[논문 리뷰] New approaches to the exploration: planet Mars and bacterial life

G. Galletta, Giulio Bertoloni외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 22.

Planetary Science and Exploration인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 화성 표면 조건을 시뮬레이션하는 소형·저소비형 실험실 시뮬레이터인 Mini-LISA의 설계 및 운영을 제시한다. 이 시스템을 통해 저기압, 극한의 낮은 온도, 강력한 자외선(UV) 방사선 하에서 박테리아 생존 실험을 장기간 수행할 수 있으며, 외계 생명체의 가능성과 행성 보호 한계에 대한 중요한 데이터를 제공한다.

ABSTRACT

Planet Mars past environmental conditions were similar to the early Earth, but nowadays they are similar to those of a very cold desert, irradiated by intense solar UV light. However, some terrestrial lifeform showed the capability to adapt to very harsh environments, similar to the extreme condition of the Red Planet. In addition, recent discoveries of water in the Martian permafrost and of methane in the Martian atmosphere, have generated optimism regarding a potentially active subsurface Mars' biosphere. These findings increase the possibility of finding traces of life on a planet like Mars. However, before landing on Mars with dedicated biological experiments, it is necessary to understand the possibilities of finding life in the present Martian conditions. Finding a lifeform able to survive in Martian environment conditions may have a double meaning: increasing the hope of discovering extraterrestrial life and defining the limits for a terrestrial contamination of planet Mars. In this paper we present the Martian environment simulators LISA and mini-LISA, operating at the Astronomical Observatory of Padua, Italy. They have been designed to simulate the conditions on the surface of planet Mars (atmospheric pressure,0.6-0.9 kPa; temperature from -120 to 20 °C, Martian-like atmospheric composition and UV radiation). In particular, we describe the mini-LISA simulator, that allows to perform experiments with no time limits, by weekly refueling the liquid nitrogen reservoir. Various kind of experiments may be performed in the simulators, from inorganic chemistry to biological activity. They are offered as experimental facilities to groups interested in studying the processes that happen on the Martian surface or under its dust cover.

연구 동기 및 목표

• 지속 가능한 실험실 시뮬레이터를 개발하여 지구 미생물의 생존 가능성을 연구하기 위해 화성 표면 조건을 시뮬레이션하는 것.
• 이전의 LISA 시뮬레이터와 마찬가지로 액체 질소를 주 1회 보충함으로써 최대 1주일 이상 지속 가능한 실험을 가능하게 하여 시간적 제약을 극복하는 것.
• 저기압(0.6–0.9 kPa), 극한의 온도(-120 °C에서 20 °C), 강력한 자외선-C(UV-C) 방사선을 포함한 화성 유사 조건에서 박테리아 균주의 생존 가능성 평가.
• 지구 미생물의 생존 한계를 규명하여 행성 보호 조치를 지원하는 것.
• 외부 연구팀이 천체생물학적 과정을 연구할 수 있도록 Mini-LISA 시설을 공동 실험 플랫폼으로 제공하는 것.

제안 방법

• Mini-LISA 시뮬레이터는 옥스포드 인스트루먼츠의 상용 듀어를 사용하며, 외부 열교환으로부터 중심 반응 셀을 격리하도록 수정된다.
• 반응 셀과 듀어 벽 사이의 공간을 진공 터보펌프로 배기하여 열전도를 최소화하고, 최소 4–5×10⁻³ Pa의 압력까지 도달시킨다.
• 내부 반응 셀은 지구 대기 잔여물 제거를 위해 CO₂ 농도가 높은 기체 혼합물로 여러 차례 세척되며, 0.7 kPa 압력에서 화성 유사 대기를 구현한다.
• 500 L의 액체 질소 탱크가 150 K(−123 °C)까지 온도를 유지하며, 주 1회 보충을 통해 10일 이상 지속 가능한 실험을 가능하게 한다.
• 생물 샘플은 셀 내부에 쌓인 알루미늄 페트리 접시에 배치되며, 상단 접시는 실리카(Suprasil) 창을 통해 자외선에 노출되고, 하단 접시는 보호된다.
• 기계적 여과기구는 샘플의 유출을 방지하며, 투명 유리 창을 덮어 방사선 조절이 가능하여 노출 조건을 정밀하게 제어할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구 균주가 저기압, 극한의 낮은 온도, 자외선-C(UV-C) 방사선을 포함한 화성 표면 조건에 장기간 노출되었을 때 생존할 수 있는가?
• RQ2 저소비형 액체 질소 시스템을 갖춘 화성 시뮬레이션 챔버에서 가능한 최대 실험 지속 시간은 얼마인가?
• RQ3 다층 알루미늄 접시의 구성 방식이 한 개의 챔버 내에서 자외선에 노출된 샘플과 보호된 샘플을 동시에 비교 테스트할 수 있도록 하는 방식은 무엇인가?
• RQ4 Mini-LISA 시뮬레이터가 생물학적 실험을 위해 화성의 주요 환경 매개변수, 예를 들어 대기 조성과 기압을 어느 정도 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ5 화성 유사 조건에서의 미생물 생존 가능성은 화성에 존재하는 생명체 탐색과 행성 보호 정책에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 500 L의 액체 질소 탱크를 사용하여 Mini-LISA 시뮬레이터는 주 1회 보충을 통해 최대 10일 이상 연속 실험을 수행할 수 있으며, 추가 보충을 통해 무제한 기간의 실험도 가능하다.
• CO₂ 농도가 높은 기체 혼합물의 다중 세척 주기 덕분에 시스템은 0.7 kPa 압력에서 지구 대기 오염물질을 제거한 화성 유사 대기를 유지한다.
• 반응 셀과 듀어 벽 사이의 진공 펌프를 통해 열격리가 이루어져 열전도가 감소하고, 안정적인 저온 작동이 가능해져 최소 150 K(−123 °C)까지 유지된다.
• 다층 알루미늄 접시 구성은 동일한 환경 조건에서 자외선에 노출된 샘플과 보호된 샘플을 동시에 테스트할 수 있도록 하여 직접 비교가 가능하게 한다.
• 이 설계는 이전에 더 큰 LISA 시뮬레이터의 고소비 액체 질소 문제로 인해 최대 30시간 이내로 제한되었던 실험 시간과 자원 소비 문제를 성공적으로 해결한다.
• 이 시설은 현재 운영 중이며, 독일 항공우주청 및 모데나 대학 소속 연구팀을 포함한 외부 연구팀이 사용할 수 있는 공동 실험 플랫폼으로 제공되고 있다.