기후 변화로 인해 더 깊은 해수층으로 열이 유입되면서 과학계는 해양 생물의 섬세한 균형이 깨지는 것을 우려해 왔습니다. 그러나 새로운 연구에 따르면 주요 심해 미생물인 해양 질산화 박테리아인 Nitrosopumilus maritimus가 더 따뜻하고 영양분이 부족한 환경에 조용히 적응해 왔을 수도 있다는 사실이 밝혀졌습니다.
지구 온난화와 빈번한 해양 폭염의 복합적인 영향으로 인해 온난화는 더 이상 해양 표면에만 국한되지 않습니다. 수심 1000m에 달하는 바닷물도 따뜻해지면서 해양의 화학적 환경과 생태계가 교란될 우려가 커지고 있다. 그러나 일리노이대학교 어바나-샴페인 캠퍼스 연구팀은 철분에 의존하고 암모니아를 산화하며 살아가는 니트로소푸밀루스 마리티무스(Nitrosopumilus maritimus)와 같은 고세균은 더 높은 온도와 더 적은 금속 공급이라는 이중 압력에 적응하기 위해 생리학적 전략을 조정하고 있는 것으로 보인다고 지적했다. 연구자들은 계속 따뜻해지는 바다에서 해양 영양분 분포 패턴을 재형성하는 데 점점 더 중요한 역할을 할 가능성이 있다고 믿습니다.
관련 결과는 최근 미국국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다. Nitrosopumilus maritimus 및 관련 미생물은 전체 해양 미생물 플랑크톤의 약 30%를 차지하며 해양의 화학적 균형을 유지하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 널리 알려져 있습니다. 해수에서 암모니아를 산화함으로써 이러한 고세균은 질소를 다른 화학적 형태로 전환하는 데 관여하여 해양 먹이그물의 기초이자 해양 생물 다양성에 중요한 전체 미생물 플랑크톤 군집의 성장에 영향을 미칩니다.
이번 연구의 교신저자이자 일리노이대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 미생물학 교수인 웨이 친(Wei Qin)은 과거에는 일반적으로 1,000m 이하의 바닷물이 표면 온난화의 영향으로부터 '격리'되었다고 믿었지만 이제는 심해 온난화가 풍부한 고세균이 철을 사용하는 방식을 변화시키고 있다는 것이 점점 더 분명해지고 있다고 말했습니다. 철은 대사 과정에 크게 의존하는 금속 원소이며, 이러한 변화는 심해의 미량 금속 이용 가능성에 더욱 영향을 미쳐 더 넓은 해양 생지화학적 과정에 영향을 미칠 수 있습니다.
연구팀은 실제 해양 환경에 최대한 가깝게 하기 위해 금속 오염에 대해 엄격하게 통제된 실험 조건 하에서 순수 배양된 니트로소푸밀루스 마리티무스(Nitrosopumilus maritimus)에 대해 일련의 온도 및 철 농도 구배 실험을 수행했습니다. 그 결과, 철 공급이 제한될 때 온도 상승은 이러한 유형의 미생물의 생존 능력을 약화시키지 않을 뿐만 아니라 철 수요를 줄이고 철 이용 효율을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 이는 바닷물이 따뜻해지고 이용 가능한 철분이 감소함에 따라 Nitrosopumilus maritimus가 "자기 조절"할 수 있는 특정 능력을 가지며 자원이 제한된 심해 환경에서 대사 활동을 유지하거나 심지어 최적화할 수 있음을 보여줍니다.
실험을 기반으로 팀은 리버풀 대학의 해양 생지화학적 모델링 전문가인 Alessandro Tagliabue와 협력하여 이러한 생리학적 데이터를 시뮬레이션을 위한 글로벌 해양 생지화학적 모델에 통합했습니다. 시뮬레이션 결과는 철이 제한된 광대한 해역에서 심해 고세균 공동체가 미래 온난화 시나리오에서 "후퇴"할 수 없을 뿐만 아니라 해양 질소 순환 및 1차 생산 지원에서 역할을 유지하거나 강화할 수 있는 능력을 갖게 될 것임을 보여줍니다. 즉, 원래 취약하다고 여겨졌던 많은 심해 지역에서 이 작은 생물체들이 해양 기능을 유지하는 '적응력'이 될 수도 있다는 것이다.
실험실 연구 결과가 실제 해양 시스템에도 적용되는지 테스트하기 위해 Qin Wei와 Southern California 대학의 지구 변화 생물학 교수인 David Hutchins는 올 여름 해외 과학 탐험을 공동으로 이끌 예정입니다. 이들은 연구선 시쿨리아크(Sikuliaq)에 탑승해 시애틀을 출발해 알래스카만을 통과한 뒤 아열대 환류 지역으로 항해해 하와이 호놀룰루에 들를 예정이다. 여러 기관의 과학자 20명이 선상에서 현장 관찰과 샘플링을 수행하여 자연 환경의 고세균 공동체가 온도와 금속 제한의 다양한 조합에 어떻게 반응하고 조정하는지 평가하는 데 중점을 둘 것입니다.
연구팀은 이번 연구가 단일 종의 적응성에 대한 조사일 뿐만 아니라 기후 변화 맥락에서 전체 해양 질소 순환, 미량 금속 순환, 심해 생태계의 '복원력'과도 관련이 있다는 점을 강조했다. Nitrosopumilus maritimus와 같은 주요 미생물이 실제로 철분 활용 효율을 높이고 더 따뜻한 심해 환경에서 활성을 유지할 수 있다면 온난화로 인한 화학적 불균형을 어느 정도 완충하여 해양 생태계가 적응할 귀중한 시간을 벌 수 있습니다. 그러나 과학자들은 이것이 기후 변화로 인한 위험을 무시할 수 있다는 의미는 아니라는 점을 상기시킵니다. 온실가스 배출에 대한 인간의 통제는 여전히 해양과 지구 생태계의 건강을 보호하기 위한 근본적인 수단입니다.
보고서에 따르면 이 연구는 국립과학재단, 시몬스 재단, 중국 국립자연과학재단, 일리노이대학교 어바나-샴페인 캠퍼스, 오클라호마대학교가 공동으로 자금을 지원했다. 연구 리더 중 한 명인 Qin Wei는 Carl Wuth 게놈 생물학 연구소에도 소속되어 있습니다. 관련팀은 앞으로 더 많은 해역과 다양한 계절에 걸쳐 장기간 관측을 실시해 온난화된 바다에서 심해 고세균의 역할 진화 경로를 더욱 명확히 규명할 계획이라고 밝혔다.