염분 0%에서 30%까지 사는 미생물, 입이 없는 관벌레, 기름 호수의 타이탄: 나가누마 다케시가 말하는 극한 환경의 생명

나가누마가 "어쩌면 지구에서 가장 강한 생물일지도 모른다"고 말하는 것은 할로모나스 바리아빌리스라는 미생물이다. 1912년에 침몰한 타이타닉호의 선체를 조금씩 분해하고 있는 미생물로 할로모나스 티타니카이가 알려져 있다. 바리아빌리스는 그 친척에 해당한다.

나가누마가 이 미생물을 만난 곳은 대서양 한가운데의 해저 화산이었다. 대서양 중앙에는 아프리카와 남아메리카, 유럽과 북아메리카를 찢어 놓듯 뻗어 있는 거대한 균열이 있으며, 지금도 해저가 좌우로 계속 넓어지고 있다. 그 경계를 따라 해저 화산이 늘어서 있다. 나가누마는 유인 잠수조사선 '신카이 6500'을 타고 그중 하나에 잠수해 300℃의 열수를 채취하는 데 성공했다.

원래 목표는 열수에 포함된 화산가스 성분인 황을 먹이로 삼는 미생물이었다. 그런데 배양에 필요한 황을 가져오는 것을 잊어버렸다. 그래서 나가누마는 발상을 바꿨다. 해저 화산에서는 염분이 매우 높은 물과 민물에 가까운 물이 번갈아 나오는 경우가 있다. 그렇다면 큰 염분 변동에 적응한 미생물이 있을 것이라고 생각하고, 배에 있던 식탁용 소금을 배양액에 넣었다. 그러자 미생물이 자라났다. 그 미생물을 이번에는 민물로 옮겨도 역시 증식했다. 유전자를 조사해 보니 할로모나스 바리아빌리스였다.

이 미생물의 특징은 견딜 수 있는 염분 농도의 폭이 넓다는 데 있다. 일반적인 바닷물의 염분 농도는 약 3%이지만, 할로모나스 바리아빌리스는 0%에 가까운 환경에서부터 30% 가까운 포화 소금물까지 살 수 있다고 한다.

나가누마가 정말로 놀란 것은 그다음이었다. 할로모나스 바리아빌리스는 전 세계에서 발견되지만, 나가누마가 대서양 해저 화산에서 채취한 것과 유전적으로 가장 가까운 균주는 남극에서 채취된 것이었다. 나가누마는 "무슨 뜻인지 모르겠다"고 생각하고 실제로 남극에 가서 찾아보았다. 그러자 역시 있었다.

방송의 해설에 따르면 해저 화산과 남극에는 격렬한 염분 변동이라는 공통점이 있다. 남극에는 과거에 바닷물을 받아들인 땅이나 호수가 있다. 건조로 수분이 사라지면 염분이 극단적으로 짙어지고, 여름에는 눈과 얼음이 녹아 민물이 흘러든다. 나가누마는 그 후 염분 변동이 있는 장소를 지구 곳곳에서 찾아다녔다. 그리고 어디에나 할로모나스 바리아빌리스가 있었다고 말한다. 이 미생물은 생명이 얼마나 폭넓은 환경에 적응할 수 있는지를 보여 주는 사례로 소개되었다.

이어서 나가누마는 극한 환경을 견디는 생물을 더 들었다.

첫 번째는 초고온이다. 인도양 심해 열수 분출공 주변에서 발견된, 메탄을 만드는 고세균 메타노피루스 칸들레리 116 균주다. 해양연구개발기구(JAMSTEC) 연구팀이 심해에 가까운 고압 환경에서 배양해 122℃에서도 증식할 수 있음을 확인했다. 심해에서는 강한 수압 때문에 100℃를 넘어도 물이 끓지 않는다.

두 번째는 초고압으로, 나가누마가 든 것은 뜻밖에도 평범한 대장균이었다. 한 연구팀이 대장균에 압력을 가하면서 더 강한 것을 선발하는 실험을 했다. 그 결과 수심으로 환산하면 10만 m를 넘는 압력을 견디는 균주가 나왔다고 한다. 지구에서 가장 깊은 곳도 수심 약 1만 m, 약 1000기압이다. 수심 10만 m라면 1만 기압에 해당한다. 지구의 생물권은 그렇게까지 넓지 않은데, 왜 그런 능력을 얻을 수 있었을까. 나가누마는 이를 "뭔지 모르겠다"고 표현했다.

세 번째는 기름 속에서 사는 생물이다. 미국 캘리포니아의 천연 기름 웅덩이에 서식하는 '석유파리'는 애벌레 시기를 석유 속에서 보낸다. 애벌레는 표면 가까이를 헤엄치며 기름에 빠져 움직이지 못하게 된 곤충 등을 먹는다. 석유 자체를 영양분으로 삼는 것은 아니다. 몸속에는 석유 같은 환경을 견디는 미생물이 살고 있는 것으로 여겨진다. 나가누마는 이 생물이 지구 생물 중에서도 상당히 예외적이며, 지구 밖 생명을 생각하는 데 중요한 모델 생물이 되지 않을까 하고 말했다. 이 이야기는 후반의 타이탄 논의로 이어진다.

지구 생태계의 대부분은 식물이 햇빛을 받아 유기물을 만드는 데서 성립한다. 빛이 닿지 않는 심해에서는 광합성을 할 수 없다. 그래서 심해 생물은 표층에서 가라앉아 오는 '마린 스노'를 주된 먹이원으로 삼는다.

그런데 1977년, 갈라파고스 제도 앞바다에서 해저 화산을 조사하던 연구자가 열수가 솟는 곳에 기묘한 생물이 대량으로 자라 있는 것을 발견했다. 관벌레다. 하얀 관에서 붉은 기관을 내민 모습은 식물 같지만 엄연한 동물이다. 게다가 다 자라면 입도 소화관도 잃는다.

관벌레는 열수 분출공에서 나오는 황화수소를 몸속으로 받아들여 공생하는 세균에게 건넨다. 세균은 그 화학 에너지로 유기물을 만들고, 관벌레는 그것을 영양분 삼아 살아간다. 나가누마는 이것이 식물의 광합성과 매우 비슷하다고 설명했다. 다른 점은 에너지원이 빛이 아니라 화산가스라는 한 가지뿐이다. 햇빛에 의존하지 않고 지구 내부에서 솟아오르는 화산가스에 의존하는 생태계는 그때까지 아무도 생각해 본 적이 없었다. 나가누마는 이를 '혁명적인 발견'이라고 불렀다.

나가누마 자신이 심해생물학을 지망하게 된 계기도 이 관벌레였다. 고등학생 때 그 존재를 알고 "이것이 내가 찾던 생물이다"라고 생각했다고 한다. 실제로 여러 번 해부해 본 경험도 있다. 하얗고 단단한 관 속에서 지렁이 같은 가늘고 긴 몸을 끌어낸다. 끝의 붉은 부분은 아가미이고, 그 아래에 근육이 있으며, 더 아래에는 별다른 구조가 없고 열어 보면 질척질척한 조직이 있다. 그 조직을 자세히 보면 세포 안에 미생물이 들어 있다. 이것이 화산가스를 에너지원으로 유기물을 만드는 미생물이다.

관벌레는 때로 3m에 이르기도 한다. 그 수명에 대해 나가누마는 "잘 모른다"고 전제한 뒤 한 연구를 소개했다. 해저 화산 분화 직후에는 관벌레의 사체가 떠다니던 장소에서, 1년 뒤 껍데기가 얼마나 자랐는지를 잰 연구가 있다. 그 성장 속도로 계산하면 어느 크기가 되기까지 200년이 걸린다는 데이터가 있었다. 200살은 거뜬히 넘지 않을까 하는 말이 있다고 한다.

나가누마는 기운 없는 관벌레의 아가미가 게에게 잘려 먹히는 모습을 본 적이 있다. 기운이 있다면 재빨리 움츠러들 것이라고 한다. 죽은 뒤 몸속까지 들어갈 수 있는 동물은 별로 없을 테니, 나머지는 발효 같은 과정으로 분해되지 않을까 하고 나가누마는 추측한다.

대서양 한가운데에서는 다른 광경도 목격했다. 열수가 솟는 굴뚝 모양 구조물에 리미카리스라는 새우가 무수히 몰려 있었다. 이 새우는 사람으로 치면 뒤통수 쪽으로 눈이 옮겨 가 적외선 카메라처럼 되어 있다. 새우는 미생물을 찾아 모여드는데, 그중에는 실수로 열수에 뛰어들어 그 순간 삶아져 죽어 떨어지는 것도 있다. 아래에는 새우 사체가 산더미처럼 쌓이고, 거기에 게가 와서 먹고 있다. 나가누마는 상당히 초현실적인 광경 속에 생태계가 만들어져 있다고 느꼈다고 돌아보았다.

나가누마가 심해에 잠수한 횟수는 14회다. 첫 번째는 1989년 4월, 스물여덟 살이 된 직후였다. 지금의 해양연구개발기구가 '해양과학기술센터'라는 이름이던 시절, 나가누마는 4월 1일에 입소했다. 신입 연수를 받던 도중에 "그런 건 아무래도 좋으니 와라"라는 부름을 받고 영문도 모른 채 잠수하게 되었다고 한다. 탄 것은 '신카이 2000'이다. 지금의 '신카이 6500'과 마찬가지로 승무원은 3명이고, 바닷속 조사 시간은 약 8시간. 선내에 화장실은 없다.

특히 인상에 남은 장소로 나가누마는 이즈·오가사와라 해저 화산 열에 있는 한 해저 화산을 꼽았다. 중앙 화구 바닥에 내려가자 여기저기서 열수가 뿜어져 나오고 있었다. 그보다 더 놀라웠던 것은 조류의 세기였다. 태풍처럼 물건이 굴러가는 모습을 보고, 심해는 언제나 똑같이 고요한 세계라는 자신의 세계관이 무너졌다. 심해에서는 때때로, 혹은 장소마다, 지금 이 순간에도 이상한 일이 일어나고 있을지도 모른다. 그렇게 생각하게 만든 순간이었다고 한다.

위험한 경험도 있었다. 잠수정은 앞쪽을 소나나 관측창으로 확인할 수 있지만 바로 아래는 보이지 않는다. 신카이 2000도 6500도 물속에 멈춰 작업하기에는 적합하지 않아서 일단 착저한다. 그 바로 아래에서 열수가 뿜어져 나오고 있다면 위험하다. 실제로 모선으로 끌어올린 뒤 선체 아래를 보니 그을려 있었던 적이 있다. 그 뒤로 관측창 바깥에 방호용 창을 한 장 더 달거나, 선체 앞·가운데·뒤에 온도 센서를 다는 등의 조치를 하게 되었다고 한다.

그래도 나가누마는 심해가 고요한 세계라고 생각한다. 우주와 심해 양쪽에 다녀온 우주비행사 모리 씨와 이야기했을 때, 모리 씨는 우주의 어둠과 심해의 어둠은 다르다고 말했다. 우주의 암흑은 정말로 아무것도 없는 '무'를 느끼게 하지만, 심해의 암흑은 무언가가 가득 있다고 느끼게 한다는 것이다.

이야기는 지구 밖으로 옮겨 간다. 나가누마는 생명이 탄생하기 위한 중요한 요소로 세 가지를 들었다. 안정적으로 공급되는 에너지, 생명체를 만드는 재료, 그리고 액체 상태의 물이다. 과거 지구의 심해에 있던 열수 분출공, 즉 해저 화산은 이 3조건을 충족했다. 태양계에는 같은 조건이 갖춰질 가능성이 있는 천체가 있다.

나가누마가 '강력 추천'하는 것은 목성에서는 유로파, 토성에서는 엔셀라두스다. 엔셀라두스는 면밀한 조사가 진행되고 있다. 표면 얼음의 균열에서 얼음 아래 바닷물이 뿜어져 나오는 모습이 관측되었고, 탐사선이 그 분출물 속으로 뛰어들어 현장에서 분석했다. 성분의 99%는 물이었지만, 나머지 1%에 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄이 포함되어 있었다. 나가누마에 따르면 이산화탄소와 메탄이 공존하는 것은 생각하기 어렵다. 공존한다면 어떤 반응계가 있을 것이고, 그것은 생명과 관련되어 있다고 생각하게 만든다. 게다가 유기물도 발견되었다. 유기물은 생명을 만드는 재료이거나 그 파편이다. 그래서 나가누마는 엔셀라두스의 가능성이 상당히 높다고 본다.

유로파도 가능성은 있지만 아직 그 정도로 조사가 진행되지는 않았다. 2024년 10월에 탐사선 유로파 클리퍼가 발사되어, 2030년 도착을 목표로 이동 중이다.

나가누마는 엔셀라두스가 작다는 점에도 주목한다. 지름은 고작 500km 정도로, 도쿄에서 오사카까지 정도의 크기밖에 되지 않는다. 그런데도 어째서인지 내부에 화산 활동의 열이 있다. 이유는 아직도 잘 모르지만 여러 가설이 있다. 그런 가설을 다른 천체에 적용하면, 저 천체에도 열원이 있어도 되지 않느냐는 논의가 잇따라 나온다.

예로 나가누마는 소행성(왜행성) 세레스를 들었다. 내부에 열원이 있어 얼음 일부가 녹아 액체 상태의 물이 되고, 소규모 열수 활동이 있을지도 모른다고 한다. 그 증거 중 하나로, 액체 상태의 물이 없으면 생길 수 없는 탄산염 광물이 세레스 표면에서 꽤 많이 발견되었다.

태양계 끝에 있는 명왕성 표면에는 커다란 하트 모양 지형이 있다. 명왕성 전체는 울퉁불퉁한데 하트 모양 부분만 평평하다. 이는 어떤 열원에 의해 표면의 얼음이 한 번 녹아 평평해졌다가 다시 얼었기 때문이라고 한다. 나가누마는 열만 있으면 가능성은 얼마든지 논할 수 있다고 생각한다.

나가누마가 "엄청나게 재미있다"고 말하는 것이 토성의 위성 타이탄이다. 가장 재미있는 점은 지표에 액체 호수가 많이 있다는 것이다. 타이탄의 지표는 영하 200℃에 가깝거나 그 이하여서 액체 상태의 물은 존재하지 않는다. 호수를 이루는 것은 가장 단순한 기름인 액체 메탄과 에탄이다. 우리 세계에서는 기체지만 저온에서는 액체가 된다.

나가누마에 따르면 인류는 물의 생물학(워터 바이올로지)에는 밝지만, 기름 속의 생물학(오일 바이올로지)은 잘 모른다. 그래서 지구의 석유파리처럼 기름 속에서 사는 생물을 실마리로 삼아, 타이탄에서 있을 수 있는 오일 바이올로지를 생각해 보자는 논의가 있다고 한다.

문제는 극성이다. 물 분자는 산소 쪽이 약간 마이너스, 수소 쪽이 약간 플러스로 치우쳐 있다. 그래서 다양한 물질을 녹이고, 생명에 필요한 화학 반응을 진행시키는 뛰어난 환경이 된다. 반면 액체 메탄이나 에탄은 극성이 거의 없어서 생명의 탄생은 어렵지 않을까 여겨진다.

그러나 나가누마는 타이탄의 저온에서도 액체로 있을 수 있으면서 극성을 가진 분자가 있다고 지적한다. 인 화합물인 포스핀으로, 목성과 토성의 대기에서도 발견되었다. 기름 호수 속에 포스핀이 있다면 그곳에 물 같은 세계가 생기고, 우리가 아는 생물학에 가까운 것이 있을 수 있을지도 모른다.

나가누마는 더 나아가 세포의 구조까지 파고들었다. 우리의 세포는 주변도 안쪽도 물 같은 '워터 인 워터' 상태에 있기 때문에, 기름인 세포막으로 안과 밖을 나눈다. 타이탄의 경우는 '워터 인 오일'이 되므로 기름으로 나눌 필요가 없다. 기름 속 포스핀 입자 안에서 반응이 진행된다면 그것만으로 세포처럼 될지도 모른다. 그 경우 세포는 지구 생물보다 단순한 구조가 될 수 있다고 나가누마는 생각한다. 방송은 이것이 현 단계에서는 '만약'의 이야기라는 점을 덧붙였다.

우주에 가고 싶으냐는 질문에 나가누마는 갈 수 있다면 가 보고 싶다고 답했다. 나가누마는 우주비행사 선발 시험을 본 적이 있으며 준결승에서 탈락했다. 우주비행사로 가는 것은 포기했지만, 앞으로 나올 우주여행에는 기대를 걸고 있다.

특히 관심이 있는 곳은 화성이다. 나가누마는 심해든 남극이든 마찬가지로, 사람을 보내는 것은 쉽고 살려서 돌아오게 하는 것이 힘들다고 지적한다. 게다가 가기 전과 같은 상태로 돌아오게 하는 것이 중요하며, 그것이 어렵다. 이것이 인류의 화성 진출에 걸림돌이 될 것이라고 나가누마는 본다. 한편으로는 편도라도 괜찮지 않으냐, 간 사람은 그대로 화성에 살게 하자는 이야기도 있다. 나가누마는 나이로 보아 자신에게 제안이 올지도 모른다고 생각하고 있으며, 만약 제안을 받으면 갈 생각이라고 말했다.

생명이 어디에서 태어났는지에 대해 나가누마는 해저 화산 같은 장소가 적합하다고 생각한다. 그곳이 현재의 생명으로 이어지는 발생의 장이라는 입장이다. 방송의 해설에 따르면, 생명이 탄생했다고 여겨지는 약 40억 년 전의 지구에는 큰 운석이 여러 차례 충돌했고, 지표에서 태어난 생명은 그때마다 지워졌을 가능성이 있다. 해저보다 더 아래인 지하라면 충돌의 영향을 받기 어려우므로, 나가누마는 그곳에 현재 생명의 기원이 있었던 것은 아닐까 생각한다.

또 하나의 견해로 나가누마는 판스페르미아 가설을 소개했다. 생명 자체, 혹은 생명의 재료가 운석 등과 함께 지구 밖에서 옮겨져 왔다는 가설이다. 나가누마가 흥미롭게 느끼는 것은, 재료 물질만 옮겨져 와서 지구에서 조립되었다는 생각도 여기에 포함된다는 점이다.

이와 관련해 나가누마는 최근의 발견을 들었다. 탐사선 '하야부사 2'가 소행성 류구에서 가져온 샘플을 분석한 결과, 핵산 염기가 모든 종류 발견되었다고 한다. 핵산 염기는 DNA나 RNA에 정보를 새기는 문자 같은 분자로, 아데닌, 구아닌, 시토신, 티민, 우라실의 다섯 가지가 있다. 미국도 소행성 베누에서 샘플 리턴을 했으며, 그곳에서도 A·G·C·T·U 다섯 종류가 모두 발견되었다. 베누는 500m 정도의 작은 천체이며, 그런 천체가 과거에 지구로 온 적도 있었을 것이다. 나가누마는 이를 근거로, 적어도 재료 물질이 우주에서 옮겨져 왔다는 가설은 있을 수 있다고 본다.

지구 밖 생명에 대해 나가누마는 "있을 수 있다"고 단언한다. 생명의 기원은 상당히 우주에 보편적인 것이라고 생각하며, 지구 밖에서 생명이 발생하더라도 유전 정보는 DNA나 RNA가 담당하게 할 것이라고 본다. 그렇기 때문에 소행성에서 RNA의 재료 물질이 발견된 것을 "대단하다"고 평가한다.

태양계 안에서 유망한 곳은 화성과 유로파라고 한다. 유로파 클리퍼는 2030년에 도착해 2031년부터 관측을 시작한다. 이것이 가장 이른 시점일 것이라고 나가누마는 본다. 화성은 앞으로의 계획에 달려 있지만, 그보다 일찍 혹은 비슷한 시기에 생명 발견이 있을지도 모른다고 기대한다. 다만 나가누마 자신은 화성 표면에는 생명이 없다고 생각한다. 그래도 표면을 샅샅이 찾아보면 작은 그늘 같은 곳에 있을지도 모른다고 덧붙였다.

문명에 대해서는 또 다른 요소가 들어가므로 "잘 모르겠다"고 전제한 뒤, 자신은 문명이 있었으면 하는 쪽이라 태양계 밖 행성에서 찾고 싶다고 말했다. 지구와 비슷한 행성은 이미 몇 개 발견되었고, 그곳에서는 지구와 비슷한 환경 변화를 거쳐 지구 생물과 비슷한 진화의 역사를 밟는 경우도 있을 수 있다. 한편 나가누마는 지구의 생물 진화에는 우연이라고밖에 생각할 수 없는 사건이 여럿 있다고 지적한다. 육상 생물이 생겨나고, 네발동물이 뭍으로 올라오고, 그 일부가 나무에 오르고, 나무에서 내려와 인간이 되었다. 나가누마는 이것을 필연이 아니라 상당히 우연의 결과라고 보며, 호모 사피엔스의 탄생 자체가 기적처럼 느껴진다고 한다. 그래서 문명까지는 보편적이지 않을 수도 있고, 이 우주에서 지구뿐일지도 모른다. 다른 곳에 있더라도 하나나 둘 정도가 아닐까 하는 생각도 든다고 한다.

마지막으로 나가누마는 '생명이란 무엇인가'라는 질문에 물리학의 관점에서 답했다. 나가누마가 우주에서 가장 강력한 법칙이라고 생각하는 것은 엔트로피 증가의 원리다. 떨어뜨린 잉크는 퍼지지만 원래대로 돌아오지 않는다. 그런데 생명은 형태를 이루고, 그 형태가 다음 세대의 형태를 만들며 계속 늘어난다. 이는 엔트로피에 역행하는 것처럼 보인다.

나가누마에 따르면 부분적으로 엔트로피가 작아지더라도 전체적으로 증가하면 된다는 이론이 있으며, 생명은 아마 이에 해당한다. 그렇게 생각하면 생명이 있는 편이 우주 전체의 엔트로피가 오히려 더 빨리 증가하고 있는 것은 아닐까 하고 나가누마는 말한다. 우주는 아무것도 없는 상태에 빨리 도달하고 싶어서 국소적으로 생명을 이용해 엔트로피를 조작하고 있는 것은 아닐까. 우주에게 생명은 '헛꽃' 같은 존재일지도 모른다. 나가누마는 그런 생각이 들지 않는 것도 아니라고 말했다.

다만 나가누마는 헛꽃이라도 상관없다고 말한다. 생명이 국소적으로 엔트로피를 거스르며 형태를 이루고, 전해지고, 늘어나는 것 자체를 나가누마는 아름답다고 생각한다. 그리고 상상을 뛰어넘는 발견이 잇따라 나오고 있는 이상, 오늘 자신이 한 이야기도 뒤집힐지 모른다고 덧붙였다. 지구 밖 문명은 많지 않을 것이라고 했지만, 얼마든지 있다는 증거가 나올지도 모른다. 유로파 관측은 2031년부터지만, 그보다 일찍 우주에서 전파 메시지가 도착할지도 모른다. 그것은 내일일지도 모른다. 그러니 세상일을 정해진 것으로 생각하지 말고, 아직도 다양한 가능성이 있다고 여겨도 좋다. 나가누마는 그렇게 말하며 이야기를 마무리했다.