외계생명체에 대해 말하는 과학자들...

외계생명체에 관해 과학이 알아낸 것들 - 천문학자, NASA연구원, 유전학자, 수학자까지 세계 최고의 과학자들이 밝혀낸 외계인의 진실
닉 레인 외 지음, 짐 알칼릴리 엮음, 고현석 옮김, 이명현 추천 / 반니 / 2021년 4월

짐 알칼릴리, 마틴 리스, 루이스 다트넬, 이언 스튜어트, 닉 레인 등 내가 읽었거나 좋아하는 과학자들이 쓴 공저서이다. 제목은 [외계생명체에 관해 과학이 알아낸 것들]이다. 물리학자 짐 알칼릴리는 여는 글에서 균형감각이 없다면 이 책은 아무것도 아닐 것이라 말한다. 그러면서 왜 우리는 다른 누군가가 있기를 기대하는가라는 말을 한다. 책이 나온 지는 10년이 넘었다. 

최근 심해(深海)에 관한 글을 쓰다가 닉 레인이 열수구(熱水口) 이야기를 한 것에 감명을 받았다. 영국의 해양, 환경 전문 기자 로라 트레더웨이는 심해를 지구의 마지막 신비로운 장소, 모든 생명의 발생지, 미개척의 약 상자, 기후 혼란을 막을 보루, 지구 밖 외계 생명체를 발견할 수 있는 열쇠로 정의하는 글을 썼다.([지구의 마지막 지도]) 지구과학 또는 지질학 관점에서 외계 생명체에 관해 이야기한 사람들로 피터 워드, 도널드 브라운리, 나탈리 카브롤, 닉 레인 등을 들 수 있다. 

우주과학자 마틴 리스는 인간은 진화의 정점이 아니라고 말한다. 그는 두 가지 격언을 들려준다. 특이한 주장은 특이한 증거를 필요로 한다, 증거가 없다는 것이 존재하지 않는다는 증거가 되지는 않는다는 것이란 말이다. 루이스 다트넬은 지금까지 우리 하늘에 있는 항성들에 다른 문명이 존재한다는 설득력 있는 증거를 발견하지 못하고 있다고 말한다. 루이스 다트넬에 의하면 우리의 대양을 채운 물은 태양계의 더 바깥쪽에 있는 더 추운 지역에서 온 혜성과 소행성이 집중적으로 지구에 부딪히면서 지구로 온 것이다. 

소행성들과 지구 그리고 다른 지구형 행성들이 기본적으로 동일한 암석 물질로 구성된 것은 사실이지만 지구는 단순히 활성이 없는 덩어리가 아니다. 지구는 매우 활발하고 동적인 곳이다. 특히 지구의 얇은 지각은 뜨겁고 끈적거리는 맨틀 위에서 끊임없이 미끄러지면서 움직이는 조각들로 쪼개져 있으며 이 조각들은 서로 부딪히면서 밀어내고 정면으로 충돌하고 서로의 아래로 들어가기도 하고 갈라져 새로운 지각을 만들어내기도 한다. 이것이 판구조론의 휘젓기 과정(The stirring process of plate tectonics)이다. 

지구형 행성은 흔할 수도 있지만 판구조론에 들어맞는 지구형 행성은 드물다. 판구조론에 따른 움직임은 수십억 년 동안 지구의 기후를 안정적으로 유지해 인간 같은 복잡한 생명체가 진화할 수 있도록 만드는데 필수적이었다. 이 움직임은 특정 금속들을 응축시켜 부광(富鑛)으로 만드는 역할도 한다. 지구형 행성 중에서 이런 판구조론적 움직임을 겪는 행성은 아주 일부에 불과할 것으로 보인다. 화성이나 금성은 그렇지 않다. 따라서 외계 문명은 우리 지구의 예외적인 판구조론적 움직임과 특정 금속의 압축을 보고 지구에 오려 할지 모른다. 

컴퓨터 신경과학 교수 아닐 세스는 의식은 전하나 질량처럼 우주 자체의 근본적인 속성일지도 모른다고 말한다. 아직은 아무도 모른다는 것이다. 화성과학실험실 연구자 크리스 매케이는 일반적으로 지구의 생명체가 존재하기 위한 필요 조건은 에너지, 탄소, 액체 상태 물, 그리고 몇몇 다른 원소들로 깔끔하게 요약될 수 있다고 말한다. 심해 분출구 근처에 있는 미생물과 동물 군집은 생명체가 유로파의 표면 및 대양에서 어떻게 살 수 있는지를 보여주는 예로 제시되기도 한다. 

하지만 이런 심해 분출구 생태계는 주변 해수에 녹아있는 산소와 분출구에서 뿜어져 나오는 황화수소의 반응으로부터 에너지를 얻는다. 이 산소는 원래 지표면 광합성 작용에서 생긴 것이고 결국 태양광에서 비롯된 것이다.(이는 크리스 매케이의 견해다.) 2021년 발견된 검은 산소란 것이 있다. 빛이 없는 4,000m 이상 심해저에서 금속 노듈(망간 단괴)이 전기 분해 방식으로 생성하는 산소를 말한다. 광합성 없이도 산소가 만들어질 수 있음을 보여주며, 심해 생태계와 지구 생명체 기원 연구에 중요한 발견이지만, 일부 전문가들은 이 주장의 물리적 타당성에 의문을 제기한다. 

유로파는 목성의 거대 위성 중 하나다. 얼음으로 덮여 있으며 대기가 없는 천체다. 얼음으로 덮인 유로파 표면 아래에 유로파가 목성 주위를 돌면서 발생하는 조석 변형력으로 온도가 올라간 대양이 존재한다는 설득력 있는 증거가 있다. 물리학 교수 모니카 그래디는 지구 자기장의 존재가 활발한 핵 때문인 것처럼 지구 표면에서의 물의 존재는 지구의 짙은 대기 때문이라고 말한다. 

화성이 지구와 구별되는 주요 특징 중 하나는 판구조론적 움직임이 없다는 것이다. 우리 지구는 중심에 녹은 핵의 회전을 동적으로 하는 매우 동적인 행성이다. 판구조론적 움직임은 서로 다른 저장소들 사이에서 휘발성 물질을 움직이는 탄소 순환과 물 순환 모두의 핵심적인 부분이다. 가령 나무에 달린 잎은 대기에서 온 물과 탄소를 고정시킨다. 잎이 죽으면 썩어 흙의 일부가 된다. 수백만 년 동안 흙은 변형과정을 거쳐 판구조론의 판을 이루는 암석이 되고 이 판은 섭입 과정을 거치고 녹기도 한다. 탄수화물은 녹은 암석이 화산폭발로 분출할 때 휘발성 물질로 다시 대기로 돌아간다. 이런 순환이 없다면 지구는 안에 발전기가 없이 정체된 상태로 보이는 화성처럼 정체될 것이다. 

화성에 생명체가 존재할 수도 있는 이유는 무엇일까? 수소 ,일산화탄소, 암모니아 분자들은 우주가 생성되는 과정에서는 양이 풍부했기 때문에 행성이 형성될 때 그 행성 안에 분명히 존재했을 것이다. 초기 화성에 물이 풍부했다는 증거는 엄청나게 많다. 인공위성이 찍은 지형 사진을 보면 화성 표면에는 강, 시내, 호수, 삼각주, 내해가 있었다는 것을 보여주는 무늬들을 발견할 수 있다. 우주선들은 점토 광물을 포함하는 암석 여러 세대가 화성 전체에 걸쳐 분포한다는 것을 발견했다. 

점토 광물은 고여 있는 대량의 물이 침전시켰을 것이 확실한 물질이다. 화성 착륙선과 탐사차가 보내온 근접 촬영 사진을 보면 사층리(斜層理)로 된 성층암(成層巖), 물에 닳은 자갈과 조약돌이 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서 화성에 중요한 하류(河流) 작용이 있었다는 것은 반박하기 어렵다. 이 하류 작용은 수백, 수천만 년 동안 화성 표면에 물이 안정적으로 존재했다는 것을 뜻하기도 한다. 생명체가 생겨나기 위한 세 번째 핵심적인 필요 조건은 복잡한 분자들이 분해되지 않고 살아남을 수 있는 환경이다. 

온도가 적당해야 하며 방사선 양의 수준이 낮아야 한다. 화성 표면에 물이 충분히 흘렀다는 증거는 과거 어떤 시기에 물이 액체 상태로 오랫동안 존재할 수 있게 해주는 짙은 대기가 있었다는 것을 보여준다. 대기가 짙을수록 표면은 더 따뜻해지고 방사선으로부터 더 잘 보호받을 수 있기 때문이다. 화성이 처음 생겼을 때는 생물체가 생길 수 있는 구성 요소를 모두 가지고 있었다. 그것은 화학반응을 쉽게 해주는 물, 살아 있는 유기체가 복제하고 성장할 수 있는 환경 등이다.

판이 움직이는 형태의 판구조론적 움직임이 없었다고 해도 식어가기는 하지만 행성의 내부에는 수백, 수천만 년 동안의 활화산 활동에 연료를 공급할 정도의 열기는 충분히 있었고 활화산 활동은 대기를 더 강화했을 것이다. 지구에는 암석균(endolith)으로 불리는 유기체들이 다량 존재한다. 암석균에는 암석의 틈이나 구멍에 살면서 외부 환경과 직접 접촉을 하는 틈새 암석균, 암석에 침투해 무기물 입자들 사이와 구멍들 안에서 서식하면서 외부의 영향으로부터 어느 정도 보호를 받는 은둔 암석균, 암석의 꽤 깊은 곳까지 뚫고 들어가 굴을 만드는 진 암석균 등이 있다. 

암석균은 한 종류의 유기체를 이루는 말이 아니다. 암석균이라는 용어는 이들의 서식지를 가리키는 말이다. 암석균은 생명체의 모든 영역에 존재하는 유기체다. 단세포 고세균이 될 수도 있고 다세포 진핵생물이 될 수도 있다. 암석균은 단일한 종일 수도 있다. 종들 사이의 공생 관계를 나타낼 수도 있다. 남극대륙에는 노출된 암석층 상당 부분을 차지하는 사암에 서식하는 거의 눈에 보이지 않는 은둔 암석균들이 엄청나게 많다. 이 미생물들은 몇 mm에 이르는 얇은 층 밑에서 암석의 바깥 표면과 평행을 이루며 서식하면서 추위와 바람을 피한다. 

암석과 광합성 작용을 통해 약물을 얻는다. 이 층들 중 하나는 시아노박테리아로 돼 있으며 곰팡이류로 돼 있는 층도 있다. 화성에 이런 군집이 존재한다고 상상하는 것은 어렵지 않다. 하지만 표면 및 암석층 조사를 해온 큐리오시티 탐사차는 아직까지 그런 예를 발견하지 못한 상태다. 동굴계에 사는 미생물은 생존을 위해 태양광이 필요한 직접적인 광합성이 아닌 화학합성을 한다. 화학합성은 무기 분자들 사이에 산화-환원반응으로 에너지를 얻는 과정을 말한다. 

영국 우주국 오로라 연구원인 루이자 프레스턴은 목성과 토성 등 거대 가스행성의 생명체 존재 가능성 여부를 살펴본다. 목성에서 생명체의 생존이 불가능에 가깝다면 토성도 마찬가지라고 확신할 수 있다. 크기가 더 큰 이웃인 목성처럼 토성도 거의 전부 수소와 헬륨으로 구성되어 있으며 하부 구름층에 얼음이 미세하게 존재한다. 토성 또한 생명체가 살 수 있는 단단한 표면은 없다. 구름의 맨 윗부분 온도는 영하 150°C 정도이며 대기 중에서 아래로 내려올수록 온도가 올라가긴 하지만 압력도 같이 올라간다. 

애석하게도 온도는 액체 상태의 물이 존재할 수 있을 정도로 높지만 생명체가 살기엔 압력이 너무 높다. 대기 윗부분에는 최대 시속 1600km 정도의 바람도 분다. 유로파에는 생명체가 살 수 있는 해저 환경도 존재할 수 있다. 지구의 어둡고 춥고 압력이 높은 해저 환경에는 다양한 극한 생물 환경이 존재한다. 특히 대서양 중앙 해령의 로스트 시티, 태평양의 마리아나 해구처럼 심해 열수 분출구들이 분포하는 곳 근처에서 그렇다. 유로파의 심해 생물권을 물리적으로 탐사하는 것이 현재로서는 불가능하다고 해도 지구에서 이런 비슷한 환경을 조사하는 것은 중요하다.

수학자 이언 스튜어트는 과학 소설에 나오는 외계인들을 살펴본다. 이언 스튜어트는 우리는 외계인을 만난 적이 있다고 말한다. 그 외계인은 바로 우리라는 것이다. 이는 인류의 기원이 지구 밖 우주와 연결되어 있다는 과학적 관점을 반영한다. 우리는 흔히 외계인을 인간과 비슷하게 생긴 지성체로 상상하지만 스튜어트는 생명체가 살 수 있는 환경이 극단적으로 다르면 그 환경에 맞게 진화한 생명체는 인간이 상상하는 모습과 완전히 다를 것이라 말한다. 극단적으로 다른 행성이란 고온, 고압의 가스 행성 같은 경우를 말한다. 

무기 화학 교수 앤드리어 셀라는 물이 액체 상태로 지구에 존재한다는 것은 생명체 출현의 핵심적인 요소가 돼 왔다고 말한다. 하지만 태양계에 있는 다른 행성들, 물이 아닌 다른 종류 물질로 된 대양을 가지는 것으로 알려진 타이탄 같은 위성들에서는 어떨까? 물이 아닌 다른 액체에서도 생명체가 발생할 수 있다고 생각할 수 있을까? 아마 가능할지도 모른다. 액체 메테인, 액체 질소, 심지어는 암모니아로 이루어진 대양을 생각할 수도 있기 때문이다. 하지만 그런 대양에서 생명체 형태가 발생하는 데는 매우 심한 제약이 있을 수 있다. 우선 이런 액체를 구성하는 분자들은 물 분자보다 훨씬 들러붙는 성질이 약하다. 

물의 전하 편극성(들러붙는 성질)은 너무나 강해서 비슷한 크기와 복잡성을 가진 다른 분자들로 구성된 화학물질들보다 수십에서 수백 배 높은 온도에서 끓는다. 압력을 가하지 않는 한 질소 메테인은 영하 200°C 근처에서 끓고, 좀 더 들러붙는 성질이 강한 암모니아는 영하 40°C에서는 끓기 시작한다. 즉 이 분자들은 몹시 추울 때만 액체 상태를 유지한다는 뜻이다. 이런 극저온에서는 화학작용이 극도로 느릴 것이다. 실제로 실험실에서 액체 질소는 화학작용을 멈추게 하는 용도로 사용되곤 한다. 극도로 부서지기 쉬운 분자들도 이 정도 저온에서는 모양을 유지할 수 있다. 생명과학자들은 생명의 과정을 멈추는 목적으로 이 온도에서 생체 분자와 심지어는 세포 전체를 저장한다.

앤드리어 셀라는 이런 말을 한다. “우리 생태계가 수십억개의 생태계 중 하나인지, 우주 유일의 생태계인지 우리는 모른다. 하지만 우리에게 이 생태계는 우리가 이상적으로 적응한 완벽한 곳이다. 우리가 집이라고 부르는 가장 중요한 곳인 지구에 관심을 잃지 않도록 하자.” 

생화학자 닉 레인은 양성자 이야기를 한다. 양성자는 수소 원자의 핵에 있는 양전하를 띤 입자다. 호흡의 경우 양성자가 세포막 전체에서 능동적으로 퍼내진다. 세포에서 양성자들을 퍼내면 안팎의 양성자 농도차가 생기며 세포막 전체에 걸쳐 전하가 발생한다. 양성자는 양전하를 띠기 때문이다. 양성자들을 밖으로 퍼내면 바깥은 안쪽과 비교했을 때 상대적으로 양전하를 띤다. 우리 세포막에 고루 퍼져 있는 양전하는 여기서 오는 것이다. 양성자가 밖으로 퍼내지면 양성자는 다시 안으로 들어가 전하와 농도의 평형을 이루기 위해 안간힘을 쓴다. 

우리는 1조의 100억 배에 이르는 상상도 하기 힘든 숫자의 양성자들을 초마다 미토콘드리아에서 퍼내 세포막을 통과시킨다. 지구상 모든 생명체는 동일한 전기력 즉 양성자 동력으로 힘을 얻는다. 양성자 동력은 끊임없이 언제나 모든 생명체에 작용해 생명의 불꽃을 다음 세대로 전해준다. 40억 년 전 지구에서 생명체가 시작된 이래 이 양성자의 흐름은 한 번도 멈춘 적이 없다. 그렇다면 이 모든 양성자를 퍼내 이 모든 생명체의 힘을 제공하는 에너지는 어디서 오는 것일까? 우리 같은 경우는 산소로 양분을 태운 과정인 호흡에서 온다. 

닉 레인은 열수구 이야기를 한다. 특정 유형의 열수구라는 환경이 처음 제기된 것은 1980년대 후반 마이클 러셀에 의해서다. 대양 깊은 곳에 이런 분출구가 있다는 사실은 당시에는 알려지지 않았다. 10년 정도 뒤인 2000년 새로운 분출구 지역이 대서양 중앙 해령 부근에서 발견되었고 이 지역은 러셀이 예측한 모든 판단 기준에 맞았다. 로스트 시티라고 이름 붙인 이 분출구 지역은 화산활동으로 형성된 것이 아니라 대양 지각과 바닷물에 있는 암석들 사이에서 일어난 화학반응의 결과였다.

이 반응은 수소 기체로 거품이 있는 주방 표백제 정도의 강 염기성 열수 유체를 만들어낸다. 독성이 있을 것 같지만 수소 기체는 진화 초기에 박테리아와 고세균 대부분이 생장을 위해 필요로 했던 물질이다. 더 흥미로운 것은 로스트 시티의 분출구들에는 무기물로 된 얇은 벽으로 연결된 아주 작은 구멍들로 구성된 거대한 미로들이 가득 있다는 점이다. 이 구멍들은 구조 면에서 세포처럼 생겼을 뿐만 아니라 연결 벽 전체에 걸쳐 전하도 분포한다. 

상대적으로 산성인(양성자가 많은) 해수와 열수 유체가 분출구 안에서 섞이면서 이 둘 사이의 양성자 농도 차이에 의해 자연적인 양성자 동력이 생긴 것이다. 염기성이라는 것은 전문적으로는 양성자가 적다는 의미다. 

지구는 특이한 행성이 아니다. 우리 은하수에 있는 암석형 행성 400억 개에서 우주의 기본 입자인 전자와 양성자의 끊임없는 흐름에 의해 수소가 땅 위에서 부글부글 끓고 이산화탄소와 반응하고 있다. 같은 힘이 거기서도 살아 있다. 따라서 우리는 생명체를 보면 알 수 있다. 외계인들도 전기 작용의 영향을 받을 것이기 때문이다. 

우주 생물학자 나탈리 카브롤은 우리가 속한 태양계를 하나의 실험실로 생각할 수 있다고 말한다. 우리가 실험에서 만들어낼 수 있는 그 어떤 것보다 더 복잡하고 다양한 환경을 수십억 년 동안 자연이 만들어내는 실험실이다. 생명체가 자신의 조직을 굳게 해 광물을 만들어내는 작용인 생광물화는 망원경을 통해 원격 연구가 곧 이루어지기는 힘들기 때문에 현장 기술이 필요하다. 

열수구는 극한 환경이었을 것이다. 극도의 압력을 견딜 수 있는 생명체, 우리가 현재 극한 생물로 부르는 생명체다. 그래야 극한 환경에서 살 수 있었을 것이다. 생명체의 가장 초기 형태가 이곳에서 살아남아 실제로 모든 지구 생명체의 기원이 됐다면 우리의 탐색에 좋은 징조가 될 것이다. 

행성과학자이자 우주 생물학자 새라 시거는 제임스 웹 우주망원경에 대해 이야기한다. 제임스 웹 우주망원경으로 우리는 몇몇 선택된 행성에서 생명체의 징후가 있는지를 찾는 최초의 기회를 가지게 된다. 우리의 목표는 작은 암석형 형성이며 이 행성들의 대기를 관찰해 대기의 나머지 부분과의 화학적 평형 상태를 크게 벗어나는 기체들을 찾아내는 것이다. 놀랍게도 가장 확실한 예는 지구 대기 부피의 20%를 차지하는 산소가 될 것이다. 하지만 식물이나 광합성을 하는 박테리아가 없다면 지구의 대기에는 산소가 거의 존재하지 않을 것이다.