정원을 키우려면 무엇이 필요할까? 충분한 양의 햇빛과 부드러운 소나기가 번갈아 가며 식물을 수분시키기 위해 분주한 벌과 나비뿐만 아니라 필수 미네랄을 제공하기 위해 좋은 비옥한 토양이 필요하다. 그러나 당신에게 비옥한 흙도 없고 소나기나 벌과 나비도 없다고 상상해 보라. 그리고 햇빛은 너무 가혹하고 직사광선이거나 결석하여 기온이 영하로 떨어졌다.

 

식물은 그러한 환경에서 자랄 수 있을까? 그렇다면 어떤 환경에서 자랄 수 있을까? 이것은 달(그리고 화성)의 식민지 개척자들이 이웃 행성에 대한 인간 탐사가 진행된다면(또는 언제) 해결해야 하는 문제이다. 이제 Communications Biology에 발표된 새로운 연구가 답을 제공하기 시작했다.

 

이 연구의 연구원들은 아폴로 우주비행사들이 달의 세 곳에서 가져온 달 표토(토양) 샘플에서 빠르게 성장하는 식물 아라비돕시스 탈리아나(Arabidopsis thaliana)를 재배했다.

 

건조하고 불모의 토양

 

달의 표토에서 식물을 키우려는 시도는 이번이 처음은 아니지만 왜 식물이 번성하지 않는지를 입증한 것은 처음이다. 달의 표토는 육지의 토양과 매우 다르다. 우선, 지구 토양의 특징인 유기물(벌레, 박테리아, 부패하는 식물 물질)을 포함하지 않는다. 또한 고유한 수분 함량이 없다. 그러나 토양과 동일한 광물로 구성되어 있어 달의 서식지에서 식물을 재배하여 물, 햇빛, 공기의 부족을 개선한다고 가정하면 표토는 식물을 키울 수 있는 가능성이 있다.

 

연구는 이것이 실제로 사실임을 보여주었다. 아라비돕시스 탈리아나(Arabidopsis thaliana)의 종자는 육상 토양에서와 마찬가지로 아폴로 물질에서도 동일한 속도로 발아했다. 그러나 육상 토양의 식물은 계속해서 뿌리 줄기가 발달하고 잎사귀를 내는데 반해, 아폴로 묘목은 발육부진하고 뿌리 성장이 좋지 않았다.

 

연구의 주요 목적은 유전자 수준에서 식물을 조사하는 것이었다. 이를 통해 과학자들은 스트레스에 대한 가장 강력한 유전적 반응을 유발하는 특정 환경 요인을 인식할 수 있었다. 그들은 모든 아폴로 묘목에서 스트레스 반응의 대부분이 달 샘플에서 반응성이 높은 염, 금속 및 산소(마지막 두 가지는 육지 토양에서는 흔하지 않음)에서 비롯된 것임을 발견했다.

 

 

토양마다 다른 우물을 사용한 실험 결과. 이미지 출처: Paul et al., CC BY-SA

 

3개의 아폴로 샘플은 다른 정도로 영향을 받았으며 아폴로 11 샘플은 성장 속도가 가장 느리다. 세 개의 아폴로 토양의 화학적 및 광물학적 구성이 서로 상당히 유사하고 육상 샘플과도 유사하다는 점을 감안할 때, 연구자들은 영양소가 작용하는 유일한 힘이 아니라고 의심했다.

 

JSC-1A라고 불리는 육상토양은 일반토양이 아니었다. 그것은 달 표면을 시뮬레이션하기 위해 특별히 준비된 광물의 혼합물이었고 유기물을 포함하지 않았다.

 

출발 물질은 달 표토에서와 마찬가지로 현무암이었다. 지상 버전은 또한 달 표토에 풍부한 "유리질 덩어리"(녹은 유리와 혼합된 작은 광물 파편)에 대한 유사체로 천연 화산 유리를 포함했다.

 

과학자들은 덩어리가 육상 토양에 비해 아폴로 토양의 묘목에 의한 성장 부족의 잠재적 원인 중 하나이며 세 개의 달 샘플 사이의 성장 패턴 차이에 대한 잠재적인 원인 중 하나로 인식했다.

 

응집체는 달 표면의 일반적인 특징이다. 아이러니하게도 그들은 "달의 가드닝"이라고 불리는 과정에 의해 형성된다. 이것은 우주 복사, 태양풍 및 우주 풍화라고도 알려진 아주 작은 운석에 의한 달 표면의 충격을 통해 표토가 변하는 방식이다.

 

표면에 충돌하는 작은 운석의 속도를 늦추는 대기가 없기 때문에 고속으로 충돌하여 충돌 지점에서 녹은 다음 급랭(급냉)을 유발한다.

 

점차적으로 작은 미네랄 덩어리가 유리로 결합되어 쌓인다. 그들은 또한 공간 풍화 과정에 의해 형성된 철 금속(나노상 철)의 작은 입자를 포함한다.

 

아폴로 샘플의 유리 덩어리와 육상 샘플의 천연 화산 유리의 가장 큰 차이점은 바로 이 철이다. 이것은 또한 식물의 유전적 프로파일에서 인식되는 금속 관련 스트레스의 가장 가능성 있는 원인이었다.

 

따라서 달 기질에 응집체가 존재하기 때문에 아폴로 묘목은 JSC-1A, 특히 아폴로 11호에서 자란 묘목과 비교하여 어려움을 겪는다. 달의 표토 샘플에 있는 응집체의 양은 물질이 표면에 노출된 시간의 길이에 따라 달라지며, 이를 달 토양의 "성숙도"라고 한다.

 

매우 성숙한 토양이 오랫동안 지표에 있었다. 그들은 표토가 분화구를 생성한 보다 최근의 충격 사건에 의해 방해받지 않은 곳에서 발견되는 반면, 미성숙 토양(표면 아래에서)은 신선한 분화구 주변과 가파른 분화구 경사면에서 발생한다.

 

3개의 아폴로 샘플은 다른 성숙도를 가지고 있으며 아폴로 11 물질이 가장 성숙했다. 그것은 가장 나노상 철을 함유하고 유전적 프로파일에서 가장 높은 금속 관련 스트레스 마커를 나타냈다.

 

젊은 토양의 중요성

 

이 연구는 더 성숙한 표토가 덜 성숙한 토양보다 묘목을 재배하는 데 덜 효과적인 기질이라고 결론지었다. 이것은 표토를 자원으로 사용하여 달의 서식지에서 식물이 자랄 수 있음을 보여주기 때문에 중요한 결론이다. 그러나 서식지의 위치는 토양의 성숙도에 따라 결정되어야 한다.

 

그리고 마지막 생각은 이 발견이 우리 세계의 일부 빈곤한 지역에도 적용될 수 있다는 점이었다. 나는 “학교와 병원에 더 잘 쓸 수 있는데 왜 이 모든 돈을 우주 연구에 쓰는가?”라는 오래된 주장을 되풀이하고 싶지 않다. 그것은 다른 기사의 주제가 될 것이다.

 

그러나 지구에 적용할 수 있는 이 연구에서 발생하는 기술 발전이 있을까? 가뭄 저항성 작물을 개발하기 위해 스트레스 관련 유전적 변화에 대해 무엇을 배웠을까? 아니면 더 높은 수준의 금속을 견딜 수 있는 식물일까? 달에서 식물을 자라게 하는 것이 지구에서 정원이 더 푸르게 자라는 데 도움이 된다면 큰 성과가 될 것이다.

 

이미지 출처: Kevin Gill / Flickr