미국 서던캘리포니아대학 슈타우퍼홀 5층에 위치한 한 연구실. 닐슨 박사가 구겨진 반팔 티셔츠를 입은 채 필자를 맞았다. 연구실 한쪽 벽에는 그동안 그가 받았던 상과 트로피가 화려하게 장식돼 있었고, 그 반대쪽에는 실험도구들이 잔뜩 놓여 있었다. 바로 그곳의 비커와 유리병 안에 가득 들어 있는 박테리아들이 그가 말한 외계생명체였다.
물론 진짜 외계에서 발견된 생명체는 아니다. 하지만 이 박테리아는 외계생명체라고 불러도 무방할 만큼 독특하다. 그동안 우리가 알고 있던 생물학 법칙을 완전히 깨부수는 녀석이기 때문이다.
닐슨 박사에 따르면 생명은 결국 에너지로 귀결된다. 거대한 고래부터 눈에 보이지 않는 미생물에 이르기까지 모든 생명체는 전자를 이동시키고 제어하며 생명을 유지한다는 이유에서다. 즉 에너지에 말로 생명체의 생존과 성장, 번식의 근원이라 할 수 있다.
닐슨 박사의 박테리아들도 생존을 위해 에너지에 의존한다. 하지만 그 에너지를 얻는 방식은 기존 생명체와 근본적으로 다르다. 인간처럼 호흡하지도 않고, 우리가 알고 있는 어떤 음식도 먹지 않는다. 대신 전기 자체로 호흡하고, 전기 자체를 먹으면서 에너지를 얻는다.
“세상의 모든 교과서에는 그것이 불가능하다고 적혀 있죠. 하지만 이 박테리아들은 놀랍게도 전극 위에서 성장하고 있어요. 전기 외에 다른 에너지원은 없습니다. 마치 공상과학 영화 같지 않나요?”
생물학자에게 있어 탄수화물 등 분자로 이뤄진 에너지원에 의존하지 않고 살아가는 생명체가 발견됐다는 것은 사슴이 호랑이를 잡아먹었다는 것만큼 황당무계한 소리다. 그 정도로 이 박테리아의 존재가 내포하는 의미는 실로 대단하다.
실용적 관점에서만 봐도 전기 박테리아는 생물학적 연료전지 개발이나 인간 배설물의 친환경적 처리에 활용 가능하다. 하지만 이 박테리아의 진정한 의미는 따로 있다. 지구상에 아직 인간이 파악하지 못한 생명체의 영역이 있음을 시사한다는 게 그것이다. 또한 이 논리는 당연히 외계행성에도 동일하게 적용된다. 이들로 인해 생명의 정의를 다시 생각해볼 수밖에 없게 된 것이다.
전기 박테리아와 닐슨 박사의 첫만남은 1982년으로 거슬러 올라간다. 당시 미국 스크립스 해양연구소(SIO)의 교수였던 그는 뉴욕주 북부의 오나이더 호수에서 뭔가 이상한 일이 벌어지고 있다는 얘기를 들었다.
오나이더 호수 주변의 산에는 망가니즈(Mn)가 함유된 광물이 많다. 그래서 매년 봄이면 눈이 녹은 물과 함께 호수로 다량의 망가니즈가 유입된다. 이후 호수에 바람이 불면 용해된 망가니즈와 산소가 활발히 결합, 고체 산화망가니즈가 되면서 바닥으로 가라앉는다. 그런데 호수 바닥에서는 과학자들이 예상하는 만큼의 산화망가니즈가 발견되지 않는다는 것이었다.
“뭔가에 의해 산화망가니즈가 사라지고 있었어요. 지질학적으로 설명 가능한 속도의 1,000배나 빠르게 말이에요. 누구도 그 이유를 알지 못했죠.”
닐슨 박사는 이렇게 빠른 속도로 산화망가니즈를 없앨 수 있는 것은 오직 생물학적 원인뿐임을 확신했다. 정확히 말해 호수 속 박테리아가 범인일 것이라 생각했다. 이는 분명 타당하고도 합리적인 이론이었지만 문제가 하나 있었다. 과학 교과서에 적혀 있는 지식과 배치된다는 점이었다. 참고로 교과서에는 미생물이 금속을 먹고 분해하는 능력은 사람과 별반 다를 바 없다고 설명돼 있다.
이 아이러니는 닐슨 박사를 계속 괴롭혔고, 1985년 위스콘신대학 밀워키 캠퍼스로 자리를 옮긴 뒤 그는 자신의 가설을 입증하고자 오나이더 호수에 대한 연구를 본격 시작했다. 그렇게 2년의 연구 끝에 닐슨 박사는 산화망가니즈 도둑의 정체 규명에 성공했다. 범인은 바로 ‘쉬와넬라 오나이덴시스
(Shewanella oneidensis)’라는 박테리아였다.
이 박테리아의 생태는 그가 지금껏 알고있던 어떤 박테리아와도 달랐다. 닐슨 박사에 설명에 의하면 공기를 호흡하는 대다수 생명체는 음식을 통해 섭취한 포도당이 전자를 공급하고, 호흡을 통해 흡수한 산소에게 이 전자를 넘겨준다. 이것이 기초 신진대사의 실체다. 다시 말해 모든 유기체는 생명을 유지하려면 포도당과 산소를 구해서 전자가 이동할 완벽한 회로를 구축해야 한다.
쉬와넬라 또한 전자의 공급자는 포도당의 원천이라 할 수 있는 탄수화물이다. 하지만 전자를 넘겨주는 방식은 독특하기 짝이 없다. 구체적으로 이들은 산소와 결합한 금속 화합물인 금속산화물 속을 헤엄치면서 호흡을 한다.
“쉬와넬라의 외부 막에는 화학물질로 이뤄진 작은 전선들이 털처럼 무성하게 덮여 있습니다. 이 전선들은 특수한 단백질에 의해 활성화되는데, 전자를 세포 밖으로 이동시키는 통로가 됩니다. 오나이더 호수의 쉬와넬라는 화학 전선을 고체 산화망가니즈와 접촉, 산화망가니즈의 산소에 전자를 전달하는 방식으로 호흡을 했던 것입니다.”
특히 닐슨 박사는 쉬와넬라가 자신의 전기회로를 완성시킬 수만 있다면 산화망가니즈가 아닌 다른 물질과도 전자 교환을 수행한다는 사실을 알아냈다.
이렇듯 닐슨 박사팀이 쉬와넬라의 비범한 생태학적 증거들을 수집하는 동안 또 다른 미생물학자에 의해 쉬와넬라와 유사한 생명체가 발견됐다. 1987년 미 지질조사소(USGS)의 데릭 러블리 박사가 워싱턴시를 흐르는 포토맥강 바닥에서 전자를 이동시키는 박테리아 ‘지오박터(Geobacter)’를 찾아낸 것. 닐슨 박사는 이 발견으로 쉬와넬라가 지구상에 존재하는 유일무이한 별종이 아니라는 게 입증됐다고 강조한다.
“지오박터의 단백질은 쉬와넬라와는 전혀 다른 진화적 기원을 갖고 있습니다. 하지만 두 박테리아 모두 동일한 방식으로 호흡을 합니다.”
이에 닐슨 박사는 지구의 미생물 생태계가 기존의 생각과는 완전히 다를 수도 있음을 깨달았다.
닐슨 박사팀의 박사후 과정 연구자인 아네트 로우는 현재 생명체라는 범주의 한계를 규명하기 위해 불철주야 노력하고 있다. 그녀의 실험실에는 수조와 시험관, 전선, 인큐베이터, 혐기성 박테리아 배양기 등이 어지럽게 놓여 있었다. 쉬와넬라는 그중 한 커다란 수조에서 최적의 환경 하에 배양되고 있었다.
이런 실험실의 면면을 보고 있자니 마치 미생물들을 위한 수족관 같다는 생각이 들었다. 로우 박사는 그 표현이 틀리지 않다고 말했다. 실제로 닐슨 박사가 오나이더 호수에서 쉬와넬라를 발견하자마자 로우 박사와 동료 연구자들은 또 다른 전자 박테리아를 찾아 인근지역의 수생 생태계를 샅샅이 뒤졌다.
“이상할수록 저희에게는 최고의 연구대상이었죠. 그렇게 찾아낸 박테리아를 배양해서 특이성의 원천을 규명하고 있습니다.”
전기 박테리아 탐색은 수중 퇴적물 확보로 시작된다. 이 퇴적물을 체로 걸러서 무척추 동물을 제거한 뒤 40ℓ짜리 수조에 꽉 채우고 전극을 설치하면 끝이다. 만일 퇴적물 속에 전기 박테리아가 군집을 형성하고 있다면 전극에 전기적 변화가 감지된다.
“전극은 제가 찾는 박테리아의 탐색에 결정적 역할을 합니다. 현재 저는 전자를 광물로 내보내는 것이 아니라 광물의 전자를 빼앗는 녀석을 찾고 있거든요. 쉬와넬라 같은 호흡자가 아닌 포식자를 찾는 셈이죠. 그 미생물이 전자를 뺏어가는 혼합물과 유사하게 음극의 전위(電位)를 조절하면 시쳇말로 개떼처럼 달려든답니다.”
지금껏 그녀는 이 방식으로 약 1,000종의 박테리아를 발견했고, 30종의 실체를 밝혀냈다. 모두 기존에는 알려지지 않았던 신종 박테리아다. 또한 그녀는 연구과정에서 한 가지 중요한 결론에 도달했다. 박테리아는 전자를 옮기기 위해 매우 다양한 기제를 갖추고 있다는 점이다.
더욱 놀라운 사실도 있다. 쉬와넬라를 포함한 몇몇 박테리아는 전자를 내보낼 수도, 빼앗을 수도 있다는 것이다.
“전자를 전극 위에 올려놓을 수 있는 생명체는 매우 많습니다. 전극의 전자를 가져오는 생명체도 많아요. 하지만 두 능력을 겸비하지는 못합니다. 그런데 이 박테리아들은 어렵지 않게 해내고 있어요.”
이뿐만이 아니다. 놀라움을 넘어 믿기 어려운 능력의 소유자도 있다. 로우 박사가 발견한 신종 박테리아 가운데 6종은 전기만으로 살아간다.
“이 박테리아들에게 한 달 이상 먹이인 탄소를 주지 않았어요. 전극의 전기 외에는 먹을 것도, 호흡할 것도 없었죠. 오직 전기 만으로 생존한 겁니다.”
이들은 학계에 처음 알려진 것임은 물론 완전히 새로운 채집법과 배양법을 요한다. 예컨대 로우 박사의 신종 박테리아 대부분은 실험용 접시가 아닌 음극 전극에서만 배양 가능하다.
이들의 존재는 지구상에 우리가 알지 못했던 방대하고, 생경한 생태계의 존재를 의미하기도 한다. 미 국립과학재단(NSF)은 이 생태계를 ‘암흑 에너지 생물권’이라 부른다. 그리고 이 세계를 더 정확히 이해하기 위해 로우 박사에게 연구비를 지원하고 있다.
닐슨 박사 역시 생명의 기전에 대한 자신의 발견이 제자인 로우 박사로 말미암아 완전히 확증됐다고 생각한다.
“저희 연구팀의 발견은 미생물, 아니 생명을 바라보는 모든 관점을 급격하게 바꿔놓을 것입니다.”
로우 박사의 실험실에 놓인 플라스크들을 들여다보면 볼수록 필자는 어떤 갈증에 빠져들었다. 박테리아들의 활동을 육안으로 보고 싶다는 것이었다. 바람이 충족되지 않은 데서 오는 실망감은 생각이상으로 컸다.
하지만 하늘은 스스로 돕는 자를 돕는다고 했던가. 서던캘리포니아대학의 모 엘나가 박사에 의해 그 갈증이 완벽히 해소됐다. 그는 박테리아들이 움직이는 모습, 화학적 전선을 전개해 전기회로를 만드는 모습을 촬영한 영상을 갖고 있었다.
사실 그의 동영상 촬영 프로젝트는 쉬와넬라 박테리아 연구의 오류를 입증하기 위해 시작됐다고 한다. 과거 닐슨 박사는 쉬와넬라가 금속 표면 위에 접촉, 전자를 올려놓을 수 있음을 증명했다. 다른 실험에서는 이 박테리아가 때때로 털처럼 생긴 외지(外肢)를 전개한다는 게 확인됐다. 그런데 외지의 용도는 정확히 알지 못했다. 중요한 역할을 하지 않는다는 의견도 있었지만 극소수의 연구자들은 이 외지가 전자의 이동에 관여하는 일종의 나노와이어일 수도 있다고 여겼다.
“저는 그 가설이 말도 안 된다고 믿었어요. 그래서 그걸 입증하고자 촬영을 결심했습니다.”
엘나가 박사는 직접 실험도구를 제작했다. 쉬와넬라의 외지에 2개의 전선을 연결, 전기가 통하는 모습을 눈으로 볼 있도록 한 것. 그의 예상과 달리 진짜로 전기가 통했다. 이어 쉬와넬라의 회로가 살아 있는지도 체크했다. 이 또한 살아있었다. 결국 자신이 틀렸음을 인정한 그는 나노와이어가 전개되면서 회로가 완성돼 빛을 내는 세포들의 모습을 생생히 녹화했다.
이후 쉬와넬라의 팬이 된 그는 전자를 내놓을 곳을 찾아 전극으로 접근하는 모습의 동영상도 여러 편 추가 촬영했다.
“어떤 때는 쉬와넬라가 다른 쉬와넬라와 연결되기도 했어요. 아마도 상대방에게 자신의 전자를 넘기기 위한 것으로 보입니다.”
그는 자신의 동영상을 학회에서 처음 공개했을 때 홀 전체에 충격이 번졌다고 설명한다.
“‘우와, 대단해!’ 하는 감탄사가 여기저기서 터져 나왔습니다.”
이전에도 나노와이어에 대해서는 많은 것이 알려져 있었지만 박테리아가 나노와이어를 만들 수 있으며, 심지어 수천 개의 세포가 나노와이어를 케이블처럼 이어서 서로 링크할 수 있다는 것은 이번에 처음 발견된 것이었다.
아직 로우 박사의 전기 박테리아가 이 같은 링크 케이블을 만든다는 증거는 없다. 다만 덴마크 오르후스대학팀의 연구에 따르면 이런 케이블이 전자의 흐름을 돕는다고 한다. 엘나가 박사의 경우 침전물 속 깊은 곳에 있는 박테리아가 손쉽게 호흡을 하기 위해 이웃한 박테리아의 힘을 빌리는 것이라 판단한다. 자신의 전자를 위쪽의 박테리아에게 릴레이 전달함으로써 움직이지 않고 전극과 접촉하는 효과를 본다는 얘기다.
불과 몇 년 전만 해도 누구도 이렇게 행동하는 박테리아의 존재는 상상조차 하지 못했다. 하지만 현재 엘나가 박사는 그간의 연구를 바탕으로 나노와이어와 케이블 링크가 극소수의 전기 박테리아를 넘어 박테리아 세계에서 흔한 행동일 수도 있다는 가설을 세웠다.
“이 관점에서 서던캘리포니아대학 치과대학 연구자들과 함께 사람의 구강에서 발견되는 박테리아들에게 나노와이어가 있는지 찾고 있습니다. 세포 간 전기적 링크 역시 박테리아의 집합체인 생물막의 일반적 특징일지 모릅니다.”
이와 관련 미국 유타대학의 전기화학자 셸리 민티어 박사는 세포생물학 영역을 더욱 깊이 파고들었다. 그래서 인간을 비롯한 모든 복합세포 유기체의 발전기라 할 수 있는 미토콘드리아가 자신의 외피와 전기적으로 상호작용할 수 있다는 걸 밝혀냈다. 이는 미토콘드리아가 자유롭게 살아가는 박테리아로 진화한 뒤에 다른 세포에 합쳐져 영구적 제휴관계를 구축했다는 이론과도 일맥상통하는 결과다.
이게 사실이라면 미토콘드리아는 10억 년이 지나서조차 독립적 박테리아였을 때의 능력을 일부 지니고 있는 것이며, 인간도 미약하나마 전기 이동 능력을 보유하고 있다고 볼 수 있다.
닐슨 박사와의 대화는 화성으로 이어졌다. 그는 지구상에서 특이한 생명체를 탐사하는 것과 외계 생명체 탐사를 굳이 구분 짓지 않았는데, 여러 해 동안 미 항공우주국(NASA) 제트추진연구소(JPL)에 근무하면서 천체생물학 연구팀을 발족시키기도 했다. 그리고 지금껏 그가 꽃피운 아이디어들이 차세대 화성탐사 로버인 ‘마스 2020’에 구현될 예정이다.
“어찌 보면 화성에 가는 것은 화성에 도착한 뒤 무엇을 찾을지 아는 것에 비하면 식은 죽 먹기예요.”
실제로 1976년 발사된 바이킹 로버는 성공리에 화성에 착륙했지만 생명체처럼 보이는 것들로 인해 실수를 범했다. 1990년대에 화성 운석을 연구하던 과학자들도 생명체와 유사한 것들 때문에 우왕좌왕했다.
큐리오시티 로버가 작년 말 화성의 대기에서 포착한 메탄가스 또한 이런저런 흥미로운 공상들을 불러오고 있지만 그것이 생명체와 관련 있는지는 전혀 밝혀지지 않았다. 참고로 메탄은 생명체 존재의 생물학적 지표다.
닐슨 박사팀은 JPL과의 미팅에서 전 우주의 모든 생명체에 공통적으로 해당되는 생물학적 특징을 특정하기 힘들다는 사실을 강조했다.
“우리가 기존의 지식에 기반한 ‘편견’을 버리지 못하는 이상 이 문제의 답을 찾는 것은 매우 어렵습니다.”
SHERLOC는 그런 답을 찾아가는 작은 시도다. 마스 2020에 탑재될 7가지 과학장비 중 하나인 SHERLOC는 닐슨 박사가 JPL에 근무했던 시절 동료연구자였던 로히트 바티아 박사가 수석 설계자로 참여했으며,
전자 박테리아 연구에서 얻은 교훈들이 많이 반영됐다.
이 장비는 표적에 자외선을 조사해 특정 유기화합물과 광물의 존재 징후를 찾는다. 다만 쉬와넬라가 신진대사에 대한 과학자들의 이해를 증진시켰기에 과거에서보다 한층 폭넓은 스펙트럼으로 수색을 한다.
“모든 전기적 적응은 극한의 환경을 이기기 위한 반응이라 할 수 있어요. 이 점에서 전자를 획득하고 나노와이어를 만들어내는 것은 깊은 바다나 땅속처럼 성장과 경쟁에 필요한 식량이 충분치 않을 때 살아남기 위한 전략인 셈이죠. 화성과 유로파, 타이탄 등의 천체에 생명이 존재한다면 그들도 생존에 필요한 자원이 부족한 곳에 살고 있을 확률이 높아요. SHERLOC는 생명체 자체가 아닌 생명체의 징후를 찾을 뿐이지만 전기 박테리아로 인해 살아있는 외계 생명체를 찾는 새로운 방법이 제시됐다고 할 수 있습니다.”
NASA가 마스 2020을 준비하는 동안 로우 박사와 서던캘리포니아대학의 다른 연구자들은 지구상에 살고 있는 전기 박테리아의 수색에 박차를 가하고 있다. 최근에는 캘리포니아주 카탈리아섬 인근의 연안지역을 벗어나 모하비 사막의 깊은 시추공 속과 사우스다코타주의 지하탄광까지 수색 대상지를 넓혔다. 이런 장소들은 그동안 숨겨져 있던 지구의 생물학적 다양성을 보여줄 수 있음은 물론 향후 조우하게 될 외계생명체에 관한 고정관념을 깨뜨려 줄 수 있다는 것이 닐슨 박사의 생각이다.
“외계행성을 탐사할 때 우리는 늘 지표에서 생명체를 찾았어요. 하지만 지하에 더 큰 가능성이 있어요. 쉬와넬라의 전자 이동방식이 그곳이라고 먹히지 않을 리가 없으니까요.”
다양한 환경에 전극을 찔러 넣어 보면서 전기 박테리아를 수집하는 동안 닐슨 박사팀은 독특한 패턴 하나를 발견했다. 지구상 어디에든 지면에 탐지침을 꽂으면 지하로 깊이 들어갈수록 전위가 낮아진다는 사실이다.
“이는 모든 깊이에 서식하는 미생물들이 가용 가능한 전자를 추적하기 때문입니다. 가장 힘이 넘치는 미생물들이 가장 자원이 풍부한 지표 근처에 살고 있으며, 자원이 부족한 깊은 곳의 미생물들은 그곳에서 구할 수 있는 에너지라면 가리지 않고 찾아써야 합니다. 즉 전위차는 생명체의 공통 지표가 될 훌륭한 후보예요. 생명이 없다면 전위차도 없으니까요.”
이에 닐슨 박사는 탐사로버를 활용한 복잡한 화학분석 대신 로우 박사의 전기 박테리아 수색법을 차용해보면 어떨까 하는 생각에 이르렀다. 화성 탐사선이 화성궤도에서 무수한 탐침을 지면에 발사해 지하로 파고들게 하는 아이디어다.
“각 탐침에 내장된 소형 송수신장치가 전위차 등의 데이터를 화성 궤도선에 전송하는 메커니즘입니다. 이를 통해 향후 로버를 보내 근접 탐사할 장소를 특정할 수도 있어요.”
과거 NASA와 러시아우주국(RSA)이 이와 유사한 프로젝트를 시도한 적이 있지만 실패로 끝났으며, 비영리기구인 익스플로러 마스가 현재 이를 위한 ‘엑소랜스(ExoLance)’ 프로젝트의 기금을 조성 중에 있다. 혹여 이 방법을 화성이 아닌 유로파에서도 활용할 수 있을지 닐슨 박사에게 물어봤다.
“유로파의 환경은 화성보다 훨씬 가혹합니다. 온통 얼음덩어리니까요. 태양전지나 방사성 발전기를 사용해 얼음을 녹인 다음, 탐침을 집어넣는다면 가능할지도 모르겠네요. 추가로 전자장비에는 태양방사선에 의한 오작동을 막아줄 처리가 필요할 겁니다.”
설령 탐침이 생물학적 증거를 찾지 못하더라도, 최소한 처녀지로 남아 있는 외계행성 지하의 지구화학적 데이터를 측정할 수는 있다. 닐슨 박사는 이것도 충분히 귀중한 가치를 지닌다고 피력한다.
한창 열변을 토하며 대화를 나누던 닐슨 박사는 갑자기 학장에게 은퇴서류를 제출해야 한다며 연구실을 나섰다. 연구자로서의 바쁜 삶을 떠나 4년 정도 쉴 계획이라고 했다. 얼마쯤 지나 연구실 문이 열렸을 때 그는 뭔가 깊은 생각에 잠겨 있었다.
“나름 열심히 살아왔지만 한 가지 후회가 남네요. 로우 박사의 전기 박테리아를 직접 연구해보지 못했다는 것이 정말 안타까워요. 그 학문적 중요성을 생각하면 70살이나 먹고서야 그게 발견됐다는 사실에 화가 치밀어 오르기까지 합니다.”
전기 박테리아는 존재적 가치를 넘어 인류에게 실용적 이득을 줄 수도 있다. 정확히 어떤 이득을 누릴 수 있을지 관련연구가 최근 본격화됐다.
예를 들어 전자 박테리아는 하수 처리에 큰 효용성을 발휘한다. 인간의 배설물에 양극 전극을 넣으면 박테리아가 배설물을 먹고 전자를 방출하도록 만들 수 있다. 또한 연료전지와 함께 팀을 이루면 슬러지 배출량이 현저히 적으면서 가동동력을 스스로 충당하는 자가발전 하수처리장 건설이 가능하다.
“제 제자였던 오리아나 브레트슈거 박사가 현재 미국 샌디에이고 소재 크레이그 벤터연구소(JCVI)에 시험 시스템을 설치·운용하고 있습니다. 사실상 아무런 정비를 받지 않은 채 무려 5년이나 잘 작동되고 있죠.”
현재도 브레트슈거 박사와 협력하고 있다는 닐슨 박사는 향후 이 시스템을 발전시켜 제3세계의 마을에 보급하는 것이 개인적 목표라고 밝혔다.
“생활하수를 처리장에 보내면 깨끗한 물이 되어 나옵니다. 가동전력은 전혀 필요 없이 말이에요.”
미네소타대학 대니얼 본드 박사팀의 경우 전기 박테리아를 이용해 전력을 생산하면서 신소재를 합성 방법을 연구 중에 있으며, 미 국방부도 전기 박테리아로 작동되는 수중센서 연구에 자금을 투자하고 있다. 덧붙여 엘나가 박사는 박테리아 세포와 인간 세포의 전기적 상호작용에 인간의 건강 증진을 위한 중요한 비밀이 숨겨져 있을지도 모른다고 보고 있다. 그는 하수처리 실험을 통해 인간의 장에 전기 박테리아가 살고 있음을 미뤄 짐작할 수 있다면서 이들이 인체 생태계의 일원으로서 인간 세포와 소통하고 있지 않을까 하는 의문을 표명하고 있는 것이다.
주지하다시피 이 모든 연구는 기괴한 쉬와넬라 박테리아와 그보다 더 이상한 전기박테리아 친구들이 지닌 지구 생물답지 않은 능력에 기반한다. 지구인들에게 있어 이들이 하는 일과 그 일을 처리하는 방식은 너무나 생경하다. 닐슨 박사는 우리에게 익숙한 적자생존의 죽고 죽이는 경쟁과는 달리 이들이 살아가는 지구는 협력에 기초할 것이라고 추정한다.
“제 생각이 틀리지 않다면 지하 깊은 곳에서 전기 박테리아들이 구축한 작은 사회주의 생물사회를 만날 수 있을 겁니다. 모두가 함께 일하고, 혜택을 공유하는 그런 사회 말입니다.”
닐슨 박사는 전자 사회주의야 말로 자원이 희박하고, 포식자와 피식자 관계가 성립되지 않는 환경에서 가장 정상적인 삶의 방식이라 여긴다. 또한 이것이 지구의 역사 중 대부분의 기간을 차지하는 생명의 진실이며, 외계 천체에서 만나게 될 생명 활동일 수 있다.
“저는 이런 생각을 합니다. 포식자가 나타나기 전까지 박테리아들은 빨리 성장하는 법을 배우지 못했을 거라고 말이에요. 급하게 성장할 이유가 없으니까요. 다들 알다시피 박테리아끼리는 서로 잡아먹지 않습니다.”
사실 그런 생각은 오늘날의 생물계에도 부합될 수 있다. 지구상의 미생물 생태계는 아직 대부분 인간에게 발견되지 않았기 때문이다. 때문에 혹자는 지구상에 사는 미생물의 99.9%는 실험용 접시 위에선 절대 배양될 수 없다고 주장하기도 한다.
물론 현 시점에 이 가정은 추측에 의존한 바가 크다. 그래서 닐슨 박사에게 정말로 사회주의에 기반해 전자를 공유하는 생물권의 존재를 믿는지 공식적으로 물었다.
“제가 죽기 전에 그 존재가 밝혀지기를 희망합니다.”
이런 대답을 한 뒤 그는 곧바로 열린 마음을 가진 과학자답게 자신의 발언을 정정했다.
“사실은 그렇게 심하게 바라지는 않아요. 그런 생물권이 존재하지 않더라도 큰 일이 벌어지는 건 아니니까요. 그러나 이는 매우 합당한 추론입니다. 진실로 밝혀진다면 정말 멋질 거예요.”
외계생명체 거주지 후보
태양계 내에서도 생명체 존재 개연성이 있는 천체가 적지 않다.
화성 Mars
수십 년간 인류는 화성에서 생명체를 찾아왔지만 그간의 탐사방식이 잘못됐을 수 있다. 태양 방사능과 극심한 일교차를 피할 수 있는 지하 깊숙한 곳에 뭔가 살고 있을지도 모른다. 물속 깊은 곳에 사는 전기 박테리아처럼 말이다. 이를 확인하려면 드릴이 필요하다.
엔켈라두스 Enceladus
토성의 위성. 엔켈라두스는 이웃 천체와의 중력상호작용 때문에 늘어나고 압축됐다. 토성탐사선 카시니호가 남극에서 발견한 얼음 수증기(열수 분출)는 이때의 마찰열이 내부로 전달된 결과일 수 있다. 또한 열수 분출공은 전기 미생물의 거주지가 될 수 있다.
미마스 Mimas
토성의 위성. 엔켈라두스처럼 얼음으로 덮여 있으며, 중력상호작용에 의해 내부가 가열됐다. 특히 최근 미국 코넬대 연구팀에 의해 액체상태의 지하 바다가 존재할 가능성이 제기됐다. 지상이건 지하이건 물과 암석이 만나는 곳에는 생명 탄생에 필요한 화학적 에너지가 생긴다.
유로파 Europa
목성의 위성. 얼음 표면 아래에 거대한 바다가 존재한다. 심지어 해저화산까지 있을 것으로 추정된다. 종종 두터운 얼음층을 뚫고 거대한 물기둥이 분출되고 있기 때문이다. NASA는 유로파의 근접 관측을 위해 ‘유로파-클리퍼’ 탐사선 발사를 추진 중이다.
세레스 Ceres
왜소행성. 3월 중 NASA의 ‘돈(Dawn)’ 탐사선이 세레스에 도착한다. 생명체 관측 장비는 없지만 세레스의 표면이 생명체 생존에 적합한 환경인지 화학적으로 분석할 수는 있다. 참고로 세레스를 포함한 소행성대의 천체 대다수는 점토와 탄소 함유 광물로 표면이 덮여 있다.
트리톤 Triton
해왕성의 위성. 여타 위성과 달리 해왕성의 자전방향과 반대방향으로 공전한다. 이는 트리톤이 수백만 년전 해왕성 근처를 지나다가 인력 때문에 붙잡힌 결과로 보인다. 바로 이때 내부의 얼음이 녹았을 것이 확실하다. 표면온도는 영하 235℃지만 중심핵 주변에는 아직 액체가 존재할 수도 있다.
타이탄 Titan
토성의 위성. 두터운 메탄 대기와 거대한 액체 탄화수소 호수를 지닌다. 이는 생명체 출현 전단계 물질인 유기화학물질의 생성이 촉발될 수 있는 환경이다. 물론 일반 생명체가 살기엔 너무 춥지만 소행성과의 충돌로 온도가 높아진 곳이 있을 수도, 초저온에서 사는 생명체가 있을 수도 있다.
가니메데 Ganymede
목성의 위성. 외관상 불모의 천체로 보이지만 그 내부는 따스하고, 생명이 활발한 곳일지도 모른다. 유럽우주국(ESA)이 오는 2022년 ‘주스(JUICE)’ 탐사선을 발사, 가니메데의 구성물질과 유로파의 실체에 대해 더욱 자세한 내용을 알려줄 것이다.
명왕성 Pluto
명왕성에 생명이? 그리 미친 소리는 아니다. 오래 전 명왕성은 강력한 충돌로 ‘카론’ 위성이 만들어졌는데, 이때의 에너지가 내부 온도를 높여 지하에 대수층이 생겼을 수 있다. 올 7월 명왕성 탐사선 ‘뉴호라이즌’호가 근접 탐사에 돌입할 예정이다.
외계생명체 발견 방법
생명체가 있을 것 같은 천체를 발견했다면, 뭘 해야 하나?
1 대사활동 검사
외계 생명체 발견을 위한 진지한 노력은 1976년 발사된 바이킹 1호와 2호가 효시다. 두 탐사선은 화성으로 날아가 화성의 토양에 영양분과 방사성 탄소를 혼합, 대사활동을 파악해 생명체의 존재 여부를 확인했다. 알다시피 생명체는 발견되지 않았고, 토양의 복잡한 화학조성만 드러났다.
2 물 추적
NASA 화성탐사 프로젝트의 선봉에는 25억 달러짜리 ‘큐리오시티’ 로버가 서 있다. 화성이 과거 따뜻하고 습한 환경이었음을 규명하려 했던 큐리오시티는 물의 흔적을 발견, 과거에 생명체가 존재했을 가능성을 확인했다. 하지만 실제 존재했었는지는 밝혀내지 못한 상태다.
3 유기체 탐색
바이킹과 큐리오시티에서 교훈을 얻은 NASA는 차기주자인 ‘마스 2020’ 로버에 화성의 환경을 스캔해 더욱 넓은 스펙트럼으로 유기화합물의 징후를 찾기 위한 연구장비 2대를 탑재할 계획이다.
4 화학적 특성 분석
생물 활동의 증거인 화학적 특성을 찾아도 생명체의 존재가 확인된다. 일례로 DNA는 뉴클레오티드라는 화학적 단량체로 가득하다. 또 자연계에는 질소 함유 광물이 거의 없는 만큼 질소화합물들의 발견도 훌륭한 단서가 된다.
5 전위 측정
모든 생명체는 전기적 에너지를 취급한다. 지구에서처럼 땅 속 깊숙이 들어갈수록 전위가 낮아진다면 다양한 미생물 군락이 주변 환경에서 전자를 끌어들인다는 증거가 된다. 외계 생명체와의 조우라고 보기에는 싱겁지만 과학계를 뒤흔들 사건이 될 것이다.
극한 생물학
지구에도 외계생명체에 버금가는 극한 생명체가 살고 있다. 괴상하기 짝이 없고, 극한환경에 잘 적응하며, 극강의 생명력을 소유한 녀석들을 소개한다.
사해(死海) 박테리아
사해는 생명체가 살기에는 염도가 너무 높지만 이곳을 삶의 터전으로 삼은 박테리아가 있다. 호수 바닥의 담수 분출공 근처에서 ‘미생물 매트’가 발견된 것. 염분을 좋아하는 여타 염수 거주 미생물과 달리 이들은 염수와 담수가 지속 교차되는 환경에서 살고 있다. 독일 라이프니츠 담수생태·내륙어업연구소(IGB)의 대니 이오네스코 박사는 “이들로 인해 하나 이상의 극한환경에 동시 적응에 성공한 생물의 존재 가능성이 열렸다”고 평가했다.
블롭피시
‘블롭피시(Blobfish)’는 ‘못생긴 동물 보존 협회’가 선정한 세상에서 가장 못생긴 동물이다. 하지만 이렇게 흉측한 젤리형 몸체를 지닌 덕분에 호주 앞바다 수천m의 심해에서 수십 기압 이상의 엄청난 압력을 견디며 살아갈 수 있다. 이 정도 수심에서는 부레가 별반 필요가 없는 만큼 블롭피시는 몸 자체에서 부력을 얻는다.
라임병 박테리아
라임병의 원인균인 ‘보렐리아 부르그도르페리’는 이제껏 발견된 생명체 중 기초적 생명화학반응에 철(Fe)을 사용하지 않는 유일한 존재다. 이들은 철 대신 망간니즈와 여타 광물을 활용한다. 존스홉킨스대학의 미생물학자 발레리아 쿨로타 박사는 이 때문에 라임병 감염 방지가 매우 어렵다고 말한다. 면역체계가 철분 공급을 끊어도 환자가 빈혈에 시달릴 뿐 박테리아에게는 아무 타격도 주지 못하기 때문이다.
초소형 물곰
곰처럼 생긴 이 생명체는 ‘타디그레이드(Tardigrade)’다. 몸길이가 1㎜도 안 되지만 지구상에서 가장 질긴 생명력을 자랑한다. 생존가능 온도가 영하 270℃~영상 150℃에 달해 혹한의 극지와 펄펄 끓는 고온에서 살 수 있다. 지구에서 가장 깊은 심해와 치사량의 방사선 노출에도 멀쩡하다. 2007년에는 우주의 진공상태에서 생존한 최초의 다세포생물로도 등극했다. 휴면과 활동을 병행, 수명이 무려 1,200년에 이른다.
악마 벌레
수㎞ 지하의 고열과 고압환경을 견뎌내는 박테리아의 존재는 오래 전부터 알려져 있었다. 그러나 이 지하세계의 먹이사슬에서 최상위 포식자 위치를 점한 선충류가 발견되면서 과학계는 놀라움에 휩싸였다. ‘악마 벌레’로 물리는 이 선충은 3㎞ 이상의 깊이에서도 멀쩡히 살아간다. 선충류는 인류가 탄생하기 훨씬 전부터 이 땅에 살아왔다. 그리고 인류가 사라진 후에도 오랫동안 살아남아 있을 것이 확실하다.
심해 새우
햇빛이 전혀 닿지 않는 카리브해의 심해 열수 분출공에도 생태계는 있다. ‘리미카리스 하이비새(Rimicaris hybisae)’라는 새우가 화학 합성 박테리아와 공생하고 있는 것. 이 박테리아는 독특하게 진화한 이 새우의 아가미 덮개에 모여 살면서 황화수소(H2S)를 이용해 새우가 먹을 유기물질을 생산한다. 유로파에도 이와 유사한 생명체가 살고 있지 말라는 법이 없다.
암흑 에너지 생물권 dark energy biosphere.
SHERLOC Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals.
유로파-클리퍼 Europa-Clipper.
대수층 (帶水層) 지하수를 품고 있는 지층.
미생물 매트 (microbial mat) 생리적 활동에 미생물 매트 (microbial mat) 따라 수생 환경에 형성된 미생물의 층상 군집.
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