrestrial life and (2) the maximum growth temperatures of the extant organisms used to construct the tree. The only other thermometer on comparable time scales is based on a controversial interpretation of the oxygen 18 abundances in chert. These two thermometers are consistent with each other and with the idea of a roughly linear decrease in the surface temperature of the Earth from ~ 90 C four billion years ago to ~ 10 C today. Based on the hyperthermophilic domination of the roots of the tree of terrestrial life, and the probably universal nature of the thermal constraints on terrestrial biogenesis, we speculate that hyperthermophilic organisms dominate the roots of life emerging on any terrestrial planet.

연구 동기 및 목표

• 최근 40억 년 동안 지구의 열역학적 역사 재구성 (생물학적 자료를 기반으로).
• 초기 분지 생물 형태의 초고온성 특성에 근거해 생명이 고온 조건에서 기원했다는 가설을 검증하는 것.
• 현무암에 포함된 산소-18과 같은 독립적인 지질화학적 지표와 생물학적 온도 추정치를 비교하는 것.
• 지구형 행성 전반에 걸쳐 생명 기원에 대한 열적 제약 조건의 일반성 탐구.
• 초고온성 생물이 생명의 초기 상태를 대표하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 생물의 16S rRNA 기반 계통수와 현존 생물의 최대 성장 온도를 기반으로 생물학적 온도계를 구축하는 것.
• 화석 또는 분자 시계 제약 조건을 사용하여 16S rRNA 계통수의 유전자 거리를 절대 시간 기준으로 校정하는 것.
• 가장 초기에 분지된 생명 형태의 열적 한계를 추적하여 과거 표면 온도를 추론하는 것.
• 현무암 침전물에서의 논란의 여지가 있는 산소-18 동위원소 지표와 생물학적 온도 추정치를 비교하는 것.
• 두 가지 독립적인 온도계 간의 일관성을 평가하여 추론된 냉각 추세의 타당성을 검증하는 것.
• 생명 기원에 대한 열적 제약 조건이 보편적일 수 있으며, 지구형 행성 전반에서 생명이 고온 조건에서 기원했을 가능성이 높다는 제안.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 40억 년 동안 지구 표면의 열역학적 역사가 생물학적 자료를 기반으로 어떻게 재구성될 수 있는가?
• RQ2 16S rRNA 계통수의 기저에 위치한 초고온성 생물의 우세함은 생명 기원이 고온 조건에서 이루어졌다는 것을 시사하는가?
• RQ3 생물학적 온도 추정치는 현무암에 포함된 산소-18과 같은 지질화학적 지표와 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ4 지구 표면 온도가 약 90 °C에서 약 10 °C로 선형 감소했다는 가정은 독립적인 생물학적 및 지질화학적 증거로 뒷받침될 수 있는가?
• RQ5 생명 기원에 대한 열적 제약 조건은 보편적인가? 즉, 다른 지구형 행성의 생명도 고온 조건에서 기원했을 가능성이 있는가?

주요 결과

• 생물학적 온도계는 지구 표면 온도가 약 40억 년 전에 약 90 °C에서 오늘날 약 10 °C로 감소했다고 추정한다.
• 추론된 냉각 추세는 논란의 여지가 있는 현무암에서 추출된 산소-18 동위원소 지표와 일치하며, 서로 다른 자료원 간의 수렴을 시사한다.
• 16S rRNA 계통수의 기저에 위치한 초고온성 생물의 특성은 생명이 고온 환경에서 기원했다는 가설을 지지한다.
• 생물학적 및 지질화학적 온도계 간의 일관성은 지구의 열역학적 역사에 대한 추론의 신뢰도를 강화한다.
• 결과적으로 열적 제약 조건이 생명 기원에 보편적일 수 있으며, 모든 지구형 행성에서 생명이 초고온성 조건에서 기원했을 가능성이 높다는 것을 시사한다.