Current Issue

붉고 때로는 천구를 역행하는 화성에 대한 인류의 호기심은 전쟁과 파괴의 신으로 상징되는 신화와 점성술의 시대를 지나, 19세기 말에서 20세기 초 망원경의 발달과 함께 과학의 영역으로 편입되었다(Peters, 1984). 초기 천체 망원경이 지닌 해상도 한계의 영역에서 흐릿하게 드러난 화성 표면의 선 구조들은, 후일 실존하지 않는 것으로 확인되었지만, 화성에서 생명활동을 넘어서 인류와 비견될 수 있는 문명의 존재까지 제안하는 근거가 되었으며(Lane, 2005), 화성 생명체에 대한 이러한 대중의 관심은 조지 웰스의 우주전쟁(1898)과 같은 기념비적인 공상과학 소설의 토대가 되었다(그림 1). 천체 망원경의 성능 향상과 함께 점차 옅어지던 화성 문명에 대한 기대는, 1960년대 궤도선과 착륙선을 활용한 인류의 본격적인 화성탐사로 붉은 사막과 같은 화성의 지표 환경이 민낯을 드러내며 산산조각 나게 된다(Horowitz, 1986). 인류의 본격적인 화성 탐사는 화성에서 기대되는 생명활동의 수준을 지적 생명체에서 미생물의 영역으로 끌어내렸지만, 막연한 기대가 아닌 실질적인 연구의 대상으로서 화성의 생명활동 가능성을 다룰 수 있는 기회를 제공해 주었다. 특히, 21세기에 들어 미국 나사의 쌍둥이 로버 스피릿(Spirit)과 오퍼튜니티(Opportunity), 그리고 뒤 이은 큐리오시티(Curiosity)와 퍼시비어런스(Perseverance) 로버의 지표환경 탐사는, 현재의 춥고 건조한 환경과는 달리 원시 화성에는 액체 상태의 물이 풍부했음을 확인시켜 주었으며, 이로 인해 형성된 퇴적층에서는 다양한 유기물 또한 검출되었다(Eigenbrode et al., 2018; Hurowitz et al., 2025). 비록 지금까지의 연구 결과가 화성 생명체의 존재를 확증할 수 있는 수준에 이르지는 못했지만, 주기적으로 과학 뉴스를 장식하는 나사의 화성 생명탐사에 대한 중대 발표가 보여주듯, 화성의 잠재적 생명활동에 대한 대중의 관심과 과학적 연구 성과가 그 어느 때보다 풍부한 시점에 도달해 있다.

Fig. 1. 
Initial telescopic observations of Mars in the late 19th century sparked misunderstanding and literary imagination regarding Martian life. (a) Percival Lowell’s map of the Martian “canals.” (b) Cover of H. G. Wells's seminal science fiction novel, The War of the Worlds, depicting an invasion by Martians.

다만 화성 탐사에는 막대한 비용과 인적 자원이 요구되는 만큼, 그 정당성을 뒷받침할 수 있는 사회적 합의가 필수적인데, 흥미롭게도 지금까지 화성에서 활동한 대부분의 로버는 생명체의 존재 여부나 생명활동이 가능한 환경을 주요 탐사 목표로 삼아왔다. 이는 인류가 지닌 생명의 기원에 대한 근본적인 호기심이 사회적 공감대 형성에 효과적인 명제임을 방증하며, 동시에 생명활동에 따른 물질과 에너지의 순환이 행성 지표환경을 결정짓는 주요 요인이라는 사실과도 깊은 관련이 있다. 일반적으로 고온의 지구 심부 환경은 열역학적 평형에 가까운 조건을 유지하는 반면, 저온의 지표환경에서는 화학반응이 때로는 매우 느린 속도로 진행되며 열역학적 불균형이 발생한다. 이때 생물은 반응의 촉매로 작용하여 에너지를 획득하고 생명활동을 유지하며, 이러한 생명활동이 없다면 지구의 원소 순환은 매우 다른 모습일 것이다. 예를 들어, 광촉매로 작용해 이산화탄소를 유기물로 환원하고, 물을 분자 상태의 산소로 산화하는 광합성 생물이 등장하지 않았다면, 지구의 대기는 현재와 같이 높은 산소 함량을 지닐 수 없었을 것이며, 탄소 순환 또한 이산화탄소의 용해와 탄산염 광물의 침전이 중심이 되는 단조로운 형태에 머물렀을 가능성이 높다. 지구에서 가장 중요한 금속 자원 중 하나인 철 또한, 현재 생산량의 절반 이상을 호상철광층(banded iron formation)이 차지하는데, 호상철광층은 무산소 환경의 원시 해양에 용해되어 있던 환원된 철(II)이 미생물의 활동으로 인해 산화되며 형성된 것이다(Posth et al., 2013). 결국 인류의 생존과 문명의 기반이 되는 두 자원의 형성 배경에 생명활동이 깊이 관련되어 있다는 사실은, 화성을 비롯한 다른 천체에서도 생명활동의 유무가 과학적 호기심을 넘어 자원 분포와 같은 실용적인 탐사 목적에서도 핵심적인 질문임을 시사한다.

현재의 화성에 생물이 이용 가능한 에너지와 액체 상태의 물이 동시에 풍부하게 존재하는 환경이 존재할 가능성은 매우 희박한데, 화성 지표 환경의 경우 태양으로부터의 에너지를 활용할 수 있지만 물은 얼음으로만 존재하며, 액체 상태의 물의 존재가 기대되는 지중 환경은 태양 에너지로부터 유리되어 있기 때문이다(Fisk and Giovannoni, 1999). 이와 같은 환경에서는 생물권이 존재하더라도 지구와 유사한 수준의 생산성은 기대하기 어려우며, 지구 심부생물권과 같이 생명활동의 흔적 역시 미약하거나 간헐적일 가능성이 높다(Becraft et al., 2021). 본 리뷰에서는 화성에서의 생명활동 가능성과 과학적 도전의 역사, 최근 연구 동향을 현재의 춥고 건조한 화성에서의 미약한 생명활동 추적보다는, 화성이 형성된 이후 헤스페리아기(Hesperian period) 초기까지의 시기에 보다 주목해 살펴보고자 한다. 해당 시기 원시 화성에는 표면에 물이 자유롭게 흐르고, 지구와 비교될 수 있는 지표환경과 대기, 내부 열 에너지간 상호작용이 활발했을 것으로 추정되며, 생명활동이 뿌리내릴 수 있는 조건이 형성되었을 가능성이 높다(Bhattacharya et al., 2005). 이러한 맥락에서, 섹션 2에서는 원시 지구와 화성 생명탐사에 활용되는 지구생물학, 고생물학, 지구화학적 접근법의 이론적 기반과 응용 사례들을 간략히 소개한다. 이어지는 섹션 3에서는 착륙선을 이용한 인류 최초의 화성 생명탐사 시도였던 나사의 바이킹(Viking) 미션과, 화성 생명활동에 대한 과학적 관심을 재점화한 화성 기원 운석 AHL 84001을 둘러싼 일련의 연구가 지니는 의미를 살펴본다. 마지막으로 섹션 4와 5에서는 큐리오시티(Curiosity)와 퍼서비어런스(Perseverance) 로버가 각각 활동 중인 게일 크레이터(Gale Crater)와 예제로 크레이터(Jezero Crater)에서의 최근 연구성과를 생명탐사를 중심으로 다루며, 현재까지의 기술적, 과학적 한계와 이를 극복하기 위한 향후 연구 방향에 대해서도 논의하고자 한다.

생물의 활동은 주어진 환경 조건의 범위 안에서 이루어지지만, 반대로 생물이 만들어내는 물질과 에너지의 흐름은 필연적으로 그 주변 환경에 영향을 미친다. 이러한 생명활동의 흔적을 의미하는 개념이 생명지표(biosignature)인데, 특정 물질이나 구조, 혹은 물리·화학적 현상이 존재하려면 반드시 생명활동이 수반되어야 하는 경우를 일컫는다. 생명지표의 과학적 가치는 단순히 그것이 생명활동의 산물일 가능성에만 의존하지 않으며, 비생물학적(abiotic) 과정을 통해 그 유래가 설명될 가능성을 얼마나 효과적으로 배제할 수 있는지 또한 그 판단의 핵심이 된다. 원시 화성에서 형성된 퇴적암에 남겨진 잠재적인 생명지표 연구는, 지구의 암석에서 생명의 기원과 미생물 초기 진화의 희미한 흔적을 찾고자 하는 지질학자들의 수십년간 노력과 맞닿아 있다.

나사 우주생물학 연구그룹은 생물을 스스로 유지 가능하며 진화 가능성을 지닌 화학적인 시스템으로 규정한 바 있지만(Benner, 2010), 생명의 개념은 학문적 맥락에 따라 유동적이며, 이를 정의하기 위한 다학제적 논의는 100개 이상 단어의 긴 문장으로도 만족할 만한 결론을 담아내지 못했다(Winder, 1996). 이처럼 생명이 단순히 정의하기 어려운 대상인 만큼, 그 활동을 추적하기 위한 지표 또한 폭넓고 다양한 범주와 성격을 지닌다. 예들 들어, 현재 진행형인 미생물 활동을 이해하기 위해서는, 현장 시료에 대한 분자생물학적 분석부터 실험실에서의 배양 실험과 용존 대사물질 분석에 이르기까지 복합적인 접근이 가능하다. 그러나 수십억 년 전 서식했던 미생물과 이들의 활동이 주변 환경에 미친 영향을 이해하기 위해서도 동일한 방법을 사용할 수 있을까? DNA와 같은 유전 물질은 분석기술의 발전을 통해 활용 가능한 시료의 범위가 점차 확장되고 있지만, 현재로서는 100만년을 넘어서는 연령을 지닌 시료에 대한 분석은 여전히 어렵다(Orlando et al., 2021). 이는 태양계 행성의 역사 전체의 0.1%에도 미치지 못하는 시간으로, 지질학적 시간 규모에서 미생물의 활동을 추적하기 위해 보다 오랜 시간 동안 퇴적암 내에 안정적으로 보존될 수 있는 기록이 요구된다.

전통적인 지질학 연구에서 과거 생명활동을 이해하기 위한 대표적인 도구로서 화석을 이용해 왔다. 동식물과 같이 단단한 조직을 지니고 있지는 않지만, 적절한 퇴적환경에서 미생물의 구조도 일부 화석으로 보존될 수 있으며, 대개의 경우 퇴적암에 압착된 탄화물의 형태(organic impression) 혹은 세포 주변에 침전된 광물의 형태로 관찰된다. 대부분의 미생물 화석은 마이크로미터 수준의 크기로 현미경이나 전자현미경을 이용한 연구가 요구되지만, 스트로마톨라이트와 같은 미생물 기원의 퇴적구조는 미터 규모의 화석기록을 남기기도 한다. 작은 크기와 더불어 동식물 화석과 가장 큰 차이점은 형태적인 다양성의 부족이다. 구형이나 짧은 막대, 필라멘트 등 대부분 미생물 세포의 형태는 몇 가지 유형에 불과하며, 동식물과는 달리 서로 다른 대사작용을 하는 미생물이 매우 유사한 형태를 지니는 경우가 매우 흔하다. 이로 인해 초기지구 미생물의 화석기록 연구에서 화석의 명확한 기원과 분류학적 위치에 대한 논란이 지속되어왔다. 35억년 전 호주 에이펙스(Apex) 처트에서 발견된 필라멘트 형태의 화석은 당시 가장 오래된 생명활동의 흔적으로 보고되었지만(그림 2; Schopf, 1993), 생물을 배제한 침전 실험에서 유사한 구조가 보고되면서 열수의 화학작용 산물이라는 견해가 제시되었으며 이에 대한 논란은 현재에도 진행 중이다(Sforna et al., 2014). 생물의 화석으로 의심의 여지가 없는 경우에도, 선캄브리아시대의 대표적 미화석 중 하나인 애크리타크(acritarch)는 계통분류상의 위치가 불분명하며 기원에 대해 시안세균, 녹조류, 와편모조류, 혹은 원생동물의 포자 등 다양한 가설이 존재한다(그림 2). 이러한 형태적인 불확실성으로 인해 지구미생물학 연구에서는 화학적인 접근법의 중요성이 보다 강조된다.

Fig. 2. 
Precambrian microfossils. (a) Filamentous, dark brown to black carbonaceous microfossils from the 3.5 Ga Apex chert in the Pilbara Craton (modified Schopf, 2024). (b-g) Acritarch assemblage recovered from the Neoproterozoic Bocaina Formation (modified after Morais et al., 2021). Scale bars represent 20 μm for B-E and 25 μm for F-G.

유기분자 생체표지자(biomarker)는 특정 구조를 바탕으로 해당 화학물질의 기원에 대한 정보를 확인할 수 있는 물질을 말하며, 지질학적인 의미에서 화학적인 체화석으로 이해할 수 있다. 개별 유기분자 생체표지자가 지니고 있는 정보의 특이성은 계(kingdom) 수준에서 특정 미생물 그룹에 이르기까지 매우 다양하며, 드물게는 해면동물과 같은 동물의 지시하는 유기분자 생체표지자 또한 존재한다(Gold et al., 2016). 이론적으로 생명체를 구성하는 모든 화학물질이 유기분자 생체표지자로 이용될 수 있지만, 퇴적물 특히 초기 지구의 퇴적암 혹은 변성퇴적암에 이들이 기록으로 보존되기 위해서는 변질에 강한 화학구조를 지니고 있어야 한다. 단백질이나 핵산과 같은 물질들은 지질학적으로 매우 빠른 시간에 분해되기 때문에 대부분 유기분자 생체표지자는 세포막이나 색소로 작용하는 지질(lipid)에 그 기원을 두고 있다. 진핵생물과 원생생물에서 각각 세포막의 구조를 유지하는데 기여하는 탄소고리가 연결된 구조의 스테로이드(steroid)와 호파노이드(hopanoid)는 화학적으로 매우 안정한 구조를 지니고 있어, 수십억 년 전 퇴적암에서도 발견된다. 세포막이 아닌 색소에서 기원한 물질 중에는 혐기성 환경에서 활동하는 광합성세균을 지시하는 방향족 고리구조를 지닌 카로티노이드(carotenoid) 계열의 유기분자 생체표지자가 원시 해양의 산화환원 상태를 이해하기 위한 도구로 유용하게 이용된다. 물이 아닌 황화수소에서 전자를 공급받고 혐기성 대사과정에 기반을 둔 광합성 생물의 유기분자 생체표지자는 산소가 존재하는 환경이 해수 표층에 제한되어 있었으며, 투광대에도 무산소 환경이 존재했음을 지시한다. 이들 유기분자 생체표지자는 원생누대 황화수소가 풍부한 해양환경을 지시하는 중요한 근거로 이용되었다(Brocks et al., 2005).

유기분자 생체표지자가 체화석에 해당한다면 안정동위원소는 미생물 대사과정의 화학적인 흔적화석으로 이용될 수 있다. 미생물이 대사과정에서 둘 이상의 안정동위원소가 존재하는 원소를 이용하는 경우 동위원소의 질량에 따라 반응속도에 미세한 차이가 발생하는 질량종속 동위원소 분별작용(mass-dependent isotope fractionation)이 발생하며, 이 분별작용의 기록이 퇴적암에 지질학적인 기록으로 보존되면 과거 생명활동의 기록으로 이용될 수 있다. 다만, 유기분자 생체표지자의 경우 그 기원이 생명활동으로서 명확히 제한되는 반면, 안정동위원소의 분별은 물리, 화학적인 반응을 통해서도 발생할 수 있다. 암석의 동위원소 조성을 생명활동과 연관시키기 위해서는 비생물학적인 분별작용의 가능성이 먼저 배제되어야 한다. 예를 들어, 초기 지구의 퇴적암이나 변성퇴적암에서 발견된 탄화물의 가벼운 탄소 동위원소 조성이 생명활동 기원의 주요한 근거로 이용되지만, 고온 조건에서 무기적인 유기물 합성 반응(Fischer-Tropsch-type reaction) 또한 유사한 수준의 탄소 동위원소 분별작용을 일으킬 수 있어, 단순히 탄화물의 탄소 동위원소 조성만으로 생명활동을 단언할 수는 없다(Johnson et al., 2012).

35억 년의 연대를 지닌 호주 서부 드레서층(Dresser Formation)에서의 황 동위원소 연구결과는 동위원소 생명지표의 효과적인 활용에 지질학적 맥락의 중요성을 보여준다. 미생물에 의한 황 동위원소 분별작용의 경우, 황산염 환원미생물은 가벼운 동위원소를 포함하는 황산이온을 더 빠르게 이용해 남겨진 황산이온에는 무거운 동위원소가, 대사산물인 황화수소에는 가벼운 동위원소가 축적되며, 지질기록에서 이들 미생물의 활동 기록은 황산염 광물의 무거운 동위원소 조성과 황철석의 가벼운 동위원소 조성으로 확인된다. 하지만, 열수 환경과 같이 충분히 온도가 높은 환경에서는 화학적인 반응을 통해서도 황산염 환원이 발생하는데, ³⁴S/³²S 동위원소 분별의 크기가 대개 20‰을 넘기 어려워 70‰에 이르는 미생물의 분별작용의 결과보다는 작지만, 동일한 경향의 동위원소 분별을 일으킨다. 지구의 시생누대 퇴적암에서 관찰되는 대부분의 황 동위원소 분별작용은 ³⁴S/³²S의 분별작용을 기준으로 열수반응에 따르는 동위원소 분별을 넘어서지 못하지만, 드레서층의 황산염 동위원소 조성이 증발광물인 석고에 기원을 둔 중정석(barite; BaSO₄)에서 측정되었음을 고려해야 한다(그림 3). 석고의 경우 무기적인 황산염 환원이 발생하는 온도에서 안정하지 않은 광물로, 시생누대의 퇴적암에 기록된 동위원소 기록은 미생물에 의해서만 황산염 환원이 발생할 수 있는 낮은 온도에서 일어난 분별작용의 결과임을 지시한다(Shen et al., 2001).

Fig. 3. 
(a) Stromatolite from the Dresser Formation, Western Australia, containing barite crystals that were originally gypsum, and pyrite lamination between barite beds (image courtesy of Wikimedia Commons). (b) Sulfur isotopic compositions (δ³⁴S) of pyrite and barite from the Dresser Formation (modified after Shen et al., 2001).

탄소와 황 외에도 탈질화 작용에 수반되는 질소 동위원소 분별작용(Stüeken et al., 2024), 철을 이용한 혐기성 호흡과정에 발생하는 철 동위원소 분별작용(Johnson et al., 2008), 미량 원소이지만 미생물에 의한 셀레늄 동위원소 분별의 기록(Pogge von Strandmann et al., 2015) 등이 선캠브리아 시대의 퇴적암에서 확인되어 당시 지표환경의 물질 순환과 산화환원 환경에 대한 연구에 이용되고 있다.

수십억 년 전 원시 지구는 우리가 살아가는 현재의 지구와는 상당히 다른 모습을 지니고 있었다. 대기 중 산소 농도는 극히 낮았으며, 지구 전체가 빙하로 뒤덮였던 시기나, 황화수소로 인해 해양과 대기에서 썩은 달걀 냄새가 진동하던 시기도 있었다. 이러한 환경에서 서식하던 생물의 대사 작용을 이해하고, 그 흔적을 식별해 내기 위한 노력은, 인류에게 지구가 아닌 다른 천체에서 생명활동을 추적할 수 있는 과학적 토대를 마련해 주었다. 지구에 이웃한 행성인 화성은 일찍이 망원경 관측을 통해 생명체의 존재 가능성이 제기되기도 했지만(Carr, 2012), 생명활동에 대한 과학적인 탐사는 1976년 바이킹 1호와 2호 탐사선이 각각 화성의 크리스 평원(Chryse Planitia)과 유토피아 평원(Utopia Planitia)에 도달하면서 본격적으로 시작되었다.

바이킹 착륙선은 화성 표토(regolith) 시료를 가열해 발생하는 기체를 크로마토그래피와 질량분석기를 활용해 분석하였지만, 유기물의 증거를 확보할 수는 없었다. 단순한 시료분석을 넘어서 생명탐사를 위한 실험 또한 진행되었는데, 화성의 표토 시료가 담긴 반응조에 방사성 동위원소 탄소-14(¹⁴C)를 포함한 유기물을 주입한 뒤 밀폐하고, 4일이 지난 후 반응조 내 기체의 방사선량을 측정하는 실험에서 주목할 만한 결과가 보고된다. 만약 화성 토양에 미생물이 존재해 유기물을 분해하고 이산화탄소를 방출했다면, 이 이산화탄소는 화성 대기나 표토에 흡착된 이산화탄소와는 달리 방사성 동위원소인 탄소-14를 포함해 기체 성분에서 방사선 검출을 기대할 수 있다. 실제로 실험 결과, 4일 후 반응조 내부의 기체에서 방사선이 검출되어, 생명활동 가능성을 시사하는 듯 보였다. 하지만, 동일한 조건에서 반복 실험을 수행했을 때는 더 이상 방사성을 띤 이산화탄소가 만들어지지 않았고, 앞선 방사성 이산화탄소 발생 또한 생명활동이 아닌 화학적 반응에 의한 일회성 결과일 수 있다는 의문을 낳았다. 이후 연구에서 화성 표토에 과염소산염(perchlorate)과 같은 강력한 산화제가 존재함이 밝혀졌으며(Carrier and Kounaves, 2015), 이로 인해 주입된 유기물이 미생물에 의한 분해가 아닌 화학적 산화 반응을 통해 이산화탄소로 전환되었을 가능성이 제기되었다. 당시 화성 표토의 화학적 특성에 대한 이해가 부족했던 만큼, 실험 설계에도 생명활동을 특정하기에 한계가 있었던 셈이지만, 이러한 시행착오는 화성 생명 탐사를 위한 실험적 접근이 점차 정교해지는 계기가 되었다.

바이킹 미션 이후 화성 생명탐사 연구에 또 한번의 전환점을 제공한 사건은 화성 기원 운석 ALH 84001의 발견이었다(그림 4). 1996년 미국의 클린턴 대통령이 직접 기자회견을 통해 소개할 만큼, 이 운석의 초기 연구결과에 대한 반응은 뜨거웠는데, 특히 화성 기원 운석이라는 지질학적 매체에 남겨진 잠재적인 생명활동의 흔적이라는 화두는, 수십억 년 전 지구에서 형성된 암석을 대상으로 유사한 연구를 수행해 온 지질학자들이 우주생물학 분야 전면에 나서는 계기가 된다. ALH 84001 운석은 1984년 남극 앨런 힐스(Alan Hills) 지역에서 발견되었으며, 산소 동위원소 조성과 포획된 기체의 성분 분석을 통해 화성에서 기원한 암석임이 확인되었다(Miura et al., 1995; Leshin et al., 1998; Park, 2025). 이 운석에서는 미생물의 필라멘트 화석으로 보이는 구조, 지구의 주자성(magnetotactic) 미생물이 형성하는 것과 유사한 형태와 크기의 자철석 결정, 그리고 방향족 유기화합물 등이 생명 활동의 흔적일 가능성으로 제시되었다(그림 4; McKay et al., 1996). 하지만, 후속 연구를 통해 이러한 구조들이 비생물학적 과정으로도 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 예를 들어, ALH 84001 연구 이전에는 미세 자철석 결정이 주자성 미생물에 의해서만 생성되는 것으로 알려져 있었지만, 이후 연구에서는 능철석(FeCO₃)이 열과 충격을 통해 변질되는 과정에서 이산화탄소가 휘발되며 운석에서 보고된 것과 유사한 자철석 결정이 생성될 수 있음이 밝혀졌다. 또한, 운석 내 자철석 결정에서 검출된 미량 원소들은 능철석에 흔히 포함되는 성분들로, 해당 결정이 비생물학적으로 형성되었을 가능성을 더욱 뒷받침했다(Bell, 2007). ALH 84001을 둘러싼 일련의 연구는, 지구 외 생명 탐사에서 ‘생물기원성(biogenicity)’을 판단할 때 생물학적 기작에 대한 이해뿐만 아니라, 비생물학적 과정에 의해 유사한 흔적이 형성될 가능성을 철저히 검토하는 과정 또한 중요함을 선명하게 보여준다.

Fig. 4. 
(a) Photograph of the Martian meteorite ALH 84001, discovered from Antarctica in 1984. (b) Scanning electron microscope (SEM) image of a segmented, filament-like structure, initially proposed to be a microfossil. The scale bar represents 200 nm. Image credit: NASA.

화성의 지표환경에서 생명활동 가능성에 대한 논의는, 2012년 화성에 착륙한 큐리오시티(Curiosity) 로버의 탐사를 통해 보다 구체화된다. 일반적으로 생명활동의 필수요소로는 재료에 해당하는 원소 CHONPS(탄소, 수소, 산소, 질소, 인, 황), 용매 역할을 하는 액체 상태의 물, 그리고 에너지원이 꼽히는데, 이 중 현재의 화성 지표환경에 가장 결핍된 요소는 액체 상태의 물이다. 섭씨 영하 수십도에 이르는 화성 지표의 평균온도와 함께 낮은 기압이 생물이 이용 가능한 액체 상태의 물이 존재하기 어려운 이유이지만, 화성의 퇴적암에 남겨진 많은 지질학적 근거들은 원시 화성에는 지구와 유사한 형태의 하천 시스템이 유지될 정도로 많은 양의 물이 지표에 존재했음을 시사한다(Carr, 2012; Salese et al., 2020). 큐리오시티 로버는 수십억 년 전 물에 의해 형성된 퇴적암이 분포하는 게일 크레이터(Gale Crater)에 착륙한 이후 현재까지 활발한 탐사를 이어오고 있으며, 다양한 탑재체 중에서도 대형 전자레인지 크기의 분석장비인 SAM (Sample Analysis at Mars)이 생명활동 추적에서 핵심적인 역할을 담당한다. SAM은 고체시료를 태워 기체로 만든 뒤, 크로마토그라피와 연계된 질량분석기 및 흡광분석기를 활용해 화성 지표물질에서 유기물을 검출하고 동위원소 분석을 수행하였다(그림 5).

Fig. 5. 
Sample Analysis at Mars (SAM) on the Curiosity Rover. (a) Its instrument suite includes a gas chromatograph, a quadrupole mass spectrometer, and a tunable laser spectrometer. Image credit: NASA. (b) Identification of dodecane in the SAM chromatogram. Dodecane detected in the Mars run (orange) was not observed in the subsequent blank run (gray) conducted under identical experimental conditions. The retention times are compared with n-alkanes analyzed in the SAM Testbed on Earth (blue). Image (b) adapted from Freissinet et al. (2025), distributed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives License 4.0 (CC BY-NC-ND).

큐리오시티 로버는 화성 표면에서 다양한 형태의 유기물 존재를 확인하였으며, 유기 탄소 함량 또한 측정되었다. 그 수치는 지구의 세립질 퇴적암이 일반적으로 수 퍼센트의 유기 탄소를 함유하는 것에 비해 낮지만, 수백 ppm 수준으로 보고되었다(Ming et al., 2014). 다만 유기물은 소행성 기원 운석에서도 발견되는 등 다양한 천체에 널리 분포하고 있기 때문에, 단순한 검출만으로 생명 활동을 입증하기는 어렵다. 따라서 유기물의 동위원소 조성, 혹은 규칙적인 중합 구조를 갖는 고분자 유기물의 존재가 생물학적 기원을 시사하는 보다 유력한 근거로 간주된다. 게일 크레이터에서 검출된 유기물의 탄소 동위원소 조성(δ¹³C)은 -137에서 +22‰ 범위를 나타냈으며(Franz et al., 2020; Stern et al., 2022), 앞서 언급한 화성기원 운석 ALH 84001의 탄산염 광물에서는 +27에서 +64‰ 범위의 값이 보고된 바 있다(Niles et al., 2005). 이들 유기물의 탄소 동위원소 조성이 무기 탄소에 비해 가볍다는 점은 분명하지만, 지구에서 생물학적 탄소 고정에 의해 나타나는 동위원소 분별 효과에 비해 그 크기가 커, 생명 지표(biosignature)로서의 해석에는 여전히 신중한 접근이 필요하다. 특히, 궤도선의 근적외선 흡광 분석 결과에 따르면, 화성 대기 중 일산화탄소는 이산화탄소에 비해 ¹³C가 200‰ 이상 결핍된 동위원소 조성을 나타낸다고 보고되었으며(Aoki et al., 2023), 실험실 연구에서는 이산화탄소의 광분해 과정에서 생성된 일산화탄소에서 이와 유사한 규모의 동위원소 분별작용이 발생함이 확인되었다(Ueno et al., 2024). 이러한 결과를 바탕으로, 화성 지표에서 발견된 유기물의 상당 부분은 생명활동의 산물보다는, 대기 중 일산화탄소가 화학적으로 환원되면서 형성된 것일 가능성이 제안되었다.

최근 큐리오시티 로버는 게일 크레이터의 퇴적암에서 탄소 원자가 최대 12개까지 선형으로 연결된 알케인을 검출해 주목을 받았다(그림 5; Freissinet et al., 2025). 이와 유사한 구조의 유기물은 지구의 퇴적암에서도 자주 발견되며, 대체로 생물 기원의 지질 분자에서 유래된 것이다. 예를 들어, 세포막을 구성하는 지질이나 색소와 같은 분자, 혹은 이들의 속성작용 결과물에서 확인된다. 그러나, 앞서 언급한 것처럼 탄화수소는 무기적 화학반응을 통해서도 생성될 수 있기 때문에, 이러한 발견이 화성 생명 활동의 가능성을 높이는 흥미로운 단서임은 분명하지만, 곧바로 생명활동의 직접적인 증거로 해석되기는 어렵다. 다만 생명체는 단순한 유기 분자를 단위체로 반복적으로 중합하여 고분자를 형성하는 경향이 있으며, 이 과정에서 비생물학적 화학반응에서는 기대하기 어려운 분자 내 탄소 동위원소의 분포에 특정한 패턴이 나타난다(Monson and Hayes, 1980). 예컨대, 3개의 탄소를 지닌 피루브산(pyruvic acid)이 탈탄산 과정을 거쳐 형성된 아세틸코에이(Acetyl-CoA)가 단위체로 활용된다면, 가벼운 탄소 동위원소 사이의 결합이 상대적으로 약한 결합력을 지니기 때문에, 아세틸코에이의 카르복실 탄소는 반응에 참여하지 않은 메틸 탄소보다 가벼운 탄소 동위원소가 분포하는 경향을 보인다. 결과적으로, 이러한 생물학적 과정을 통해 합성된 알케인 지질분자는 짝수 번 탄소에 비해 홀수 번 탄소에서 더 무거운 탄소 동위원소가 분포하는, 일종의 지그재그 동위원소 분포 패턴을 형성하게 된다. 향후, 분자 내 탄소 위치에 따른 동위원소 분석(position-specific isotope analysis, PSIA)이 이뤄진다면, 화성에서 발견된 유기물이 생물학적 기원을 지니는지 구분할 수 있는 강력한 단서를 제공해 줄 수 있으며, 이는 향후 화성 생명 탐사의 핵심 기술 중 하나로 주목받을 가능성이 높다.

유기물이 생물의 동화작용을 반영하는 흔적이라면, 이화작용의 산물인 대사물질을 활용한 생명 활동 추적 역시 큐리오시티 임무의 중요한 과제 중 하나이다. 대표적으로, 큐리오시티는 게일 크레이터의 퇴적암에서 황산염과 황화광물의 황 동위원소 조성을 SAM에 포함된 사중극자 질량분석기(quadrupole mass spectrometer)를 활용해 측정하였다. 해당 장비가 지구에서는 황 안정 동위원소의 정밀한 분석을 위해 흔히 사용되지는 않는 만큼 결과에 오차는 다소 큰 편이었지만, 황화광물은 황산염에 비해 상대적으로 가벼운 황 동위원소가 풍부한 조성을 지니는 점은 뚜렷했으며, ³⁴S/³²S 분별 작용의 크기는 최대 50‰에 달했다(그림 6; Franz et al., 2017). 지구의 지표환경에서는 황산염 환원 미생물이 황산이온을 환원해 생성한 황화수소가 황산염보다 δ³⁴S 값에서 최대 70‰까지 가벼운 조성을 보이며, 이는 미생물 대사에 따른 분별작용의 특징으로 알려져 있다. 실제로 지구의 허튼 크레이터(Haughton Crater) 각력암에서 보고된 약 40‰의 황 동위원소 분별작용, 게일 크레이터와 유사한 시기에 형성된 호주 드레서층에서 보고된 약 20‰의 황 동위원소 분별작용은, 황의 산소음이온을 호흡기질로 사용하는 미생물의 흔적으로 해석되었다(Shen et al., 2001; Parnell et al., 2012). 반면, 게일 크레이터에서의 황 동위원소 분별작용은 아직까지 생명 활동의 결정적 증거로 간주되지는 않는다. 이는 대기 중 광화학 반응이나 열수환경에서 일어나는 무기적 동위원소 교환 반응 역시 유사한 분별작용을 일으킬 수 있기 때문이며(Franz et al., 2017; Szynkiewicz et al., 2019), 지구의 드레서층처럼 고온 반응을 배제할 수 있는 지질학적 근거들이 게일 크레이터에서는 확인되지 않았기 때문이다. 물론, 온도가 높아질수록 동위원소 분별작용의 크기는 감소하는 경향이 있어, 화성에서 관측된 수준의 분별작용이 무기적 반응으로 발생하기 위해서는 섭씨 100~150도 정도의 비교적 낮은 온도가 필요하며, 그 정도의 열수조건에서는 온도로 인한 반응 속도의 증가 또한 크지 않기 때문에, 이러한 분별작용이 발생하려면 수천 년 이상의 시간이 요구된다(Franz et al., 2017). 가장 흔한 두 동위원소의 비율(³⁴S/³²S)만으로는 생물학적 분별작용과 무기적 과정을 확실히 구분하기 어렵지만, 황은 탄소와 달리 네 가지 안정 동위원소(³²S, ³³S, ³⁴S, ³⁶S)를 지니기 때문에, 미량 동위원소인 ³³S와 ³⁶S를 포함한 다중 동위원소 비율을 활용하면 대사작용을 비롯한 반응 경로에 대한 추가적인 정보를 얻을 수 있다(Ono, 2008; Sim et al., 2011; Peters et al., 2021). 대기 중 광화학 반응 또한, 생물학적인 반응에서는 기대하기 어려운 비질량종속 분별작용(mass-independent fractionation, MIF)을 나타내며, 화성의 운석, 달의 표토에서 이미 이러한 광화학반응의 흔적이 보고된 만큼(Farquhar et al., 2007; Dottin lII et al., 2022), 후술하겠지만 다중 황 동위원소 시스템은 화성 생명탐사를 위한 핵심 도구로서의 잠재력을 지닌다.

Fig. 6. 
Compiled δ³⁴S values of sedimentary sulfide and sulfate over geologic time on Earth, compared with corresponding sulfur isotope data from Martian deposits in Gale Crater (Franz et al., 2017; Sim, 2019). The potential age uncertainty of the Martian sulfur isotope data is shown as the yellow box, representing the estimated time interval between the formation of Gale Crater and the end of sedimentation (Grotzinger et al., 2015).

화성에서의 유기물과 황 동위원소 기록에 대한 해석, 그리고 시생누대 원시 지구의 생명활동 연구는 공통된 과제에 직면해 있다. 바로 생물에 의한 대사작용 산물과 고온의 비생물학적 화학반응 산물을 명확하게 구분하기 어렵다는 점이며, 고온 화학반응의 가능성을 완전히 배제할 수 없는 이상 생물기원성(biogenicity)에 대한 평가는 필연적으로 유보적일 수밖에 없다. 인간, 대장균, 황산염 환원세균은 매우 다른 환경에서 살아가지만, 모두 생명활동에 필요한 에너지와 물질을 확보하기 위해 생물학적 촉매인 효소를 이용해 반응의 활성화 에너지 장벽을 낮추기 때문에, 저온의 지표환경에서는 느리게 일어나는 반응이 생체 내에서는 생명 유지에 요구되는 속도로 빠르게 진행될 수 있다. 온도 상승은 활성화 에너지 장벽을 넘어서는 에너지를 지닌 반응물의 비율을 증가시키는데, 그 결과 지표에서는 유의미한 반응 속도를 지니지 못했던 무기적 반응이 지중의 고온 환경에서는 활발히 진행될 수 있다. 이처럼 생명활동과 고온 반응은 모두 반응물의 평균 에너지와 활성화 에너지의 관계에 영향을 미쳐 반응 속도를 가속한다는 점에서, 단순히 유기물이나 동위원소 분별작용의 유무만으로 양자를 구분하기란 때로는 쉽지 않다.

생물기원성을 명확히 밝히기 위한 한 가지 방법은 지구의 드레서 층 연구 사례와 같이 생명지표로 추정되는 물질이나 현상이 기록된 지질매체의 형성과정을 종합적으로 이해하고, 이를 통해 고온 화학반응의 개입 가능성을 배제하는 것이다. 이와 비슷한 맥락에서 진행된 화성 생명지표 연구 결과가 예제로 크레이터(Jezero Crater)에서 활동하는 퍼서비어런스 로버 연구팀에 의해 최근 발표되었다(Hurowitz et al., 2025). 퍼서비어런스는 큐리오시티 다음 세대의 로버로 탄산염 광물의 존재가 궤도선 자료를 통해 추정된 예제로 크레이터에서 2021년부터 현장 분석과 향후 지구로의 회수를 위한 시료 채취 및 선별 작업을 병행해 왔는데, 초기 탐사에서는 유기물의 분포를 확인할 수 없었지만 최근 크레이터 가장자리인 브라이트 엔젤(Bright Angel) 지역에서 유기물을 검출하고 이와 함께 발견된 구조에서 생명활동 가능성을 제안하였다(그림 7). 해당 연구에서는 유기물의 기원에 대해서 운석을 포함한 다양한 가능성을 열어 두는 대신, 유기물이 반응물로 참여하는 화학반응과 생명활동의 연결고리에 주목하고 있다. 유기물을 포함하는 이질암은 지구의 암석에서 환원반점(reduction spots)으로 알려진 구조와 유사한 표범무늬 반점(leopard spots) 구조를 지니며, 이들의 색상 및 철, 황, 인의 분포 등을 포함한 화학분석 결과를 바탕으로 남철석(vivianite)와 그레자이트(greigite)의 존재가 추정되었다. 지구에서 남철석은 다양한 수생환경과 퇴적층에서 발견되지만, 고온 환경에서는 제한적인 안정성을 지니며, 주로 환원 조건을 지닌 호수 퇴적층에서 철 환원 미생물 대사활동의 부산물로 보고된다(Al-Borno and Tomson, 1994; Vuillemin et al., 2020). 그레자이트는 일부 고온 조건을 포함해 남철석보다는 다양한 환경에서 발견되지만, 황산염 환원 미생물의 활동을 통해 형성되는 대표적인 광물로 알려져 있다(Rickard et al., 2024). 또한, 그레자이트는 종종 남철석과 연계된 형태로 산출되기도 한다(Hsu et al., 2014). 이에 더해, 환원된 철을 포함하는 남철석과 그레자이트의 분포가 유기물 함량과 상관관계를 보이는 점에서, 해당 연구는 유기물이 철 환원 반응의 전자 공여체로 작용하였을 가능성을 제시하였다(그림 7; Hurowitz et al., 2025). 저온의 생성 환경과 환원제로 작용한 유기물, 이 두 조건을 동시에 충족하는 현재까지 알려진 남철석과 그레이자이트의 형성 경로는 종속영양 미생물의 혐기성 호흡이 유일하지만, 앞서 언급한 ALH 84001 운석의 자철석 미세결정 사례에서 보듯, 이후의 연구를 통해 저온 조건에서도 유기물의 산화에 의해 철이나 황이 환원되는 비생물학적 화학 반응 경로가 발견될 가능성 또한 완전히 배제할 수는 없다.

Fig. 7. 
Redox-driven mineral and organic associations in Jezero Crater, Mars. (a) Traverse path of the Perseverance rover through Neretva Vallis, a valley incised into the Jezero Crater rim and Margin Unit. (b) Detection of organic matter based on Raman spectroscopy. G-band signals attributed to organic carbon were identified in samples from Walhalla Glades, Cheyava Falls, and Apollo Temple. (c) Inverse correlation between the abundance of redox-sensitive minerals, vivianite and greigite, and the intensity of the Raman G band. Images adapted from Hurowitz et al. (2025), distributed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives License 4.0 (CC BY-NC-ND).

지질학적 맥락에서 고온 환경을 배제하는 방식이 지구와 화성 생명탐사에서 중요한 단서를 제공하지만, 보다 직접적인 접근법으로 개별 지표의 생명활동에 대한 특이성을 높이는 전략 또한 유효하다. 앞서 살펴본 다중 동위원소 시스템은 이러한 맥락에서 그 중요성이 부각되는데, 단일 동위원소 조성, 예컨대 δ¹³C 혹은 δ³⁴S만을 활용한 1차원 연구에서는 복수의 반응이 유사한 동위원소 분별작용을 보일 가능성이 크지만, 셋 이상의 안정 동위원소를 지닌다면 단일 원소에서도 다차원 분석을 통해 각각의 반응경로가 구분될 수 있다. 황의 경우, ³³S/³²S 비율과 ³⁴S/³²S 비율을 활용한 2차원 분석을 통해 열역학적 평형과 미생물에 의한 황산염 환원, 황 불균등화(sulfur disproportionation) 과정이 서로 다른 영역으로 분리된다(그림 8; Johnston et al., 2005; Sim et al., 2011). 지구의 실험실에서는 산소나, 황, 철 등 셋 이상의 안정 동위원소를 지니는 원소에 대한 다차원 분석이 이미 가능하지만, 화성 현장에서 운영할 수 있는 소형 분석 장비에서는 제약이 따른다. 전통적인 자기섹터 질량분석기는 질량 차이로 발생하는 경로차가 검출기의 물리적인 규모를 넘어서야 하므로, 크고 무거우며 강한 자기장을 요구하는 자기섹터 질량분석기를 궤도선이나 로버에 탑재하기는 어렵다. 전통적인 질량분석기의 대안 중 첫 번째는 가변파장 레이저 분광계(tunable laser spectrometer, TLS)이다. 이 장비는 동위원소 간 질량 차이에 따른 운동 경로 차이를 이용하는 대신, 적외선 영역에서 동위원소에 따른 흡광 스펙트럼의 미세한 차이를 활용한다. 큐리오시티 로버에도 탑재된 바 있는 TLS는, 최근 기술 발전을 통해 전통적인 자기섹터 질량분석기에 필적하는 미량 동위원소 분석 성능을 갖추게 되었다(Ono et al., 2014; Webster et al., 2023). 또 다른 대안은 오비트랩(orbitrap) 기반 질량분석기이다. 이 장비는 질량에 따라 전하를 띈 입자의 궤도운동 주기에 차이가 발생하는 원리를 이용하며, 자기섹터 질량분석기와 달리 경로 차에 의존하지 않으므로 장비 소형화에 유리한 구조적 장점을 지닌다(Eiler et al., 2017). 분석의 정확도가 일정한 주기 운동의 유지에 달려 있으며, 이를 위해 높은 수준의 진공 조건을 요구하지만, 지구보다 기압이 낮은 환경에서 향후 오비트랩 기반 질량분석기는 동위원소 생명지표 연구의 유용한 도구가 될 수 있다(Webster et al., 2023).

Fig. 8. 
Distinction among multiple sulfur isotope fractionation patterns driven by thermodynamic equilibrium (grey line), microbial sulfate reduction (blue circles), and microbial disproportionation of intermediate sulfur compounds (red circles).

인류는 로버와 궤도선을 활용한 탐사를 통해, 원시 화성의 대기와 지표환경이 현재와는 달리 생명활동에 필요한 기본 요소들을 갖추고 있었음을 밝혀냈다. 생명 유지에 필수적인 탄소, 수소, 산소, 질소와 같은 원소의 존재, 용매로서 작용할 수 있는 액체 상태의 물, 그리고 가용한 에너지원으로 대표되는 이른바 생명거주가능성(habitability)이 충족된 환경이 과거 화성에 존재했음을 시사하는 지질학적 증거들은 다수 보고되었고, 게일 크레이터(Gale Crater)와 예제로 크레이터(Jezero Crater), 복수의 탐사 지역에서 유기물의 존재, 대사 작용의 화학적 흔적, 동위원소 분별작용 등 생명활동 가능성을 암시하는 잠재적인 생명지표 또한 확인되었다. 하지만, 이러한 지표들은 여전히 비생물학적 성인을 완전히 배제할 수 없는 한계를 지니고 있으며, 명확한 생물기원성(biogenicity)이 입증된 사례는 아직 보고되지 않았다. 결과적으로, 현재까지의 탐사는 과거 생명활동의 존재 가능성에 대한 실마리와 함께 상당한 불확실성 또한 남겨주고 있지만, 예정된 화성 시료 회수 프로그램이나 향후 더 정밀한 분석 장비가 탑재된 차세대 탐사선의 활동을 통해 이러한 불확실성은 점차 해소될 것으로 기대된다.

화성은, 지구와 지구 생물을 바탕으로 축적된 생명의 기원 및 생명과 행성 환경의 공진화에 대한 가설과 연구 결과를 시험하고 검증할 수 있는 최초의 행성 시스템이다. 특히, 판 구조 운동과 활발한 풍화침식 작용으로 인해 지구에서는 그 분포가 극히 제한적인, 태양계 형성 이후 초기 약 10억 년에 해당하는 기록이, 헤스페리아기 이후 지질 활동이 거의 중단된 화성에서는 상대적으로 광범위하게 분포해, 화성은 초기 행성 진화와 잠재적 생명활동의 흔적을 보존하는데 지구보다도 유리한 조건을 갖추고 있다. 일부 논란의 여지는 있지만, 지구에서는 최초 생명의 기록이 약 41억년 전까지 거슬러 올라가며(Dodd et al., 2017), 이는 액체 상태의 물이 축적될 수 있는 조건이 지구의 지표환경에 조성된 이후(Mojzsis et al., 2001) 불과 수 억 년 만에 생명이 등장하고 지질기록에 흔적을 남길 수 있는 수준으로 진화했음을 시사한다. 동일한 맥락에서, 화성을 포함한 다른 천체에서도 생명거주가능성(habitability)이 충족된다면, 지질학적으로 짧은 시간 안에 생명체가 출현했을 가능성도 배제할 수 없다. 우주에서 생명의 희소성과 분포를 결정할 수 있는 이 질문에 대한 답은, 향후 수많은 천체들에 대한 연구 결과가 축적된 뒤에 비로소 얻을 수 있겠지만, 현재 진행되고 있는 화성 생명 탐사는 그 긴 여정의 첫걸음을 내디딘 중요한 과학적 시도로 평가될 것이다.