남극 중앙의 바위산맥 토양에는 미생물이 전혀 없었습니다.
과학자들은 지구 표면 토양에 생명체가 존재하지 않는 것으로 보인다는 사실을 처음으로 발견했습니다. 이 토양은 남극에서 480km(300마일) 떨어진 남극 대륙 내륙의 바람에 휩쓸린 두 개의 바위산맥에서 유래한 것으로, 수천 피트(약 1,000미터) 두께의 얼음이 산맥을 관통하고 있습니다.
"사람들은 항상 미생물이 강인해서 어디에서나 살 수 있다고 생각해 왔습니다."라고 콜로라도 볼더 대학교의 미생물 생태학자이자 토양 연구팀의 노아 파이어러는 말합니다. 화씨 200도(섭씨 90도)가 넘는 열수 분출공, 남극 대륙의 얼음 두께 800미터(0.8km) 아래의 호수, 심지어 지구 성층권에서 36,000미터(120,000피트) 상공에서도 단세포 생물이 발견된 적이 있습니다. 하지만 1년간의 연구 끝에 페레르와 그의 박사과정 학생 니콜라스 드래곤은 남극 토양에서 아직 생명체의 흔적을 발견하지 못했습니다.
파이어와 드라곤은 다양한 환경을 지닌 11개 산맥의 토양을 연구했습니다. 낮고 덜 추운 산악 지대에서 온 토양에는 박테리아와 곰팡이가 포함되어 있었습니다. 하지만 가장 높고 건조하며 추운 두 산맥의 일부 산맥에서는 생명의 흔적이 전혀 발견되지 않았습니다.
"멸균되었다고 할 수는 없습니다."라고 페레르는 말했다. 미생물학자들은 한 티스푼의 흙에서 수백만 개의 세포를 발견하는 데 익숙하다. 따라서 매우 적은 수(예: 생존 가능한 세포 100개)는 검출되지 않을 수 있다. "하지만 우리가 아는 한, 그 안에는 미생물이 전혀 없습니다."
일부 토양에 실제로 생명체가 없는지, 아니면 나중에 생존 세포가 존재하는 것으로 밝혀졌는지 여부는 불분명하지만, 최근 JGR Biogeosciences 저널에 발표된 새로운 연구 결과는 화성 생명체 탐사에 도움이 될 수 있습니다. 남극 토양은 영구적으로 얼어붙어 있고, 독성 염분으로 가득 차 있으며, 200만 년 동안 액체 상태의 물이 거의 없었습니다. 이는 화성 토양과 유사합니다.
이 표본들은 2018년 1월 미국 국립과학재단(NSF)의 지원을 받아 남극횡단산맥의 외딴 지역을 탐사하는 동안 수집되었습니다. 이 표본들은 대륙 내부를 통과하며 동쪽의 높은 극지방 고원과 서쪽의 낮은 빙하를 가르고 있습니다. 과학자들은 산 속 협곡을 따라 흘러내리는 96km 길이의 얼음 컨베이어 벨트인 섀클턴 빙하에 캠프를 세웠습니다. 그들은 헬리콥터를 이용하여 높은 고도로 비행하여 빙하 위아래로 샘플을 채취했습니다.
해발 몇백 피트 높이의 빙하 기슭에 있는 따뜻하고 습한 산속에서, 그들은 그 땅에 참깨보다 작은 동물들이 서식하고 있음을 발견했습니다. 미세한 벌레, 여덟 발 완보동물, 윤충류, 그리고 톡토기라고 불리는 아주 작은 벌레들, 즉 날개 달린 곤충들이 서식하고 있었습니다. 이 벌거벗은 모래땅에는 잘 가꾸어진 잔디밭에서 발견되는 박테리아의 1,000분의 1도 채 되지 않는 양이 서식하고 있었는데, 이는 땅속 깊이 숨어 있는 작은 초식동물들의 먹이가 되기에 충분한 양이었습니다.
하지만 팀이 빙하 깊숙한 곳의 높은 산들을 방문하면서 이러한 생명의 흔적은 점차 사라졌습니다. 빙하 꼭대기에서는 해발 7,000피트가 넘는 슈뢰더 산과 로버츠 산, 두 개의 산을 방문했습니다.
유타주 프로보에 있는 브리검 영 대학교의 생물학자이자 이 프로젝트를 이끈 바이런 애덤스는 슈뢰더 산 방문이 얼마나 잔혹했는지 회상합니다. 이 여름날의 기온은 섭씨 영하 1도에 가깝습니다. 울부짖는 바람에 얼음과 눈이 서서히 증발하면서 산은 벌거벗은 채 남았습니다. 모래를 파내려고 가져온 정원 삽을 들어 올리거나 던지는 것은 언제나 위험했습니다. 이 땅은 수억 년 동안 비바람에 침식되어 구멍이 생기고 윤이 나는 붉은 화산암으로 뒤덮여 있습니다.
과학자들이 암석을 들어 올렸을 때, 암석의 바닥이 과염소산염, 염소산염, 질산염의 독성 결정인 흰색 소금 껍질로 덮여 있는 것을 발견했습니다. 로켓 연료와 산업용 표백제에 사용되는 부식성 반응성 염인 과염소산염과 염소산염은 화성 표면에서도 풍부하게 발견됩니다. 씻어낼 물이 없기 때문에 이 건조한 남극 산맥에는 소금이 쌓입니다.
"마치 화성에서 샘플을 채취하는 것과 같아요." 애덤스가 말했다. 삽을 꽂으면 "영원히, 어쩌면 수백만 년 만에 처음으로 토양을 뒤흔드는 존재가 자신이라는 걸 알게 되죠."
연구진은 이처럼 높은 고도와 극한 환경에서도 토양에서 살아있는 미생물을 발견할 수 있을 것이라고 예측했습니다. 그러나 2018년 말, 드래곤(Dragon) 연구소가 중합효소 연쇄 반응(PCR)이라는 기법을 사용하여 토양에서 미생물 DNA를 검출하면서 이러한 기대는 무산되기 시작했습니다. 드래곤 연구소는 빙하 위아래의 산악 지역에서 채취한 204개의 시료를 검사했습니다. 저지대와 서늘한 산악 지역에서 채취한 시료에서는 다량의 DNA가 검출되었지만, 슈뢰더 산과 로버츠 매시프 산을 포함한 고지대에서 채취한 시료(20%)는 검사 결과가 나오지 않았습니다. 이는 미생물이 매우 적거나 아예 검출되지 않았을 가능성을 시사합니다.
"처음에 결과를 보여주기 시작했을 때 '뭔가 잘못됐어'라고 생각했어요." 페럴은 말했다. 그는 샘플이나 실험실 장비에 문제가 있을 거라고 생각했다.
드래곤은 생명체의 흔적을 찾기 위해 일련의 추가 실험을 수행했습니다. 그는 토양에 포도당을 처리하여 토양 속 특정 유기체가 포도당을 이산화탄소로 전환하는지 확인했습니다. 그는 지구상의 모든 생명체가 에너지를 저장하는 데 사용하는 ATP라는 화학 물질을 발견하고자 했습니다. 그는 몇 달 동안 다양한 영양소 혼합물에 흙을 섞어 배양하면서 기존 미생물들이 군집을 이루도록 유도했습니다.
"닉이 이 샘플들을 가지고 부엌 싱크대를 뒤졌어요." 페럴이 말했다. 이 모든 검사에도 불구하고, 그는 여전히 일부 토양에서 아무것도 발견하지 못했다. "정말 놀랍네요."
캐나다 궬프 대학교의 환경 미생물학자 재클린 구르디알은 이 결과를 "매혹적"이라고 평하며, 특히 드래곤이 특정 위치에서 미생물 발견 가능성에 영향을 미치는 요인을 규명하려는 노력에 주목했습니다. 그는 높은 고도와 높은 염소산염 농도가 생명체 발견 실패의 가장 강력한 예측 요인임을 발견했습니다. 굿이어는 "이것은 매우 흥미로운 발견입니다."라고 말하며, "이것은 지구 생명체의 한계에 대해 많은 것을 알려줍니다."라고 덧붙였습니다.
그녀는 남극의 다른 지역에서의 자신의 경험 때문에 그 땅에 생명이 전혀 없다고 확신하지 못합니다.
몇 년 전, 그녀는 섀클턴 빙하에서 북서쪽으로 800km 떨어진 유니버시티 밸리라는 남극횡단산맥의 유사한 환경에서 토양을 연구했습니다. 이곳은 12만 년 동안 상당한 수분이나 녹는 온도가 없었을 가능성이 있습니다. 그녀가 계곡의 전형적인 여름 기온인 화씨 23도에서 20개월 동안 배양했을 때 토양에는 생명의 흔적이 없었습니다. 그러나 토양 샘플을 영하 몇 도까지 가열했을 때 일부에서 박테리아 증식이 관찰되었습니다.
예를 들어, 과학자들은 박테리아 세포가 빙하 속에서 수천 년이 지나도 살아남는다는 것을 발견했습니다. 빙하에 갇히면 세포의 신진대사는 백만 배나 느려질 수 있습니다. 더 이상 성장하지 않고, 얼음을 관통하는 우주선(cosmic rays)으로 인한 DNA 손상만 복구하는 상태가 됩니다. 굿이어는 이 "느리게 살아남은" 세포들이 칼리지 밸리에서 발견된 세포일 가능성이 있다고 추측합니다. 그녀는 드래곤과 파이어러가 10배 더 많은 토양을 분석했다면 로버츠 매시프나 슈뢰더 산에서 발견되었을 것이라고 추측합니다.
플로리다 대학 게인즈빌 캠퍼스에서 남극 미생물을 연구하는 브렌트 크리스너는 이러한 고고도의 건조한 토양이 화성에서 생명체를 찾는 데 도움이 될 수 있다고 생각합니다.
그는 1976년 화성에 착륙한 바이킹 1호와 바이킹 2호 우주선이 남극 해안 근처, 드라이 밸리(Dry Valleys)라고 불리는 지역의 저지대 토양에 대한 연구를 바탕으로 생명체 탐사 실험을 수행했다고 언급했습니다. 이 토양 중 일부는 여름에 녹은 물로 인해 젖습니다. 이 토양에는 미생물뿐만 아니라 작은 벌레와 다른 동물들도 서식합니다.
이와 대조적으로 로버츠 산과 슈뢰더 산의 높고 건조한 토양은 화성 기구를 시험하기에 더 나은 환경을 제공할 수 있습니다.
크리스너는 "화성 표면은 매우 열악합니다."라고 말했다. "지구의 어떤 생명체도 표면에서 살아남을 수 없습니다." 적어도 표면에서 1~2인치는 살아남을 수 없다. 생명체를 찾아 화성으로 향하는 모든 우주선은 지구에서 가장 혹독한 환경에서도 작동할 각오가 되어 있어야 한다.
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