화성에서 발견된 퇴적물 탄소의 미스터리

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-01-20 11:17:48
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- 동위원소 함량은 이러한 화성 탄소 화합물의 기원에 대한 중요한 정보를 제공
- 화성 게일 분화구의 6개 샘플 분석 결과 탄소 동위 원소 C13의 수준이 매우 낮아
- 예상보다 훨씬 적은 13C, 화성에서 지구와 다른 반응과 과정이 있음이 분명

화성에서 발견된 퇴적물 탄소의 미스터리
이론적으로 비정상적인 동위 원소 값은 생물학적 기원을 나타낼 수 있다.


생명의 표시?
화성 탐사선 "큐리오시티(Curiosity)"가 특이한 동위원소 값을 가진 화성 퇴적물을 발견했으며 현재 연구자들은 그럴듯한 설명을 찾고 있다. 게일 분화구의 적어도 6개 샘플 위치 때문에 분석 결과 탄소 동위 원소 C13의 수준이 매우 낮았다. 그러한 수치에 대한 가능한 설명은 생명의 이전 존재일 것이지만, 생물적 과정도 가능하다. 생각할 수 있는 세 가지 시나리오 각각에서 질문에 대한 답변이 남아 있다. 

▲ Martian Gale Crater에 있는 Stimson 사암층의 파노라마. 그곳에서 화성 탐사선 "큐리오시티(Curiosity)"가 특이한 동위원소 값을 가진 샘플을 발견했다.© NASA/JPL-Caltech/MSSS

화성에 생명체가 있었을까? 지금까지 이 질문에 대한 명확한 답은 없다.
사실, 붉은 행성은 초기에 거주하기 더 쉬웠고 바다가 있었을 수도 있다. 그러나 이 거주 가능한 단계가 유기체가 발달하기에 충분한지 여부는 아직 알 수 없다. 클로로메탄, 디메틸 설페이트 또는 티오펜과 같은 유기 화합물은 과거 생물학적 활동의 가능한 지표로 간주된다. 이 분자는 종종 지구상의 미생물에 의해 생성되지만 순전히 지구 화학적으로 발생할 수도 있다. 화성의 메탄에도 동일하게 적용된다.

동위원소 연구실로서의 로버

그들의 동위원소 함량은 이러한 화성 탄소 화합물의 기원에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다. 합성 경로에 따라 다르기 때문에 지구에서 유기체는 더 가벼운 탄소 동위원소 12C를 사용해 조직에 구축하는 것을 선호합니다. 따라서 대기 및 기반암에 비해 섭씨 13도가 낮은 유기 물질은 잠재적으로 생물학적으로 간주된다.

▲ 화성 탐사선 "큐리오시티(Curiosity)"에는 전체 화학 실험실이 탑재되어 있어 동위원소 분석도 수행할 수 있다.

© Burke et al. /PNAS


이와 관련해 화성의 탄소 화합물이 어떤 것인지 알아내기 위해 NASA의 큐리오시티 로버는 게일 분화구를 탐사하는 동안 다양한 위치와 암석에서 30개 이상의 드릴 샘플을 채취했다. 이 샘플 중 24개는 탐사선의 SAM 기기로 화학적으로 분석됐으며, 레이저 분광계를 사용해 동위원소 함량을 분석했다. Pennsylvania State University의 크리스토퍼 하우스(Christopher House)가 이끄는 팀이 최근 이 데이터를 평가했다.
▲ 이 연구에 포함된 샘플의 지질학적 맥락. (A) 각 MSL 드릴 사이트에 대한 레이블이 있는 층서 열. (B) Sol 2685의 Moray_Firth Mastcam 모자이크(mcam14053)는 상부에 뚫린 EB 드릴 구멍의 위치 근처에 Greenheugh 페디먼트를 보여준다. (C) Greenheugh 페디먼트 바로 아래에 있는 Murray 대형의 Glasgow 구성원에 있는 HU 드릴 구멍. (D) VRR 상단에 있는 회색 Jura 구성원 Murray 이암의 HF 드릴 구멍. (E) GB 샘플을 채취한 Bagnold 사구의 Namib 사구. (F) CB 드릴 구멍이 Bradbury 그룹 암석의 Sheepbed 구성원의 이암에 뚫린 Yellowknife Bay 지역. (출처: 관련논문 Fig 1, Depleted carbon isotope compositions observed at Gale crater, Mars)

비정상적으로 빈곤

화성의 샘플은 동위원소 함량이 매우 다를 뿐만 아니라 10개의 샘플에도 13C 탄소가 매우 적게 포함돼 있다. House와 그의 팀은 "6개의 다른 샘플 사이트에서 얻은 이 샘플의 13C 값은 마이너스 70 퍼밀(pro mile)미만이었다"고 보고했다. (비교: 이 동위 원소에 대한 화성 대기의 값은 1000분의 46을 더한 값이다.)

이것이 의미하는 것은 다음과 같다.
이 샘플은 예상보다 훨씬 적은 13C를 보여준다. "지구에서 우리는 그러한 탄소 신호를 생물학적 기원으로 분류할 것이다"며 “하지만 화성에서 우리는 일을 다르게 해야 한다. 화성은 여러 면에서 다르기 때문에 붉은 행성에서도 같은 설명이 유효한지 아니면 다른 과정이 있는지 아직 이해하지 못했다”고 하우스가 설명했다.

시나리오 1: 성간 먼지

설명을 찾기 위해 과학자들은 세 가지 시나리오를 더 자세히 조사했다.
첫째, 탄소는 우주적 기원을 가지고 있다. "평균적으로 1억 년에 한 번 태양계는 분자 먼지 구름을 통과해 움직인다"고 그들은 설명한다. 그 결과 탄소질 13C가 고갈된 먼지가 지구로 유입됐다. "아옌데 운석의 성간 먼지를 분석한 결과 13C 값이 -206ppm(parts per Thousand)인 것으로 나타났다"고 연구원들은 보고했다.

따라서 이론적으로 화성은 얼음과 빙하에 퇴적된 이 성간 먼지로 "소나기"를 받았다고 생각할 수 있다. 비정상적인 동위 원소 값이 주로 이전 표면층의 샘플에서 나온 것도 적합하다. 분석 중에 방출된 원자는 이 성간 먼지에 있는 유기 분자에서 나온 것일 수 있다.

시나리오 2: 광화학 반응

두 번째 시나리오는 화성 대기에서 이산화탄소 또는 메탄의 광화학 반응이다.
태양의 고에너지 UV 광선의 영향으로 이러한 반응은 유기 분자의 비생물적 형성 및 침착을 유도했을 수 있다. 이러한 반응은 보다 무거운 탄소 동위원소를 선택적으로 농축시킬 수 있다는 것이 실험실 실험을 통해 알려져 있다.

그러나 Curiosity가 측정한 불일치는 이러한 메탄 반응만으로 설명하기에는 너무 강력하다.
일산화탄소를 포름알데히드와 같은 유기화합물로 광화학적으로 전환하기 위한 동위원소 값이 조금 더 잘 맞다. "자외선 복사 하에서 이러한 유형의 분류를 가정하는 연구가 있다"고 하우스는 말했다. 하지만 그러한 시나리오에 대한 실험적 증거는 여전히 부족하다.
▲ SAM TLS에서 관찰된 열화 탄소 동위원소의 기원에 대한 세 가지 가능한 시나리오. 파란색으로 표시된 화성 내부에서 생물학적으로 생성된 메탄은 광분해 후 13C가 고갈된 유기 물질의 퇴적을 초래할 수 있다. 고갈된 유기물의 퇴적도 메탄 영양으로 인한 것일 수 있지만, 구표면(Paleosurface)은 메탄 영양 매트의 존재에 대한 어떠한 증거도 아직 제공하지 못했다. 주황색으로 표시된 광화학 반응(UV)은 다양한 대기 생성물을 생성할 수 있으며, 그 중 일부는 비교적 불안정한 유기 물질로 퇴적된다. CO2에서 CO로의 광화학적 환원이 화성 조건에서 큰 동위원소 분획을 갖는지 여부는 알려져 있지 않습니다. 회색으로 13C가 고갈된 유기 물질은 우리 태양계가 GMC를 가로지르면 화성 대기로 들어갈 것이다. (출처: 관련논문 Fig 5 Depleted carbon isotope compositions observed at Gale crater, Mars)

시나리오 3: 화성인의 삶

세 번째 설명은 한때 화성에 생명체가 존재했다는 것이다.
지구와 마찬가지로 메탄 산화 미생물이 유기 화합물을 생성했을 수 있다. 궤도 탐사선과 탐사선에 의한 측정에서 우리는 메탄 방출이 화성에서도 발생한다는 것을 알고 있다. 비록 그 기원이 아직 알려지지 않았더라도 말이다. 잠재적인 화성 미생물은 이 메탄을 세포에 통합했을 수 있다. 이 생물학적 유기 화합물은 화성 퇴적물에 잔류물로 남았다.

House와 그의 동료들은 "이 시나리오는 또한 13C 값이 강하게 음의 값을 가진 많은 샘플이 환원된 황을 포함하는 이유도 설명할 수 있다"고 말한다. 지구에서 해양 박테리아에 의한 혐기성 메탄 산화는 대부분 황산염의 화학적 환원과 관련이 있기 때문이다.
이 시나리오는 13C의 심각한 고갈을 부분적으로만 설명할 수 있으며 이를 위해 필요한 메탄이 어디에서 왔는지에 대한 질문을 제기한다.

또한 연구팀은 "이전 화성 표면에서 미생물 메탄영양을 뒷받침할 퇴적학적 증거는 없다"고 밝혔다. 지구상의 많은 지역과 달리 원시 박테리아 매트나 다른 생명체의 흔적이 없다는 증거가 없기 때문이다.

결론은 아직 미정

요약하면 House와 그의 동료들은 세 가지 설명이 모두 가능하다고 결론지었다.
동시에 모든 시나리오에서 질문에 답이 없다. 하우스는 "현재 지식에 따르면 이 세 가지 시나리오 중 어느 것이 수십 억 년 전 붉은 행성에서 일어난 일과 일치하는지 결정하기 어려울 것"이라고 말했다. "확인하거나 반증하려면 더 많은 데이터가 필요하다.“

그러나 화성에서는 지구와 다른 반응과 과정이 있음이 이미 분명해 보인다. House는 "모든 시나리오는 오늘날 지구와 매우 다른 탄소 순환을 나타낸다"고 말했다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; doi: 10.1073/pnas.2115651119)

출처: NASA/ Jet Propulsion Laboratory, Pennsylvania State University, PNAS

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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