화성에서 발견된 생물학적으로 유용한 질소

 

 

 

Image Credit:NASA/JPL-Caltech/MSSS

 

사진 1> 큐리오시티호가 스스로를 찍은 이 자화상은 큐리오시티호의  MAHLI(Mars Hand Lens Imager)를 이용하여 촬영한 십여장의 사진을 이어붙여 만들어진 것이다.
큐리오시티의 모습은 화성에서 177번째 화성일을 맞이했던 지난 2013년 2월 3일 촬영된 것이며 270 화성일을 맞던 2013년 5월 10일 촬영한 3장의 사진을 덧붙여 큐리오시티 주변 풍경을 이동 지역으로 변경하였다.

 

 

큐리오시티 호가 화성에서 생물학적으로 유용한 질소를 발견하다.

 

 

큐리오시티호가 화성 샘플 분석기(the Sample Analysis at Mars, 이하 SAM)를 활용하여 화성의 침전물을 가열하는 동안 여기서 배출되는 질소를 처음으로 감지해냈다.

감지된 질소는 가열이 이루어지는 동안 질산염으로부터 분리되었을 것으로 보이는 산화질소의 형태였다.

 

질산염은 질소를 품고 있는 분자의 일종으로 살아있는 유기체에 의해 활용이 가능한 분자이다.

따라서 이번 발견은 고대 화성이 생명체가 살 수 있었을만한 환경임을 알려주는 또 하나의 증거가 된다.

 

질소는 생명체의 유전자 정보를 담고 있는 DNA와 RNA 분자를 구성하는 벽돌로 사용되기 때문에 모든 생명체의 핵심원소이다.
또한 질소는 머리카락이나 손톱을 구성하는데 쓰이는 단백질과 함께  화학 반응 속도를 향상시키거나 억제하는데 사용된다.

 

그러나 지구와 화성 대기상의 질소는 질소 가스 (N2) 로 잠겨 있다.
질소 원자 두 개가 묶여 있는 이 가스는 너무나 강력하게 묶여 있어 다른 분자와 쉽게 반응하지 않는다.

 

질소 원자는 반드시 개별적으로 분리되거나 '고정'되어야만 생명체를 위한 화학반응에 참여할 수 있게 된다.

 

지구에서 특정 유기체들은 대사활동에 있어 핵심적인 부분이 되는 공기중의 질소를 고정시키는 능력을 가지고 있다.
(질소고정(nitrogen fixation) - http://www.forest.go.kr/newkfsweb/kfi/kfs/mwd/selectMtstWordDictionary.do?pageIndex=90&pageUnit=100&wrdSn=8873&searchWord=&searchType=&wrdType=&searchWrd=&mn=KFS_02_08_06_01&orgId=kfs )

 

그러나 소량의 질소는 번개와 같은 고에너지 사건에 의해 고정되기도 한다. (광화학적 질소고정)

 

질소 원자 하나가 3개의 산소원자와 붙어있는 질산염은 질소고정의 원재료가 된다.

질산염분자는 다양한 원자 및 분자들과 결합될 수 있으며 바로 이런 부류의 분자들이 질산염으로 알려져 있다.

 

연구팀이 발견한 질소고정분자가 생명체에 의해 만들어졌다는 증거는 없다.

화성표면은 우리가 아는 한 생명체가 형성되기에는 우호적이지 않은 환경을 가지고 있다.

따라서 연구팀은 질산염이 고대에 생성된 것이거나 유성충돌과 같은 생명체와는 전혀 상관없는 과정으로 유입되었거나 머나먼 과거에 번개활동에 의해 생성된 것으로 생각하고 있다.

 

메마른 강바닥을 닮은 구조들이나 액체상태의 물에서만 형성될 수 있는 미네랄의 발견은 머나먼 과거의 화성의 기후가 훨씬 좋은 조건이었음을 말해주고 있다. 
 
큐리오시티 연구팀은 현재 큐리오시티호가 위치해 있는 게일 크레이터에서 수십억년 전에 액체 상태의 물이나 유기물질과 같은 생명체 구성을 위해 반드시 필요한 또다른 재료들의 증거들을 발견해왔다.
 

NASA 고다드 우주비행센터의 제니퍼 스턴(Jennifer Stern)은 생화학적으로 활용가능한 질소의 형태를 찾는 것은 고대 화성에서 게일 크레이터의 환경이 생명체가 거주할만한 환경이었음을 증명하는데 훨씬 유용한 것이라고 말했다.

스턴은 미국국립과학원회보 (the Proceedings of the National Academy of Science) 2015년 3월 23일자 온라인 판에 개재된 연구논문의 주저자이다.

 

연구팀이 발견한 질산염의 증거는 락네스트(Rocknest) 지역의 바람에 날려온 모레와 먼지에서 긁어모은 샘플과 옐로우나이프 만의 존 클라인(John Klein) 및 컴버랜드 (Cumberland) 지역의 이암(mudstone)에서 구멍을 뚫어 채취한 샘플에서 발견되었다.
 

스턴은 락네스트에서 채취한 샘플은 거리가 떨어져 있는 지역에서 불려온 먼지와 락네스트 지역에 한정된 물질들의 혼합물이기 때문에 질산염은 화성 전역에 분포하고 있는 듯이 보인다고 말했다.

이러한 결과는 드릴 작업으로 샘플채취를 진행한 지역의 화성 토양에 1100ppm 이상의 양에 맞먹는 질산염이 있다는 사실을 지지하고 있다.

연구팀은 옐로우나이프만의 이암이 호수바닥에 퇴적되어 침전된 물질들로 형성되었다고 생각하고 있다.

이보다 앞서 큐리오시티 연구팀은 이 지역이 고대에 생명체가 서식할 수 있을만한 환경이었다는 증거를 기술한 적이 있다.
여기에는 신선한 물과 탄소와 같은 생명체 유지에 반드시 필요한 화학원소들  그리고 간단한 유기물질의 대사를 추동시킬만한 잠재적 에너지원이 지목되었다.

 

채취된 샘플들은 화성 토양에 묶여있는 분자들을 분리해내기 위해 가열되었으며 가열을 통해 풀어져나온 가스들 중 일부는 분석을 위해 SAM으로 보내졌다. 

여기서 다양한 질소를 품은 화학물질들이 두 개 장비를 통해 식별되었다.
첫번재 장비는 질량분광계(a mass spectrometer)로서 이 장비는 분자들을 각자의 질량 특성에 의해 식별하기 위한 전기장을 사용한다.
또 하나의 장비는 가스 크로마토그래프(gas chromatograph)로서 이것은 작고 가느다른 유리관을 통과하는 시간을 근거로 분자들을 구분한다.
특정 분자들은 이 튜브의 벽면과 쉽게 상호작용을 겪게 되어 결국 더 느리게 이 유리관을 통과하게 된다.

 

다른 질소 화합물과 함께 이 장비들은 모두 세개 지점에서 채취한 샘플에서 산화질소(NO - 질소원자 하나와 산소 원자 하나가 묶여 있는 분자) 도 감지해냈다.

 

질산염은 질소 원자 하나가 3개의 산소 원자와 묶여 있는 분자이기 때문에 연구팀은 대부분의 산화질소가 추출된 샘플을 가열할 때 질산염으로부터 분해되면서 발생한 것으로 생각하고 있다.

 

SMA에서 추출된 특정 화합물들 역시 샘플을 가열할 때 질소를 방출할 수 있다.
그러나 스턴에 따르면  가장 극단적이고 비현실적인 시나리오를 수립해도 샘플에서 추출된 산화질소의 총량은 SAM에서 나올 수 있었던 총 산화질소 양의 두 배 이상이었다고 한다.  

이러한 사실로 인해 연구팀은 화성에 실제 질산염이 존재하고 있다고 생각하고 있으며 질산염 추정 함량은 이 잠재적인 추가 공급원을 반영하여 계속 수정되어왔다.

 

스턴의 설명은 다음과 같다.
"과학자들은 오랜전부터 화성에서 유성의 충돌에 의해 방출된 에너지로부터  질산염이 만들어졌을 것이라고 생각해왔으며  우리가 발견한 질산염의 양은 이러한 과정으로부터 발생한 추정치에 잘 들어 맞습니다."
 

SAM 분석기는 산업체 및 대학, 국가기관 및 국제적인 NASA 파트너에 의해 제공된 중요 부품들을 이용하여 NASA 고다드 우주비행센터에서 제작하였다.

NASA의 화성 과학 연구 프로젝트는 큐리오시티호를 이용하여 과거 화성에 생명체가 존재했었는지 여부를 측정하고 있으며 화성 환경조건의 주요 변화를 탐사하고 있다.

NASA 제트추진연구소 칼텍 지부는 큐리오시티 로버의 제작을 담당하였으며 NASA 과학임무위원회를 대신하여 이 프로젝트의 관리를 맡고 있다.

NASA 화성탐사 프로그램과 고다드 우주비행센터는 SAM의 개발 및 운영을 지원하고 있다.

SAM-가스 크로마토그래프는  프랑스 우주국(the French Space Agency, CNES)의 자금 지원에 의해 제작되었다.

SAM 의 실험 데이터는 행성데이터시스템(the Planetary Data System)에 축적되고 있다.

 

 

출처 : NASA Solar System Exploration 2015년 3월 24일 News Release
        http://solarsystem.nasa.gov/news/display.cfm?News_ID=48942
         
참고 : 큐리오시티호의 다양한 탐사 자료 등 화성에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346937 

 

원문>

Curiosity Rover Finds Biologically Useful Nitrogen on Mars

24 Mar 2015

 

(Source: NASA Jet Propulsion Laboratory)

A team using the Sample Analysis at Mars (SAM) instrument suite aboard NASA's Curiosity rover has made the first detection of nitrogen on the surface of Mars from release during heating of Martian sediments.

The nitrogen was detected in the form of nitric oxide, and could be released from the breakdown of nitrates during heating. Nitrates are a class of molecules that contain nitrogen in a form that can be used by living organisms. The discovery adds to the evidence that ancient Mars was habitable for life.

Nitrogen is essential for all known forms of life, since it is used in the building blocks of larger molecules like DNA and RNA, which encode the genetic instructions for life, and proteins, which are used to build structures like hair and nails, and to speed up or regulate chemical reactions.

However, on Earth and Mars, atmospheric nitrogen is locked up as nitrogen gas (N2) - two atoms of nitrogen bound together so strongly that they do not react easily with other molecules. The nitrogen atoms have to be separated or "fixed" so they can participate in the chemical reactions needed for life. on Earth, certain organisms are capable of fixing atmospheric nitrogen and this process is critical for metabolic activity. However, smaller amounts of nitrogen are also fixed by energetic events like lightning strikes.

Nitrate (NO3) - a nitrogen atom bound to three oxygen atoms - is a source of fixed nitrogen. A nitrate molecule can join with various other atoms and molecules; this class of molecules is known as nitrates.

There is no evidence to suggest that the fixed nitrogen molecules found by the team were created by life. The surface of Mars is inhospitable for known forms of life. Instead, the team thinks the nitrates are ancient, and likely came from non-biological processes like meteorite impacts and lightning in Mars' distant past.

Features resembling dry riverbeds and the discovery of minerals that form only in the presence of liquid water suggest that Mars was more hospitable in the remote past. The Curiosity team has found evidence that other ingredients needed for life, such as liquid water and organic matter, were present on Mars at the Curiosity site in Gale Crater billions of years ago.

"Finding a biochemically accessible form of nitrogen is more support for the ancient Martian environment at Gale Crater being habitable," said Jennifer Stern of NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. Stern is lead author of a paper on this research published online in the Proceedings of the National Academy of Science March 23.

The team found evidence for nitrates in scooped samples of windblown sand and dust at the "Rocknest" site, and in samples drilled from mudstone at the "John Klein" and "Cumberland" drill sites in Yellowknife Bay. Since the Rocknest sample is a combination of dust blown in from distant regions on Mars and more locally sourced materials, the nitrates are likely to be widespread across Mars, according to Stern. The results support the equivalent of up to 1,100 parts per million nitrates in the Martian soil from the drill sites. The team thinks the mudstone at Yellowknife Bay formed from sediment deposited at the bottom of a lake. Previously the rover team described the evidence for an ancient, habitable environment there: fresh water, key chemical elements required by life, such as carbon, and potential energy sources to drive metabolism in simple organisms.

The samples were first heated to release molecules bound to the Martian soil, then portions of the gases released were diverted to the SAM instruments for analysis. Various nitrogen-bearing compounds were identified with two instruments: a mass spectrometer, which uses electric fields to identify molecules by their signature masses, and a gas chromatograph, which separates molecules based on the time they take to travel through a small glass capillary tube -- certain molecules interact with the sides of the tube more readily and thus travel more slowly.

Along with other nitrogen compounds, the instruments detected nitric oxide (NO -- one atom of nitrogen bound to an oxygen atom) in samples from all three sites. Since nitrate is a nitrogen atom bound to three oxygen atoms, the team thinks most of the NO likely came from nitrate which decomposed as the samples were heated for analysis. Certain compounds in the SAM instrument can also release nitrogen as samples are heated; however, the amount of NO found is more than twice what could be produced by SAM in the most extreme and unrealistic scenario, according to Stern. This leads the team to think that nitrates really are present on Mars, and the abundance estimates reported have been adjusted to reflect this potential additional source.

"Scientists have long thought that nitrates would be produced on Mars from the energy released in meteorite impacts, and the amounts we found agree well with estimates from this process," said Stern.

The SAM instrument suite was built at NASA Goddard with significant elements provided by industry, university, and national and international NASA partners. NASA's Mars Science Laboratory Project is using Curiosity to assess ancient habitable environments and major changes in Martian environmental conditions. NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California, a division of the California Institute of Technology, built the rover and manages the project for NASA's Science Mission Directorate in Washington. The NASA Mars Exploration Program and Goddard Space Flight Center provided support for the development and operation of SAM. SAM-Gas Chromatograph was supported by funds from the French Space Agency (CNES). Data from these SAM experiments are archived in the Planetary Data System (pds.nasa.gov).

For more information about Curiosity, visit:

http://www.nasa.gov/msl

 

and

http://mars.jpl.nasa.gov/msl/

 

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