외계광합성

고대 지구에서 지배적인 광합성 유기체들은 물을 분해하여 산소를 방출했다. 이는 내행성계 정원세계(Gardenworld)들에서 가장 흔한 광합성 형태이다. 하지만 물이 유일한 공급원은 아니며, 산소가 유일하게 가능한 결과물도 아니다.

광합성 유기체의 관점에서 이 과정의 핵심은 빛 에너지를 화학 에너지로 변환하는 것이다. 이를 해내는 가장 좋은 방법은 수소 공여체를 찾는 것이다. 그 결과 수소 이온, 고에너지 전자, 그리고 보통 버려지는 기질이 생긴다. 생성된 고에너지 전자는 매우 유용하며 일련의 생화학 반응을 실행하는 데 쓸 수 있다. 이들은 보통 일종의 연쇄 효과로 작동한다. 전자가 한 반응을 구동하며 약간의 에너지를 잃고, 다른 반응으로 전달되며 조금 더 잃고, 또 다른 반응으로 넘어가는 식이다. 이 과정은 가능한 한 많은 에너지를 붙잡을 때까지 계속된다. 수소 이온도 매우 유용하다. 수소 이온은 작고 이동성이 높아, 수용액에 존재하는 수소 이온의 "배경"과 자연스럽게 어울린다. 이는 물뿐만 아니라 암모니아, 염산, 황화수소, 또는 외계생화학(Xenobiochemistry)에서 물의 대안이 되는 대부분의 다른 용매에도 해당된다.

이 첫 번째 과정에 참여하는 일반적인 화학 반응들은 광자가 구동하므로 "명반응"이라고 불린다. 물론 사용되는 기질과 해당 생명체의 진화 역사에 따라 세부 사항은 상당히 다르다. 테라젠 식물과 남세균에서는 광계 I과 II라는 두 시스템이 이 반응 세트를 수행한다. 이 시스템 중 하나만 사용되면 산소는 전혀 관여하지 않으며 - 단지 고에너지 화합물(ATP)만 생성된다. 둘 다 있으면 산소가 방출되고, 수소 이온은 유기체의 다른 생화학 과정에서 쓰인다. 비-테라젠 유기체들은 보통 이와 유사한 무언가를 가지고 있다. 일부 다른 테라젠 유기체들은 황화수소를 기질로 사용한다. 이 과정은 원소 황을 방출하며, 이는 배출되거나 유기체의 세포 내에 과립으로 보관된다. 다른 기원을 가진 다른 유기체들도 이와 유사한 생화학 경로를 가지고 있다. 이들은 모두 산화 화학물질을 폐기물로 내놓는다. 수소 원자가 제거된 후 공급 화합물에 남은 것이 무엇이든 말이다. 산소나 다른 부산물이 방출되는 일은 부작용이며, 꽤 성가신 부작용이기도 하다. 산소나 염소처럼 강한 산화제라면 환경으로 배출된다. 황이나 일부 복잡한 유기 화합물처럼 약하다면, 나중에 사용하기 위해 유기체 내부에 저장될 수 있다.

수소 이온이 방출되면 첫 번째 반응에서 나온 에너지의 전부 또는 일부를 써서 다른 화합물을 만들 수 있다. 가장 흔하게는 수소를 이용해 탄소를 고정하고, 탄수화물과 여러 복잡한 화학물질을 만든다. 탄소가 선호되는 수용체인 이유는 생산될 수 있는 화합물의 다양성 때문이다. 이러한 화합물은 나중에 호흡을 위한 연료(혐기성 또는 그 외)나 세포의 구조적 구성요소로 쓰일 수 있다. 암석질 내행성계 행성에서 탄소의 공급원은 보통 이산화탄소이며, 이산화탄소는 그런 온도에서 안정적이며, 가능한 행성 조건의 넓은 범위에서 대기와 수권에 가장 흔한 탄소 함유 화합물이 된다(솔시스의 금성, 지구, 화성에서 볼 수 있듯이). 고대 지구의 생화학자들은 한때 탄소를 고정하는 반응 세트를 "암반응"이라고 불렀는데, 그 과정이 빛 없이도 일어날 수 있기 때문이다. 테라젠 식물이나 남세균에서 이것은 캘빈-벤슨 회로이다. 유사한 과정이 다른 곳에서도 발견된다. 화학합성 유기체들은 화학 과정에서 유래한 수소 이온과 고에너지 전자로 유기물을 만들기 위해 이와 같은 과정을 사용한다.

광합성의 가장 흔한 부산물은, 적어도 지구와 같은 온도와 암석질 내행성계 세계에서는 산소이다. 가장 흔한 수소 공여체가 물이기 때문이다. 물은 우주에서 첫 번째와 세 번째로 흔한 원소로 이루어져 있어 거의 어디에나 있다. 외행성계에서는 종종 얼음이나 클라스레이트로 발견된다. 항성계의 내부에서는 암석 물질에 비해 적지만, 산소가 매우 흔하기 때문에 일반적으로 다른 가능한 수소 공여체보다 1, 2 또는 여러 자릿수 더 흔하다. 따라서 액체 물을 허용하는 온도에서 생명이 발생하면 산소를 포함한 대기가 최종 결과일 가능성이 높다. 황화수소도 가능한 공여체이다. 실제로 이를 사용하는 테라젠 유기체 그룹 전체가 있다. 하지만 황은 애초에 산소보다 훨씬 드물다. 또한, 일단 어떤 유기체가 물을 수소 공여체로 사용하는 능력을 발전시키면 대기는 산소로 채워지기 시작한다. 황화수소는 산소화된 대기에서 생존하지 못하므로, 생물권(Biosphere)가 평형에 도달하면 황화수소 광합성 생물은 혐기성 틈새로 밀려난다. 상당한 양의 수소를 보유한 매우 큰 내행성계 행성에서는 수소 기체 자체가 공여체가 될 수 있다. 물 기반 광합성이 나타난 뒤의 전개는 대기 중 수소 비율에 달려 있다. 수소의 상대적 양이 적으면 최종 결과는 지구에서와 같이 상당한 양의 산소를 포함하는 대기가 되며 수소 광합성은 몇몇 혐기성 틈새로 밀려난다. 수소의 양이 더 많으면, 방출된 산소가 곧 행성의 환원성 수소 대기와 결합하기 때문에 대기는 결코 지구와 같은 구성을 달성하지 못할 것이다. 이러한 혐기성 생명체가 사는 세계는 결코 에너지가 넘치는 동물과 같은 바이온트들을 탄생시키지 못할 수 있다.

다음은 다양한 기질이 주어졌을 때 광합성 과정의 일반적인 최종 결과물들이다:

H₂O + CO₂ ---> CH₂O + O₂
H₂S + CO₂ ---> CH₂O + 2S
H₂ + CO₂ ---> CH₂O
2HCl + CO₂ ---> CH₂O + Cl₂

일반적인 패턴은 공여체에서 수소를 떼어내 일종의 탄수화물을 만드는 것이다. 테라젠 유기체에서 이것은 보통 당이며, 여기서 다른 화합물들이 다른 과정을 통해 진화한다. 이것이 비-테라젠 생화학에서도 가장 흔한 패턴이다. 이 중 첫 번째, 산소를 방출하는 것은 앞서 언급한 이유로 우주에서 가장 흔한 것 중 하나이다. 두 번째도 산소 생성 광합성이 행성에서 자리 잡으면 보통 소수 요소로 발견되며, 세 번째도 마찬가지이다. 단, 행성이 크고 대기에 상당한 비율의 수소를 가지고 시작하는 경우가 아니라면 말이다. 네 번째는 염화수소가 가든 월드에서 충분한 양으로 거의 발견되지 않기 때문에 극히 드물다(테라젠 유기체에서는 알려지지 않음). 하지만 일부 장소에서는 산소 생성 광합성과 병행되는 과정일 수 있다(염소 세계 참조).