행성의 대기 구성이 생명에 미치는 영향
지구 밖 우주에는 수많은 행성이 존재하며, 사람들은 오랫동안 “우리가 사는 지구 이외의 곳에도 생명체가 존재할 수 있을까?”라는 궁금증을 품어왔습니다.
외계 생명체 탐사의 열쇠 중 하나는 바로 그 행성이 가지고 있는 ‘대기 구성’에 달려있다고 할 수 있습니다.
행성의 대기는 단순히 하늘을 감싸는 기체층에 그치지 않습니다. 실제로 대기는 생명이 존재할 수 있는 환경을 만들거나, 생명의 탄생과 진화를 근본적으로 좌우하는 중요한 요인입니다.
이번 글에서는 행성의 대기 구성과 그것이 생명에 미치는 영향에 대해 과학적인 사실과 흥미로운 이야기들을 바탕으로 쉽고 친근하게 이야기해보려 합니다.
대기가 하는 일: 지구에서 배우는 대기의 역할
지구 대기는 우리가 거의 무의식적으로 받아들이는, 그러나 생존에 필수적인 여러 가지 역할을 담당합니다. 대기의 ‘구성’은 이 기능들과 밀접한 관련이 있습니다.
지구 대기의 주요 기능
지구의 대기는 여러 층으로 되어 있고, 그 성분은 대부분 질소와 산소, 그리고 이산화탄소, 아르곤, 기후에 중요한 수증기 등 미량가스를 포함합니다.
이 대기의 가장 중요한 역할은 생명에 필요한 산소 공급, 유해한 우주 방사선 차단, 적절한 기온 유지(온실효과), 날씨 조절, 기압 유지 등입니다.
먼저, 대기가 적당한 기압을 유지해줌으로써 액체 상태의 물이 존재할 수 있게 도와줍니다. 만약 대기가 없다면 지상의 물은 모두 증발하거나 얼어붙어버리게 됩니다.
이와 더불어, 대기 중의 산소는 동물, 특히 인간이 호흡할 수 있는 환경을 제공하고, 식물이 수행하는 광합성에도 필수적인 역할을 합니다.
온실가스, 특히 이산화탄소, 수증기, 메탄 등은 지구의 온도를 적정 범위로 유지시켜 줍니다.
만약 온실효과가 없다면, 지구 표면 평균 온도는 약 영하 19도까지 떨어지기 때문에 생명체가 살기 어렵게 됩니다.
또한, 오존층은 해로운 자외선으로부터 생명체를 보호합니다. 만약 오존이 없으면 땅 위의 생물 대부분은 살아남기 힘듭니다.
이런 것들을 종합적으로 생각해보면, ‘생명을 품는 행성’의 대기는 각 요소가 정교하게 맞춰진 기적에 가깝다고 볼 수 있습니다.
행성 대기 성분의 다양성
우리가 살고 있는 지구의 대기는 생명에 친화적이지만, 태양계 내의 다른 행성을 살펴보면 구성과 성질이 극적으로 다릅니다.
태양계 행성의 대기 비교
수성은 거의 대기가 없으며, 금성의 대기는 이산화탄소가 96퍼센트 이상을 차지해 두꺼운 온실효과를 일으키고 온도는 400도 이상입니다.
화성의 대기는 지구보다 훨씬 옅고, 산소 비율은 0.13퍼센트밖에 되지 않으며, 주로 이산화탄소가 대다수를 차지합니다.
목성, 토성, 천왕성, 해왕성 같은 거대 가스 행성들은 수소와 헬륨이 주성분입니다.
이런 다양한 대기 성분은 각각의 행성에 다른 기상 현상과 표면 환경을 만들어냅니다.
예를 들어, 금성의 대기는 아주 무겁고 두꺼워, 우주 탐사선도 몇 시간 만에 파손될 만큼 극한 환경을 만들어냅니다.
반대로 화성의 옅은 대기는 물을 액체 상태로 오래 유지하지 못하도록 만듭니다.
지구형 행성의 대기 진화
과거 지구 대기 역시 지금과 같지 않았습니다.
원시 지구의 대기는 이산화탄소와 질소, 메탄 등이 많았을 것으로 추정됩니다. ‘산소 대기’는 약 24억 년 전, 남세균(시아노박테리아)들이 처음 광합성을 시작하면서 점차 형성됐습니다.
이처럼 행성 대기는 시간이 지남에 따라, 행성 내부 활동이나 생물의 진화에 의해 크게 변할 수 있습니다.
행성과 생명체를 가르는 대기의 조건
그렇다면 생명이 존재하려면 어떤 대기 환경이 필요할까요? 단순히 대기가 존재한다고 해서 무조건 생명체가 서식할 수 있는 것은 아닙니다.
대기와 온실효과
적정한 온실효과는 물의 순환과 다양한 생명활동이 이루어질 수 있는 온도를 제공합니다.
지나치게 강한 온실효과(예를 들어 금성처럼)는 표면을 생명체가 살 수 없는 극한으로 만듭니다.
반면 온실효과가 부족하면 화성처럼 판막하게 차가워져 생명의 존속이 어려워집니다.
산소의 존재와 대기 조성
우리가 알다시피 산소는 동물성 생명의 필수 요소지만, 최초의 생명은 산소가 없는 상태, 즉 혐기성 환경에서 등장했습니다.
따라서 산소 자체가 생명의 필요조건은 아니지면, 복잡한 다세포 동물의 출현과 진화에는 대기 중 산소 농도가 일정 수준 이상 되어야 가능합니다.
산소 농도의 변동은 지구 생태계의 대규모 멸종, 즉 오르도비스기와 데본기 점멸 등과도 매우 밀접한 관련이 있습니다.
오존층과 방사선 차단
오존층은 태양 자외선을 걸러내 동식물을 유해 복사선에서 보호하는 역할을 합니다. 오존층이 없다면, 혹은 대기 밀도가 매우 옅다면 표면 생명체는 생존이 힘듭니다.
따라서 대기 중 산소가 일정 농도 이상 축적되어 오존층이 만들어졌을 때 비로소 복잡한 육상생명이 진화할 수 있었습니다.
기압과 생명체
우주선에서 직접 체험하는 ‘진공’ 상태는 인간은 물론, 대부분의 지구 생물에게 치명적입니다.
대기가 충분한 두께와 압력을 유지해야 체내가 수분을 잃지 않고, 또한 액체 상태의 물이 존재할 수 있습니다.
기압이 너무 낮으면 물이 바로 증발해 버립니다. 예를 들어 화성 표면에서는 액체 물이 안정적으로 존재할 수 없기에, 현재 알려진 생명체가 표면에 살 가능성은 매우 낮습니다.
특이한 조합: 외계 생명체의 가능성
인류는 지구 대기를 기반으로 생명 가능성을 추정하지만, 반드시 지구처럼 산소-질소 기반의 대기가 필요하다고 단정할 수는 없습니다.
다른 조건의 대기 환경에서는 전혀 다른 형태의 생명이 진화할 수도 있다는 상상이 현실로 다가올 가능성도 있습니다.
메탄-암모니아 대기 속의 생명
일부 과학자들은 타이탄(토성의 위성) 같은 천체에서 메탄과 암모니아로 이루어진 대기 속에서 전혀 색다른 방식의 생명체가 나타날 수 있다고 제안합니다.
예를 들어, 타이탄에서는 물대신 액체 메탄이 강과 호수, 바다를 이루고 있는데, 이 환경에 특화된 생명체가 존재할 수도 있다는 가설이 활용됩니다.
물론 이런 환경에서의 생명은 지구의 생명과는 화학적, 생물학적으로 매우 다를 것입니다.
이산화탄소 기반 생명의 가능성
지구에서는 식물이 이산화탄소를 흡수해 유기화합물을 만들지만, 어떤 훨씬 기초적인 생명 형태라면 이산화탄소를 다른 방식으로 활용할 수도 있다는 상상도 있습니다.
다만 우리가 아는 한에서는 물이 중요한 분자이자 용매이기 때문에, 대기 중 이산화탄소가 아무리 많아도 액체 물의 존재가 함께 필요하다는 견해가 유력합니다.
지구의 대기 변화와 생명의 미래
지구 대기는 생명의 존속과 진화에 결정적인 역할을 하기에, 인류 역시 지구 대기 변동에 크게 영향을 받습니다.
산업혁명과 대기 변화
산업혁명 이후, 인간이 배출하는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 등 온실가스의 농도는 놀라울 정도로 급격히 증가해 오고 있습니다.
이들 온실가스는 기후 변화를 초래할 뿐 아니라, 각종 생태계에도 큰 영향을 줍니다.
지구의 평균 온도가 상승하면서 바다의 산성화, 식생 변화, 해수면 상승, 극한 기상 현상 등이 나타납니다.
이는 모든 생명체, 궁극적으로 인류 생존에도 직접적으로 영향을 미칩니다.
오존층 파괴와 회복
프레온(염화플루오린화탄소)의 사용 등으로 심각하게 감소했던 오존층은 국제 협력과 규제 덕분에 조금씩 회복되고 있습니다.
오존층의 변화 하나만으로도 지구상의 생명체, 특히 육상 동식물의 건강이 크게 좌우됩니다.
기후 변화와 멸종 위기
역사상 대기의 급격한 변화는 여러 차례 대멸종을 가져왔습니다.
2억 5천만 년 전, 페름기-트라이아스기 대멸종은 대기 중의 막대한 이산화탄소, 메탄 유출, 기후 급변에 의해 발생했다고 알려져 있습니다.
현생 인류에 의해 촉진되는 기후 변화 역시 미래 생태계에 유사한 영향을 미칠 수 있다는 경고가 있습니다.
행성 대기, 생명의 운명을 결정하다
공기라는 대기는 쉬운 존재 같지만, 생명체라는 입장에서 보면 대기는 그 행성의 생명력을 좌우하는 중대한 환경적 조건입니다.
우주 생명체 탐색 역시 단순히 물이 있느냐, 온도가 적당하냐를 넘어서 그 행성의 대기가 무엇으로 구성되어 있고, 어떤 역할을 하는지가 핵심이 됩니다.
지구의 경우, 대기와 생명은 서로 밀접하게 얽히면서 쌍방향적 영향을 주고받으며 진화해 왔습니다.
인간, 동물, 식물, 미생물 모두가 저마다의 방식으로 대기를 구성하고, 또 대기 변화에 적응하며 살아갑니다. 대기가 없거나 부적절하게 변한다면, 생명체 역시 고통받거나 사라지게 됩니다.
지구 대기의 변화가 생명체에 엄청난 영향을 미쳐왔던 과거 여러 사례처럼, 인류 역시 대기의 변화에 각별한 경계심과 책임감을 가져야 할 이유가 여기에 있습니다.
살아 있는 행성, 생명체가 진화하고 번성할 수 있는 곳의 조건, 바로 대기입니다.
지구 밖 먼 우주의 행성과 위성을 볼 때, 우리가 그토록 주목하는 대기 구성이야말로 생명체 존재 가능성을 가늠하는 가장 중요한 척도임을 잊지 않아야 할 것입니다.