Science

화성 생명체는 멸종 위기에 처했을 수 있습니다

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40억년 전, 태양계는 아직 어렸다. 거의 완전히 형성된 행성들은 소행성 충돌을 덜 자주 경험하기 시작했습니다. 우리 행성은 39억 년 전에 거주할 수 있게 되었지만 원시 생물권은 오늘날과 많이 달랐습니다.

생명체는 아직 광합성을 발명하지 않았으며, 이는 약 5억 년 후에 주요 에너지원이 될 것입니다. 따라서 우리 행성의 바다에 있는 원시 미생물(지구상의 모든 현재 생명체의 공통 조상)은 다른 에너지원에서 생존해야 했습니다. 그들은 열수 시스템과 화산을 통해 행성 내부에서 방출된 화학 물질을 소비했으며, 이는 대기 중에 가스로 축적되었습니다.

우리 생물권에서 가장 오래된 생명체 중 일부는 “수소영양 메탄생성균(hydrogenotrophic methanogens)”으로 알려진 미생물로, 특히 당시 대기 조성의 혜택을 받았습니다. 대기에 풍부한 CO2(이산화탄소)와 H2(이수소)를 먹음으로써(현재 약 0.00005%에 비해 H2는 대기 구성의 0.01~0.1%를 나타냄) 표면을 식민지화하기에 ​​충분한 에너지를 이용했습니다. 우리 행성의 바다의.

그 대가로 그들은 기후를 축적하고 가열하는 강력한 온실 가스인 많은 양의 CH4(일명 메탄, 그 이름에서 유래)를 대기 중으로 방출했습니다. 당시 우리 태양은 오늘날만큼 밝지 않았기 때문에 다른 측면의 개입 없이는 행성 표면의 온화한 조건을 유지할 수 없었을 것입니다. 따라서 이러한 메탄 생성 물질 덕분에 지구에 생명체가 출현한 것 자체가 우리 행성의 거주 가능성을 보장하고 이후 수십억 년 동안 육상 생물권의 진화와 복잡화를 위한 올바른 조건을 설정하는 데 도움이 되었을 수 있습니다.

이것이 지구에서의 거주 가능성의 초기 개발에 대한 가장 가능성 있는 설명이지만, 우리 이웃인 붉은 행성과 같은 태양계의 다른 행성은 어땠습니까? 우리가 화성을 계속 탐사함에 따라 메탄 생성 물질이 다시 지구의 바다에서 번성할 수 있었던 것과 같은 시기에 유사한 환경 조건이 화성 표면에서 발전하고 있다는 것이 점점 더 분명해지고 있습니다.

미생물은 화성의 다공성 지각의 처음 4km 내에 거주했을 수 있습니다. 그곳에는 거친 표면 조건(특히 유해한 자외선), 액체 상태의 물과 호환되는 더 유리한 온도, 지각 내에서 방출되는 대기 가스의 형태로 잠재적으로 풍부한 에너지원이 있었을 것입니다.

이러한 측면에 비추어 볼 때 우리 연구 그룹은 자연스럽게 한 가지 핵심 질문으로 이어졌습니다. 지구에서 발생한 동일한 생명 생성 사건이 화성에서도 발생할 수 있습니까?

40억년 전 화성의 초상

우리는 세 가지 모델을 사용하여 이 질문에 답하기 시작했으며, 이는 최근 에 발표된 결과로 절정에 달했습니다. 자연 천문학 과학 저널. 첫 번째 모델을 통해 우리는 화성 표면의 화산 활동, 대기의 내부 화학 물질, 우주로의 특정 화학 물질 방출이 행성 대기의 압력과 구성을 결정했을 수 있는 방법을 추정할 수 있었습니다. 동일한 특성이 기후의 특성을 결정했을 것입니다.

두 번째 모델은 화성의 다공성 지각의 물리적 및 화학적 특성, 즉 온도, 화학적 조성 및 액체 물의 존재를 식별하고자 했습니다. 이것은 부분적으로 표면 조건(즉, 표면 온도 및 대기 조성)에 의해 그리고 부분적으로는 행성의 내부 특성(즉, 내부 열 구배 및 지각 다공성)에 의해 결정되었습니다.

이 처음 두 모델을 통해 우리는 젊은 행성 화성의 표면 및 지하 환경을 시뮬레이션할 수 있었습니다. 그러나 이 환경의 주요 특성(예: 당시 화산 활동 수준 및 지각 열 구배)과 관련하여 많은 불확실성이 남아 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 우리의 모델을 사용하여 약 40억 년 전 화성이 어떻게 보였을지에 관한 일련의 시나리오를 야기한 수많은 잠재적 특성을 탐색했습니다.

약 40억 년 전 화성의 지형도(등고선과 주황색 그라데이션으로 부조 표시) 다양한 단계(왼쪽에서 오른쪽으로: 초기, 중기, 최종, 전체 기간이 수만에서 수십만 사이에 걸쳐 있음) 수년) 수소영양 메탄생성 미생물의 영향으로 화성의 기후가 냉각되면서 발생한 화성 표면(흰색)의 얼음 덮개의 진화.Boris Sauterey, Fourni par l’auteur

세 번째이자 마지막 모델은 적어도 에너지 요구 측면에서 지구상의 메탄 생성 미생물과 유사했을 것이라는 이론에 기초한 가상의 화성 메탄 생성 미생물의 생물학과 관련이 있습니다. 이 모델을 사용하여 이전 두 모델에서 생성된 각 환경 시나리오에 따라 화성의 지하 환경 조건과 비교하여 우리 미생물에 대한 지구 조건의 거주 가능성을 평가할 수 있습니다.

주어진 조건이 거주 가능한 것으로 간주되는 경우 세 번째 모델은 이러한 미생물이 화성 표면 아래에서 어떻게 생존했는지, 지각 및 표면 모델과 함께 이 지하 미생물 생물권이 대기 및 기후뿐만 아니라 지각 화학 구성에 어떻게 영향을 미쳤는지 평가했습니다. 메탄 생성 미생물 생물학의 미시적 규모와 화성 기후의 전지구적 규모를 결합함으로써 이 세 가지 모델을 함께 사용하여 화성 행성 생태계의 행동을 시뮬레이션할 수 있었습니다.

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화성 지각 내부에 존재했을 가능성이 매우 높은 지하 거주 가능성

여러 지질학적 단서는 40억 년 전 화성 표면에서 액체 상태의 물이 흐르면서 강, 호수, 그리고 아마도 바다를 형성했을 것임을 나타냅니다. 따라서 화성의 기후는 오늘날보다 더 온화했습니다. 그러한 기후가 어떻게 생겨났는지 설명할 때, 우리의 표면 모델은 화성이 지구보다 훨씬 더 많은 CO2와 H2가 특히 풍부한 고밀도 대기(오늘날 우리 행성의 밀도와 거의 같은 밀도)를 가지고 있다고 가정합니다. 당시.

이 CO2가 풍부한 대기 환경은 본질적으로 현저하게 강력한 온실 가스의 특성을 대기 H2에 제공했을 수 있습니다. 이 H2는 동일한 조건에서 CH4보다 훨씬 더 강력했을 것입니다. 다시 말해서 화성 대기의 1%가 H2였다면 기후는 1%가 CH4였을 때보다 더 가열되었을 것입니다.

몇 가지 모델 생성 시나리오에 따르면 이 온실 효과만으로는 화성 표면에 액체 상태의 물을 유지하는 데 필요한 기후 조건을 생성하기에 충분하지 않았을 것입니다. 즉, 화성은 얼음으로 덮여 있었습니다. 더욱이 화성 지각 깊숙이 적당한 온도가 있었다면 화성도 더 이상 거주할 수 없었을 것입니다. 표면 얼음으로 막혀 있으면 메탄 생성 생명체의 필수 에너지원인 대기 중 CO2와 H2가 지각을 관통할 수 없었을 것입니다.

그럼에도 불구하고 대부분의 시나리오는 대기 중 CO2와 H2가 실제로 지각을 관통할 수 있는 따뜻한 지역에서 행성 표면에 액체 물이 존재할 수 있음을 나타냅니다. 우리의 생물학적 모델은 이러한 모든 시나리오에서 메탄 생성 미생물이 적절한 온도를 발견하고 지각의 처음 수백 미터 내에서 생존하기에 충분히 큰 에너지원에 접근할 수 있었음을 증명합니다. 요컨대, 과거나 현재에 상관없이 우리는 아직 화성에 생명체가 있었다는 사실적 증거가 없지만 40억 년 전 화성 지각은 메탄 생성 미생물로 구성된 지하 생물권을 수용했을 가능성이 매우 높습니다.

화성은 오늘날에도 특히 극지방에 얼음이 남아 있습니다. Stocktrek 이미지/Stocktrek 이미지/게티 이미지

원시 생물권에 의해 촉발된 빙하기

이 가상의 화성 메탄 생성 생명체가 지구인과 같은 방식으로 행성의 기후를 따뜻하게 했을까요? 아아, 대답은 아니오인 것 같습니다. 지하 메탄 생성 물질 기반 생물권은 대부분의 행성 H2를 소비하고 상당한 양의 CH4를 방출하여 화성 대기에 심각한 변화를 일으켰을 것입니다.

그러나 우리가 보았듯이 H2는 초기 화성 대기의 맥락에서 CH4보다 더 강력한 온실 가스였으며, 각각의 온실 효과는 지구의 현재 대기에서 관찰된 것과 반대입니다. 분위기 .

지구에서 메탄 생성의 출현은 유리한 기후와 통합된 육상 거주 가능성을 설정하는 데 도움이 되었지만, 화성의 메탄 생성 생명체는 – 행성의 대기 H2의 대부분을 소비함으로써 – 기후를 수십도까지 급격히 냉각시키고 더 큰 얼음 덮음에 기여했을 것입니다.

표면 얼음이 없는 지역에서도 우리의 가상 미생물은 대기 에너지원에서 더 멀리 지각 속으로 더 깊숙이 이동하면서 더 생존 가능한 온도를 찾아야 했을 것입니다. 이런 식으로 이러한 생명체의 행동은 화성이 처음보다 생명체에게 덜 호의적이게 만들었습니다.

자기 파괴: 우주에서의 삶의 기준

1970년대에 제임스 러브록(James Lovelock)과 린 마굴리스(Lynn Margulis)는 가이아(Gaia) 가설을 발전시켰는데, 이 가설은 지구의 거주 가능성이 지상 생물권과 행성 자체를 모두 포함하는 시너지 효과적이고 자체 조절되는 시스템에 의해 유지된다는 것을 제안합니다. 우리 인간은 이 이론에서 불행한 변칙존재입니다. 가이아 가설은 이후 “가이아 병목 현상” 아이디어의 출현을 촉발했습니다. 이것은 우주에 생명에 필요한 조건이 부족하지 않지만 생명이 나타날 때 행성 환경의 장기적인 거주 가능성을 거의 유지할 수 없다고 가정합니다.

우리 연구의 결과는 훨씬 더 비관적입니다. 화성의 메탄 생성의 예에서 볼 수 있듯이 가장 단순한 생명체라도 행성 환경의 거주 가능성을 위협할 수 있습니다.

이 기사는 원래 대화 École normale supérieure(ENS) – PSL의 Boris Sauterey 작성. 여기에서 원본 기사를 읽으십시오.

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