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화성 표면 아래에서 엿보는 생명의 기원
화성 표면 아래에서 엿보는 생명의 기원 저자 김장근
등록일 2020.10.15
자료번호 BRIC VIEW 2020-R33
조회 395  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
2020년은 화성 탐사의 해로 기억될 것이다. 2020년 7월 아랍에미레이트(United Arab Emirates)의 아말, 중국의 텐원 1호, 미국의 퍼시비어런스(Perseverance) 등 총 3대의 화성 탐사선이 발사되었다. 특히, 퍼시비어런스는 생명체 또는 이와 관련된 흔적을 찾는 구체화된 임무 수행을 위해 발사되었다. 이 요약문에서는 화성 생명 탐사의 근거, 전망 및 전략을 다룬다. 구체적으로 화성에서 생명체 또는 그 흔적을 찾는 탐사를 결정하게 된 근거와 가능성을 설명하며, 화성 탐사를 통한 원시생물발생(Abiogenesis) 연구 전략을 소개한다.
키워드: 우주생물학, 화성 탐사, 원시생물발생(abiogenesis)

본 자료는 The Martian subsurface as a potential window into the origin of life. Nat. Geosci. 11, 21–26 (2018). 의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목 차

1. 서론
  1.1. 생명의 기원 탐구를 위한 지구 내 증거의 한계
2. 본문
  2.1. 초기 지구 이해의 로제타스톤, 화성
  2.2. 화성 표면 생명체의 적은 존재 가능성
  2.3. 원시생물발생 연구를 위한 탐사 전략
3. 결론


1. 서론

38억 년 전 지구 생명의 탄생 이후의 과정을 되짚어 보기 위한 지질학적 기록은 지구에는 거의 남아있지 않다. 원시생명발생에 대한 당시의 증거를 얻을 수 없기에, 이에 대한 연구는 현대의 실험실에서의 실험 결과와 이론에 의존하게 되는 한계가 있다. 현재, 초기 지구를 이해할 수 있는 최적의 증거는 원시 상태의 지질 기록이 잘 보존되어 있는 화성에 남아있다. 초기 지구를 이해할 수 있는 최적의 증거는 지구의 퇴적 기록이지만, 약 25억 년 전경에 산소 기반 광합성의 폭발적 확산과 함께 지표 환경이 변화되어 초기 지구의 증거가 거의 남아 있지 않다. 산소성 광합성의 폭발적 증가로 인한 환경 변화를 겪은 지구와 달리 화성은 초기 환경의 증거가 잘 보존되어 있다. 그 이유는 화성의 경우 10억 년 이상 고에너지의 태양 및 우주 복사의 폭격과 함께 표면이 황량하게 얼어붙은 상태였기에 화성 표면에서는 산소 기반 광합성 생물이 발생할 수 없었고, 산소성 광합성에 따른 산소 발생으로 인한 환경 변화가 존재하지 않았기 때문이다. 이 요약문에서는 원시생명발생의 환경을 잘 보존하고 있다고 여겨지는 화성을 통하여 생명의 기원을 탐구하는 가능성과 그 전략을 소개한다.

1.1. 생명의 기원 탐구를 위한 지구 내 증거의 한계

태양계 생성 초기에 원시 행성들은 주위 물질을 흡착하며 성장했다. 행성 성장 초기 단계에는 휘발성 물질 및 유기물질이 외부의 충돌로 전달되며 이와 같은 외부 물질로부터 원시생물발생이 시작점이 되었을 것으로 추정된다. 연구자들은 행성 성장 초기 단계에 이와 같은 거대한 충돌이 빈번했다는 점에 의견이 일치한다. 초기의 이 충돌들로 인한 대변동은 지표 생명의 탄생, 진화, 및 유지에 큰 걸림돌이었을 것이다. 이로 인해 지구와 달이 형성되고 8억 년이 지나서야 외부 충돌의 빈도가 줄어들어 미생물들이 발생하기 시작했다.

현재까지 지구의 초기 생명체는 그래핀 탄소에 포획된 형태로 고대 해저를 구성하는 변성암에서 발견되거나, 그보다 젊은 암석 내부에 원뿔 모양의 스트로마톨라이트(Stromatolite) 유사 구조에서 발견되어 왔다. 그보다 빠른 시기의 초기 생명체에 대한 증거로는 Jack Hills 지역의 지르콘(Zircon)에 갇혀 있는 그래핀 형태가 있는데, 증거 채택 여부에 논쟁이 있으나 인정된다면 최초 생명의 증거를 명왕누대(Hadean eon, 46억 년 전부터 40억 년 전 시기)까지 앞당길 수 있을 것이다. 생명의 기원을 이해하기 위한 핵심 시기인 시생대(Archaean eon, 40억 년 전부터 25억 년 전 시기)와 명왕누대의 흔적은 현재 지각 부피의 0.001 % 밖에 남아 있지 않고, 남아 있는 것 마저도 오랜 기간을 거치며 열화학적으로 변성되었다.

원시생명발생을 이해하기 위해서는 유기물질로부터 생명의 기본 단위(DNA, 아미노산, 당 등)가 형성되는 방법과 과정을 이해해야 하나, 초기 지구의 지질학적 기록이 대부분 보존되어 있지 않아 연구에 어려움이 있다. 이와 같은 한계로 인하여 초기 지구 환경에서 생명의 기본 단위가 합성되는 과정을 탐구하는 유기 화학 연구는 실험실 환경에서의 데이터를 기반으로 하고 있다. 실험실 수준에서 연구를 하고 있지만, 결정적인 근거를 제시하기 위하여 생명의 기원에 이르는 화학 과정을 입증하는 경험적, 실질적 증거가 필요하다. 이러한 초기생명발생에 대한 근본적인 질문에 답하기 위하여 ‘생명 발생의 요람(Cradle of life)’을 갖춘 원시 화학 환경이 보존된 외계 행성을 탐사해야 한다. 이러한 생명의 기원에 대한 질문을 해결하기 위한 궁금증을 동력으로 국제 우주 탐사가 추진되고 있다.

원시생명발생의 비밀을 풀기 위한 후보 행성으로 초기 지표 환경이 보존된 화성과 표면하 대양(Subsurface ocean)을 지닌 유로파(Europa, 목성의 위성)와 엔셀라두스(Enceladus, 토성이 위성)가 주목 받고 있다. 유로파와 엔셀라두스는 표면하 대양에서 화학합성영양생물(Chemotroph) 탄생의 가능성이 높다고 여겨지고 있다. 한편, 화성은 얕은 액체 웅덩이에서 다공성 규산염 광물(Silicate mineral)과 황화 금속(Metal sulfide)의 상호작용이 일어나는 지열시스템에서 지상 생명체가 발생하였을 가능성이 높다고 여겨지고 있다.

여러 후보 행성 중 화성은 고대의 상태가 보존된 지각에 접근 가능하며, 지구의 생명 발생 시기에 지구와 유사한 환경을 가졌다는 명확한 증거가 있는 유일한 행성이다. 이에 화성은 지구의 원시생명발생의 비밀을 풀어나갈 중요한 근거를 가지고 있는 것으로 생각되어 주요 탐사 행성으로 여겨지는 것이다 (그림 1).

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그림 1. 행성 지각의 연대 비교.
실선은 보존된 지각중 가장 오래된 경우를 나타내고, 점선은 불명확한 경우를 나타낸다. 화성의 지각은 지구의 원시생명발생을 확인하기 위한 최적의 조건을 가지고 있다. (*HED: Howardite-eucrite-diogenite, *Ga: 109 년 전).

 

2. 본문

2.1. 초기 지구 이해의 1로제타스톤, 화성

화성은 지질의 판 구조(Plate tectonics)가 없고 풍화율이 낮아서 지구보다 지질학적 기록이 오랜 시간 동안 우수하게 보존되어 있다 (그림 2). 지구 질량의 10%에 불과한 화성은 지구보다 더 적은 원시열과 복사열로부터 시작되었다. 약 40억 년 전 즈음, 화성은 행성 자체가 차가워지며 자기장을 잃었다. 지구와 화성의 생물권(Biosphere) 분기점은 화성이 자기장을 잃은 시점으로 생각되고 있다. 자기장을 잃은 화성의 지표에 엄청난 방사선 폭격이 있었고, 태양풍에 의해 화성의 대기가 화성으로부터 외부로 흩어지게 되었다.

 

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그림 2. 지구와 화성의 주요 역사 비교.
각 타임라인은 각 시대를 거쳐 보존된 지각을 기반으로 추산되었다. 상대적으로 변형 없이 잘 보존된 초기 화성의 지질학적 기록은 초기 지구 환경 및 원시 화학을 연구하기 위한 귀중한 증거로 활용될 수 있다. Image credit: NASA. (*Ga: 109 년 전)

 

화성은 대부분의 시간 동안 춥고, 건조하고, 산화적인 환경이었기에 지표에서 생명활동이 유지되기 어려웠다. 반면, 지표 근처나 지표 아래의 열수구(Hydrothermal vent) 조건에서는 생명에게 더 우호적인 환경이 조성되었을 것으로 여겨지고 있다. 적외선을 이용한 원격 탐사에서 화성 지표에 상당한 함수 실리케이트(Hydrated silicate, 토양의 광물 종류), 광물들, 다양한 종류의 염류가 존재하고 있다는 것이 확인되었다. 이와 같은 염과 함수 실리케이트 등 대부분의 침전물들은 지표 아래에서 배출되었다고 생각되고 있다. 배출된 물질 중 사문암(Serpentine), 철과 마그네슘이 풍부한 녹점토(Smectite clay), 염소산염(Chlorite), 탄산염(Carbonate), 비정형 실리카(Amorphous silica)는 심해 열수 변화(Hydrothermal alteration)의 중요한 증거로 여겨진다.

2008년 스피릿 로버(Spirit Rover)는 구세프 분화구(Gusev crater) 근처에서 순도 높은 오팔린 실리카(Opaline silica, 90% 이상의 SiO2 함량)로 이루어진 토양과 기반암(Bedrock)을 발견했는데 이는 화농성 열수활동(Fumarolic hydrothermal activity)을 나타내는 증거로 제시되었다. 유사한 물질이 상대적으로 젊은 칼데라(Caldera, 보통 화산의 폭발로 인해 화산 꼭대기가 거대하게 패여 생긴 부분)인 Nili Patera에서 관찰되기도 하였다.

화성의 지표 근처와 지표 아래의 열수 활동의 시기를 명확히 결정하기는 어렵지만, 대체로 노아키안(Noachian, 37 – 41억 년 전) 시기로 추정한다. 반면, 일부 문헌에서는 30 – 36억 년 전 헤스페리안 분화구(Hesperian crater)의 충격으로 유발된 열수 활동을 제시하고 있으나 유사하게 형성된 아마존 시대(30억 년 전 이후)의 분화구에서 상응하는 증거가 없기 때문에 그 가능성이 낮다고 여겨진다.

지표 아래층 지표로부터 수 m ~ 수 km 아래는 화성에서 가장 크고, 안정적인 생존 가능한 환경이다. 지구 바이오매스의 상당 부분은 지표 아래에 있는 원핵미생물로 구성되는데 이의 존재는 30년 전에는 알려지지조차 않았고 최근까지도 이해되지 못한 부분이 상당하다. 균열이 있는 현무암성(Basaltic) 및 화강암성(Granitic) 대수층(Aquifer, 지하수를 품고 있는 지층)을 우점하는 지표 아래의 무기 독립영양 미생물 생태계(SLiMEs, Subsurface Lithoautotrophic Microbial Ecosystems)는 수소 산화성 및 이산화탄소 환원성 메탄 생성 미생물(Methanogen)과 아세트산 생성 미생물(Acetogen)의 생산물에 의존한다. 이 생태계를 지탱하고 있는 수소는 현미암 및 초고철질암(Ultramafic rock, 예: 사문암화) 내부의 철 미네랄의 무생물적 가수분해에 의해 생성되거나, 물 분자의 방사성 분해 (Radiolysis)로 생성된다.

또 다른 수소 발생 기전으로는 현무암성 마그마에서 용출된 수소 기체, 600℃ 이상의 온도에서의 메탄의 분해, 메탄-물-이산화탄소의 반응, 규산염의 압쇄(Cataclasis, 암석의 변형 작용 중에 일어남)가 있다. 중요한 점은 방사성 분해는 수소 뿐만 아니라, 황산(Sulfate)과 같은 전자 수용체(Electron acceptor)를 생성하며 이는 황산 환원 박테리아(Sulfate reducing bacteria)를 유지하는데 사용될 수 있다

지구의 경우, 지표 아래의 생물권은 에너지와 영양분 뿐만 아니라 공극(Pore space)의 가용성에 의하여 결정된다. 공극율(Porosity)은 암석의 종류에 따라 결정되지만, 일반적인 대륙암은 3-4 km 깊이까지의 공극율이 1-5% 미만이다. 화성의 경우, 중력이 더 작기 때문에 암석의 치밀한 정도가 상대적으로 작아져서 지구의 대륙암과 비슷한 수치의 공극율이 약 10 km 깊이까지 유지된다.

지구의 대륙 및 해양 지각의 지열 경사도(Geothermal gradient, 10 – 40 K/km) 조건을 고려하면 지표 아래 3-4 km를 넘어서면 극호열균(Hyperthermophile) 조차 견딜 수 없을 만큼 높은 온도(약 120 ℃)까지 상승하여 더이상 생명체가 존재하기 어렵다. 그러나 화성은 더 낮은 지표 온도와 더 낮은 열 흐름으로 인하여 열적으로 생명체에게 더 우호적인 환경이 조성된다. 노아키안 시대의 화성의 열 경사도(Thermal gradient)를 20 K/km 로 가정할 시, 화성에서 120℃에 도달하는 깊이는 지구 깊이의 2배 가까이 된다.

화성의 지각은 대체로 초염기성(Ultramafic, 주로 고철질 광물들로 구성된 화성암을 수식하는 용어) 또는 고철질(Mafic, 마그네슘, 철을 주성분으로 포함한 광물)이고 화산체와 충돌체 층으로 구성되어 있다. 지구에 비해 더 적은 화성의 온도 기울기를 고려하면, 염기성 저온도의 사문석화작용(Serpentinization)이 긴 범위의 깊이까지 장기간 일어났을 가능성이 높으며, 이는 생물학적으로 이용 가능한 수소를 생산하였을 것이다. 고철질이 풍부한 지각은 지구의 대륙 지각보다 평균 방사성이 떨어지지만, 화성 지표 아래의 공극율을 고려할 때 지구만큼의 방사성 분해에 의한 수소 생성율이 나타났을 것이다. 지표 아래에서 용출된 탄산염과 화성 운석에 존재하는 탄산염 정맥(Vein carbonate)은 수소 생성 반응이 이산화탄소가 존재하는 곳에서 일어났고, 비생물기원의 탄화수소 생성이 가능했다는 것의 근거로 제시된다. 결론적으로, 지표 아래의 생명 활동이 가능한 부피와 풍부한 비생물적 에너지원은 화성에서 지구와 같이 쉽게 확보될 수 있었을 것이다.

2.2. 화성 표면 생명체의 적은 존재 가능성

남세균(Cyanobacteria)에 의한 산소성 광합성은 지구 생태계 역사의 중요한 전환점이 되었다. 산소성 광합성은 약 25 – 26억 년 전 시작된 것으로 추정된다. 대기의 산소가 증가하며 오존이 형성되었고 이는 유해한 자외선으로부터 표면을 보호하였다. 남세균의 이와 같은 번식 성공은 퇴적율이 높은 얕은 물가에서 바이오매스의 생성과 퇴적을 크게 향상시켰을 뿐만 아니라 건조하고 추운 환경에서 지의류(Endolithic community) 군집 형성을 증가시켰다. 지구의 30억 년간 고생물학 기록은 이와 같은 환경에서 유래된 탄소성 퇴적암 중심으로 보존되어 있다.

화성에서는 표면 생태계가 형성될 수 있는 진화적인 동력이 존재하지 않았다고 생각된다. 노아키안 시기 동안 화성은 춥고, 건조하고, 산화적 환경이었을 가능성이 높다. 화성 표면은 36억 년 전 대체로 춥고 축축한 환경에서 얼어붙고 극히 건조한 사막으로 변이되었는데 이 시점이 노아키안 시기에서 헤스페리안(Hesperian) 시기로 전환되는 지점이다.

지구의 표면 생태계의 번성 시점은 산소성 광합성의 진화 시기인 시생대로 거슬러 올라간다. 분자 시계는 광합성의 기원을 30억 년 전으로 측정하고, 산소성 광합성의 기원은 그 이후인 25-26억 년 전으로 측정한다. 얼어붙고 건조한 표면 환경, 희미한 햇빛, 강한 태양 자외선 및 우주선 등에도 불구하고 화성의 광영양생물(Phototroph)은 이러한 광합성 진화를 36억 년 전 달성했을 가능성이 있다. 대조적으로, 지표 아래 생태계의 중요한 대사 경로를 형성하는 메탄생성은 유리고세균(Euryarchaeota)과 크렌고세균(Crenarchaeota)의 발산 진화 이전에 진화된 가장 초기의 대사를 대표한다.

이러한 극한 상황을 고려할 때, 화성에서 광합성이 진화하지 않았을 가능성 대하여 신중하게 고려해야 한다. 비록 고에너지 방사선은 특정 균류에서 보고된 바와 같이 에너지원으로 작용할 수 있지만, 일반적으로 방사선에 노출된 표면 환경은 지표 생태계의 존재에 장애가 되고 유기물질의 보존에 부정적인 영향을 끼친다. 위의 제반 사정을 고려할 때, 현재의 화성 탐사 전략을 다시 생각해 볼 필요가 있다고 생각된다.

2.3. 원시생물발생 연구를 위한 탐사 전략

향후 화성 탐사에서 생명 또는 생명의 흔적을 찾기 위하여 탐사 위치 선정에 주의를 기울여야 한다. 화성 탐사 전략이 그 자체로는 이해가 가능하여도 인간의 인식론적 문제가 내포될 가능성이 있기 때문이다. 화성은 지구와는 다르다는 점을 잊어버리기 쉽다. 인간의 생명에 대한 지식과 인식은 산소성 광합성이 전제된 지구에 제한되어 있다는 점을 주지해야 한다. 만약 화성에서 광합성이 나타난 적이 있다고 하여도, 여전히 지표 생태계가 형성된 과정과 퇴적 기록에서 생명 현상의 증거를 포착할 수 있는지는 미지의 상태이다.

지구에서 고대 환경과 가장 유사한 생명체 서식지인 심해 열수구와 지표 아래 환경을 화성에 비추어보면, 지구에서 고대 생명의 흔적이 있는 곳과 유사한 환경에서부터 생명 또는 생명 흔적의 탐사를 시작하는 것이 합리적이다. 우리는 이로써 화학합성 영양생물을 찾을 확률을 높이고, 생명의 기원의 조건이 되는 생물 발생 이전의 화학(Prebiotic environment) 환경에 대한 증거를 찾을 수 있을 것이다.

지구의 생명의 탄생에 대해 여전히 이해하지 못하고 있다는 점을 고려하면, 생명의 증거를 찾기 위하여 다양한 가능성을 열어두는 것이 보다 합리적이다. 달리 말하면, 가장 진화한 형태의 지표 생물을 찾는 것보다는 생명의 탄생을 가능하게 할 수 있는 생물 발생 이전의 화학 환경을 찾는 것이 합리적이라는 것이다. 지구에서 원시 생명체를 탄생시킨 환경을 기준으로 동일한 환경을 화성에서도 찾을 수 있을 것이다.

화성의 심해 열수구와 지표 아래의 환경에서 생명 지표가 보존되어 있을지 여부는 화성의 생명 탐사에서 중요한 고려사항이지만, 궁극적인 장애물은 아니다. 외계의 심해 열수구 활동과 관계 있는 생체분자의 보존은 수화물을 가진 운석에서 확인된 사례가 다수 존재하기 때문이다.

심해 열수구 활동이 중단된 후, 화성의 온도가 급격히 낮아졌기 때문에 생체흔적(예: 아미노산 광학 이성질체 비율)과 같은 생명 지표들이 보존되기에 이상적인 조건이 형성되었다. 이산화규소는 미화석(Microfossil, 육안으로 볼 수 없는 작은 화석)의 보존에 기여하고, 뜨거운 온천 환경에서 생물학적 광물 생성작용(Biomineralization)으로 형성된 규산철(Iron silicate)은 자외선으로부터 보호 기능을 한다. 지표 아래 환경의 생체표지자(Biomarker) 보존은 연구가 부족하지만, 백악계(Cretaceous) 지표 아래 환경에서 생체표지자의 보존이 가능함이 알려진 바 있다.

3. 결론

생명 탐사의 초점을 비광합성 생명에 집중하여, 화성에서 생명 지표와 원시생명탄생의 실마리를 찾을 가능성을 높이는 것은 향후 화성 탐사 전략에서 중점적으로 고민되어야 할 것이다. 생명의 기원을 찾는 과제는 황, 철, 수소와 같은 에너지원을 쫓아가는 과정이다. 이 에너지원을 쫓아가는 과정은 우리를 화성으로 이끌어 갈 것이다.


1로제타스톤: 고대 이집트어 해독의 시발점으로 여겨지는 발굴품으로서 이 리뷰에서는 미지의 영역을 푸는 단초가 되는 것을 의미한다.

 

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김장근(2020). 화성 표면 아래에서 엿보는 생명의 기원. BRIC View 2020-R33. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3620 (Oct 15, 2020)
* 자료열람안내 본 내용은 BRIC에서 추가적인 검증과정을 거친 정보가 아님을 밝힙니다. 내용 중 잘못된 사실 전달 또는 오역 등이 있을 시 BRIC으로 연락(member@ibric.org) 바랍니다.
 
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