우주에서 식물을 재배해 자급자족할 수 있는 날이 더 가까워질 것으로 보인다.
로버트 진커슨(Robert Jinkerson) 캘리포니아대학 교수와 연구팀은 빛이 없는 어둠 속에서 식량을 재배할 수 있는 새로운 메커니즘을 연구해 Nature Food지에 보고했다. 연구팀은 일반적인 식물이 광합성하기 위해 필요한 자원, 특히 햇빛의 가용성에 초점을 맞춰 이를 대체할 에너지원의 전환을 연구했다. 연구팀의 이번 연구를 통해 극한의 우주환경에서도 식량을 공급하고, 정원을 가꾸는 일이 가능할 것으로 예상돼 기대를 모은다.

식물의 생육에는 빛, 물, 대기, 토양이 필수다. 식물은 광합성을 통해 발아·성장·개화·열매숙성 과정의 생장을 하기 때문에 특히 ‘빛’은 반드시 필요하다. 수십 년 간 많은 연구자들이 식물에게서 빛을 떼어내는 방식을 시도했으나 효과를 내지 못한 이유다. 이번 연구팀 구성원인 수 리(Sue Rhee) 식물학 박사도 “식물은 생존과 성장, 모든 것을 위해 빛이 필요하다.”고 말했다. 하지만 우주환경은 알려진 바와 같이 생물체에게 너그럽지 않다.
로버트 진커슨 교수와 연구팀은 “틀에 박힌 식물 성장 메커니즘”과는 다르게 ‘빛’을 제외시켰다. 그리고 여기에 이산화탄소를 대체시켰다. 그것도 버섯 및 효모, 조류처럼 보편적인 식물이 필요로 하는 절대적인 빛의 양에 못 미쳐도 생존하는 생물이 아닌 상추, 토마토, 고추, 케일을 포함한 9가지 잎채소를 대상으로 진행됐다.

연구에 앞서 연구팀은 우주환경에서 식물을 재배하기 어려운 이유로 이산화탄소(CO₂)를 꼽았다. 물론 생명체가 우주에 살 수 없는 이유이기도 하다. 따라서 국제우주정거장의 생명유지시스템은 질소 78%, 산소 21%, 이산화탄소 1%의 대기 환경을 유지하도록 설계돼 있다. 우주 비행사들이 생활할 수 있는 환경이지만, 이들이 호흡할 때마다 방출하는 이산화탄소의 양은 건강에 해로운 수준까지 만들 수 있고 지속적으로 시스템을 유지하는 데 많은 비용이 소요된다고 알려진다.
이번 연구는 식물이 살 수 없는 조건을 살 수 있는 환경으로 만드는 데에 초점을 두었다. 바로 이산화탄소를 재자원화하는 기술, 이산화탄소를 아세테이트로 변환하여 식물 재배 시스템을 만드는 것이다. 이산화탄소를 아세테이트로 전환하는 기술은 국내에서도 성공한 바 있는 대표적인 친환경 기술이다.
먼저 연구팀은 이산화탄소에서 산소 원자를 제거해 일산화탄소(CO)를 추출했다. 그리고 여기서 아세테이트(C₂H₃O₂-)를 만들어내고, 이렇게 만든 아세테이트가 빛이 없는 환경에서 광합성을 대신할 수 있는지를 조류(algae)를 활용해 테스트했다.
지어아오(Feng Jiao) 델러웨어대학교 교수는 빛이 차단된 실험실에서 오로지 아세테이트만 제공한 조류의 변화를 관찰했다. 그 결과 빛을 통한 광합성보다 4배 더 효율적으로 성장한 것을 발견했다. 지어아오 교수는 이 실험에서 발전시켜 상추를 동일한 환경에 두고 아미노산을 공급하는 설탕을 제공한 결과 생존했지만, 성장하지는 않았다고 밝혔다. 때문에 연구진은 실제로 이 방법으로 식물을 재배하기 위해서는 약간의 ‘조정(tweaking)’이 필요하다고 말했다.
한편, 진커슨 교수는 이 연구가 우주시대의 식량문제를 해결하는 것뿐만 아니라 지국의 100억 인구가 당면해 있는 식량 및 환경적 제약에 도움이 되기를 바란다고 덧붙였다.

우주환경은 식물 생존에 필수인 빛, 온수, 수분이 부재하거나 균형이 맞지 않다. 지금까지 식물 재배가 ‘미션 임파서블’에 가까웠던 이유다. 심지어 지구와 비슷한 조건을 갖춰 탐사·연구가 활발한 화성에도 생명체가 존재했었을 것으로 짐작되는 흔적만 있을 뿐 현존하는 유기체는 발견하지 못했다.
그래서 리들리 스콧 감독의 영화 <마션 (The Martian)>이 개봉한 후 ‘화성에서 감자를 재배할 수 있을까’는 질문이 사람들 사이에 자주 오르내렸다. 알려진 대로 화성의 대기는 이산화탄소 95%, 질소 3%, 아르곤 1.6%, 그리고 미량의 산소와 수증기로 구성돼 있다. 또한 액체 형태의 물도 존재하지 않고, 표면의 평균 온도는 약 –80℃다. 한마디로 생명체가 생존하기 어려운 환경이다. 하지만 이런 영화적 상상력을 현실로 실현시키기 위해 우주환경에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.
미국항공우주국(NASA)과 국제감자센터(IPC)는 2030년 유인 화성탐사를 앞두고 ‘화성감자’ 후보 시험을 진행했다. 말 그대로 영화 ‘마션’처럼 화성에서 감자 농사가 가능한지를 시험하고, 화성 환경에서 자랄 수 있는 감자 품종을 개발하기 위한 연구다. 2016년에 연구진은 페루의 팜파스 데라 요아 사막에서 화성의 토양과 가장 비슷한 흙을 채취하고, 화성의 태양 빛과 대기 조건을 구성하여 감자의 성장을 테스트했다. 결과는 성공했고, 화성 기지에서 감자를 재배할 가능성에 한층 더 가까워졌다.
또 다른 연구도 있다. 유럽우주국(ESA)의 ‘ESA 디스커버리 프로젝트’ 진행 상황 보도에 따르면 달 표면에 있는 먼지 ‘레골리스’에는 식물 생장에 필요한 미네랄이 풍부하다는 것을 발견했다고 밝혔다. 다른 조건들 때문에 달 표면에 직접 식물을 재배할 수는 없지만, 달에서 식물을 재배할 영양분을 공급받을 수 있는 길이 열린 셈이다. ESA는 수경재배 방법을 제시하면서, 레골리스에서 미네랄 영양소를 채취하면 충분히 가능하다고 덧붙였다.
2020년부터 2022년 12월까지 우주 업무를 수행한 뒤 지구로 복귀한 NASA의 무인우주선 X-37B가 갖고 들어온 작물 분석에 거는 기대도 크다. X-37B은 상추, 토마토, 무, 양파, 오이 등 11개 작물의 씨앗을 싣고 우주로 떠나, 우주선 내부 시설에서 심어진 후 발아와 수확에 성공한 바 있다. NASA는 우주방사선 환경이 작물들에게 미치는 영향을 분석하여 향후 우주탐사에서 식량으로 활용되는 작물 재배법 연구에 활용할 계획이다.
우주는 여전히 미지의 세계다. 하지만 이처럼 지구 환경과는 다른 불완전한 조건에 대한 연구, 특히 식물을 재배할 수 있는 환경 연구가 진행된다면 2030년 화성 유인탐사 및 우주 개척에 대단한 영향을 미칠 것으로 보인다.