스탠포드 대학 과학자들이 주도한 새로운 연구는 이전에 가능하다고 생각했던 한계를 넘어 극도로 염분이 많은 환경에서도 생명체가 생존할 수 있다고 예측합니다. 12월 22일 Science Advances 저널에 발표된 이 연구는 남부 캘리포니아 해안을 따라 있는 산업 연못의 바닷물에 있는 수천 개의 단일 세포의 대사 활동에 대한 분석을 기반으로 했습니다.
이번 발견은 태양계 전반에 걸쳐 잠재적으로 거주 가능한 공간에 대한 우리의 이해를 넓힐 뿐만 아니라 가뭄과 물 전환으로 인해 지구의 일부 수중 서식지가 더 염분화될 수 있는 결과에 대한 이해를 넓혀 줍니다.
"우리는 모든 곳을 볼 수 없기 때문에 다른 행성에서 생명체를 어디서, 어떻게 찾을 수 있는지 신중하게 생각해야 합니다."라고 스탠포드 대학의 Dole School of Sustainability 지구 시스템 과학 조교수인 연구 선임 저자 Anne Dekas가 말했습니다. "지구의 극한 환경에서 생명이 어디에 어떻게 존재하는지 가능한 한 많이 배우면 다른 곳에서 생명 탐지 임무의 우선순위를 정하고 성공 가능성을 높일 수 있습니다."
지구 너머의 생명체를 탐지하는 데 관심이 있는 과학자들은 액체 상태의 물이 생명체에 필요하다는 것을 알고 염분이 있는 환경을 오랫동안 연구해 왔으며, 소금을 사용하면 물이 더 넓은 온도 범위에서 액체 상태로 유지될 수 있습니다. 소금은 소금물에 담긴 피클과 같이 생명의 흔적을 보존할 수도 있습니다. "우리는 소금이 있는 곳이 과거나 현재의 생명의 흔적을 찾기에 좋은 장소라고 생각합니다."라고 지구 시스템 과학 박사 과정 학생이자 Decas 연구실 회원인 연구 주저자 Emily Paris가 말했습니다. "소금은 다른 행성을 거주 가능하게 만드는 요인이 될 수 있지만, 지구상의 고농도 소금은 생명을 억제하는 역할도 합니다."
새로운 연구는 코넬대학교 브리트니 슈미트(Britney Schmidt) 교수가 이끌고 미생물학자, 지구화학자, 행성과학자들이 함께 참여하는 NASA의 우주생물학 프로그램(Astrobiology Program)이 자금을 지원하는 '공간과 시간을 가로지르는 바다(Oceans Across Space and Time)'라는 대규모 공동 프로젝트의 일부입니다. 그들의 목표는 해양 세계와 생명체가 어떻게 공진화하여 과거나 현재에 감지 가능한 생명체의 징후를 만들어 내는지 이해하는 것입니다. 해양 세계의 거주 가능한 조건을 이해하고 생물학적 활동의 신호를 감지하는 더 나은 방법을 개발하는 것은 태양계의 다른 곳에서 생명체의 잠재력을 예측하는 단계입니다.
염분 변화가 지구에 미치는 영향
우리는 염분 변화가 지구 생태계에 미치는 영향을 고려해야 합니다. 예를 들어, 유타주 그레이트 솔트레이크의 수위가 떨어지면 염도가 증가하여 먹이 사슬의 모든 생물에 영향을 미칠 수 있습니다.
파리는 "생물 탐지의 관점 외에도 염분의 영향을 이해하는 것도 지구의 보존과 지속 가능성을 위해 중요하다"고 말했다. "연구에 따르면 염분의 증가가 미생물 군집의 구성과 미생물 대사 속도를 어떻게 변화시키는지 보여줍니다. 이러한 요인은 영양 순환과 철새 및 기타 수생 동물의 중요한 식량원인 갑각류 및 곤충의 수명에 영향을 미칠 수 있습니다."
지구상에서 가장 염도가 높은 바다에서 생명체 발견
해양 연구팀이 이 연구의 샘플이 수집된 사우스 베이 소금 작업장이나 샌프란시스코만을 따라 있는 소금 연못을 방문할 때 지구상에서 가장 활동적인 미생물 중 일부에서 빛나는 네온 녹색, 녹 빨간색, 분홍색 및 주황색의 만화경을 발견합니다. 여러 색상의 패치워크는 과학자들이 "수분 활동"이라고 부르는 다양한 염도에서 생존하기 위해 적응하는 수생 미생물의 능력을 반영합니다. 이는 미생물이 성장하는 생물학적 반응에 사용할 수 있는 물의 양입니다.
Parris는 “우리는 수분 활성도가 너무 낮아지는 시점, 염도가 너무 높아지는 시점, 미생물이 더 이상 생존할 수 없는 시점을 아는 데 관심이 있습니다.”라고 말했습니다. 바닷물의 수분 활성도는 약 0.98인 반면, 순수한 물의 수분 활성도는 1입니다. 대부분의 미생물은 수분 활성도가 0.9 미만으로 떨어지면 분열을 중단하며, 실험실 환경에서 세포 분열을 유지하는 데 필요한 절대 최소 수분 활성도는 0.63보다 약간 높은 것으로 보고되었습니다.
새로운 연구에서 연구자들은 삶의 새로운 한계를 예측합니다. 그들은 생명체가 0.54 정도의 낮은 수분 활성도에서도 활동할 수 있다고 추정합니다.
스탠포드 과학자들은 전국의 동료들과 협력하여 지구상에서 가장 염도가 높은 물이 있는 사우스 베이 제염소에서 샘플을 수집했습니다. 그들은 소금 공장에 있는 다양한 염도의 연못에서 소금물을 모아서 수백 개의 병에 채우고 분석을 위해 스탠포드로 다시 보냈습니다.
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생명의 수분 활동 한계를 찾는 이전 연구에서는 순수 배양을 사용하여 세포 분열이 중단되는 지점, 즉 생명의 종말을 찾는 지점을 찾았습니다. 그러나 이러한 극한 상황에서는 수명이 두 배로 늘어나는 속도가 고통스러울 정도로 느립니다. 연구자들이 수명이 언제 끝나는지 테스트하기 위해 세포 분열에 의존한다면 수년간의 실험실 실험에 직면하게 될 것인데, 이는 파리와 같은 대학원생에게는 현실적이지 않습니다. 세포 분열에 대한 연구조차도 생명체가 언제 죽는지 알 수 없습니다. 실제로 세포는 대사적으로 활동적일 수 있으며 복제되지 않더라도 활력을 유지할 수 있습니다.
그래서 파리스와 데카스는 생명의 또 다른 한계, 즉 세포 활동의 한계를 결정하기 위해 야외 염전에서 미생물을 연구했습니다.
연구팀은 이전 연구에서 세 가지 주요 개선 사항을 적용했습니다. 첫째, 그들은 어떤 특정 종이나 계통이 강건할지에 대한 과학자들의 최선의 추측인 순수 배양이 아니라 실제 생태계를 사용했습니다. 염전에서는 환경이 자연적으로 이러한 특정 조건에 가장 잘 적응하는 복잡한 유기체 군집을 선택합니다.
둘째, 연구자들은 생명에 대해 보다 유연한 정의를 채택했습니다. 그들은 세포 분열뿐만 아니라 세포 형성도 생명의 특징으로 여겼습니다. "그것은 인간이 먹거나 성장하는 것을 보는 것과 약간 비슷합니다. 이는 활동적인 삶의 신호이자 복제에 필요한 서막이지만 보는 것이 훨씬 빠릅니다."라고 Decasse는 말했습니다.
수백 개의 염수 샘플(그 중 일부는 당밀만큼 짠맛이 있음)을 통해 그들은 물의 활동 수준과 염수의 탄소와 질소가 세포에 얼마나 잘 통합되었는지를 결정했습니다. 이 방법을 사용하여 그들은 세포의 바이오매스가 얼마나 증가했는지 감지할 수 있었으며 가장 작은 증가는 1%의 절반에 불과했습니다. 대조적으로, 세포 분열에 초점을 맞춘 전통적인 방법은 세포의 바이오매스가 대략 두 배로 증가한 후에만 생물학적 활성을 검출할 수 있습니다. 그런 다음 수분 활동이 감소함에 따라 과정이 어떻게 느려지는지에 기초하여 과학자들은 과정이 완전히 중단될 것이라고 예측합니다.
셋째, 다른 과학자들이 염수에 탄소와 질소가 대량으로 포함되는 것을 측정하는 동안 스탠포드 팀은 미국에서 소수에 불과한 희귀한 스탠포드 장비인 NanoSIMS를 사용하여 세포별 분석을 수행했습니다. 이 민감한 기술을 통해 그들은 대량 분석에서 활성 신호를 가릴 수 있는 다른 "절인된" 세포 중에서 개별 세포의 활성을 관찰할 수 있었고 낮은 검출 한계도 가능했습니다.
Decasse는 "환경 샘플의 단일 세포 생존 가능성 분석은 여전히 매우 드뭅니다."라고 말했습니다. "단일 세포 생존력 분석은 우리가 하는 일의 핵심이며, 단일 세포 생존력 분석이 더욱 광범위하게 이용 가능해짐에 따라 지구 기후 이해부터 인류 건강에 이르기까지 광범위한 관련성을 갖는 미생물 생태학의 발전을 보게 될 것이라고 생각합니다. 단일 세포 수준에서 미생물 세계에 대한 우리의 이해는 이제 시작에 불과합니다."
/ScitechDaily에서 편집됨