[사이언스] 소행성 샘플을 두고 벌어진 황당하고 슬픈 해프닝

[비즈한국] 지금으로부터 약 6600만 년 전 지금의 멕시코 근처 유카탄 반도로 거대한 소행성이 날아왔다. 지름 200km에 달하는 거대한 소행성의 충돌은 지구 기후에 막대한 변화를 일으켰고, 오랫동안 지구를 군림하던 거대 파충류는 천천히 사라졌다. 이것은 지구에서 다섯 번째로 벌어진 대멸종 사건으로 기록되었다.

하지만 운석이 꼭 파괴, 죽음의 대명사인 건 아니다. 때로는 오히려 새로운 생명의 탄생, 시작을 알리는 신호탄이 되기도 한다.

DNA 이중나선 구조를 발견한 것으로 유명한 영국의 생물학자 프랜시스 크릭은 2차 세계대전이 끝난 이후 한창 전 세계가 UFO 열풍으로 들썩이던 1973년 화학자 레슬리 오겔과 함께 흥미로운 가설을 툭 던졌다. 오래전 지구로 날아온 소행성과 혜성 표면에 묻어 있던 물질이 지구에 전달되었고, 그것이 지구 생명의 씨앗이 되었을 거란 가설이다.

당시까지 거의 모든 생물학자들은 생명의 재료가 그저 지구 어딘가에서 조합되었을 거라 생각했다. 그런데 크릭은 순식간에 그 가능성을 지구 바깥 우주까지 확장했다. 지구의 생명체도 외계 생명체에서 비롯되었을지 모른다는 파격적인 주장이었다. 사실 크릭이 얼마나 진지하게 생각하고 말을 내뱉었는지는 이후 많은 논란이 있었지만, 이 가설은 이후 50년에 걸쳐 더 구체화되고 발전했다.

에이리언 시리즈 중 명작으로 손꼽히는 2012년작 ‘프로메테우스’는 정확히 이 가설에 기반을 둔다. 수십억 년 전 엔지니어라고 불리는 외계 종족이 지구의 바다에 찾아왔고, 그 몸속에 있던 성분이 녹아들면서 지구 바닷속 최초의 생명체를 이루는 재료가 되었다는 것이다. 그래서 영화에 등장하는 외계인의 시체는 오늘날 인간의 DNA와 거의 유사한 것으로 표현된다.

지구 생명의 기원이 소행성과 혜성에서 왔다면, 우주 전역에서 비슷한 일들이 충분히 벌어질 수 있다. 작은 우주 돌멩이 조각에 묻어있던 생명의 재료들이 오랜 시간 우주를 떠돌다 또 다른 행성에 전달되고, 그 파편이 다시 우주로 날아가 또 다른 행성으로 전달된다. 민들레 씨앗이 바람을 타고 멀리 떨어진 산에 날아가 그곳에서 새로운 민들레 동산이 펼쳐지는 것과 같다. 우주 전역에 생명의 종이 범우주적으로 퍼지고 있다는 이 가설을 범종설 ‘판스페르미아(Panspermia)’라고 한다.

이 가설은 매력적이지만, 입증하기가 어렵다. 입증할 방법은 하나뿐이다. 지구의 물질로 오염되지 않은 순수한 소행성과 혜성에 직접 날아가서 그곳에 정말 생명의 재료가 되는 물질이 꽁꽁 얼어붙어 있는지 확인하는 것이다.

이 놀라운 가능성에 주목한 천문학자들은 최근 들어 소행성을 향해 다양한 탐사선을 보냈다. 소행성 류구로 떠났던 하야부사2 탐사선은 성공적으로 류구에 터치다운을 시도했다. 하야부사2는 캡슐에 소행성 샘플을 수집했고, 그 캡슐은 2020년 12월 지구 대기권을 뚫고 다시 고향으로 돌아왔다. 소행성 샘플을 직접 지구까지 ‘로켓배송’한 셈이다.

더 최근에는 NASA의 OSIRIS-Rex 미션이 있었다. 소행성 베누에 접근한 탐사선은 마찬가지로 기다란 주둥이로 소행성 표면에 터치다운했다. 짧은 충돌 순간 퍼져나온 소행성의 비산 먼지들을 수집했고, 샘플이 담긴 캡슐은 지난 2023년 9월 성공적으로 지구 대기권에 재진입했다. 소행성 샘플을 싣고 지구의 하늘에 떨어진 인공 운석이 된 셈이다.

하야부사2가 가져온 류구 샘플은 많은 분석이 이루어졌고 놀라운 것이 발견되었다. 류구의 샘플에서 살아 숨쉬는 박테리아가 발견된 것이다. 게다가 하루가 다르게 그 수가 증식하고 있는 모습까지 확인되었다. 영화 ‘프로메테우스’처럼 엔지니어의 정체를 발견한 것일까? 그렇지는 않다. 여기에는 아주 슬프지만 더 놀라운 이야기가 숨어 있다.

류구의 샘플을 얇게 자른 다음 전자현미경으로 확인해보니, 무언가 얇고 가는 미세한 구조가 발견되었다. 그 스케일은 50마이크로미터 정도로 아주 작다. 사람 머리카락 두께가 대략 20에서 200마이크로미터 수준이다. 머리카락은 논문의 사진 속 얇고 가는 구조 전체를 다 덮어버릴 정도로 훨씬 두껍다.

샘플 곳곳에서 길고 가느다란 필라멘트처럼 보이는 구조가 발견됐다. 처음에 천문학자들은 이 필라멘트 구조들이 단순히 어딘가에서 묻은 사람의 얇은 머리카락, 털, 또는 옷감의 섬유 같은게 아닐까 추정했다. 실험실에서는 실험복의 섬유, 실험 도구를 닦을 때 쓰는 천이나 패드에서 다양한 섬유가 묻어나올 수 있기 때문이다. 하지만 우리가 아는 어떤 섬유 조직과 비교해도 구조가 일치하지 않았다.

필라멘트 구조 중 하나를 확대한 사진을 보면 더 흥미로운 구조가 보이는데, 중간중간 가닥이 움푹하게 들어간 구조도 발견된다. 이것은 하나의 세포가 분열을 하는 과정에서 두 세포가 아직 덜 분리되었을 때 서로 연결된 형태로 자주 발견된다.

더 놀라운 사실은 시간이 지나면서 필라멘트의 수가 더 늘어나고 있다는 것. 이것은 분명 증식하는 생명체라는 의미다. 단순히 안경닦이 천에서 묻어나온 섬유가 아니라는 뜻이다.

류구의 샘플을 담은 캡슐은 지난 2020년 12월 지구 대기권을 뚫고 지구에 도착했다. 따끈따끈한 로켓배송 선물을 바로 확인하고 싶었지만 천문학자들은 오랫동안 꾹 참고 기다렸다. 최대한 지구 물질로 오염되지 않도록 수개월 동안 진공 챔버 안에 보관했다. 긴 기다림 끝에 드디어 2022년 11월 4일 샘플 컨테이너가 개봉되었다.

이번 분석에서 사용한 샘플을 전자현미경으로 관찰하기 시작한 날짜는 그로부터 일주일이 지난 2022년 11월 11일이다. 처음 전자현미경으로 들여다봤을 때는 샘플에서 필라멘트가 11개 정도 발견되었다. 그런데 불과 3주 뒤인 11월 30일 필라멘트는 147개로 늘어났다. 다시 2주가 더 흐른 2023년 1월 14일에는 그 수가 36개로 크게 줄었다. 이것은 분명 시간이 흘러가면서 그 수가 늘어났다 줄어드는, 살아 숨쉬는 개체 군집이 있다는 것을 의미한다. 생명이 분명했다.

연구진은 드디어 미생물 형태로 존재하는 외계생명체를 발견한 게 아닐까 하는 설렘을 잠깐 느꼈다. 하지만 더 면밀히 분석한 결과 실망스러운 진실이 밝혀졌다. 이것은 외계 생명체가 아니었다. 우리 지구의 박테리아였다.

지구의 박테리아는 모두 비슷한 방식으로 증식한다. 맨 처음 박테리아가 새로운 환경에 노출되면 환경에 적응하는 동안 느리게 증식하며 본격적인 생장을 준비한다. 별다른 세포 분열과 증식은 관찰되지 않고 이후의 생장을 위해 단백질 복제를 준비한다. 이후 본격적인 로그생장상(Log Growth phase)에 진입해, 일정한 시간마다 박테리아 수가 두 배씩 뻥튀기 된다. 지수함수적으로 개체수가 급증하는 시기다. 하지만 박테리아라고 해서 무한정 증식하지는 않는다. 군집을 유지하기 위해 필요한 자원이 부족해지면 결국 증식을 멈추고 고정상(stationary phase)에 들어간다. 이후 서서히 그 수가 줄어드는 사멸기(death phase)까지 이어진다.

이번 류구 샘플에서 확인된 박테리아로 추정되는 필라멘트의 수도 정확히 이런 방식으로 변화했다. 처음에는 11개뿐이던 수가 불과 3주 만에 147개로 늘어났고, 다시 36개로 감소했다. 이 생장 패턴을 통해 연구진은 약 5.1일마다 그 수가 두 배씩 늘어나고 있다고 추정했다. 이것을 기준으로 필라멘트의 증식이 언제 시작되었을지 추적한 결과, 맨 처음 전자현미경 분석을 위해 소행성에서 샘플을 얇게 자른 시점, 2022년 11월 초였던 것으로 보인다. 즉 원래부터 소행성에 살고 있던 외계 생명체가 아니라 지구의 실험실에 도착한 직후 묻은 지구 박테리아일 가능성이 높다.

이번에 관찰된 박테리아는 바실루스로 추정한다. 막대기처럼 기다란 모양을 하고 있다. 바실루스라는 이름 자체가 라틴어로 막대기라는 뜻이다. 이들은 지구 전역의 땅과 강, 심지어 우리 몸속에서도 살고 있는 아주 흔한 박테리아다. 비교적 단단한 세포벽을 갖고 있어서 거의 진공에 가까운 낮은 압력에서도 죽지 않고 살아남는다.

사실 일반적인 상황에서 바실루스는 120분마다 두 배씩 증식한다. 하지만 이번 소행성 샘플에서 확인된 필라멘트는 거의 5일마다 두 배씩 늘어났는데, 이것은 소행성 샘플이 지구에 도착한 이후 보관되는 동안 많은 스트레스가 가해지는 환경에 노출되었기 때문으로 보인다. 바실루스는 낮은 압력 조건에서 두 배로 증식하는 시간이 6일까지 늘어나는데, 이번 샘플에서 확인된 필라멘트의 생장 주기와 비슷하다.

혹시 소행성에 차갑게 얼어 있던 외계 박테리아가 지구의 따뜻한 환경에 노출되면서 겨울잠을 깨고 나타난 건 아닐까 하는 미련이 남아있을지 모르지만, 그럴 가능성은 아주 낮다. 소행성 샘플은 지구에 오자마자 바로 열린 게 아니라, 거의 300일 가까운 긴 시간 실험실의 따뜻한 환경에 그대로 노출된 채 보관됐다. 따라서 만약 소행성에 무언가 외계 생명체가 처음부터 있었다면 이미 1년 가까운 보관 시간에 아주 많은 수로 증식했어야 한다. 하지만 맨 처음 샘플을 분석했을 때 관찰된 필라멘트의 수는 겨우 11개였다.

2023년 1월 추가로 진행한 분석에서 별다른 필라멘트 구조가 확인되지 않았다는 점도 중요하다. 만약 외계 박테리아가 소행성 곳곳에 묻어 있는 상태였다면 추가로 샘플을 얇게 깎아 확인했을 때 다시 한번 박테리아가 발견되었어야 한다. 하지만 이후 새로운 외계 생명체는 보이지 않았다.

아쉽게도 우리가 기대한 외계 박테리아, 엔지니어는 아니었지만 이번 발견은 우리에게 중요한 사실을 알려준다. 우선 지구의 생명체가 지구가 아닌 소행성과 같은 전혀 다른 천체 표면에서도 살아남을 수 있다는 것을 보여준다. 비록 번성하지는 못하더라도 곧바로 죽지 않고 꽤 일정 기간 증식하면서 개체수를 늘릴 수 있다는 사실이 입증되었다. 이번 샘플에서 벌어진 일련의 사건을 천문학자들은 ‘Rapid colonization(급속 식민지화)’라고 표현한다. 지구에 도착한 소행성 샘플은 불과 몇 주 만에 지구에 살고 있던 토박이 박테리아에 의해 식민지가 되었다.

이것은 앞으로 화성을 비롯한 다양한 천체를 테라포밍하는 계획에 아주 중요한 발견이다. 궁극적으로 화성에 사람이 가기 전에 척박한 환경에서 살 수 있는 박테리아를 먼저 보낼 필요가 있다. 이번 발견은 화성과 같은 지구 바깥 물질 위에서 박테리아들이 충분히 살 수 있으며 심지어 증식까지 할 수 있다는 것을 보여준다. 아마 테라포밍이 실현된다면 인간보다 먼저 화성에 진출하는 진정한 선발대는 박테리아가 될 것이다.

이번 발견은 앞으로 더 다양한 소행성, 혜성 탐사를 계획하고 있는 과학자들에게도 중요한 메시지를 남긴다. 과학자들은 우주에서 갖고 온 귀중한 샘플이 지구의 물질로 오염되지 않도록 엄격한 오염 방지 프로토콜을 준수한다. 그런데도 이번 샘플은 지구 물질에 오염되었다. 이것은 지금 진행되고 있는 프로토콜만으로는 충분치 않다는 것을 의미한다.

소행성 방역막에 구멍이 뚫렸다는 건 아주 중요한 문제다. 박테리아는 생화학적인 반응을 하면서 소행성 표면의 미네랄을 파괴하거나, 새로운 물질을 남길 수도 있다. 소행성의 화학적 특성이 변형되는 것이다. 소행성은 태양계 외곽에서 50억 년 전 태양계가 처음 만들어질 때의 물질을 그대로 품고 있는 살아 있는 화석으로 여겨진다. 그런데 그 소중한 보물을 지구로 갖고 오는 순간 오염되어 버린다면 연구 결과는 크게 왜곡된다.

우주 환경을 오염시키지 않기 위한 천문학자들의 노력은 아주 오래전부터 이어졌다. 14년에 걸친 대장정을 마치고 2003년 9월 미션이 끝난 갈릴레오 탐사선의 최후를 두고 공방이 이어졌다. 일부에서는 목성 주변을 도는 유로파와 같은 얼음 위성 표면에 추락시키자고 주장했다.

하지만 유로파는 물과 얼음이 존재하는, 높은 확률로 외계 생명체가 있으리라고 기대할 수 있는 곳이다. 그래서 앞으로 생명체의 흔적을 찾기 위한 많은 탐사가 예정됐다. 만약 지구에서 보낸 탐사선이 유로파에 추락한다면 거기에 묻어 있던 지구의 물질이 순수했던 유로파의 환경에 변형을 가할 수 있다. 만약 나중에 정말 유로파에 가서 살아 숨쉬는 박테리아가 발견되더라도 그게 정말 유로파에서 탄생한 외계 생명체인건지, 아니면 오래전 선배들이 보낸 탐사선에 묻어 있던 지구의 박테리아가 살아남은 건지 알 길이 없어진다. 의도치 않게 우리 인류가 유로파에 새로운 생명을 싹틔우는 엔지니어의 입장이 되어버리는 셈이다.

결국 천문학자들은 갈릴레오 탐사선을 목성 구름 속에 다이빙시키는 것으로 결론을 내렸고, 무사히 유로파의 환경을 지켜냈다. 덕분에 최근 발사된 유로파 클리퍼 탐사선은 별다른 오염 걱정 없이 지금껏 순수하게 보존된 유로파를 분석할 수 있게 되었다.

최근 예산 문제로 인해 다소 휘청거리고 있지만 NASA는 2030년 전에 화성에서 샘플을 갖고 지구로 돌아오는 역사적인 화성 샘플 귀환(Mars Sample Return) 계획을 준비하고 있다. 이미 화성에 날아간 퍼서비어런스 로버는 열심히 화성 곳곳에 구멍을 뚫으면서 샘플을 수집하고 있다. 이후 화성에 도착한 두 번째 탐사선에 샘플을 옮긴 다음, 작은 미사일 같은 로켓을 발사해 귀중한 보물을 싣고 지구에 돌아올 예정이다.

그동안 화성에 대한 연구는 모두 화성에서만 진행되었다. 모두의 바람대로 이 미션이 무사히 굴러가게 된다면 인류는 드디어 지구 위에서 화성의 물질을 직접 확인하고 분석할 수 있게 된다. 하지만 만약 이번 소행성 샘플 분석에서처럼 지구의 물질로 오염된다면 귀중한 화성 샘플의 분석 결과는 많은 오류를 품게 된다. 곧 화성 샘플의 귀환 미션을 앞둔 현 시점에서 류구의 샘플은 천문학자들이 더 신중하게 오염 방지 프토로콜을 재수립해야 한다는 중요한 교훈을 남겼다.

미국 소설가 조지프 헬러가 2차 세계대전 당시 복무 경험을 바탕으로 집필한 소설 ‘캐치-22’의 제목 캐치-22는 작품 속에서 등장하는 가상의 암묵적 규정이다. “정신 나간 사람은 폭격 임무에서 배제되어야 하기 때문에 자신이 미쳐 있다는 사실을 군의관에게 알려야 한다. 하지만 그렇게 하면 그는 올바른 정신적 판단을 내렸다는 뜻이므로, 미치지 않았다는 것을 입증하게 되며 폭격 임무에서 배제할 수 없게 된다”는 규정이다. 그래서 캐치-22는 돌고 도는 순환 논리에 빠지는 난감한 상황을 일컫는다.

소행성 샘플을 분석할 때도 비슷한 상황이 벌어진다. 소행성에 어떤 성분이 있는지 분석하기 위해서는 지구의 실험실에서 분석을 해야 한다. 하지만 지구의 실험실에 갖고 오면 지구의 물질로 오염되기 때문에 올바른 분석을 할 수 없다. 결과가 왜곡될 수 있기 때문에 소행성을 지구의 실험실에 갖고 오는 것은 위험하다. 그런데 소행성 샘플을 갖고 오지 않으면 지구에서 분석할 수가 없다.

물론 정확한 비유는 아니지만, 표면적으로 벌어지는 현상만 본다면 “소행성을 분석하기 위해 관찰을 하는 순간 소행성은 원래의 성질을 잃어버리고 변형되고 오염된 모습으로 바뀌어버린다”는 측면에서 마치 “관찰이란 행위 자체가 우주의 모습에 영향을 준다”라고 이야기했던 양자역학의 난감한 상황이 떠오른다. 우리는 원자들의 미시 세계에서도, 우주의 거시 세계에서도 우리가 손대기 전 순수한 본연의 모습 그대로의 세상을 보지 못하는 것 같다.

참고

https://www.darts.isas.jaxa.jp/curation/hayabusa2/

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.

지웅배 과학칼럼니스트

writer@bizhankook.com

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