심층 지하 동굴의 빛나는 비밀: 외계 생명체의 가능성을 엿보다

지구 깊숙한 곳, 빛조차 들지 않는 어둠 속에는 놀라운 비밀을 품은 암석과 광물 지층이 존재합니다. 자외선 아래에서 이들은 과거에 포획된 화학 물질의 흔적을 따라 찬란한 분홍색, 파란색, 초록색으로 빛을 발합니다. 과학자들은 이러한 형광 현상을 통해 동굴이 어떻게 형성되었는지, 그리고 극한 환경에서 생명체가 어떻게 유지될 수 있는지 연구하고 있습니다. 이러한 연구는 멀리 떨어진 목성의 얼음 위성 유로파와 같은 곳에서 생명체가 존재할 가능성을 시사할 수 있다는 점에서 큰 의미를 지닙니다.

 

 

 

유로파와 닮은 지구 속 환경: 윈드 케이브 탐사

놀랍게도 미국 사우스다코타주의 윈드 케이브에서 발견되는 화학적 환경은 유로파와 유사할 가능성이 높으며, 접근성 또한 훨씬 용이합니다. 이러한 이유로, 북아이오와 대학교의 천체생물학 교수인 조슈아 세브리는 수백 미터 지하로 내려가 어둡고 추운 환경 속 광물과 생명체를 탐사하는 연구를 진행하고 있습니다. 그는 이 프로젝트의 궁극적인 목표가 지하에서 일어나는 화학 반응을 더 잘 이해하고, 이것이 어떻게 생명체를 지탱할 수 있는지 밝히는 것이라고 설명합니다.

 

 

자외선 아래 드러나는 과거의 흔적

세브리 교수와 그의 학생들은 윈드 케이브를 비롯한 미국 전역의 새로운 동굴 지역을 탐험하면서 암석 지층, 통로, 물줄기, 그리고 발견된 생물체들을 세밀하게 기록했습니다. 탐험 과정에서 그들은 자외선등을 활용하여 암석 속 광물을 관찰했습니다. 어둠 속에서 자외선을 비추자 동굴의 특정 지역은 마치 다른 세계처럼 변모하며 주변 암석의 일부가 다채로운 색상으로 빛나기 시작했습니다. 수백만 년 전 지구 내부에 갇힌 불순물, 즉 일종의 화학적 화석 덕분에 나타나는 이 빛깔들은 다양한 농도와 종류의 유기 또는 무기 화합물을 나타냅니다. 이러한 빛나는 돌들은 종종 과거에 물이 표면으로부터 광물을 운반해 온 경로를 알려주는 중요한 단서가 됩니다.

 

 

 

자외선 아래 드러나는 과거의 물길: 휴대용 분광계의 활약

세브리 교수는 "벽들은 그저 완전히 텅 비고 흥미로운 것이 전혀 없어 보였습니다. 하지만 자외선등을 켜는 순간, 평범한 갈색 벽은 1만 년 또는 2만 년 전에 물웅덩이가 있었던 자리를 나타내는 밝은 형광 광물층으로 변했습니다."라고 당시의 놀라움을 설명합니다. 일반적으로 동굴 지형의 화학적 구성을 파악하기 위해서는 암석 샘플을 채취하여 실험실로 가져가 분석해야 합니다. 하지만 세브리 교수와 그의 연구팀은 탐사 중에 휴대용 분광계를 사용하여 다양한 표면의 형광 스펙트럼, 즉 화학적 구성의 지문과 같은 정보를 현장에서 수집합니다. 이러한 방법을 통해 그들은 동굴을 훼손하지 않고 필요한 정보를 얻을 수 있습니다.

 

 

 

형광 지문 데이터베이스 구축: 동굴 연구의 새로운 지평

북아이오와 대학교의 학부생인 안나 반 데어 웨이드는 세브리 교수의 일부 탐사에 동행했습니다. 그녀는 현장 조사에서 수집된 정보를 바탕으로 공개적으로 접근 가능한 형광 지문 데이터베이스를 구축하고 있습니다. 이 데이터베이스는 기존의 동굴 지도에 추가적인 정보를 제공하고, 동굴의 역사와 형성에 대한 더욱 완전한 그림을 그리는 데 기여할 것입니다.

 

 

미래 탐사를 위한 학생들의 혁신적인 연구

이 연구에는 다른 학부생들도 활발히 참여하고 있습니다. 재클린 헤겐은 이러한 동굴들을 우주생물학적 극한 환경 미생물의 모의 환경으로 연구하고 있으며, 조던 할로웨이는 미래의 외계 행성 탐사 임무를 위해 측정을 더욱 용이하게 하고 자동화할 수 있는 자율 분광계를 개발하고 있습니다. 또한 셀리아 랑게모는 극한 환경 탐험가들의 안전을 위한 생체 인식 기술을 연구하고 있습니다. 이 세 명의 학생들은 자신들의 연구 결과를 ACS Spring 2025 학회에서 발표할 예정입니다.

 

 

 

동굴 탐사의 어려움 속 피어나는 과학적 발견

동굴에서 과학 연구를 수행하는 것은 여러 가지 어려움을 수반합니다. 예를 들어, 미네소타주의 미스터리 케이브의 섭씨 9도의 추운 환경에서 연구팀은 분광계 배터리가 방전되지 않도록 손난로 속에 묻어야 했습니다. 때로는 연구 대상 지역에 도달하기 위해 폭이 30cm도 안 되는 좁은 공간을 수백 피트나 기어가야 했고, 그 과정에서 신발이나 바지가 벗겨지기도 했습니다. 또한, 얼음처럼 차가운 동굴 물에 무릎까지 잠긴 채로 측정 작업을 수행하면서 장비가 물에 빠지지 않기를 간절히 바라야 했습니다.

 

 

 

윈드 케이브의 비밀: 망간 풍부한 물과 빛나는 방해석

이러한 어려움에도 불구하고 동굴 탐사는 이미 풍부한 정보를 제공하고 있습니다. 윈드 케이브에서 연구팀은 망간이 풍부한 물이 동굴을 깎아내고 자외선 아래에서 분홍색으로 빛나는 줄무늬 얼룩말 무늬 방해석을 생성했다는 사실을 발견했습니다. 이 방해석은 망간이 풍부한 물을 공급받아 지하에서 성장했습니다. 세브리 교수는 방해석이 동굴을 구성하는 석회암보다 약하기 때문에, 이 암석들이 부서질 때 방해석이 동굴을 확장시키는 역할을 했을 것이라고 추측합니다. 그는 이것이 이전에는 고려되지 않았던 매우 다른 동굴 형성 메커니즘이라고 설명합니다.

 

 

현장 연구의 가치와 미래의 탐색

독특한 연구 환경은 반 데어 웨이드에게 잊지 못할 경험을 선사했습니다. 그녀는 "현장에서 과학을 어떻게 적용할 수 있는지, 그리고 그러한 환경에서 어떻게 적응해야 하는지를 배우는 것이 정말 멋졌습니다."라고 소감을 밝혔습니다. 앞으로 세브리 교수는 형광 분석 기술의 정확성을 전통적인 파괴적 분석 방법과 비교하여 더욱 확실하게 검증하고자 합니다. 그는 또한 형광을 발하는 동굴 물을 연구하여 지구 표면의 생명이 깊은 지하 생명에 어떤 영향을 미쳤는지 이해하고, 천체생물학 연구의 초심으로 돌아가 유사한 광물이 풍부한 물이 태양계 먼 곳에서 생명체를 지탱할 수 있을지 탐구하고자 합니다.