바이킹 착륙선의 생물학적 실험

Viking lander biological experiments
바이킹 착륙선 생체실험 시스템 개요

1976년에 두 명의 동일한 바이킹 프로그램 착륙선이 각각 네 가지 종류의 생물학적 실험을 화성 표면으로 옮겼다.최초의 화성 착륙선인 바이킹 1호와 바이킹 2호는 화성에 있는 미생물의 생체 신호를 찾기 위한 실험을 수행했다.착륙선들은 각각 로봇팔을 사용하여 흙 샘플을 채취하여 우주선 위의 밀봉된 테스트 용기에 담았다.

두 착륙선은 화성 표면의 두 곳, 즉 적도 근처의 바이킹 1호와 [1]더 북쪽의 바이킹 2호에서 같은 실험을 수행했다.

실험 내용

아래의 네 가지 실험은 두 명의 바이킹 착륙선에 의해 수행된 순서대로 제시된다.바이킹 프로그램의 생물 팀장은 해롤드 P였다. Klein(NASA Ames).[2][3][4]

가스 크로마토그래프 - 질량분석계

가스 크로마토그래프 - 질량 분석계(GCMS)는 가스 크로마토그래프를 통해 증기 성분을 화학적으로 분리한 후 그 결과를 질량 분석계에 공급하는 장치이며, 각 화학 물질의 분자량을 측정합니다.그 결과, 다양한 화학 물질을 분리, 식별 및 정량화할 수 있습니다.GCMS(PI: Klaus Biemann, MIT)는 처리되지 않은 화성 토양의 성분, 특히 토양이 다른 온도로 가열될 때 방출되는 성분들을 분석하는 데 사용되었다.그것은 10억분의 [5]몇 파트의 수준에서 존재하는 분자를 측정할 수 있다.

GCMS는 화성 토양에서 유의미한 양의 유기 분자를 측정하지 않았다.사실, 화성 토양은 아폴로 계획에 의해 되돌아온 생명체가 없는 달의 토양보다 적은 탄소를 함유하고 있는 것으로 밝혀졌다.이 결과는 Labeled Release 실험(아래 참조)에서 확인된 양성 결과를 화성 박테리아 대사가 원인인지 설명하기가 어려웠다.2011년 우주생물학 교과서는 이것이 "바이킹 과학자들 대부분에게, 마지막 결론은 바이킹 임무가 [6]화성 토양에서 생명체를 발견하는데 실패했다는 것이었다"는 결정적인 요인이었다고 언급하고 있다.

2008년 피닉스호가 실시한 실험에서 화성 토양에서 과염소산염이 검출되었다.2011년 우주생물학 교과서는 바이킹에 의해 얻어진 결과와 관련하여 "과염소산염은 LR 결과를 재현하기에는 너무 나쁜 산화제이지만 (과염소산염의 조건하에서는 유기물을 산화시키지 않는다), 더 높은 온도에서 유기물을 산화시켜 파괴한다"고 이 발견의 중요성을 논한다.Viking GCMS 실험 결과입니다.NASA의 우주생물학자 크리스 맥케이는 바이킹의 표본에 피닉스 수준의 과염소산염이 존재한다면 화성 토양의 유기 함량이 0.1%에 달할 수 있으며 여전히 GCMS가 반환한 (허위) 음성 결과를 생성했을 것이라고 추정했다.따라서, 바이킹의 생물학 실험에 대한 통념은 여전히 "생명체의 증거가 없다"고 지적하고 있지만, 최근 몇 년 동안 적어도 "포괄적인 증거"[7]로 향하는 작은 변화를 목격했다.

2010년 NASA의 보도자료에 따르면: "바이킹 착륙선이 화성 토양 샘플을 가열했을 때 확인된 유일한 유기 화학물질은 클로로메탄과 디클로로메탄이었다. 이 화합물은 당시 세척액에서 나오는 오염물질로 해석되었다."멕시코 국립자치대학의 라파엘 나바로 곤잘레스가 이끄는 팀이 작성한 논문에 따르면, "이 화학물질들은 새로운 연구에서 발견한 것과 정확히 일치한다"며 "피닉스의 놀라운 발견인 약간의 과염소산염이 칠레의 유기물이 함유된 사막 토양에 첨가되어 바이킹 실험 방식으로 분석되었을 때"라고 말했다.그러나 2010년 NASA 보도자료에서는 "바이킹에 의해 발견된 염소 유기물이 지구로부터의 오염물질로 해석된 이유 중 하나는 그 안에 있는 두 개의 염소 동위원소의 비율이 지구상의 동위원소에 대한 3대 1 비율과 일치했기 때문"이라고 언급했다.화성에서의 이들의 비율은 아직 명확하게 결정되지 않았다.지구와 많이 다르다면 1970년대 [8]해석을 뒷받침할 수 있을 것이다.Biemann은 Navarro-Gonzallez와 McKay [9]논문에 비판적인 논평을 썼고, 후자는 이에 대해 [10]답변했다. 교환은 2011년 12월에 발행되었다.2021년, 화성의 염소 동위원소 비율은 미량 가스 궤도선에 의해 측정되었고, 지상비와 [11]거의 구별할 수 없는 것으로 밝혀졌으며, GCMS 결과에 대한 해석은 결론을 내리지 못했다.

가스 교환

가스 교환(GEX) 실험(PI: 밴스 오야마, NASA 에임스)은 먼저 화성 대기를 불활성 가스 헬륨으로 대체함으로써 배양된 토양 샘플에서 방출되는 가스를 찾아냈다.토양 샘플에 유기 및 무기 영양소 및 보충제의 액체 복합체를 도포했는데, 처음에는 영양소만 첨가한 후 [1]물을 첨가했습니다.이 장비는 주기적으로 배양실의 대기를 샘플링하고 가스 크로마토그래프를 사용해 산소, CO2, 질소, 수소, 메탄 등 여러 가스의 농도를 측정했다.과학자들은 신진대사를 하는 유기체가 측정되는 가스 중 적어도 하나를 소비하거나 배출할 것이라는 가설을 세웠다.

1976년 11월 초, "바이킹 2호에서, 가스 교환 실험은 바이킹 1호에서와 유사한 결과를 내고 있다"고 보고되었다.다시, 영양 용액이 토양과 접촉하자 산소가 사라졌습니다.다시 이산화탄소가 나타나기 시작했고 지금도 계속 진화하고 있다.[12]

라벨 부착 릴리스

라벨 부착 방출(LR) 실험(PI: Gilbert Levin, Biospherics Inc.)은 외부 생물학자들에게 가장 큰 가능성을 제시했습니다.LR 실험에서 화성 토양 샘플에 매우 희박한 영양 용액 한 방울을 접종했습니다.영양소(Miller-Urey 제품이었던 7개의 분자)에는 방사성 C가 부착되어 있었다.토양 위의 공기는 토양에 있는 미생물이 하나 이상의 영양소를 대사했다는 증거로서 방사성2 CO(또는 다른[13] 탄소 기반) 가스의 진화를 위해 모니터링되었다.이러한 결과는 아래 PR에서 설명한 바와 같이 실험의 제어 부분에 따라 수행되어야 했다.첫 번째 주입 직후 토양에서 방사능 가스가 지속적으로 방출되면서 처음 두 번의 테스트의 음성 결과를 고려할 때 결과는 상당히 놀라운 것이었다.실험은 바이킹 탐사선 둘 다에 의해 이루어졌는데, 첫 번째 탐사선은 햇빛에 노출된 표면에서 샘플을 사용했고, 두 번째 탐사선은 바위 밑에서 샘플을 채취했다; 두 번째 탐사선 둘 다 [1]양성으로 돌아왔다.이후 각종 토양 시료를 가열하여 멸균관리 시험을 실시하였다.160°C에서 3시간 동안 가열된 샘플은 영양소 주입 시 방사성 가스를 방출하지 않았으며, 50°C에서 3시간 동안 가열된 샘플은 영양소 [14]주입 후 방출되는 방사성 가스의 상당한 감소를 보였다.수개월 동안 10°C에서 보관된 샘플은 나중에 시험한 결과 방사성 [15]가스 방출이 현저하게 감소하였다.

2000년 CNN의 한 기사는 "대부분의 동료들이 다르게 결론을 내렸지만, 레빈은 1976년 바이킹 착륙선에서 그가 조정한 로봇 테스트가 [16]화성에 생명체가 존재함을 보여준다는 것을 여전히 유지하고 있다"고 언급했다.2006년 우주생물학 교과서는 "그러나 살균되지 않은 육지 샘플의 경우, 초기 배양 후 더 많은 영양소를 첨가하면 휴면 박테리아가 새로운 양의 음식을 소비하기 위해 활동하기 때문에 더 많은 방사능 가스를 생산할 수 있다"고 언급했다.화성 토양에서는 그렇지 않았습니다.화성에서는 두 번째와 세 번째 영양소 주입으로 라벨이 부착된 가스가 [17]더 이상 방출되지 않았습니다."2011년판 같은 교과서는 제트추진연구소의 알베트옌이 극저온 건조한 환경, 이산화탄소 대기 중 자외선(화성에는 오존층이 없기 때문에 표면이 자외선으로 덮여 있다)이 이산화탄소를 토양과 반응시켜 다양한 옥시(oxi)를 발생시킬 수 있다고 밝혔다.다이저(고반응성 초산화물 포함2−) 작은 유기 분자와 혼합될 때, 초산화제는 쉽게 이산화탄소로 산화되어 LR 결과를 설명할 수 있습니다.초산화물 화학은 또한 LR 실험에서 토양에 더 많은 영양소가 추가되었을 때 나타나는 곤혹스러운 결과를 설명할 수 있습니다; 왜냐하면, 생명이 증식하기 때문에, 두 번째 또는 세 번째 영양소가 추가되었을 때 가스의 양이 증가했어야 하지만 만약 효과가 첫 번째 반응에서 화학 물질이 소비되었기 때문에, 새로운 가스는 없을 것입니다.기대됩니다.마지막으로, 많은 초산화물들은 비교적 불안정하고 높은 온도에서 파괴되며, LR [7]실험에서 "멸균"된 원인이기도 하다.

Joseph Miller가 2002년에 발표한 논문에서, 그는 시스템의 화학 반응에서 기록된 지연이 이전에 육지 시아노박테리아에서 [18]관찰된 일주기 리듬과 유사한 생물학적 활동을 가리키고 있다고 추측했다.

2012년 4월 12일, 레빈과 패트리샤 앤 스트라트를 포함한 국제팀은 1976년 바이킹 [19][20]미션의 라벨 부착 해제 실험의 클러스터 분석을 통한 수학적 추측에 기초한 "화성의 광범위한 미생물"의 검출을 제안하는 동료 검토 논문을 발표했다.

열분해 방출

열분해성 방출 실험(PI: Norman Horowitz, Caltech)은 빛, 물, 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)가 함유된 대기의 사용으로 구성되어 있으며, 화성의 열분해성 방출 실험(PI: Norman Horowitz, Caltech).탄소 함유 가스는 탄소의 무거운 방사성 동위원소인 탄소-14(14C)로 만들어졌다.만약 광합성 유기체가 존재한다면, 그들은 지구의 식물과 시아노박테리아처럼 탄소 고정 과정을 통해 탄소의 일부를 바이오매스로 통합시킬 것이라고 믿었다.며칠간의 배양 후, 실험은 가스를 제거하고 남은 토양을 650°C(1200°F)에서 구운 후 방사능을 측정하는 장치에 제품을 수집했다.만약 C가 바이오매스로 전환되었다면, 그것은 가열 중에 기화되어 방사능 측정기에 의해 생명의 증거로 검출될 것이다.양성 반응을 얻을 경우 동일한 토양의 중복 샘플을 가열하여 "멸균"한다.그런 다음 대조군으로 테스트하고 첫 번째 반응과 유사한 활성을 보일 경우, 이는 활성이 본질적으로 화학적이라는 증거였다.하지만, 0 혹은 크게 줄어든 반응은 생물학에 대한 증거였다.이 같은 대조군은 양성의 [21]초기 결과를 보이는 세 가지 생명 감지 실험 중 하나에 사용되어야 했다.바이킹 1호 PR 실험의 결과에 대한 초기 평가는 "결과 분석 결과 유기물의 작지만 중요한 형성이 일어났다는 것을 보여준다"며 "소독된 대조군은 유기물의 증거를 보여주지 않았다"며 "발견은 생물학적 [22]활동에 기인할 수 있다"는 것을 보여주었다.그러나 90°C에서의 유기 방출 지속성, 수증기 주입 후 유기체 억제, 특히 GCMS 실험에 의한 화성 토양 내 유기체 검출 부족 등을 고려할 때 PR 결과에 대한 비생물학적 설명이 가장 [23][21]유력하다고 연구진은 결론 내렸다.그러나 이후 몇 년 동안 GCMS 결과가 점점 더 정밀하게 조사됨에 따라 열분해 방출 실험 결과는 "열분해 방출 실험에서 유기물의 명백한 작은 합성에 대한 설명은 여전히 [24]모호하다"면서도 다시 생물학적 활성과 일치하는 것으로 간주되었다.

과학적 결론

예를 들어, 유기 화합물은 소행성, 운석, 혜성 그리고 태양 주위를 도는 얼음 물체에서 흔한 것으로 보여서, 화성 표면에서 유기 화합물의 흔적을 발견하지 못한 것은 놀라운 일이 아니었다.GC-MS는 확실히 작동했습니다. 왜냐하면 제어가 효과적이고 출시 [25]전 살균에 사용된 세척 용제 덕분에 염소 흔적을 감지할 수 있었기 때문입니다.2018년에 GC-MS 데이터의 재분석이 수행되었으며, 큐리오시티 [26]탐사선의 데이터를 통해 유기 화합물이 실제로 검출되었을 수 있음을 시사합니다.그 당시, 표면에 유기 물질이 전혀 없는 것은 생물학 실험의 결과를 혼란스럽게 만들었다. 왜냐하면 유기 화합물을 포함한 신진대사가 그 실험들이 탐지하도록 설계되었기 때문이다.일반적인 과학계는 바이킹의 생물학적 테스트가 아직 결정적이지 않고 순수하게 화학적 과정에[1][22][27][28] 의해 설명될 수 있다고 추측한다.

Labeled Release 실험의 긍정적인 결과에도 불구하고, 일반적인 평가는 네 번의 실험에서 나타난 결과가 화성 토양과의 산화적 화학 반응에 의해 가장 잘 설명된다는 것이다.현재의 결론 중 하나는 태양으로부터의 자외선에 지속적으로 노출되는 화성 토양은 매우 강한 산화제의 얇은 층을 형성했다는 것이다.충분히 강한 산화 분자는 산소와 수소를 생성하기 위해 첨가된 물과 반응하고 이산화탄소(CO2)를 생성하기 위해 영양소와 반응할 것이다.

Norman Horowitz는 1965년부터 1976년까지 Mariner와 Viking 미션의 Jet Propulation Laboratory 생명과학 부문의 책임자였다.호로위츠는 탄소 원자의 다용도는 탄소 원자가 다른 [29]행성의 생명체 생존 문제에 대한 해결책을 제공할 가능성이 가장 높은 요소라고 생각했다.하지만, 그는 또한 화성에서 발견된 조건들이 탄소 기반의 생명체와 양립할 수 없다고 생각했다.

2008년 8월, Phoenix 착륙선은 200°C 이상 가열 시 강한 산화제인 과염소산염을 검출했습니다.이것은 처음에 잘못된 양성 LR [30][31]결과의 원인으로 생각되었습니다.하지만 2010년 12월[32][33] 발표된 실험 결과에 따르면 2008년 NASA의 피닉스호가 유기화합물을 분해할 수 있는 과염소산염을 검출했기 때문에 바이킹 1호와 2호가 분석한 토양에 유기화합물이 존재할 수 있었다.이 연구의 저자들은 과염소산염이 가열될 때 유기물을 파괴할 수 있고, 두 바이킹 착륙선이 화성에서 같은 실험을 했을 때 발견한 것과 동일한 염소 화합물인 클로로메탄과 디클로로메탄을 부산물로 생산할 수 있다는 것을 발견했다.과염소산염은 화성의 유기물을 분해했을 것이기 때문에, 바이킹이 유기 화합물을 발견했는지 여부에 대한 의문은 여전히 열려있다. 다른 화학적, 생물학적 해석이 [34][9][22]가능하기 때문이다.

2013년 에임스 센터의 우주생물학자 리처드 퀸은 과염소산염이 감마선을 조사하면 생성되는 차아염소산염과 반응하는 아미노산이 라벨이 붙은 방출 [35][36]실험 결과를 재현하는 실험을 했다.그는 바이킹의 생물학 [36]실험 결과를 설명하기 위해 과산화수소와 과산화수소가 필요하지 않다고 결론지었다.보다 상세한 연구는 퀸을 포함한 연구팀에 의해 2017년에 수행되었다.본 연구는 LR 실험의 데이터와 일치하도록 특별히 설계된 것은 아니지만, 차아염소산염은 160°C 살균 테스트를 포함한 대조군 결과를 부분적으로 설명할 수 있는 것으로 밝혀졌다.저자들은 "LR [37]실험의 맥락에서 차아염소산염과 다른 옥시염소종의 열 안정성을 특징짓기 위해 더 많은 실험이 계획되어 있다"고 말했다.

논란

2008년 화성에서 과염소산 산화제가 발견되기 전까지, 일부 이론은 일반적인 과학적 결론에 반하는 것으로 남아 있었다.GC-MS의 검출 유기물 부족에 대한 생물학적 설명은 HO-HO222 용매의 산화재고가 [38]유기화합물의 환원력을 훨씬 초과했기 때문일 수 있다고 한 연구자가 제안했다.

또한 LR(Labeled Release) 실험에서는 화성 토양에서 신진대사를 하는 유기체가 거의 검출되지 않아 가스 크로마토그래프가 이를 [1]검출하는 것이 불가능했을 것이라는 주장도 제기되어 왔다.이 견해는 LR 실험의 설계자인 길버트 레빈에 의해 제시되었습니다. 길버트 레빈은 LR의 양성 결과가 [39][40]화성에서 생명체를 진단하는 것이라고 믿습니다.그와 다른 사람들은 지구의 생물학적 또는 비생물학적 물질로 바이킹의 데이터를 재현하려는 지속적인 실험을 수행했다.화성 LR 테스트와 대조군 결과를 정밀하게 재현한 실험은 없었지만 과산화수소 포화 이산화티타늄 실험에서도 비슷한 결과가 [41]나왔다.

대다수의 우주생물학자들은 바이킹의 생물학적 실험이 아직 결정적이지 못하거나 부정적이라고 결론짓고 있지만, 길버트 레빈만이 그렇게 믿는 것은 아니다.화성 생명체에 대한 현재의 주장은 최근의 발전에 [42][43][44]비추어 재해석된 오래된 증거에 근거하고 있다.2006년, 과학자 라파엘 나바로가 바이킹의 생물학 실험에는 미량의 유기 [43]화합물을 검출할 수 있는 감도가 부족할 가능성이 있다는 것을 증명했다.2010년 [32]12월에 발표된 논문에서, 과학자들은 유기물이 존재했다면, 토양이 유기물을 확인하기 위해 가열될 때, 과염소산염이 빠르게 클로로메탄과 디클로로메탄을 파괴하기 때문에, 유기물이 검출되지 않았을 것이라고 제안했다.이 팀은 또한 이것이 생명체의 증거는 아니지만 [8][45]미래에 과학자들이 유기 생물 시그니처를 찾는 방식에 변화를 줄 수 있다고 지적한다.현재 화성 과학 연구소 미션과 개발 중인 엑소마스 프로그램의 결과가 이 [45]논쟁을 해결하는데 도움이 될 것이다.

2006년, 마리오 크로코는 바이킹의 결과물을 '괴물화'로 분류하고, 따라서 새로운 형태의 [46]생명체를 대표하는 새로운 명명학적 계급의 창조를 제안하기까지 했다.크로코가 제안한 분류법은 과학계에서 받아들여지지 않고 있으며 크로코의 해석의 타당성은 화성 토양에 산화제가 없다는 것에 전적으로 달려 있다.

LR 실험의 조사자인 길버트 레빈과 패트리샤 앤 스트라트에 따르면, 2016년 현재 무기 화학과 관련된 어떠한 설명도 LR 실험의 완전한 데이터에 대한 만족스러운 설명을 제공할 수 없으며, 구체적으로 토양 샘플의 어떤 활성제가 가열에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있는지에 대한 질문을 다룬다.o [47][48]약 50°C이며 10°C의 어둠 속에서 장기간 보관하면 파괴된다.

크리틱

제임스 러브록은 바이킹 임무가 화성의 대기를 조사하는 것이 흙을 보는 것보다 더 낫다고 주장했다.그는 모든 생명체가 대기 중으로 폐가스를 배출하는 경향이 있으며, 따라서 화학적 [49]평형 상태에 있지 않은 대기를 감지함으로써 행성에서 생명체의 존재를 이론화하는 것이 가능할 것이라고 이론화했다.그는 그 당시 화성의 대기에 대한 충분한 정보가 있어서 화성에 생명체가 존재할 가능성을 무시한다고 결론지었다.그 이후로, 화성의 대기 중 10ppb의 메탄이 발견되었고, 따라서 이 논쟁은 다시 시작되었다.2013년에는 큐리오시티 탐사선이 1.3ppb를 [50]넘는 메탄을 검출하는 데 실패했지만, 2013년 후반과 2014년에는 큐리오시티 측정 결과 [51]메탄이 검출돼 시변원임을 알 수 있다.2016년 3월에 발사된 ExoMars Trace Gas Orbiter는 이 접근방식을 구현하며, 화성의 광범위한 대기 미량 가스군에 대한 검출, 공간적 및 시간적 변화의 특성화 및 발생원의 국산화 작업에 초점을 맞추고, 이들의 형성이 생물학적 또는 지질학적 [52][53]기원에 기인하는지 판별하는 데 도움을 줄 것이다.화성 궤도 탐사선 임무도 2014년 말부터 화성 대기의 메탄을 탐지하고 지도화하려고 시도하고 있다.한 언론 논평은 바이킹 착륙선 현장에 생명체가 있었다면 착륙 [54]로켓의 배기가스에 의해 사망했을 수도 있다고 주장했다.그것은 에어백으로 보호된 캡슐을 통해 착륙하고, 낙하산과 역추진 로켓에 의해 속도가 느려지며, 로켓 배기가스가 지표면을 피할 수 있는 높이에서 낙하하는 임무에는 문제가 되지 않는다.Mars Pathfinder의 Sojourner 탐사선과 Mars Explorer 탐사선은 각각 이 착륙 기술을 성공적으로 사용했다.피닉스 스카우트호 착륙선은 역추진 로켓을 싣고 지표로 내려왔지만 연료는 히드라진이었으며 플룸의 최종 생성물(물, 질소, 암모니아)은 착륙 지점의 토양에 영향을 미치지 않았다.

현재 및 미래 임무

유레이 설계

화성에 생명체가 존재한다는 것을 화성에 대한 미래의 임무가 최종적으로 증명하거나 바이킹호의 결과에 책임이 있는 화학물질을 확인하거나 둘 다 하기 전까지는 화성 생명체의 문제가 완전히 해결되지 않을 것이다.Mars Science Laboratory 미션은 2012년 8월 6일 큐리오시티 탐사선을 착륙시켰고, 그것의 목표는 물의 역할과 행성 거주 가능성 [55][56]조사를 포함하여 화성의 기후, 지질, 그리고 화성에 생명체가 살 수 있었는지에 대한 조사를 포함한다.화성에 대한 우주생물학 연구는 2016년 엑소마스 트레이스 가스 궤도선, 2021년 화성 2020 퍼티언스 탐사선, 그리고 이후 로잘린드 프랭클린 탐사선으로 계속될 것이다.

2008년에는 화성에서 8개의 시료를 화학적으로 분석할 수 있는 열진화 가스 분석기를 가동했다.

Urey 기구는 2000년대 초기 ExoMars 프로그램을 위해 연구된 민감한 유기 화합물 검출기에 대한 자금 지원 연구였지만 화성에 보내진 적은 없었다.

제안된 미션

생물 산화제와 생명체 탐지(BOLD)는 여러 개의 작은 충돌 [57][58]착륙선을 사용하여 바이킹의 토양 테스트를 추적하는 제안된 화성 임무이다.또 다른 제안은 피닉스 착륙선에 본부를 둔 쇄빙선 라이프이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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