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(번역) 빛이 거의 없을 때 생명은 어떻게 일어날까요?

북극의 칠흑같이 어두운 극지방의 밤에 해빙 아래에서 세포는 자연계에서 관측된 가장 낮은 조도에서 광합성을 합니다.

소개

생명체의 엔진은 대부분 햇빛으로 작동합니다. 광자는 대기를 통해 여과되어 식물과 조류와 같은 빛으로 움직이는 유기체에 의해 열심히 흡수됩니다. 광합성을 통해 빛 입자는 세포 반응을 일으켜 화학 에너지(당분 형태)를 생산하고, 이 에너지는 초식동물, 포식자, 청소부, 분해자 등의 복잡한 먹이 그물망을 통해 전달됩니다.

밝고 화창한 날에는 광자가 풍부하게 돌아다닐 수 있습니다. 하지만 어두운 곳에서는 어떤 일이 일어날까요? 생물학자들은 세포의 광합성 기계가 이산화탄소를 산소와 에너지로 처리하기 위해 얼마나 적은 빛으로 광합성을 할 수 있는지, 또는 얼마나 많은 광자가 얼마나 빨리 도착해야 하는지에 대해 오랫동안 궁금해해왔습니다. 계산에 따르면 이론적으로 초당 평방미터당 약 0.01마이크로몰의 광자, 즉 맑은 날의 빛의 10만 분의 1도 안 되는 광자가 이론적으로 최소라고 합니다.

수십 년 동안 이 계산은 저조도에서 광합성을 연구하는 데 어려움이 있었기 때문에 이론적인 계산에 불과했습니다. 지구상에는 빛이 거의 닿지 않는 곳이 많지만 아무도 현장에서 이를 확인할 수 없었습니다. 예를 들어 북극의 높은 북극에서는 매년 겨울이면 지구의 기울기에 가려진 태양이 몇 달 동안 사라집니다. 수 미터의 눈이 해빙을 덮고 들어오는 빛을 차단하여 차가운 바다는 무덤 속처럼 어두워집니다. 생물학자들은 물과 얼음 속에 사는 광합성 미세조류가 계절을 위해 전원을 끄고 따뜻함과 빛이 돌아오기를 기다리는 것으로 추정했습니다.

독일 알프레드 베게너 연구소의 생지화학자 클라라 호페는"사람들은 극지방의 밤을 생명체가 거의 없는 사막과 같이 모든 것이 잠자고 동면하며 다음 봄이 오기를 기다리는 곳이라고 생각했습니다."라고 말합니다. "하지만 실제로 사람들은 한 번도 그것을 본 적이 없었습니다."

알프레드 베게너 연구소의 생지구화학자 클라라 호페는 수개월 동안 계속되는 북극의 밤 어둠 속에서 광합성의 한계를 탐구했습니다.

2020년 겨울, 호페는 어둠 속에서 광합성의 한계를 연구하기 위해 몇 달 동안 빙원에 박힌 배 위에서 극지방의 밤을 보내며 생활했습니다. 호페 연구팀은 최근 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications )에 발표한 연구에서 이론적 최소 조도 또는 이에 근접한 조도에서 미세조류가 성장하고 번식하는 것을 보고했는데, 이는 이전에 자연에서 관찰된 것보다 훨씬 낮은 수준입니다.

이 연구는 지구상에서 가장 춥고 어두운 곳에서도 극미량의 빛으로 생명체가 피어난다는 것을 보여줍니다. 연구에 참여하지 않은 캐나다 마운트 앨리슨 대학교의 수생 광합성 전문가 더글러스 캠벨은"적어도 일부 식물성 플랑크톤은 일부 조건에서 매우 낮은 빛에서도 매우 유용한 일을 할 수 있습니다."라고 말했습니다. "중요한 연구입니다."

어두운 면의 힘

과학자들은 전통적으로 북극을 일 년 내내 정체의 장소로 이해해 왔습니다. 겨울에는 추운 바다를 떠날 수 있는 생물은 그렇게 하고, 남아있는 생물은 저장된 비축 에너지로 살아가거나 조용한 잠에 빠져듭니다. 그러다가 태양이 돌아오면 이곳은 다시 활기를 되찾습니다. 봄이 되면 광합성을 하는 해조류와 기타 미생물이 급증하면서 북극 생태계가 활기를 되찾고 작은 갑각류, 물고기, 물개, 새, 북극곰, 고래 등 다양한 동물들이 한 해 동안 활기를 되찾습니다.

호페는 경쟁자들보다 일찍 출발할 수 있는 식물성 플랑크톤이 더 성공적인 여름을 보낼 수 있다고 생각했습니다. 그래서 호페는 유기체가 정확히 언제 빛이 돌아오면 반응할 수 있을지 궁금해졌습니다.

2015년 노르웨이 트롬쇠 대학의 연구진이 주도하는 연구 프로젝트에 참여하면서 그녀의 관심은 더욱 커졌습니다. 여러 분야로 구성된 연구팀은 스발바르 군도의 겨울 바다에서 예기치 않게 번성하는 생태계를 발견했는데, 특히 조개와 같은 일부 생물은 여름보다 더 활발하게 활동하는 것으로 나타났습니다. 놀랍게도 식물성 플랑크톤도 잠들어 있지 않았습니다: 호페는 바닷물에서 광합성 활동의 유용한 지표인 색소 엽록소의 수치가 예상보다 높게 측정되었습니다. 호페가 발견한 많은 세포는 수면 퇴적물 속으로 가라앉아 휴면 모드에서 겨울을 나는 대신 세포 활동이 완전히 가동되는 활발한 겨울을 보내고 있었습니다.

"호페는 "만약 이런 것들이 활동 중이라면 문제는 분명해집니다: 언제 다시 생태계를 위해 기능하기 시작할까요?"라고 말합니다. 그녀는 광활하고 차가운 검은 바다에 대해 궁금해지기 시작했습니다.

쇄빙선 RV 폴라스턴은 2019년 가을에 빙원에 부딪힌 후 엔진을 꺼버렸습니다. 몇 달 동안 해빙과 함께 표류하며 북극의 극지방 밤의 물리, 화학, 생물학을 연구하는 과학자들의 기지로 사용되었습니다.

2020년 초, 호페는 일부러 빙원에 부딪혀 엔진을 끈 채로 극지방의 밤을 표류하도록 방치한 쇄빙선에 올라 광합성의 한계를 직접 시험해 보았습니다. 북극 기후 연구를 위한 다학제 표류 관측소인 모자이크 탐험대의 과학자들로 구성된 교대 근무팀은 북극의 겨울에 대한 데이터를 최대한 많이 수집하기 위해 RV 폴라스턴에 탑승해 여정을 이어갔습니다.

호페와 동료들은 24시간 밤의 어둠 속에서 반짝이는 얼음과 영하 76도까지 내려가는 칼바람 속에서 작업을 진행했습니다. 얼음에 생긴 균열과 융기 때문에 오션 시티(Ocean City)라는 이름의 영구적인 얼음 구멍으로 경로가 계속 바뀌었고, 호페와 그녀의 팀은 수백 리터의 해수 샘플을 채취하여 분석을 위해 배로 가져왔습니다.

연구팀은 두 가지 측정을 병행했습니다. 먼저 바닷물과 해빙에서 미세조류 샘플을 선상 실험실로 가져갔습니다. 그곳에서 세포를 배양하고 탄소(동위원소 또는 원자핵의 중성자 수로 추적 가능)와 미세한 양의 빛(얼음 아래에서 사용할 수 있는 것보다 훨씬 많지만)을 제공했습니다. 연구진은 세포의 탄소 흡수율을 측정하여 유기체의 광합성 능력의 한계를 추정할 수 있었습니다.

연구진은 또한 정기적으로 바닷물 샘플을 채취하여 시간에 따라 존재하는 식물성 플랑크톤과 엽록소의 양을 추적했습니다. 호페는 2월 내내 두 수치는 모두 정적인 상태를 유지했다고 말했습니다. 그러나 3월 말에는 미세 조류의 탄소 흡수량과 세포 수, 그리고 성장과 광합성의 대리자인 엽록소의 농도가 급증했습니다. 호페와 그녀의 팀은 여러 가지 가능한 설명을 테스트하고 배제한 결과, 광합성 증가가 봄철 첫 햇빛이 돌아오는 시기와 일치한다는 사실을 알아냈습니다.

빙상의 과학 캠프인 오션 시티(왼쪽)에서 연구원들이 얼음에 뚫린 영구 구멍(오른쪽)에서 해수를 채취하고 있습니다. 빙원이 북극을 가로질러 표류함에 따라 샘플링된 지역이 바뀌었습니다.

왼쪽: 알프레드 베게너 연구소/에스더 호르바스, 오른쪽: 알프레드 베게너 연구소/마이클 구치

그러나 중요한 증거는 탐험이 끝난 지 3년 후에야 다른 부서의 연구자들, 즉 해빙 아래에서 빛을 측정하는 물리학자들로부터 나왔다고 호페는 말했습니다. "측정하려는 환경을 방해하지 않고는 얼음 아래에서 빛을 측정할 수 없습니다."라고 호페는 말합니다. "구멍을 뚫고 걸어 다니기 때문에 눈과 얼음 위를 걷는 발자국만 있어도 빛의 장이 바뀔 수 있습니다."

이 문제를 해결하기 위해 해빙 물리학자인 닐스 푹스와 그의 팀은 RV 폴라스턴에 탑승하여 시즌 초에 매우 정밀한 광센서를 빙원 주변에 배치하고 겨울 동안 얼음 밑바닥에 얼어붙게 했습니다. 야생동물 생물학자가 오지에 설치한 트레일 카메라처럼 이 광센서는 수개월 동안 방해받지 않고 얼음 밑의 빛에 대한 데이터를 기록했습니다.

2월에는 극지방의 밤이 거의 절대적으로 어두웠고, 밝은 달이나 찰나의 황혼에서 나오는 광자조차도 어두운 바닷속까지 도달하지 못했습니다. 그러던 3월 말, 지평선 너머로 태양이 잠시 모습을 드러냈습니다. 그 얼음 아래에서 광센서는 천문학적으로 적은 수의 광자, 즉 광합성이 작동할 수 있는 이론적 최소 빛의 양에 매우 근접한 초당 0.04 마이크로몰의 상한 범위를 기록했습니다. 실제 빛의 양은 이보다 더 적었을 것입니다.

함부르크 대학의 얼음 전문가이자 이번 연구의 공동 저자인 푹스(Fuchs)는 "우리가 관찰한 빛은 보통 맑은 날과 비교하면 3리터에 해당하는 물방울 한 방울과 같습니다."라고 말했습니다.

물리학자 닐스 푹스는 해빙을 투과하는 빛의 양을 측정하기 위해 광센서를 빙원에 얼린 후 수개월 동안 방해받지 않고 데이터를 기록하도록 두었습니다.

그는 이 추정치는 보수적인 수치이며, 더 적은 수의 광자가 통과했을 가능성도 있다고 덧붙였습니다. "얼음 덮개는 상당히 이질적입니다."라고 그는 설명했습니다. 빙상의 일부가 다른 부분보다 더 많은 빛을 통과시킬 수 있기 때문에 연구팀은 빛 측정의 상한 임계값을 선택했습니다. "결국에는 약간의 다양성이 존재하며, 우리는 정말 안전한 편에 서고 싶었고, 이것이 실제로 빛의 양이라고 100% 확신할 수 없는 하한선에 걸지 않기를 원했습니다."

푹스의 빛 데이터와 호페의 미세조류 관찰 데이터를 결합하여 결론을 내렸습니다: 3월 말, 가장 적은 양의 햇빛이 돌아왔을 때 미세조류는 광합성 기계를 가동했을 뿐만 아니라 성장하고 바이오매스를 만들고 있었습니다. 연구팀은 이론적으로 최소한의 광합성을 현장에서 관찰한 최초의 사례로, 빛의 양이 이전에 자연에서 관찰된 것보다 훨씬 낮은 수준에서 광합성을 관찰했다는 결론을 내렸습니다.

더 이상 잠들지 않기

호페는 생명을 유지할 수 있는 최소한의 빛의 양 또는 그 근처에서 광합성을 관찰할 수 있다는 사실에 흥분했습니다. 하지만 이 발견은 한 가지 의문을 제기했습니다: 봄의 첫 빛이 얼음을 뚫고 들어오는 바로 그 순간에 어떻게 휴면 세포가 기계 장치를 켤 준비를 할 수 있을까요?

연구팀은 극지방의 가장 어두운 밤에는 미세조류의 탄소 흡수량이 측정할 수 있을 정도로 증가하지 않았고, 성장하거나 광합성을 하지 않았다는 사실을 발견했습니다. 하지만 완전히 휴면 상태도 아니었습니다. 세포는 저전력으로 계속 작동했습니다. 그러다 3월 말에 조도가 활성탄 고정을 지원할 수 있을 만큼 충분히 높아지자 조류는 폭발적으로 활동할 준비를 마쳤습니다.

캠벨은 "이것은 일종의 모판이나 접종 문제와 같습니다."라고 말합니다. "정말 낮은 빛을 생산적으로 활용하는 능력은 생존 능력을 향상시키고 빛이 돌아왔을 때 빠르게 움직일 수 있는 준비를 갖추게 합니다."

연구진은 미세조류가 어떻게 가장 어두운 시간 동안 휴면 상태에서 벗어나 생존할 수 있었는지 완전히 확신하지 못합니다. 규조류와 같은 일부는 물 속에 녹아 있는 유기 영양분을 직접 섭취할 수 있습니다. 또는 얼음의 균열을 통과하거나 생물 발광 생물이 방출하는 미량의 광자를 통해 살아갈 수도 있습니다. 또는 극지방 조류가 추운 온도에서 신진대사를 낮게 유지할 수 있는 독특한 메커니즘을 진화시켜 날이 밝으면 바로 활동할 수 있도록 준비했을 수도 있습니다.

이 연구에 참여하지 않은 플리머스 해양연구소의 플랑크톤 전문가 케빈 플린은 이러한 적응이 이 지역의 생태에 중요할 수 있다고 말했습니다. "유기체들은 우리가 생각하는 것보다 더 일찍 준비하고 있을 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. 이 발견은 "자연이 실제로 무엇을 하는지에 대한 현실을 확인하는 중요한 작업"입니다.

그러나 그는 세포의 3월 말 성장이 광합성을 통해 일어났다는 것을 완전히 확신하지는 못했습니다. 그는 "엽록소의 출현이 세포가 광합성을 통해 성장하고 있다는 것을 의미하지는 않는다"고 말했습니다. "단순히 유기물에서 더 많은 엽록소를 만들고 광합성을 준비하기 위한 것일 수 있습니다. 계절이 바뀌면 빛이 들어오기 때문입니다. 그리고 다른 유기체보다 더 빨리 준비된 유기체가 가장 빨리 성장할 것입니다."

반면 캠벨은 조류가 호페 연구팀이 제안한 것보다 더 일찍 광합성을 할 가능성이 있다고 생각합니다. 그는 빛의 양에 대한 그들의 추정치는 보수적이었으며, 광합성은 측정하기 쉬운 종류의 바이오매스 축적보다 훨씬 이전에 일어났을 수 있다고 말했습니다. 따라서 "이러한 것들이 생화학적 열역학적 한계에 근접하거나 그 아래에 있다는 것이 가능하다"고 그는 말했습니다.

이 연구 결과는 북극의 극지방 밤과 그 너머의 생명체에 대한 새로운 그림을 그려줍니다. 생명체가 여름의 짧은 몇 달 동안만 존재하는 것이 아니라, 일 년 내내 생산적이거나 최소한 여전히 살아 있을 수 있다는 것입니다. 호페는 이것이 북극 생물의 생애 주기, 상호작용, 에너지 비축량에 대한 우리의 이해를 다시 쓸 수 있다고 말합니다.

그녀는 북극 식물 플랑크톤이 거의 절대적인 어둠을 이겨내는 능력이 심해의 더 차갑고 어두운 바다에 있는 일부 조류와도 공유될 수 있을지 궁금해합니다. 그녀의 말이 맞다면, 생산적인 바다의 영역은 생각보다 더 깊을 수 있습니다. "호페는 "극지방의 식물성 플랑크톤이 이러한 메커니즘을 진화시킬 수 있었다면, 다른 지역의 식물성 플랑크톤도 똑같이 할 수 있을 것이라고 확신합니다."라고 제안했습니다.