<사진. 세 개의 에밀리아니아 훅슬레이아이 세포의 주사전자현미경(SEM; scanning electron micrograph) 이미지
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

작은 조류의 큰 가능성

새로운 연구는 전 세계 해양의 가장 중요한 단일 석회화된 조류(algae)가 진화(evolution)를 통하여 증가하는 수온(rising water temperature)과 해양 산성화(ocean acidification)에 동시에 적응할 수 있다고 제안했다.

독일 GEOMAR(Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel) 소속의 연구진이 에밀리아니아 훅슬레이아이(Emiliania huxleyi, 에밀리아니아속, 석회비늘편모류)에 대하여 수행한 독특한 장기 실험실 실험은 조류의 진화 가능성(evolutionary potential)이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 크다는 것을 보여 주었다. 연구진의 실험실에서 이루어진 진화 실험에서, 과학자들은 서로 반드시 간섭하지는 않는 다수의 스트레스 요인에 대한 진화적 적응(evolutionary adaptation)을 처음으로 보여 주었다. 추가적인 연구가 해양 미생물에서 진화가 깊은 해저에서 이산화탄소를 제거하는 데 있어서 해양의 기능에 어떻게 영향을 끼칠 것인가와 실험실 결과가 자연적인 해양 환경으로 해석될 수 있는지 여부를 규명하게 될 것이다.

이례적인 진화 실험에서, GEOMAR 소속의 연구진과 Thunen Institute of Sea Fisheries 소속의 연구진은 단일의 가장 중요한 석회화된 조류인 에밀리아니아 훅슬레이아이가 해양 산성화와 증가하는 수온에 동시에 적응할 수 있다는 것을 처음으로 증명했다. 이 연구에서, 연구진은 기후 변화에 대한 이러한 두 가지 측면에 대한 진화적 적응이 서로서로 간섭할 수 있다는 확산된 사고에 대한 증거가 없다는 것을 발견했다.

비록 실험이 실험실 조건 하에서 수행됐다고 하더라도, 에밀리아니아 훅슬레이아이 같은 해양 미생물에서 진화적 적응에 대한 높은 가능성을 보여 주었다고 이 논문의 주저자이며 GEOMAR 소속의 박사 과정 학생인 Lothar Schluter는 지적했다. 최근 이러한 증거가 제공됐으며, 미래 해양에 대한 예측은 이와 같은 적응 변화(adaptive change)를 고려해야만 한다고 Schluter는 밝혔다. 이 연구는 Kiel Cluster of Excellence “The Future Ocean”과 독일 연구 네트워크인 BIOACID(Biological Impacts of Ocean Acidification)의 후원으로 수행됐다. 연구 결과는 2014년 10월 Nature Climate Change 저널 이슈 란에 발표될 예정이다.

이 연구는 노르웨이 Raunefjord에서 수거한 에밀리아니아 훅슬레이아이의 단일 세포를 격리함으로써 출발했다. 조류가 실험실에서 하루에 한 번 정도 세포 분열(cell division)에 의해 복제되기 때문에, 수많은 유전적으로 동일한 배양이 격리로부터 유래될 수 있다. 5개의 배양 각각이 제어 조건(15°C)과 세 가지 다른 이산화탄소(carbon dioxide) 농도 및 상승된 수온(26°C)에서 유지됐다. 오늘날의 조건과 제어 수치, 기후 변화에 대한 정부 간 협의체(IPCC; Intergovernmental Panel on Climate Change)가 제안한 최악의 시나리오 조건 및 가장 높은 가능한 산성화 정도 등에 대하여 실험이 수행됐다.

약 460세대의 조류 세대에 상응하는 1년이 경과한 후, 연구진은 적응 개체와 제어 개체가 5일 간격 내에서 높은 온도에 어떻게 반응하는지를 테스트했다. 26°C에서 적응된 개체는 이산화탄소 농도에 상관없이 적응되지 않은 개체보다 상당히 빠르게 성장했다. 적응된 배양은 높은 온도 조건 하에서 제어군보다 2배 더 많은 방해석 혈소판(calcite platelet)과 심지어 더 새로운 바이오매스를 생성했다.

실험의 일환으로, 연구진은 1년 동안 동시에 가장 높은 이산화탄소 수치와 가장 높은 온도에 노출된 배양이 보다 더 높은 온도에 가장 신속하게 적응한다는 놀라운 결론에 도달했다. 수백 세대에 걸쳐, 해양 산성화와 온난화 모두에 대한 조건에 유리한 새로운 돌연 변이가 출현하여 개체를 휩쓸고 지나갔다고 Schluter는 결론지었다.

에밀리아니아 훅슬레이아이와 같은 단세포 석회화된 조류는 깊은 해양으로 탄소를 수송하는 데 중요한 역할을 한다. 따라서 연구진은 적응 단계 후 세포 내부에서 유기 탄소(organic carbon)에 대한 무기 방해석 혈소판(inorganic calcite platelet)의 비율을 분석했다. 이 비율은 현재의 해양 조건 하에서 제어군의 비율과 거의 유사했다. 이러한 사실은 진화적으로 적응한 조류가 현재의 조건 하에 원래의 격리된 배양과 동일한 비중량(specific weight)을 나타낸다는 것을 의미한다. 해양학자들은 이것을 오랫동안 저장된 죽은 세포 또는 분변립(fecal pellet)이 가라앉는 것을 통하여 해양 내부로 탄소가 이동하는 효과인 밸러스트 효과(ballast effect)라고 부른다고 GEOMAR 진화 생태학 책임자인 Thorsten Reusch 교수는 설명했다. 따라서 기후 변화의 효과를 완화시키는 탄소 저장소(carbon sink)로서 해양의 기능은 효과적으로 유지될 것이라고 Reusch 교수는 밝혔다.

2012년 GEOMAR 진화 생태학자는 에밀리아니아 훅슬레이아이가 진화를 수단으로 해양 산성화에 적응할 수 있다는 것을 처음으로 보여주었다. 이후 실험실 실험이 지속되고 정교하게 수정됐다. 현재 이 문제에 대한 전 세계에서 가장 길고, 복잡한 실험이 연구진의 실험실에서 운영되고 있다고 Reusch 교수는 밝혔다. 실험실 결과는 현재 탄소 저장의 한계와 미래 해양의 생산성을 계산하는 생물지구화학적 모델(biogeochemical model)에 통합될 계획이다. 부가적으로 진화적 적응에 대한 연구 결과는 미래 식물성 플랑크톤 종의 변화를 조사하는데 통합될 것이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr