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    최초의 생명꼴, 세포

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    최초의 생명꼴, 세포 별먼지에서 세포로, 복잡성의 진화와 떠오름

    시리즈 : 오파비니아 [14]

    원제 : First Life: Discovering the Connections between Stars, Cells, and How Life Began

    • 데이비드 디머 저
    • 류운 역
    • 뿌리와이파리
    • 2015년 08월 14일
    • 정가
      28,000원
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    ISBN: 9788964620526 480쪽 152 x 225 (㎜)

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    책 소개

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    출판사 리뷰

    출판사 서평
    별과 세포와 생명은 하나로 이어져 있다!
    ―별먼지들이 자기조립, 에너지와 양분의 포획,
    촉매와 중합을 거쳐 첫 생명꼴로 떠오르기까지
    이 책은…
    “생명은, 별이 타고 남은 잿더미 속에서 탄생했다!”
    세포는 어떻게 만들어졌을까? 다시 말해 세포를 이루는 유기화합물은 언제 어떻게 만들어졌을까? 그 유기화합물은 어떻게 막을 가진 구조물로 조립되었을까? 구조물은 어떻게 점점 더 복잡해져서 마침내 세포가 되었을까? 이 모든 것은 별의 죽음에서 시작된다.
    이 책은 우주생물학의 시야에서 생명의 기원을 추적한다. 우주생물...
    별과 세포와 생명은 하나로 이어져 있다!
    ―별먼지들이 자기조립, 에너지와 양분의 포획,
    촉매와 중합을 거쳐 첫 생명꼴로 떠오르기까지
    이 책은…
    “생명은, 별이 타고 남은 잿더미 속에서 탄생했다!”
    세포는 어떻게 만들어졌을까? 다시 말해 세포를 이루는 유기화합물은 언제 어떻게 만들어졌을까? 그 유기화합물은 어떻게 막을 가진 구조물로 조립되었을까? 구조물은 어떻게 점점 더 복잡해져서 마침내 세포가 되었을까? 이 모든 것은 별의 죽음에서 시작된다.
    이 책은 우주생물학의 시야에서 생명의 기원을 추적한다. 우주생물학에서는 지구에서 생명이 기원하고 진화한 일을, 별의 탄생과 죽음, 행성의 형성, 광물과 물과 대기 사이의 계면, 탄소화합물들의 물리와 화학이 관여하는 우주적인 과정의 한 부분으로 포착한다.
    수소를 제외한 생명을 이루는 주요 원소는 죽어가는 별 속에서 합성되어, 별이 생의 마지막에 이르러 폭발할 때 우주공간으로 쏟아져 나왔다. 쏟아져 나온 별먼지들은 광막한 구름을 이루어 태양과 지구를 비롯한 행성들과 무수한 천체들을 빚어냈다. 지구의 일부가 되거나 운석의 형태로 지구에 떨어졌던 별먼지들은 모종의 물리적 과정들이 특수한 화학반응들이 일어나게끔 허용한 뒤에야 마침내 ‘성장’하고 ‘복제’하고 ‘진화’하는 생명으로 탄생할 수 있었다. 물리와 화학이 교차하는 곳에서, 생명은 떠오를 수 있다.
    자기조립, 에너지와 양분의 포획, 촉매와 중합…
    마침내 최초의 생명꼴, 세포!
    저자 데이비드 디머는 비눗방울을 닮은 얇은 막을 가진 칸들이 바로 생명이 시작되는 데에 절대적인 필요조건이었다고 말한다. 그 칸들이야말로 생명의 기원에 유전자와 단백질의 조립만큼이나 필수적이었다는 것이다.
    초기 지구에는 다양한 에너지원과 단순한 유기화합물들이 풍부해서 가지각색의 화학반응이 일어날 수 있었다. 이 반응들이 더욱더 복잡한 유기화합물들을 만들어냈고, 이 가운데에는 막이 있는 칸들로 스스로 조립될 수 있는 것들도 있었으며, 서로 이어져서 중합체라 불리는 기다란 사슬을 만들어낼 수 있는 것들도 있었다. 그 사슬들이 칸들 속에 싸담기게 되어 어마어마한 수의 원세포들이 생겨났다. 그 가운데 하나 또는 몇이 에너지와 양분을 포획해서 성장할 길뿐 아니라 촉매 기능과 유전정보가 관여하는 어떤 순환을 통합해낼 길까지 찾아냈을 때에, 마침내 최초의 생명꼴, 세포가 탄생했다. 생명이 탄생하기 이전 환경에서 이 모든 일이 어떻게 일어날 수 있었을지를 찾아내는 것이 바로 생명의 기원에 관심을 가진 과학자들이 하는 일이다.
    생명의 기원을 향한 끝없는 여정
    생명의 기원을 연구하는 과학자들은 본뜨기 실험을 통해 세포의 특정한 특질을 나타내는 분자계를 끊임없이 만들어왔다. 이 책은, 1953년 기체 혼합물에 전기방전을 가해 아미노산을 합성한 스탠리 밀러의 실험부터 자기복제를 촉매할 수 있는 RNA 분자로 생명이 시작되었다는 가설을 세우기까지, 생명의 기원 연구의 초창기부터 오늘날에 이르는 본뜨기 실험들을 촘촘하게 엮어낸다. 그리하여 생명의 기원이 어느 단계까지 밝혀졌는지, 우리가 앞으로 밝혀야 할 부분들은 무엇인지를 상세하게 알려준다.
    뿐만 아니라, 세포 형성과 작동에 관여하는 각종 화학반응에 대해서도 면밀하고 끈덕지게 살펴본다. 책을 따라가며 일련의 화학반응들이 만들어내는 생명현상을 보고 있노라면, 마치 은하수 한복판에 서 있는 것마냥 신기하고 가슴 벅차다. 책을 덮을 때쯤이면 최초의 세포가 반갑게 손 흔들며 우리를 반겨줄 것만 같다. 하지만 아쉽게도 우리는 아직도 최초의 세포와 만나기 500미터 전쯤에 서 있다. 그러나 생명의 기원을 연구해온 과학자들 덕분에 우리는 멀지 않은 미래에 최초의 세포를 만날 수 있게 될 것이다.

    추천글

    로버트 M. 헤이즌 (『지구 이야기』 지은이) 


     오늘날 살아 있는 과학자 가운데에서 생명의 기원에 대한 우리의 이해에 데이비드 디머보다 크게 영향을 끼친 사람은 없다. 놀랍도록 매력적이고, 명료함을 잃지 않고, 자신의 이야기를 유쾌하게 들려주는 이 책에서 디머는 누구도 하지 못했던 일, 곧 생명의 기원 연구의 무대 뒤로 우리를 안내해준다. 정말 대단한 이야기다!



    스튜어트 카우프만 (『다시 만들어진 신』 지은이) 


     데이비드 디머가 참으로 멋진 책을 썼다. 생명의 기원 분야에서 출중한 과학자인 그가 개괄적이고, 지혜롭고, 온정 어린 논의를 만들어냈다. 이 우주에서 우리가 어떻게 존재하게 되었느냐는 문제에 관심을 가진 사람이라면 누구나 이 책을 신나게 읽었을 것이다.



    칼 짐머 (『바이러스 행성』·『기생충 제국』 지은이) 


     생명의 기원은 도무지 헤아릴 길 없이 아득한 옛날에 일어났을 것이다. 그러나 데이비드 디머 같은 과학자들은 어떻게 첫 미생물체들이 우리 행성에서 비등하기 시작했는지, 그리고 궁극적으로 어떻게 그 미생물체들이 오늘날 살아 있는 모든 종을 낳게 되었는지 이해하는 일에서 큰 진전을 이루어내고 있다. 이 책에서 디머는 생명의 여명기 연구와 생명이 태어난 방식에 대한 그 자신의 시각을 유쾌하게 합성해내고 있다.


     


    저자 소개

    데이비드 디머
    • 구분 : 저서
    • 국적 : 기타
    • 분류 : 과학/공학 저자
    • 인기지수 : 4
    최근저서

    샌타크루즈 캘리포니아 대학교 생분자공학과 연구교수이다. 1980년대 초반부터 생명의 기원에 대해 연구해왔으며, 생명의 기원에 대한 우리의 이해에 크게 영향을 미친 출중한 과학자 중 한 사람이다. 잭 스조스탁과 함께 쓴 『생명의 기원들』을 비롯해 『원세포: 생명 없는 물질에서 생명 있는 물질로 건너가기』, 『화학과 생물학에서의 액체 계면들』 등의 책을 저술했다.
     

    역자 소개

    류운
    • 국적 : 대한민국
    • 분류 : 과학/공학 저자 , 기타
    • 인기지수 : 47
    최근저서

    서강대학교 철학과를 졸업하고 같은 학교 대학원 철학과에서 석사학위를 받았다. 옮긴 책으로 『진화의 탄생』 『왜 사람들은 이상한 것을 믿는가』 『대멸종』 등이 있다.

    책 속에서



    이 책에서 나는 여러 생각과 주제를 통합해서 생명의 기원을 새롭게 생각할 방식을 제시하려고 한다. 1차 주제들은 순환, 칸막음, 조합화학이다. 함께 묶어서 보면, 이 주제들은 충분복잡성의 원리principle of sufficient complexity를 길라잡이로 하는 참신한 접근법을 제시한다. 이 원리에서 볼 때, 생명의 기원은 물, 광물 표면, 대기 중 기체 들이 유기화합물 및 에너지원과 상호작용하면서 일어나는 떠오름 현상으로 이해된다. 생명만큼 복잡한 것이 어떻게 시작될 수 있는지 이해하려면, 순환, 칸막음, 조합화학을 수용할 만큼 충분히 복잡한 본뜨기실험을 해야 한다. 이 책의 각 장에서 이 중심 주제들이 가진 측면들을 퍼즐 조각처럼 제시할 것이며, 14장에서는 이 조각들을 다 맞춰 서술적인 각본을 제시할 것이다. 이 각본은 본질적으로 보면 시험 가능한 예측을 담은 과학적 가설이다. 과학은 고비실험critical experiment*으로 판별될 수 있는 대안적 가설들이 있을 때 가장 잘 이루어지기 때문에, 이 대안적인 생각들도 서술하고 평가해볼 것이다. 마지막으로, 필연적으로 과학은 핵심 지식으로 빈틈들을 메워가면서 나아가야만 하기에, 생명의 기원 문제에 매달리는 과학자로서 내가 깨닫게 된 빈틈들을 명시해볼 것이다.(13쪽)

    지금 우리는 생명을 이루는 주요 원소들을 별 속에서 일어나는 핵반응들―별의 핵합성이라고 부르는 과정―로 모두 설명해낼 수 있다. 지구 위 모든 생명을 이루는 탄소, 질소, 산소, 황, 인의 원자들은 모두 한때는 우리 태양보다 질량이 큰 별들의 복판에 있었으며, 어떤 수소폭탄보다도 뜨거운 온도에서 벼려진 것들이다. 그렇다면 수소는 어떨까? 수소는 훨씬 더 놀랍다. 대부분의 수소 원자들은, 시간이 시작되었던 137억 년 전에 어떻게 해서인가 번쩍 생겨났던 우주와 동갑내기들이다. 생명이 있는 유기체인 우리는 우주와 떼려야 뗄 수가 없는 관계에 있다. 우리는 그저 우주의 원자들을 극히 적은 일부만 얼마 동안 빌려서 생명의 패턴들에 합해 넣을 뿐이다. 수소와 산소 원자들은 우리 세포 속을 흐르는 물 속에 있고, 탄소, 수소, 산소, 황, 인은 생명의 재료인 단백질, 지질, 핵산 속에 서로 엮여 있다. 이것들을 생명필수원소biogenic element라고 부르는 까닭이 이 때문이다.(26쬭)

    생명이 기원했을 만한 곳으로 제시된 국지적 환경으로는 깊은 바다의 열수구부터 해서 물이 증발하는 못, 운석 충돌로 녹은 빙하에 이르기까지 두루 걸쳐 있다. 각 장소마다 옹호자가 있기에, 생명이 기원했을 만한 가장 가당성 있는 국지적 환경이 어디냐를 두고 아직까지 아무런 합의도 없는 형편이다. 나중 장들에서 논의하겠지만, 내가 생명 탄생 이전 환경으로 가당성이 있다고 여기고 탐사하는 장소는 캄차카의 무트노브스키 산 같은 수많은 활화산 인근에서 볼 수 있는 환경이다. 그런 장소 가운데 내가 사는 곳에서 조금 더 가까운 곳은 캘리포니아 주 래슨 국립공원의 래슨 산이다. 이곳에는 온천, 뽀글거리는 진흙수렁, 범패스헬Bumpass Hell이라고 부르는 작은 간헐천들 ―지각 틈새로 떨어져 끓는 물에 다리를 심하게 데었던 초창기 탐험가인 범패스 씨의 이름을 땄다 ― 이 있다. 내 생각으로는, 캄차카와 범패스헬처럼 지열을 뿜는 장소들을 보면 초기 지구의 국지적 환경이 어땠을지 생각하는 데에 길잡이가 되어줄 수 있을 것 같다.(62쪽)

    생명의 기원은 흔히 일어나는 사건일까? 만일 그렇다면, 생명이 여러 차례 기원했을 수도 있지만, 후기대폭격과 연관된 대충돌 사건이 있을 때마다 그 기운은 꺼지고 말았을 것이다. 오늘날 우리가 보는 생명은 마지막 대충돌을 간신히 살아낸 생존자들이거나, 상황이 진정되자마자 다시 출발했던 생명일 것이다. 이것에 대안이 되는 생각은, 생명이 기원하는 일이 지극히 드물다고 보는 것이다. 말하자면 마침 올바른 조건들을 딱 갖춘 초기 지구 같은 서식 가능한 행성 규모에서 5억 년이나 그 이상의 세월이 흘러야 딱 한 번씩 일어나는 일일지도 모른다는 것이다. 우리는 아직 답을 모른다. 이 책은 바로 그 답을 찾아내려는 시도들의 진행상황을 보고하는 글이다. 만일 짐작을 해야 할 처지라면, 나는 답을 찾을 수 있다고 낙관하는 쪽이다. 내 생각에 지금 우리는 실험실에서 합성생명을 만들어낼 수 있는 시점에 와 있다. 그 일을 이뤄낸다면, 생명이 어떻게 시작되었고, 비슷한 과정이 초기 지구에서도 일어났을 가능성이 있는지 훨씬 잘 이해하게 될 것이다.(97쪽)

    체커에서처럼 생물에서도 특수한 규칙들이 몇 가지 기본 말들을 다스리는 방식으로부터 어마어마한 복잡성이 생겨난다. 체커에서는 말이 두 가지 색깔이지만, 생명이 기초로 하는 말들은 여섯 가지 생명필수원소이며, 줄여서 CHONPS라고 표시한다. 발음이 되기는 해도 썩 매끄럽지가 않지만, 기억하는 데에는 도움이 된다. 게다가 생명을 이루는 단백질과 핵산에서의 원자들의 (원자량 기준의) 존재비 순서에도 얼추 들어맞는다. 탄소(C), 인(P), 황(S)은 상온에서 고체이고, 수소(H), 산소(O), 질소(N)는 기체이다. 생체세포 내의 수분과 유기물질의 99퍼센트 이상을 이루는 것이 이 원소들이다. 생명 과정과 관련된 화학적 규칙 가운데 하나는, 이 여섯 가지 생명필수원소들이 결합해서 네 종류의 기초 분자들을 만들고, 이 분자들이 조립되어 세포를 이루는 구조들을 만든다는 것이다. CHONPS를 생명필수원소라고 부르는 까닭이 이 때문이다. 말하자면 이 원소들이 조립되어 단순한 분자들이 만들어질 수 있고, 이 분자들이 서로 연결되어 단백질 가닥과 핵산 가닥을 형성할 수 있기 때문이다.(104쪽)

    앞장에서 나는 어떻게 유기화합물들이 생명필수원소들로부터 합성될 수 있는지, 이 과정을 알아내려고 어떤 식으로 운석을 조사하는지 서술했다. 그러나 이야기는 그것으로 끝이 아니다. 일부 유기분자들은 왼손과 오른손처럼 서로가 서로의 거울상인 두 가지 꼴로 존재하기 때문이다. 이런 성질을 일컬어 손짝가짐chirality*이라고 하는데, 손과 관련된 그리스어에서 온 말이다. 나아가 손짝을 가진chiral 것의 거울상들은 서로 포개지지 못한다. 달리 말하면 오른손에 끼는 장갑이 왼손에는 안 맞는다는 뜻이다. 그런 분자들의 ‘손짝handedness’을 명확히 하려고 우리는 줄임말로 L과 D를 쓰는데, 왼쪽과 오른쪽을 뜻하는 라틴어 laevus와 dexter에서 따왔다. 유기화학자들은 그런 화합물을 합성하는 법을 알지만, 생성물은 언제나 오른손잡이 분자와 왼손잡이 분자가 같은 비율로 섞여 있다. 따라서 생체세포들이 사실상 순수한 왼손잡이 아미노산과 오른손잡이 당―이렇게 한손잡이만 있는 성질을 손짝같음homochirality이라고 한다―으로 이루어져 있음이 차차 명백해지자 매우 깜짝 놀랐다. 생명이 손짝같음에 이르게 되었던 과정이 아마 생명의 기원에 다가갈 한 가닥 깊은 실마리이겠으나, 옛말에서 하는 말마따나 우리는 오리무중이다.(143~144쪽)

    첫 생명꼴까지 이르는 경로에는, 용액 속에서 유기화합물들이 단순하게 혼합된 상태가 한층 복잡한 계들로 조직되는 다중적인 자기조립 과정들이 반드시 관여해야 한다. 자기조립의 바탕에 깔린 힘들에는 수소결합, 정전기 상호작용, 반데르발스 상호작용, 소수효과가 있다. 에너지에 의존해서 형성되는 공유결합과는 달리 자기조립 과정들은 자발적이다. 그러나 자기조립 결합들은 공유결합보다 약해서 pH, 온도, 이온 용질 같은 환경 조건들의 영향을 더 강하게 받는다. 실험실에서는, 생명 탄생 이전 환경에서 구할 수 있었을 만한 단순한 친양쪽성 화합물들(지방산들)이 자기조립해서 막을 가진 칸들을 만들어낼 수 있다. 세포형 생명이 기원하려면 그 칸들이 필수적이었을 것이다. 하지만 자연환경에서 그 유기화합물들은 실험실에서 순수한 화합물들을 유리나 플라스틱 용기에 넣고 반응시켜 관찰하는 것 말고도 가능한 다른 운명들을 다양하게 맞았을 것이다.(229쪽)

    생명의 기원을 설명하기 위해 제기된 각본들에다 칸을 추가하면 본질적인 성질들이 많이 떠오른다. 가장 분명한 성질은, 지질이중층이 경계를 짓는 칸들은 분자계들을 한군데에 모아놓고 그 성분들끼리 상호작용할 수 있도록 해준다는 것이다. 하지만 그 경계구조는 싸담긴 계들이 바깥 환경에 있는 작은 양분 분자들에 접근할 수 있을 만큼 충분히 투과성이 있어야 하는 반면, 큰 분자들을 한군데에 계속 모아둘 수 있을 만큼 충분히 불투과성이기도 해야 한다. 최근의 실험들은, 단순한 친양쪽성 분자들로 이루어진 막경계들에 이런 성질이 있음을 보여준다. 나아가 그런 경계구조들은 바깥 환경으로부터 친양쪽성 분자들이 첨가되면 성장할 수 있고, 교란으로 생긴 적당한 전단력shear force을 받으면 분열까지 할 수 있다. 이보다 덜 분명한 성질은, 지질이중층으로 구성된 경계막들이 어떤 반응들, 특히 생명 과정에 필요한 에너지를 포획하는 것과 관련된 반응들에 반드시 있어야 하는 비극성non-polar 환경을 제공한다는 것이다. 이를테면 식물 세포막의 색소가 하는 빛에너지 포획과 변환은 오늘날 생물권의 에너지 대부분을 제공한다. 싸담기에 대해 마지막으로 짚어볼 점은, 생물 진화를 시동시킨 특수한 분자계가 오직 이런 식으로만 만들어질 수 있다는 것이다.(249~250쪽)

    생체세포에서 계는 특수한 기능을 수행하기 위해 상호작용하는 분자 성분들의 복잡한 집합이며, 다양한 제어 메커니즘으로 조절된다. 오늘날 모든 생명의 기초를 형성하는 일반적인 계는 네 가지가 있다. 첫 번째는 대사반응들을 촉매하고 이끌어가는 효소들로 이루어진 계, 두 번째는 세포를 위해 에너지를 만드는 효소들과 막들로 이루어진 계, 세 번째는 핵산의 유전정보를 이용해서 단백질을 합성하는 효소들과 리보솜들로 이루어진 계, 네 번째는 유전정보를 다음 세대로 전달할 수 있도록 핵산을 복제하는 효소들로 이루어진 계이다. 물론 다른 계들도 많이 있다. 이를테면 막 건너 양분 수송, 세포분열, 감각반응, 운동성을 책임지는 계들이 있다. 그러나 위에서 윤곽을 그려본 네 계들이 아마 생명을 정의하는 데에 가장 근본이 되는 계들일 것이다. 계들이 어떻게 자발적으로 생겨났느냐 하는 것은 생명의 기원 연구에서 사실상 아직까지 아무도 던지지 않았던 물음이다. 그렇기에 장차 탐구해야 할 큰 미결 문제이다.(254쪽)

    생명이 시작되려면 효소가 촉매하는 반응이 없는 상태에서 자발적으로 중합체들이 만들어질 무슨 방도가 있어야만 한다. 생명 탄생 이전의 혼합물에서 구할 수 있었을 아미노산 몇 가지만으로 구성된 단순한 펩티드가 있었으리라고 상상하기는 그리 어렵지 않으나, RNA와 DNA의 자발적 합성은 훨씬 어려운 문제이며, 우리 지식에서 하나의 큰 빈틈이다. 설사 어찌어찌해서 활성이 되었다고 해도, 중합이 아주 멀리까지 진행될 리는 만무하다. 왜냐하면 용액 속에서 반응물들은 자유롭게 확산하기에, 서로 충돌해 결합을 형성할 기회가 드물기 때문이다. 광물 표면이 한 구실을 해주는 지점이 바로 이곳이다. 몬모릴로나이트라는 점토 광물은 활성 뉴클레오티드를 흡착해서 중합을 겪을 수 있도록 조직한다. 따라서 초기 지구에서 광물 표면 또한 잠재적 반응성 단위체들을 이런 식으로 조직해주었을 것으로 보인다.(307~308쪽)

    DNA에 담긴 유전정보의 복제는 초기 생명꼴들이 발명한 것이다. 대부분의 연구자들은 우리가 생명을 정의하는 기준으로 삼는 일차적 특징이 복제라고 여길 것이다. 한 가지 중요한 점은, 복제하는 동안 오류가 일어날 수 있다는 것이다. 오류가 일어나면 변경된 염기서열이 생물 개체군 안에서 변이들을 만들어내는데, 생명만이 가진 또 한 가지 유일무이한 성질인 자연선택에 의한 진화에서 이 변이들이 필수적이다. 하지만 오늘날 생명에서 DNA가 복제되는 복잡한 과정이 최초의 복제 형태였을 리 없음도 분명하다. 그래서 더 단순하고 더 원시적인 메커니즘을 여전히 발견해내야 한다. 한 가지 가능성은 RNA가 최초의 복제 분자였다는 것이다. 왜냐하면 리보자임의 꼴로 촉매 구실도 할 수 있고, 염기서열로 유전정보까지 나르기 때문이다. 자기를 생식하는 과정을 촉매할 수 있는 리보자임으로 접힐 수 있도록 해주는 뉴클레오티드 서열을 가진 RNA 분자를 장차 누군가 시험관 환경에서 만들어내는 일이 가능할 것으로 보인다.(355~356쪽)

    목차

    목차
    여는 글
    01 오스트레일리아에 떨어진 불덩어리
    02 어디에서 생명이 시작되었을까?
    03 언제 생명이 시작되었을까?
    04 탄소, 그리고 생명의 밑감
    05 생명의 손짝가짐
    06 에너지, 그리고 생명의 기원
    07 자?기조립과 떠오름
    08 세포 짓는 법
    09 복잡성 이룩하기
    10 생명을 이루는 여러 가닥들
    11 촉매: 추월차선을 탄 생명
    12 생명의 청사진 복사하기
    13 어떻게 진화가 시작되었을까?
    14 생명 탄생 이전 지구를 웅대하게 본뜨는 실험
    15 합성생명이 나올 전망
    마치는 글
    감사의 글
    옮긴이의 말
    참고자료와 주석
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