우주 생물학

우주 생물학

 

 

우주생물학은 그 결정론적 조건과 우발현상을 조사하고 우주 생명의 기원과 초기 진화, 분포, 미래를 연구하는 생명과학과 환경과학 속 과학 분야입니다. 우주생물학은 지구 밖에 생명이 존재하는 것을 전제로 하고 있는 연구입니다.  

우주생물학 연구는 세 가지 주요 분야로 구성되어 있는데요, 태양계 및 그 너머에 있는 거주 가능한 환경 연구, 과거 또는 현재 외계 생명체의 행성 생물학적 특징 탐색 및 지구상에서의 생명 기원과 초기 진화에 관한 연구입니다.

우주생물학 분야는 20세기에 우주탐사와 외계행성의 발견으로 그 기원을 가지고 있습니다. 초기 우주생물학 연구는 외계 생명 탐색과 다른 행성에 생명이 존재할 가능성에 대한 연구에 초점을 맞췄습니다. 1960년대부터 1970년대에 걸쳐 NASA는 바이킹 계획 안에서 우주 생물학 연구를 시작했습니다. 바이킹 계획은 화성에 착륙하여 생명의 징후를 찾는 최초의 임무였습니다. 이 미션은 다른 초기 우주 탐사 미션과 함께 우주 생물학을 분야로 발전시키기 위한 기초를 다지는데 발돋움 되었습니다.

거주 가능한 환경에 관해서는, 우주 생물학은 화산이나 심해 환경과 같은 지구상의 어려운 환경에 서식하는 극미생물의 연구를 통해서 화성이나 유럽, 태양계 외 행성 등의 생명체를 지탱할 수 있는 잠재적인 장소를 조사합니다. 이 주제 내의 연구는 우주생물학적 응용을 위해 지구과학, 특히 지구생물학의 방법론을 사용하여 이루어집니다.

바이오시그니처 검색에는 유기화합물, 동위원소비 또는 미생물 화석의 형태로 과거 또는 현재 생명의 징후를 특정하는 것이 포함됩니다. 이 주제 내 연구는 행성 및 환경 과학, 특히 대기 과학의 방법론을 우주 생물학적 응용에 이용하여 수행되며 원격 탐사와 현장 임무를 통해 수행되는 경우가 많습니다.

우주생물학은 또한 다른 행성에서 생명이 형성되기 위해 필요한 조건을 이해하려는 지구상 생명의 기원과 초기 진화 연구와도 상당한 관련이 있습니다. 이 연구는 생명이 어떻게 비생물에서 발생했고 어떻게 진화해 오늘날 우리가 보고 있는 다양한 유기체의 배열이 됐는지 이해하는 것을 목적으로 하고 있는데요, 이 주제 내의 연구는 우주생물학적 응용을 위해 고과학, 특히 고생물학의 방법론을 사용하여 이루어집니다.

우주생물학은 과학자에게 많은 과제와 기회를 가진 강력한 학제적 측면을 가진 급속하게 발전하고 있는 분야입니다. 우주생물학 프로그램과 연구센터는 전 세계의 많은 대학이나 연구기관에 존재하고 있으며 NASA나 ESA등의 우주기관에는 우주생물학 연구를 위한 전문부문이나 프로그램이 있습니다.

 

개요
우주생물학이라는 용어는 1953년 러시아 천문학자 가브리엘 티코프에 의해 처음 제창되었습니다. 어원적으로는 그리스어의 "star"; βίςί, "life"; 및 -λγα, -logia, "study" 에서 유래되었습니다. 미국 SF작가 로버트 하인라인의 작품 '스타비스트'에서 만들어진 조어로, 현재는 '외국 화학에 기반한 생물학'을 지칭하는 보다 전문적인 의미로 사용되고 있습니다. 지구 밖 또는 지구 밖(전형적으로는 합성) 기원을 놓고 있습니다.

외계 생명, 특히 지적 생명체의 가능성은 철학과 이야기 속에서 인류사회를 통해 탐구되어 왔는데, 이 문제는 검증 가능한 가설이며, 따라서 과학적 탐구의 유효한 선입니다. 행성과학자 데이비드 그린슨은 이것을 자연철학의 분야라고 부릅니다. 알려진 과학 이론의 기반을 두면서 미지의 것에 관한 기초적인 추측입니다

 

우주생물학의 현대적인 연구 시작의 시기를 살펴보자면 1950년대와 1960년대로 거슬러 올라갈 수 있습니다. 우주 탐사의 등장으로 과학자들은 다른 행성에서의 생명체 가능성을 진지하게 생각하기 시작했습니다. 1957년 소련은 우주시대의 개막이 된 최초의 인공위성 스푸트니크 1호를 발사했습니다. 이 사건은 과학자들이 우주 탐사라는 새로운 기술에 의해 열렸을 가능성을 검토하기 시작하면서 다른 행성에서의 생명체 가능성에 관한 연구의 증가로 이어졌습니다. 1959년 NASA는 최초의 외생생물학 프로젝트에 자금을 지원했고 1960년 현재 NASA의 4대 우주생물학 프로그램 중 하나인 '외생생물학 프로그램'을 설립했습니다. 1971년 NASA는 외계 지적 탐색의 일부인 프로젝트 사이클롭스에 자금을 제공하고 태양계 밖 외계 생명체에 의해 전달되는 성간 통신을 위해 전자 스펙트럼의 무선 주파수를 탐색합니다. 1960년대부터 1970년대에 걸쳐 NASA는 바이킹 계획을 설립했습니다.

1980~90년대 들어 새로운 발견과 기술이 등장하면서 분야가 확대되고 다양해지기 시작했습니다. 심해 열수 분출구 등 지구상 극한 환경에서 미생물 생명체가 발견돼 가혹한 환경에서 존재할 수 있는 생명체의 실현 가능성을 밝히는 데 도움이 됐습니다. 안정 동위원소 사용 등 바이오시그니처를 검출하기 위한 새로운 기술 개발도 이 분야 발전에 중요한 역할을 했습니다.

우주 생물학의 현대적 경관은 21세기 초에 출현하여 비교 우주 환경에서의 응용에 지구와 환경 과학을 활용하는 데 초점을 맞췄습니다. 미션에는 화성에 착륙한 지 몇 분 만에 실패한 ESA의 비글 2호, 화성에 미생물이 서식하는 과거와 현재의 환경을 탐사하고 물의 역사를 연구한 NASA의 피닉스 착륙선, NASA의 큐리오시티 로버 등이 있었습니다. 화성 미생물의 과거와 현재 행성의 거주 가능성에 대해 현재 환경을 조사하고 있습니다.

 

이론적 기초

탄소와 유기화합물

탄소는 우주에서 네 번째로 풍부한 원소이며, 결합을 만들거나 부수는 데 필요한 에너지는 안정성뿐만 아니라 반응성 있는 분자를 만드는 데 적절한 물질입니다. 탄소 원자가 다른 탄소 원자와 쉽게 결합한다는 사실은 매우 길고 복잡한 분자의 구축을 가능하게 합니다. 이처럼 우주생물학적 연구는 은하수의 생명체 대부분은 지구상의 모든 생명체와 마찬가지로 탄소화학에 기초하고 있다고 가정하고 있습니다. 그러나 이론적인 우주생물학은 생명의 다른 유기분자 염기의 가능성을 포함하고 있기 때문에 우주생물학 연구는 종종 유기화합물의 존재를 기반으로 생명을 지탱할 수 있는 환경을 특정하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

액체수

액체수는 복잡한 탄소계 분자 형성에 뛰어난 환경을 제공하는 일반적인 분자로 우리가 알고 있듯이 생명에 필요하다고 생각됩니다. 따라서 우주생물학적 연구는 외계 생명체 역시 액체 물에 대한 접근에 의존하고 있다고 가정하고 액체 물을 지탱할 수 있는 환경을 특정하는 데 초점을 맞추는 경우가 많습니다. 일부 연구자들은 물 암모니아 혼합물의 환경을 가상적인 유형의 생화학의 가능한 용매로 규정하고 있습니다.

 

환경 안정성

생물이 서식하는 환경 상태에 적응적으로 진화할 경우 생명이 존재하기 위해서는 환경 안정성이 필요하다고 생각됩니다. 이것은 안정적인 온도, 압력, 방사선 레벨이 필요하다는 것을 전제로 하고 있습니다. 그 결과 우주생물학적 연구는 태양과 같은 붉은 왜성을 공전하는 행성에 초점을 맞추고 있습니다. 이것은 매우 큰 항성의 수명이 비교적 짧기 때문입니다. 즉, 항성을 돌고 있는 행성에서는 생명이 탄생할 시간이 없을지도 모릅니다. 아주 작은 항성들은 열과 따뜻함을 거의 제공하지 않기 때문에 그 주위의 아주 가까운 궤도에 있는 행성들만이 고체가 되는 것은 아닙니다. 이렇게 가까운 궤도에서는, 이 행성들은 항성에 제대로 고정되어 있는 반면, 적색왜성의 장수명은 대기가 두꺼운 행성에서 거주 가능한 환경을 발달시킬 수 있습니다. 이것은 적색왜성이 매우 일반적이기 때문에 중요합니다

에너지원

우주의 다른 장소에서도 에너지원이 필요할 것으로 생각됩니다. 이전에는 이것이 필연적으로 태양과 같은 별에서 온 것이라고 가정했지만 극단적으로 선호되는 연구의 현대 우주생물학적 연구에서는 종종 에너지원의 가용성을 바탕으로 생명을 지탱할 수 있는 환경을 특정하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 예를 들어, 열과 에너지의 원천을 제공할 수 있는 행성이나 달에 화산 활동이 존재하는 것입니다.

이러한 가정은 지구상의 생명에 대한 현재의 이해와 그것이 존재할 수 있는 조건에 근거하고 있다는 것에 주의하는 것이 중요합니다. 생명에 대한 우리의 이해와 생명이 다른 환경에서 존재할 가능성이 진화함에 따라 이러한 가정은 달라질 수 있습니다.

 

방법론

우리 태양계의 거주 가능한 환경 연구 및 그 이상에 관한 우주 생물학적 연구는 지구 과학 내의 방법론을 이용하고 있습니다. 이 분야의 연구는 주로 화산이나 심해 등 지구상 극한 환경에서 생존할 수 있는 생물의 지질학에 관한 것으로 생명의 한계를 이해하고 다른 행성에서 생명이 생존할 수 있는 가능성이 있는 조건에 관한 것입니다. 여기에는 다음의 것이 포함되지만, 이것에 한정되지 않습니다;

심해 과격파

연구자들은 심해 열수 분출구와 냉기 얼룩이라는 극한 환경에 사는 생물을 연구하고 있습니다. 이 생물들은 태양광이 없는 상태에서 생존하며 고온이나 압력 속에서도 생존할 수 있으며 햇빛 대신 화학 에너지를 사용하여 음식을 생산합니다.

사막 과격파

연구자들은 사막과 같은 극단적으로 건조한 고온 환경에서 생존할 수 있는 생물을 연구하고 있습니다.

극단적인 환경에서의 미생물: 연구자들은 심층 광산, 지하 토양, 한랭 빙하와 극빙, 고고도 환경 등의 환경에서 미생물의 다양성과 활성을 조사하고 있습니다.

연구는 또한 지구상 생명의 장기적인 생존 및 다른 행성에서의 생명의 가능성과 위험성에 대해서도 언급하고 있습니다;

생물 다양성과 생태계 회복력

과학자들은 생명의 다양성과 다른 종 간의 상호작용이 생태계의 회복력과 장애로부터 회복하는 능력에 어떻게 기여하는지 연구하고 있습니다.

 

기후변화와 멸종

연구자들은 기후변화가 다른 종과 생태계에 미치는 영향과 그것들이 어떻게 멸종과 적응으로 이어지는지를 조사하고 있습니다. 여기에는 지구 기후와 지질학의 진화, 그리고 그것들이 미래에, 특히 인간에게 이 행성의 거주성에 미칠 잠재적인 영향이 포함됩니다.

생물권에 대한 인간의 영향

과학자들은 삼림 파괴, 오염, 침입종 도입 등의 인간 활동이 생물권과 지구상의 장기적인 생존에 어떤 영향을 미치고 있는지를 연구하고 있습니다.

생명의 장기 보존

연구자들은 지구상 생명의 대부분을 파괴할 수 있는 괴멸적인 사건이 발생할 경우 냉동 보존이나 게놈 보존 등과 같이 지구상 생명의 샘플을 장기간 보존하는 방법을 탐구하고 있습니다.

과거 또는 현재 외계 생명체의 행성 바이오시그니처 탐색에 관한 새로운 우주 생물학적 연구는 행성 과학 내에서 방법론을 이용합니다.

 

화성 지하 미생물 연구
과학자들은 화성 탐사 미션의 데이터를 사용하여 화성 지하층의 조성을 연구하고 과거 또는 현재 미생물의 생물학적 특징을 찾고 있습니다.

Europa나 Enceladus와 같은 위성에 있어서의 최근의 지하해의 발견에 의해, 외계 생명체의 탐색 대상이 되는 새로운 거주 가능 영역이 개방되었습니다. 현재 Europa Clipper와 같은 미션은 이러한 환경 내에서 바이오 시그니처를 검색하는 것을 계획하고 있습니다.

 

행성의 대기에 관한 연구

과학자들은 행성의 대기 중에 생명이 존재할 가능성을 연구하고 있으며, 그러한 생명이 존재하기 위해 필요한 물리적 및 화학적 조건, 즉 유기 분자와 생체 신호 가스의 검출에 초점을 맞추고 있습니다. 적색왜성을 주회하는 외계 행성의 대기 중 생명 가능성에 대한 연구와 금성의 상층 대기 중 미생물 생명체의 가능성에 관한 연구입니다.

태양계 외행성 망원경과 원격 탐사

 

수천 개의 태양계 외행성의 발견으로 생물학적 특징을 찾을 새로운 기회가 열렸습니다. 과학자들은 제임스 웹 우주 망원경이나 과도기 외행성 탐사 위성 등 망원경을 사용하여 태양계 외행성의 생물학적 사인을 찾고 있습니다. 그들은 또한 태양계 외계 행성의 대기 중에서 바이오 시그니처를 검색하기 위해 원격 센싱을 사용하는 등 바이오 시그니처를 검출하기 위한 새로운 기술도 개발하고 있습니다.

 

SETI 및 CETI

외계 지적 생명체와의 통신\

학자들은 외계 정보 통신(CETI) 영역 내에서 전파 망원경과 광학 망원경을 사용하여 지적인 외계 문명으로부터의 신호를 검색합니다. CETI는 다른 기술 문명이 이론적으로 이해할 수 있는 메시지의 합성과 해독에 초점을 맞추고 있습니다. 인간에 의한 커뮤니케이션 시도에는 수학적 언어 방송, 알레시보 메시지와 같은 회화적 시스템, 그리고 '자연'한 언어 커뮤니케이션을 검출하고 해독하는 계산적 접근법이 포함되어 있습니다. 칼 세이건과 같은 저명한 과학자들은 메시지 전달을 제창하고 있지만, 이론 물리학자 스티븐 호킹은 그것에 대해 경고하고 외계인들이 그 자원을 위해 지구를 습격할 가능성이 있음을 시사했습니다.

지구상 생명의 기원과 초기 진화 연구에 관한 새로운 우주생물학적 연구는 고과학에서의 방법론을 이용하고 있습니다. 여기에는 다음과 같습니다;

초기 대기 연구

연구자들은 기후 안정화와 유기 분자 형성에 도움이 되었을 수도 있는 가스가 존재하는 등 생명 출현에 적합한 조건을 제공하는 초기 대기의 역할을 조사하고 있습니다.

초기 자기장 연구

연구자들은 유해한 방사선으로부터 지구를 보호하고 기후 안정에 도움이 되는 초기 자기장의 역할을 조사하고 있습니다.  연구는 화성과 같은 현재 우주생물학적 연구의 대상자가 그러한 분야가 결여된 경우에 매우 큰 우주생물학적 영향을 미칩니다.

프리바이오틱스 화학 연구

과학자들은 초기 지구에서 일어날 수 있는 화학 반응에 의해 생명체의 구성 요소인 아미노산, 뉴클레오티드, 지질이 형성되었을 가능성이 있으며, 이 분자들이 어떻게 초기 지구 조건 하에서 자발적으로 형성되었는지를 연구하고 있습니다.

 

광물의 역할에 관한 연구

과학자들은 유기분자 형성을 촉매하는 점토와 같은 광물의 역할을 연구하고 있으며, 따라서 지구상에 생명이 출현하는 데 일조하고 있습니다.

에너지와 전기의 역할에 관한 연구

과학자들은 초기 지구에서 이용 가능했을지도 모르는 에너지와 전기의 잠재적인 원천과 그것들이 유기분자 형성에 있어서의 역할, 즉 생명의 출현을 조사하고 있습니다.

초기 해양에 관한 연구

과학자들은 초기 해양 조성과 화학, 그리고 유기 분자 형성을 촉매하는 데 도움이 되었을 수도 있는 용존 광물의 존재 등 생명 출현에 어떤 역할을 했을 가능성이 있는지를 조사하고 있습니다.

열수 분출공에 대한 연구

과학자들은 생명의 기원에서 열수 분출공의 잠재적인 역할을 조사하고 있습니다. 이러한 환경은 그 출현에 필요한 에너지와 화학적 구성 요소를 제공하고 있을 가능성이 있기 때문입니다.

플레이트 텍트닉스의 연구

과학자들은 초기 지구상에 다양한 환경을 만들어내기 위한 판텍트닉스의 역할을 연구하고 있습니다.

초기 생물권 연구

연구자들은 초기 지구에서 미생물의 다양성과 활동, 그리고 이 생물들이 생명의 출현에 어떤 역할을 했는지 조사하고 있습니다.

미생물 화석 연구

과학자들은 고대 암석에 미생물 화석이 존재하는 것을 조사하고 있으며, 이는 지구상 생명체의 초기 진화와 최초의 유기체 출현에 관한 단서를 제공할 수 있습니다.

 

연구조사

 

외계 생명의 가능성을 체계적으로 탐구하는 것은 효과적인 학제간 과학적 시도임은 분명합니다. 그러나, 그 존재와 기원에 관한 가설이나 예측은 크게 달라 현재 과학에 기초한 가설의 개발은 우주생물학의 가장 구체적인 실용화라고 생각됩니다. 바이러스는 다른 생명체를 가진 행성에서 만날 가능성이 높고 생물학적 세포 없이도 존재할 수 있다고 제안되었습니다

 

연구 성과

2023년 현재 외계 생명체의 증거는 확인되지 않았습니다. 1984년 남극에서 발견되어 화성에서 기원한 Allan Hills 84001 운석의 조사는 David McKay 뿐만 아니라 다른 과학자 대부분이 외계 기원의 미화석을 포함하고 있다고 생각합니다. 이 해석은 물의를 빚고 있습니다.


소행성은 생명을 지구로 수송했을 가능성이 있습니다.
화성에서 두 번째로 큰 운석인 야마토 000593은 2000년에 지구상에서 발견되었습니다. 미시적인 수준에서는 이러한 구체가 없는 주변 지역에 비해 탄소가 풍부한 운석에서 구체가 발견됩니다. NASA 과학자들에 따르면 탄소가 풍부한 구체는 생물 활동에 의해 형성되었을 가능성이 있습니다.

2011년 3월 5일 리처드 B입니다. 마셜우주비행센터 과학자 후버는 주요 언론에 의해 널리 보도된 이야기인 프린지 Journal of Cosmology의 CI1 탄소질 운석에서 시아노박테리아와 유사한 마이크로포스가 발견됐다고 추측했습니다. 그러나 NASA는 정식으로 후버의 주장과 거리를 두고 있었습니다. 미국 천체물리학자 닐 드 그라세 타이슨에 따르면 현 시점에서 지구상의 생명은 우주에서 유일하게 알려진 생명이지만 우리가 고독하지 않다는 것을 시사하는 설득력 있는 논의가 있습니다.

 

우주생물학의 요소
지구에서 2만 광년 떨어진 항성 주위를 도는 태양계 외계 행성 OGLE-2005-BLG-390Lb에 대한 예술가의 인상입니다. 이 행성은 중력 마이크로 렌즈에서 발견되었습니다.

2009년 3월에 발사된 NASA 케플러의 미션은 태양계 외 행성을 탐색합니다.
천문학과 관련된 대부분의 우주생물학 연구는 태양계 외행성(explanet) 검출 범주에 속하는데, 만약 생명체가 지구상에서 발생할 경우 비슷한 특성을 가진 다른 행성에서도 발생할 수 있다는 가설입니다. 이를 위해 지구 크기의 태양계 외행성을 검출하도록 설계된 많은 기기가 검토되고 있으며, 특히 NASA의 지상행성탐사기(TPF)와 ESA의 다윈 프로그램은 둘 다 취소되었습니다. NASA는 2009년 3월에 케플러 우주비행단을 발사했고, 프랑스 우주기구는 2006년에 COROT 우주비행단을 발사했습니다. 또, 보다 야심적인 지상 기반의 대처가 진행 중입니다.

이러한 미션의 목적은 지구 규모의 행성을 검출할 뿐만 아니라 행성으로부터의 빛을 직접 검출하여 분광학적으로 연구하는 것입니다. 행성 스펙트럼을 조사함으로써 태양계 외 행성의 대기 및/또는 표면의 기본적인 조성을 결정하는 것이 가능합니다. 이 지식을 생각하면 그 행성에서 생명이 발견될 가능성을 평가할 수 있을지도 모릅니다. NASA의 연구 그룹인 Virtual Planet Laboratory는 컴퓨터 모델링을 사용하여 TPF와 다윈에 의해 그것들이 어떻게 보이는지 확인하기 위해 다양한 가상 행성을 생성하고 있습니다. 이러한 미션이 일단 온라인이 되면 그 스펙트럼은 생명의 존재를 나타낼 수 있는 특징에 대해 이들 가상 행성 스펙트럼과 교차하여 확인되는 것이 좋습니다.

지능적인 통신 외계 생명체를 가진 행성의 수에 대한 추정치는 본질적으로 거주 가능한 행성의 분율과 생명이 발생하는 행성의 분율과 같은 요인의 곱으로서 지적 생명체의 확률을 나타내는 방정식에서 수집할 수 있습니다