A habitability corridor for DNA-based life across water-ammonia mixtures: dimensionless thermodynamic constraints for icy ocean worlds

당신이 우주에서 생명체를 찾으려는 외계 탐사대원이라고 상상해 보십시오. 당신의 첫 번째 본능은 지구의 쌍둥이 행성, 즉 액체 상태의 물이 있고 온도가 딱 여름날처럼 적당한 행성을 찾는 것일 수 있습니다. 하지만 만약 생명이 해변 파티를 필요로 하지 않는다면 어떨까요? 만약 생명이 얼어붙은 암모니아 수프 속을 헤엄치는, 차갑고 어두운 얼음 위성의 환경에서 번성한다면 어떨까요? 이것이 바로 아스트로바이올로지(외계생물학)라는 분야의 거대한 질문입니다. 즉, 어떻게 하면 저 기묘하고 차가운 세계가 DNA 기반의 생명체를 품을 수 있는지 어떻게 알 수 있을까요?

이 질문에 답하기 위해 우리는 두 가지 핵심적인 것을 이해해야 합니다. 첫째, 생명체는 '용매(solvent)'를 필요로 합니다. 용매란 분자들을 서로 붙잡아 두면서도 동시에 움직이고 상호작용할 수 있게 해주는 일종의 보편적인 접착제 역할을 하는 액체입니다. 지구에서 그 용매는 물입니다. 둘째, 생명은 에너지의 섬세한 균형에 의존합니다. 분자들은 자신의 형태를 유지할 만큼 충분히 안정적이어야 하지만, 동시에 스스로 풀리고 복제될 수 없을 정도로 너무 뻣뻣해서도 안 됩니다. 너무 뜨거우면 분자들이 흔들려 흩어져 버리고, 너무 차가우면 꽁꽁 얼어붙어 작동을 멈춥니다. 과학자들은 물처럼 다른 액체에서도 훨씬 낮은 온도에서 생명을 지탱할 수 있는 '골디락스 존(Goldilocks zone)'이 존재할 수 있는지 오랫동안 궁금해해 왔습니다.

드미트리 코노발로프(Dmitry Konovalov)가 작성한 이 논문은 그 골디락스 존을 찾는 새로운 방법을 제안합니다. 단순히 추측하는 대신, 저자는 '생명비율 가설(Life-Ratios Hypothesis)'을 사용합니다. 이것은 마치 라디오 주파수를 맞추는 것과 같습니다. 생명은 신호의 절대적인 음량(온도)에는 관심이 없습니다. 생명은 신호의 강도와 배경 잡음(열에너지) 사이의 '비율'에 관심을 가집니다. 이 논문은 DNA가 작동하기 위해서는 DNA를 결합하는 에너지가 그것을 흩뜨리는 열에너지의 특정 배수여야 한다고 주장합니다. 저자는 물에 대한 이 비율을 계산함으로써, 따뜻한 우리의 바다에서부터 얼어붙은 암모니아 바다에 이르기까지 DNA 기반 생명체가 이론적으로 존재할 수 있는 연속적인 온도 범위인 '거주 가능 회랑(habitability corridor)'을 만들어냅니다.

거대한 용매의 교체

이야기는 단순한 관찰에서 시작됩니다. 지구의 생명은 물을 좋아합니다. 하지만 물은 0°C(32°F)에서 얼어버립니다. 만약 엔셀라두스나 타이탄 같은 얼음 위성에서 생명체를 찾고 싶다면, 영하 100°C에서도 액체 상태를 유지할 수 있는 용매가 필요합니다. 여기서 암모니아가 등장합니다. 암모니아는 화학적으로 물과 매우 유사하지만, 훨씬 더 낮은 온도에서도 액체 상태를 유지합니다. 큰 질문은 이것입니다. DNA라는 생명의 분자가 액체 암모니아 속에서도 여전히 기능할 수 있을까요?

저자는 그 답이 '무차원 비율(dimensionless ratio)'에 있다고 제약합니다. 당신이 바람이 부는 방(열에너지) 안에서 카드 더미(DNA)가 쓰러지지 않게 지키려고 노력한다고 상상해 보십시오. 바람이 너무 강하면 카드가 날아가 버립니다. 바람이 너무 약하면 카드가 서로 달라붙어 섞일 수 없습니다. 생명은 바람이 딱 적당해야 합니다. 논문은 물속에서 DNA가 작동하기 위해서 '바람'(열에너지)은 DNA를 붙잡고 있는 '접착제'보다 약 8.4배 약해야 한다고 계산합니다. 이 특정 숫자 8.4가 바로 물속 생명을 위한 마법의 비율입니다.

중수 테스트

암모니아로 넘어가기 전에, 이 논문은 '중수(D2O)'를 통해 이론을 테스트합니다. 중수는 일반적인 물과 같지만, 수소 원자가 더 무겁습니다. 이로 인해 '접착제'(수소 결합)가 약간 더 강해집니다. 만약 이론이 맞다면, 카드를 흩뜨리기 위해 '바람'이 조금 더 강해야 하므로, 중수에서의 생명은 약간 더 따뜻한 온도를 선호해야 합니다.

수식은 중수에서의 완벽한 온도가 일반 물보다 약 7.25 켈빈(약 7.25°C) 더 높아야 한다고 예측합니다. 저자가 실제 데이터를 확인했을 때, 중수가 실제로 물리적 성질(최대 밀도)이 정확히 +7.2 K만큼 이동한다는 것을 발견했습니다. 이는 이론의 엄청난 승리입니다. 이는 '비율'이라는 개념이 견고하다는 것을 시사합니다. 즉, 용매의 접착력(glue strength)을 바꾸면 생명에 적합한 온도가 예측 가능한 방식으로 이동한다는 것입니다.

암모니아 예측

이제 논문은 액체 암모니아를 향해 거대한 도약을 합니다. 암모니아는 물보다 훨씬 약한 '접착제'를 가지고 있습니다. 만약 비율이 유지되어야 한다면, DNA가 흩어지는 것을 막기 위해 '바람'(온도)은 훨씬 더 약해야 합니다. 수학적 계산은 극적인 변화를 예측합니다. 순수 액체 암모니아에서 생명에 완벽한 온도는 약 226 K, 즉 약 -47°C가 될 것입니다.

논문은 이 두 세계를 연결하는 '거주 가능 회랑'을 그립니다. 저자는 물과 암모니아를 혼합할 경우, 생명에 완벽한 온도가 따뜻한 지구 범위(약 310 K 또는 37°C)에서 차가운 암모니아 범위(약 226 K 또는 -47°C)까지 매끄럽게 미끄러지듯 내려간다고 제안합니다.

• 순수 물: 생명은 약 310 K 근처에서 가장 잘 작동합니다.
• 순수 암모니아: 생명은 약 226 K 근처에서 가장 잘 작동합니다.
• 혼합물: 암모니아를 더 많이 추가할수록, '골디락스' 온도는 낮아집니다.

이 회랑은 연속적입니다. 이는 물과 암모니아로 이루어진 지하 해양을 가진 얼음 위성에서, 압력이 액체를 얼거나 끓게 만들지 않는 한, 이론적으로 이 온도 슬라이드의 어느 지점에서든 생명이 존재할 수 있음을 의미합니다.

무엇이 제외되는가?

여기서 흥미로운 점은 다음과 같습니다. 이 논문은 '따뜻한' 암모니아 생명체를 명시적으로 배제합니다. 압력을 높이기만 하면 암모니아를 지구와 같은 온도(예: 30°C)에서도 액체 상태로 유지하여 그곳에 생명을 존재하게 할 수 있다고 생각할 수도 있습니다. 하지만 논문은 아니오라고 말합니다. 설령 고압에서 암모니아가 액체 상태를 유지하더라도, 그 온도에서 '바람'에 비해 '접착제'는 너무 약합니다. 비율이 깨지는 것입니다. DNA는 너무 흐물거리거나 용매 네트워크가 무너져 버릴 것입니다. 논문은 만약 DNA 기반의 생명이 암모니아에 존재한다면, 그것은 반드시 '차가워야' 한다고 주장합니다. 어떤 '따뜻한' 암모니아 생물권도 이 모델 하에서는 열역학적으로 불가능합니다.

'자기 상쇄(Self-Cancellation)'의 마법

왜 DNA는 이러한 다양한 액체 속에서도 작동하는 것일까요? 논문은 영리한 개념인 '자기 상쇄'를 도입합니다. 진공 상태에서 DNA는 강한 수소 결합에 의해 결합됩니다. 하지만 액체 속에서는 용매 분자(물 또는 암모니아)가 달려들어 DNA와 결합을 형성하며, 효과적으로 DNA를 결합하는 결합을 '상쇄'합니다.

저자는 이러한 상쇄가 물과 암모니아 모두에서 거의 완벽하게 일어난다는 것을 보여줍니다. 물에서는 G-C 쌍(보통 더 강하게 만드는 요소)에 있는 추가 결합이 물 분자에 의해 상쇄됩니다. 암모니아에서는 암모니아 분자가 DNA의 질소 원자와 완벽하게 일치하기 때문에 이 상쇄가 더욱 정확하게 일어납니다. 이는 두 용매 모두에서 DNA가 한 가지 모양으로 '고착'되지 않고, 스스로 풀리고 복제될 수 있을 만큼 유연한 상태를 유지함을 의미합니다. 이 '위상학적(topological)' 기술은 당신이 따뜻한 바다에 있든 차가운 암모니아 바다에 있든 유전 코드가 읽기 가능한 상태로 유지되도록 보장합니다.

결론

이 논문은 암모니아 바다에 외계 생명체가 존재한다는 것을 증명하는 것이 아닙니다. 심지어 DNA가 그곳에서 생존할 수 있다는 것을 증명하는 것도 아닙니다. 대신, 이 논문은 하나의 지도를 만듭니다. 즉, "만약 당신이 DNA 기반의 생명체를 찾고 있다면, 단순히 액체 상태의 물만 찾지 마십시오. 물-암모니아 혼합물에서의 이 특정 온도 범위를 찾으십시오"라고 말하는 것입니다.

이 논문은 우주가 지구의 생명이 37°C의 바다에서 번성하는 것처럼, 얼음 위성의 -47°C 스윗 스팟(sweet spot)에서 번성하는 '차가운' 생명체들로 가득 차 있을 수 있음을 시사합니다. 이 논문은 명확하고 테스트 가능한 규칙을 제공합니다. 만약 226 K의 액체 암모니를 가진 세계를 발견한다면, 그곳은 유력한 후보지입니다. 만약 300 K의 세계를 발견한다면, DNA 기반 생명체의 목록에서 아마도 지워버려도 좋을 것입니다. 이 논문은 열역학의 언어를 사용하여 태양계와 그 너머의 숨겨진 거주 가능 회랑을 찾아냄으로써, 생명 탐색을 단순한 추측에서 계산된 추적으로 바꾸어 놓았습니다.