“소금을 따라가세요”: 화성에서 생명체를 찾는 새로운 전략

[힘힘]

“소금을 따라가세요”: 화성에서 생명체를 찾는 새로운 전략

과학자들은 잘못된 장소에서 화성 생명체를 찾고 있을지도 모른다.

화성의 소금 퇴적물 위성 이미지. (출처: NASA / JPL-Caltech / University of Arizona)

주요 요점

• NASA는 오랫동안 화성에서 액체 상태의 물을 찾는 것을 생명체를 발견하는 열쇠로 여겨왔지만, 이 전략은 극도로 건조한 환경에서 생명체가 어떻게 적응할 수 있는지 간과할 수도 있습니다. 
• 지구 사막에 대한 연구에 따르면 미생물은 대기에서 직접 물을 끌어올려 번성할 수 있습니다. 화성 생명체도 마찬가지일 수 있습니다. 
• 천체생물학자 디르크 슐츠-마쿠흐는 미래의 임무는 흡습성 염분이 풍부한 지역으로 초점을 옮겨야 한다고 주장한다. 그곳은 화성에서 생명체가 지속하는 데 필요한 미세 환경을 제공할 수 있다.

디르크 슐츠-마쿠흐

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20년 이상 NASA의 화성 생명체 탐색은 단 하나의 단순한 전략에 달려 있었습니다. 물을 따라가는 것 입니다. 말이 됩니다. 지구상의 모든 생명체, 또는 적어도 알려진 모든 생명체는 생존을 위해 물이 필요하므로, 과거 화성의 강과 호수의 경로를 추적하면 궁극적으로 우리가 찾는 보물을 찾을 수 있습니다.

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하지만 생명은 무한히 자원이 풍부하고 모든 유기체가 같은 형태나 같은 방식으로 물을 사용하는 것은 아닙니다. 우리가 이것을 완전히 이해하지 못한 것은 거의 50년 전에 아이러니한 비극을 초래했을 수 있습니다. 우리는 화성에서 발견한 유일한 생명체를 우연히 죽였을 수 있습니다. 

저는 Nature Astronomy 에 게재한 새로운 논문 에서 그 주장을 내세웠는데 , 그 논문에서 저는 우리의 현재 탐사 전략이 잘못된 장소에서 화성 생명체를 찾고 있거나, 적어도 적절한 장소 에서 충분히 찾지 못하고 있다고 주장했습니다 .

강인한 생존자들

제가 그런 결론을 내리게 된 이유는 무엇일까요? 다른 세계에서 생명이 생겨났을지 평가하려면 그 세계의 자연사를 고려해야 합니다. 40억 년 전만 해도 화성은 여전히 ​​물이 풍부한 행성이었고, 표면에 호수와 아마도 바다가 있었습니다. 그 이후로는 극도로 건조했습니다. 아타카마 사막의 극건조 지역과 같은 화성과 유사한 환경을 연구하면 그러한 장소에서 발생하는 예측 가능한 일련의 생태적 전환을 볼 수 있습니다.

조건이 점점 더 건조해짐에 따라, 액체 수역은 말라붙고, 바위 아래나 보호된 서식지에 생명체가 엉성하게 달라붙은 사막 생태계가 남게 됩니다. 기후가 더욱 극심해지고 거의 비가 내리지 않으면, 미생물 생명체는 소금 바위 속으로 후퇴합니다. 이 강인한 생존자들은 흡습성이 있어, 표면수나 비가 필요 없이 대기 중의 수분에서 생명을 유지하는 데 필요한 소량의 물을 얻습니다. 

흡습성은 특정 물질이 공기에서 직접 물을 끌어낼 수 있는 능력입니다. 사람들이 왜 소금통에 쌀알을 넣는지 생각해 본 적이 있나요? 쌀은 소금보다 흡습성이 더 강하기 때문입니다. 둘 다 습한 공기에 두면 덩어리가 지고 축축해집니다.    

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아타카마에서의 연구는 토착 미생물이 이 속성을 사용하여 과도한 건조에 적응하는 방법을 보여주었습니다. 이 미생물은 우리가 정상적인 양의 물이라고 생각하는 것조차도 치명적일 수 있을 만큼 잘 적응했습니다. 스페인 마드리드에 있는 Centro de Astrobiologia의 Armando Azua-Bustos와 그의 동료들은 아타카마에서 전례 없는 강우가 발생했을 때 토착 미생물 종의 75%~87%가 멸종했다고 보고했습니다 . 물이 갑자기 유입되면서 유기체가 압도되어 과수화 상태가 발생하여 본질적으로 익사했습니다.

이제 화성이 아타카마의 가장 건조한 지역보다 훨씬 더 건조하다는 것을 생각해보세요. 화성의 유기체도 흡습성이 있다면 누군가가 물을 부으면 같은 운명을 맞을 수 있습니다.

1976년 바이킹 2호 착륙선이 화성에 착륙한 후 정확히 그런 일이 일어났을 수 있습니다. 바이킹 생명체 탐지 실험이 설계되었을 당시에는 극건조 환경에서의 생명체에 대한 지식이 그렇게 발전되지 않았습니다. 당시 과학자들은 화성의 환경을 지금만큼 잘 알지 못했고, 액체 물이 지구에서와 마찬가지로 생명체에 필수적이라고 생각했습니다. 좋은 일이 너무 많을 수는 없겠죠?

글쎄요, 어쩌면 있었을지도 모릅니다. 미생물 대사를 보여주기로 한 Labelled Released Experiment 의 일관성 없고 혼란스러운 결과는 물을 너무 많이 뿌린 것으로 설명할 수 있습니다. 흥미롭게도, 생명체에 기인하는 유기 합성 반응을 보여주기로 한 Pyrolytic Release Experiment 는 건조한 조건에서 첫 번째 시도에서 강한 양성 반응을 보였습니다. 하지만 물을 첨가한 후 반복했을 때 일곱 번의 시도 중 가장 낮은 측정값을 보였습니다.

우리는 화성에서 이미 생명체를 발견했을까?

바이킹 실험 당시, 이러한 모순된 결과는 주로 유기 화합물이 발견되지 않았기 때문에 생명에 대한 결론이 나지 않거나 부정적으로 해석되었습니다. 유기 화합물 없이 어떻게 생명이 있을 수 있었을까요? 하지만 21세기에 이루어진 피닉스, 큐리오시티, 퍼서비어런스와 같은 후속 임무는 유기 물질을 발견했습니다. 돌이켜보면, 바이킹이 발견한 미량 유기 물질은 당시 오염 물질로 해석되었지만, 대부분 화성 고유의 유기 화합물일 가능성이 큽니다 .

화성에 생명체가 있다고 가정하면, 어떻게 살아갈까요? 화성에 생명체가 있을 가능성에 대한 주요 주장은 물이 희박하다는 것입니다. 기술 용어는 수분 활동도이며, 0에서 1까지입니다(0은 이용 가능한 물이 없음, 1은 이용 가능한 물이 100%임). 수분 활동도가 미생물 종에 따라 다른 특정 임계값보다 낮으면 이러한 유기체는 생존할 수 없습니다. 지구상에서 가장 강인한 생명체의 최소 수분 활동도는 현재 0.54에서 0.59 사이로 생각됩니다 .  

하지만 이 딜레마를 해결하는 영리한 방법이 있습니다. 수분 활동이 너무 낮아지면 생명체는 일시적으로 활동하지 않거나 휴면 상태가 될 수 있지만, 다시 충분히 높아지면 활동을 재개할 수 있습니다. 과학자들이 수분 활동을 측정할 때는 보통 거시적인 규모로 측정합니다. 하지만 자세히 살펴보면 상황이 달라집니다. 제가 참여한 한 연구 에서 액체 아스팔트 호수의 전체 수분 활동은 0.49로 생명체가 존재할 것으로 기대되지 않았습니다. 하지만 아스팔트 매트릭스 내에 분산된 작은 물방울이 있었고, 그 물방울에는 수분 활동이 훨씬 더 높은 박테리아 생태계가 들어 있었습니다. 이러한 미생물에게 중요한 것은 미시적인 물의 가용성이었습니다. 그들에게는 물 한 방울이 바다와 같았습니다.

그리고 우리가 지구의 흡습 효과에서 보았듯이, 대기 자체가 물의 근원입니다. 많은 종류의 소금이 이런 특성을 가지고 있습니다. 어떤 소금은 너무 많은 물을 끌어들여 흡수한 물에 녹아내리기도 하는데, 이를 우리는 용해라고 부릅니다. 가장 흔한 소금은 일반 식탁소금이지만, 다른 소금에는 염화칼슘과 과염소산나트륨이 있습니다.

수분 활동의 최적 지점

이제 화성의 미생물이 사용할 수 있다고 믿는 적응적 트릭에 대해 이야기해 보겠습니다. 잠깐만요. "침윤 상대 습도"는 특정 소금이 대기에서 물을 끌어내어 용해되는 습도입니다. 한편, "침윤 상대 습도"는 소금이 모든 수분을 대기로 되돌려주는 습도 수준입니다 . 이러한 값은 소금 광물을 결정화하는 데 필요한 추가 에너지 때문에 다릅니다. 예를 들어, 과염소산나트륨의 침윤 상대 습도는 38%에서 64% 사이이며, 이 수준에서 대기의 수분이 소금을 용해하기 시작합니다. 하지만 과염소산나트륨의 침윤 상대 습도는 13%에 불과합니다. 바로 이 지점에서 소금의 모든 물이 대기로 돌아갑니다.

두 값 사이의 적당한 지점에는 미시적 수준에서 더 높은 수분 활동을 위한 창이 있으며, 이는 몇 시간 동안 지속될 수 있습니다. 대기 수분이 용해 상대 습도를 초과할 때도 더 높은 수분 활동이 발생합니다. 이상하게 들리겠지만, 화성은 때때로 상대 습도가 100%인데, 바이킹 착륙선이 표면의 서리를 관찰한 것에서 그 증거를 찾을 수 있습니다. 

이런 수분 활동 증가 기간이 미생물이 살아갈 수 있을 만큼 높은 수준으로 충분히 오래 지속되는지는 불분명합니다. 지구 생명체에게는 도전이 될 것입니다. 하지만 화성 유기체가 존재한다면 이런 혹독한 환경에 적응하는 데 수십억 년이 걸렸을 것입니다. 

어느 쪽이든 지구상에서 가장 건조한 지역에 대한 연구를 통해 생명을 유지할 수 있는 물의 근원을 찾고 싶다면 화성의 소금을 따라가야 한다는 것이 분명해 보입니다. 차세대 화성 탐사의 전략은 Eastern Margaritifer Terra나 행성의 Southern Highlands에서 볼 수 있는 흡습성 소금 퇴적물을 찾는 것이어야 합니다. 저는 그것이 토착 화성 생명체가 존재한다면 그것을 발견할 수 있는 가장 좋은 기회를 줄 것이라고 믿습니다.