심우주 임무를 위한 우주선 차단 방패 역할을 하는 체르노빌 곰팡이 

1986년 우크라이나(구 소련)의 체르노빌 원자력 발전소 4호기가 대규모 화재와 증기 폭발을 겪었습니다. 이 전례 없는 사고로 100가지가 넘는 방사성 원소(주로 요오드-131, 세슘-137, 스트론튬-90)로 구성된 방사성 원자로 노심의 5% 이상이 환경으로 방출되었습니다. 주변 생명체가 생존하기에는 방사선량이 매우 높았습니다. 사고 현장 주변 10km² 면적의 소나무는 치명적인 방사선에 노출되어 몇 주 만에 죽었습니다. 그러나 특정 곰팡이와 검은 곰팡이는 위험할 정도로 높은 방사선량에서 살아남았을 뿐만 아니라 사고 현장에서 번성하는 것으로 밝혀졌습니다. 이후 연구에서 현장에서 200종의 곰팡이 약 2000균주를 분리했습니다. 곰팡이 균사는 녹색 식물이 햇빛을 향해 자라는 것처럼 이온화 베타선과 감마선의 근원을 향해 자라는 것으로 밝혀졌습니다. 더욱 흥미로운 점은, 이온화 ​​방사선 노출이 멜라닌화 곰팡이 세포의 성장을 촉진한 것으로 보인다는 점입니다. 이는 고에너지 방사선 존재 하에서 멜라닌 색소가 에너지를 포획하는 것을 시사합니다(광합성에서 햇빛의 엽록소가 에너지를 포획하는 것과 유사). 2022년 국제우주정거장(ISS)에서 진행된 실험에서 이 곰팡이들이 우주에서도 방사선 저항성과 방사선 합성 능력을 나타냄이 입증되었습니다. 이는 체르노빌 사고 현장과 같은 극한의 방사선 환경에서도 생존하고 번성하는 멜라닌화 곰팡이가 우주 공간의 인간 거주지를 우주선으로부터 보호하고, 우주선으로부터 에너지를 포획하여 아르테미스와 같은 미래 달과 화성 유인 탐사선의 에너지 자율성을 향상시키는 데 활용될 수 있음을 시사합니다.  

전 세계 원자로는 대부분 우라늄-235가 약 3~5% 함유된 농축 우라늄을 핵분열성 물질로 사용합니다(일부 고급 증식로는 플루토늄-239나 토륨-233을 사용하기도 합니다). 원자로에서 우라늄-235의 제어된 핵분열의 주요 생성물은 크립톤과 바륨과 같은 가벼운 원자핵, 자유 중성자, 그리고 다량의 에너지입니다. 불안정한 가벼운 핵분열성 파편(크립톤과 바륨 원자핵)의 추가적인 방사성 붕괴는 베타 입자, 감마선, 그리고 기타 안정적인 부산물을 방출합니다.  

체르노빌 사고(1986) 

1986년 우크라이나(당시 소련) 체르노빌 원자력 발전소 4호기에서 발생한 화재 및 증기 폭발로 방사성 원자로 노심의 5% 이상이 환경으로 유출되었습니다. 이 전례 없는 사고로 100종이 넘는 방사성 원소가 환경으로 유출되었는데, 주요 방사성 원소는 요오드-131, 세슘-137, 스트론튬-90이었습니다. 세슘-137과 스트론튬-90은 반감기가 약 30년으로 길어 지역 환경에 여전히 상당량 존재합니다. 이 두 동위원소 때문에 출입 금지 구역이 지구상에서 가장 방사능에 오염된 지역이 되었습니다.  

현장 인근 출입 금지 구역의 일부 지역은 매우 높은 방사능 수치를 보이고 있습니다. 파괴된 원자로 건물은 시간당 20,000뢴트겐 이상의 방사선량을 보유하고 있습니다. (참고로, 5시간 동안 약 500뢴트겐이 치사량이며, 이는 파괴된 원자로 부지 근처 방사선량의 1%에도 미치지 못합니다.)   

영어: 제외 구역(붉은 숲이라고 함) 내 체르노빌 발전소 주변 10제곱킬로미터 지역의 방사선 수준은 너무 높아서 약 60~100그레이(Gy)의 방사선에 노출된 후 몇 주 만에 수천 그루의 소나무가 죽었습니다. 이 방사선량은 해당 지역의 소나무에 치명적이었으며 녹슨 붉은색으로 변해 죽었습니다. 오늘날에도 붉은 숲의 일부 장소에서 감마선은 시간당 약 17밀리렘(약 170µSv/h)으로 정점을 찍습니다. 감마선은 매우 높은 에너지의 방사선입니다. 깊숙이 침투하여 원자와 분자에서 전자를 떼어내고 이온과 자유 라디칼을 형성하여 DNA와 효소와 같은 중요한 생체 분자를 포함한 세포와 ​​조직에 돌이킬 수 없는 손상을 일으킵니다. 매우 높은 용량의 감마선에 노출되면 체르노빌 사고 현장 주변의 소나무에 일어난 것처럼 살아있는 유기체가 죽습니다. 하지만 항상 그런 것은 아닙니다!  

일부 균류는 고방사능 체르노빌 사고 현장에서 살아남았을 뿐만 아니라 번성했습니다.  

사고 현장 주변 10km2 면적의 소나무는 극도로 높은 방사능에 노출되어 몇 주 만에 죽었고, 특히 검은 곰팡이가 몇 주 동안 죽었습니다. 클라도스포리움 스파에로스페르뭄  알테르나리아 알테르나타 사고 발생 후 몇 년이 지난 지금도 방사능 수치가 치명적임에도 불구하고, 손상된 4호기 근처에서 곰팡이가 자라고 있는 것이 관찰되었습니다. 이는 놀라운 일이었습니다. 2004년까지 다양한 연구를 통해 사고 현장에서 200종, 약 2000개의 곰팡이 균주가 분리되었습니다.  

흥미롭게도, 곰팡이 균사는 이온화 방사선의 근원을 향해 성장하는 것으로 나타났습니다(식물이 햇빛을 향해 자라면서 굴광성을 보이는 것과 같은 원리입니다). 이온화 방사선에 대한 곰팡이의 반응을 측정한 결과, 연구진은 베타선과 감마선 모두 균사가 근원을 향해 직접 성장하도록 촉진한다는 것을 보여주었습니다.  

멜라닌화된 미생물 종이 자연에서 더 흔하기 때문에, 일부 균류가 핵분열성 파편(방사성 핵종)으로 오염된 토양에서 생존하고 번성하는 놀라운 능력에 멜라닌 색소가 중요한 역할을 한다고 여겨졌습니다. 2007년에 발표된 한 실험에서 이것이 실제로 사실임을 확인했습니다. 멜라닌을 이온화 방사선에 노출시키는 것이 핵심입니다. 이온화 방사선은 멜라닌 색소의 전자적 특성을 변화시켜 멜라닌화된 균류 세포의 성장을 촉진했습니다. 이는 멜라닌이 광합성에서 엽록소가 하는 것과 유사한 에너지 포집(방사성 합성)에 관여함을 시사합니다. 이는 또한 이러한 균류를 방사성 핵종 오염 정화에 활용할 가능성을 시사했습니다.   

심우주 인간의 임무와 거주  

장기적으로 모든 행성 문명은 우주로부터의 충돌로 인한 실존적 위협에 직면해 있으며, 따라서 인간은 다행성계로 진화해야 할 절실한 과제입니다. 심우주 유인 탐사는 지구 너머에 인간 거주지를 건설하기 위한 계획입니다. 아르테미스 달 탐사는 이러한 방향의 시작으로, 화성 유인 탐사 및 거주를 준비하기 위해 달과 그 주변에 장기적인 인간 거주지를 건설하는 것을 목표로 합니다.   

심우주 유인 탐사에 앞서 가장 큰 과제 중 하나는 우주 곳곳에 퍼져 있는 강력한 우주선(cosmic ray)의 끊임없는 유입입니다. 지구 자기장은 지구에서는 우주선으로부터 우리를 보호하지만, 우주 유인 탐사에서는 가장 큰 건강 위험을 초래합니다. 따라서 심우주 탐사에는 우주선 차단막이 필요합니다. 한편, 우주선은 무한한 에너지원이 될 수 있으며, 이를 활용할 수 있는 적절한 기술이 개발된다면 장기 심우주 탐사의 에너지 자율성을 향상시킬 수 있습니다. 

고방사능 체르노빌 지역에서 번성하는 균류는 우주 방사선이 심우주 인간 임무 및 거주에 미치는 문제에 대한 해결책을 제공할 수 있습니다.  

위에서 논의한 바와 같이, 특정 멜라닌화 균류는 손상된 체르노빌 원자력 발전소의 고방사능 오염 지역과 지구의 다른 고방사능 환경에서 자라는 것으로 밝혀졌습니다. 이 균류의 멜라닌 색소는 고에너지 방사선을 이용하여 화학 에너지를 생성하는 것으로 보입니다(녹색 식물의 엽록소가 광합성에 태양광선을 이용하는 것과 같은 원리입니다). 따라서 체르노빌 균류는 우주에서 우주선까지 그 능력을 확장한다면, 고에너지 우주선에 대한 보호막(방사능 저항성) 역할과 심우주 임무에서 에너지 생성기(방사능 합성) 역할을 모두 수행할 수 있는 잠재력을 가지고 있을 수 있습니다. 연구진은 이를 우주에서 시험했습니다.  

곰팡이 클라도스포리움 스파에로스페르뭄 국제우주정거장(ISS)에서 26일 동안 배양하여 화성 표면의 거주 환경과 유사한 조건에서 성장과 이온화 우주선(cosmic rays) 흡수 및 감쇠 능력을 연구했습니다. 그 결과, 곰팡이 바이오매스로 인한 우주 방사선 감쇠와 우주에서의 성장 이점을 확인했습니다. 이는 체르노빌 사고 현장에서 특정 곰팡이가 보인 능력이 우주에서의 우주선에도 적용될 수 있음을 시사합니다.  

아직 말하기 이르지만, 앞으로 이 균류를 몬과 화성으로 운반하여 적절한 인프라를 구축하면 화학 에너지 생산자로서 기능할 수 있을 것입니다.  

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참조 :  

1. 즈다노바 NN, 외 2004. 이온화 방사선은 토양 균류를 유인한다. Mycol Res. 108: 1089–1096. DOI: https://doi.org/10.1017/S0953756204000966 

2. 다다초바 E., 외 2007. 이온화 방사선은 멜라닌의 전자적 특성을 변화시키고 멜라닌화 진균의 성장을 촉진한다. PLOS One. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0000457 

3. Dighton J., Tugay T., Zhdanova N., 2008. 균류 및 방사성핵종에서 발생하는 이온화 방사선. FEMS Microbiology Letters, 제281권, 제2호, 2008년 4월, 109-120쪽. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1574-6968.2008.01076.x 

4. Ekaterina D. & Casadevall A., 2008. 이온화 방사선: 곰팡이가 멜라닌의 도움을 받아 어떻게 대처하고, 적응하고, 이용하는가. Current Opinion in Microbiology. 제11권 6호, 2008년 12월, 525-531쪽. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mib.2008.09.013 

5. 아베레쉬 뉴저지 외 2022. 데마티아과 균류의 재배 클라도스포리움 스파에로스페르뭄 국제 우주 정거장에서의 이온화 방사선의 영향. Front. Microbiol., 2022년 7월 5일. Sec. Extreme Microbiology Volume 13 2022. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.877625 

6. Sihver L., 2022. 에너지 생산자로서의 체르노빌 균류. 다음에서 확인 가능 https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2022cosp…44.2639S/abstract 

7. Tibolla MH, and Fischer J., 2025. 방사성 균류와 방사선 피해 지역의 생물학적 복원제 및 보호제로서의 활용. 연구, 사회, 그리고 개발. DOI: https://doi.org/10.33448/rsd-v14i1.47965 

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