[우주 기술과 응용] 우주 농업 생명의 경계를 넘다

존하고 성장할 수 있도록 특별한 재배 환경을 조성하는 것이 필요하다.

우주 농업을 위해서는 크게 두 가지 측면을 고려해야 한다. 첫째는 지구의 농작물을 우주 환경인 중력, 토양, 물, 빛, 공기 등에 적응시켜 키우는 기술이며, 둘째는 지구 농작물의 종자를 우주 환경에 적응할 수 있도록 육종하는 우주 육종 기술이다. 미국과 소련의 경우 1960년대부터 우주 식물 종자 육종시험을 시작하여 현재는 많은 인공위성 발사와 우주 정거장 확보를 통해 우주 농업의 부분적 실용화 단계에 진입해 있다.

우주 환경에 식물을 적응시켜 재배하는 기술은 우주에서의 식물 성장 특성을 아는 것에서 시작한다. 우주에서의 식물 성장 특성은 미세중력 환경에 대한 반응, 식물의 중력 감지 메커니즘, 세포벽 변화와 유전자 발현 등으로 요약해 볼 수 있다. 미세중력 환경에서 식물 세포 내 구성 요소들은 세포질 내에서 무작위로 이동하여 식물 호르몬과 같은 세포 내 물질들이 더욱 혼합되는 현상이 발생하는데 이로 인해 식물은 굽거나 무작위 방향으로 성장하는 패턴을 보인다. 초기 우주 농업 실험에서 상추는 전체적인 생장 속도가 감소하고 기공이 더 넓게 열린 상태를 유지하며 엽록소, 탄수화물, 비타민 C와 같은 유익 성분의 지표가 지구 재배 대비 떨어졌다. 렌틸콩은 뿌리의 생장 방향이 무작위로 변하고 자발적인 굽힘 현상이 관찰되었다.

식물의 중력 감지 메커니즘은 세포 내부에서 전분(澱粉)의 합성과 저장에 관여하는 아밀로플라스트(amyloplast)가 중력 방향을 따라 침전되는 방식을 기반으로 중력을 감지하는 ‘정지세포(statocytes)’를 통해 중력을 감지한다. 미세중력 환경에서 식물의 세포벽 구조는 세포벽의 하중을 주로 지지하는 셀룰로스 미세섬유의 배열이 불규칙해지며 수분 이동의 통로 역할을 하는 목부 도관벽이 얇아지고 세포 외부 자극을 세포 내부로 전달하는 칼슘 신호전달, 세포벽의 변형, 세포의 방어 반응과 관련된 유전자들의 발현이 감소한다.

우주에서의 식물 재배에 고려해야 할 치명적인 환경적 요인은 고에너지 방사선인 우주 방사선이다. 우주 방사선에 노출된 식물은 초기 발아 과정에는 큰 영향을 받지 않지만 발아 후 빠른 시일 내에 첫 번째 기형과 잎의 변색이 나타나며 성장이 둔화된다. 이러한 악영향은 생체량 감소로 이어져 식물에 따라서는 50%에 가까운 손실이 발생하기도 한다. 유전적 영향으로는 DNA 손상으로 인한 돌연변이 유발과 세포벽 재구성 및 산화 스트레스 관련 유전자 발현이 억제된다. 장기적으로 우주 방사선은 식물의 전체적인 생장 속도를 감소시키고 개체 간 성장 양상의 차이가 크게 나타나게 하며 광합성 기능 저하 및 비정상 세포 증식을 발생시킨다. 우주 방사선으로부터 식물을 보호하기 위해서는 특별히 고안된 방사선 보호 시설이나 덮개가 필요하며, 이것은 식물뿐만 아니라 인간에게도 적용되므로 우주 거주지 설계에 있어 중요한 고려사항이다.

환경은 그 안에 존재하는 모든 것의 상태와 행동양식을 결정한다. 환경에 영향을 받지 않는다는 것은 환경 안에 있지 않다는 말과도 같다. 따라서 환경의 영향을 받는 모든 것은 환경에 내포된 것이다. 이러한 맥락에서, 지구에서 우주라는 새로운 환경을 선택하려는 인류에게 우주로부터 파생되는 영향과 변화를 이해하는 것은 더없이 중요한 일이다. 동일한 의미에서 우주식량 기술로서의 우주 농업 역시도 우주 속에 놓일 식물의 상태와 행동양식의 변화와 차이를 이해하는 것에서부터 시작될 것이 자명하다.

이영두 공학박사