지구에서 가장 중요한 박테리아는?

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35억 년 전까지 지구상에는 광합성 능력을 가진 생명체가 전혀 없었다. 이 시기에 광합성하는 단세포 생물이 육지의 담수 속에 태어났다. 오늘날 시아노박테리아(남세균)라 불리는 가장 하등한 원시 생명체(원핵생물)에 속하는 이 박테리아는 진화를 거듭하는 동안 극한지대에서 열대까지 담수이든 해수이든, 진한 소금물이든, 온천수이든, 젖어있는 땅 어디든지 물이 있는 곳이면 그곳의 주인이 되어 증식하게 되었다.

 

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산소를 가장 많이 생산하는 미생물

이들은 모든 생명체 중에서 물속의 이산화탄소를 흡수하여 인간을 포함한 모든 동식물이 호흡하는데 필요한 산소를 가장 많이 생산하고 있으며, 동시에 이산화탄소를 가장 많이 감소시키고 있다.

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이 놀라운 박테리아는 대량 증식했을 때 물을 청록색으로 보이도록 하기 때문에 ‘청록조’라 불리기도 하고, 수중동물들의 1차 먹이가 되기 때문에 ‘식물성 플랑크톤’이라 불리기도 한다. 이들은 담수이든 해수이든 가장 양적으로 많은 중요한 플랑크톤인 것이다.

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시아노박테리아는 진화하면서 다양한 종류가 생겨나게 되었고, 그들 중에는 1개 세포 상태로 증식하는 것도 있고, 세포들이 긴 염주(실)처럼 이어진 모습이 되기도 하고, 몇 개의 염주가 서로 붙어 덩어리를 이룬 것도 생겨났다. 오늘날 과학자들은 그들의 종류를 1,600종 이상 발견하고 있다. 그들 중에는 나쁜 냄새와 맛, 독소를 가진 것도 있다.

 

 

 

 

시아노박테리아는 긴 진화 기간 동안 다양한 종류가 생겨났다. 사진의 종류는 단세포로 사는 것들이다.(자료 위키피디아)

 

 

 

 

일부 종류는 단세포가 실처럼 연결되거나, 실 형태가 서로 붙은 상태로 자란종류도 있다. 어떤 것은 핀의 머리 크기 정도로 크게 자라기도 한다.

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이런 시아노박테리아 무리는 최하등 생명체이지만 참으로 놀라운 능력을 가지게 되었다. 그들은 광합성만 아니라 공기 중의 질소 분자를 흡수하여 비료가 될 수 있는 유기질소를 생산하는 질소 고정 능력도 있고, 그 외에 온갖 화합물을 합성하는 생화학 기술도 진화시켰다.

 

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그러나 때때로 이들이 수면에 너무 많이 증식하면, ‘녹조’라 불리면서 비난의 대상이 되기도 한다. 그러나 알고 보면 지나치게 유기물이 오염된 물을 정화시키는 자연의 청소부 작용을 하고 있다.

 

 

 

 

시아노박테리아가 대량 증식한 호수의 물이 청록색을 보인다. 시아노박테리아에 의해 호수에 포함된 유기물이 다 흡수되면 시아노박테리아들은 수명을 다하고 바닥으로 가라앉게 되고, 호수는 다시 맑은 물로 정화된다.

 

 

 

 

이들은 핵이 없으며 유전자 구조도 매우 간단하여 70여 개의 라이보솜만 있다. 마이토콘드리아도 없고, 일반 식물이 가진 엽록소도 없다. 그 대신 그들은 그들만의 독특한 박테리아엽록소(bacteriochlorophyll)라는 광합성 능력이 있는 색소를 가지고 있다.

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바다에서 태양빛이 미치는 수면층에 가장 많이 증식하는 시아노박테리아는 물에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 광합성을 하면서 빠른 속도로 증식하기 때문에 산소만 최대량 생산하는 것이 아니라, 수중동물들에게는 최대량의 먹이가 되어 주는 1차 생산자 구실을 하고 있다.

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이들 무리 중에는 사해와 같은 진한 소금물에서 생존하는 능력을 가진 종류가 있고, 어떤 종은 가장 뜨거운 온천수에서 증식한다. 온천수가 솟는 곳에서는 화산의 분화구처럼 이산화탄소와 메탄가스가 대량 발생한다.

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시아노박테리아가 대량 증식하는 바다는 많은 물고기가 잡히는 어장이 된다. 그리고 바다 표면에서 강풍이 불어 파도와 함께 풍랑이 일 때는 많은 시아노박테리아가 물보라에 섞여 구름 높이까지 멀리 떠다니게 된다. 이런 경우 그들은 ‘대기 플랑크톤’이라 불리기도 한다.

 

 

이산화탄소를 해저에 대량 저장

지구가 처음 탄생했을 때는 대기 중에 산소의 양이 지극히 적었고 이산화탄소와 메탄가스가 가득했다. 그러나 시아노박테리아가 탄생하여 대량 증식하면서 이산화탄소는 줄어들고 대신 산소가 가득한 지금의 대기로 변했다. 그러니까 오늘날 인류가 숨쉬는 지구의 대기는 애초에 시아노박테리아가 만든 것이다.

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그들은 변함없이 광합성을 하여 이산화탄소를 줄이면서 대신 산소를 생산하고 있다. 과학자들의 조사에 의하면 시아노박테리아가 생산하는 탄소화합물의 양은 전 세계 기타 생명체가 생산하는 생물양의 50%가 될 것이라고 한다.

 

 

 

학명이 Arthrospira인 시아노박테리아는 지방질과 단백질, 비타민, 미네랄이 풍부한 식품이 될 수 있다.

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시아노박테리아의 특별한 다른 특징 하나는 증식 속도가 매우 빠른 것이다. 많은 종류가 24시간이면 2배로 증식한다. 녹조현상이 나타났을 때 그들의 증식속도가 얼마나 빠른지 짐작할 수 있다. 1개가 1주일이면 100개 이상으로 증식할 수 있는 것이다.

 

 

 

지구 온난화를 조절해줄 시아노박테리아

위에 소개한 내용을 이해하면, 시아노박테리아가 지구의 기후변화 즉 평균기온 상승을 막아줄 수 있는 생명체가 될 수 있다는 생각이 들 것이다. 하버드대학 위스 연구소(Wyss Institute)의 미생물학자 슈버트(Max Shubert) 박사팀은 시아노박테리아 중에서 특별히 증식 속도가 빠르고 이산화탄소를 대량 감소시키는 능력을 가진 종류를 찾으려고 노력해왔다.

 

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슈버트 박사는 최근 이탈리아반도 구두 끝 근처에 있는 화산섬(Aeolian archipelago) 주변 수심 1-4m인 얕은 바다에서 특별한 시아노박테리아 종류를 발견했다. 이 지역(Baia di Levantre) 해저에서는 화산가스가 끊임없이 분출하고 있었으므로, 이런 바다에는 이산화탄소를 특별히 좋아하는 시아노박테리아 종류가 증식하고 있을 가능성이 있다고 생각했던 것이다.

 

그의 연구팀은 이곳 바다에서 Synechococcus elongatus라는 학명을 가진 시아노박테리아를 여러 개체 채집하여 실험실에서 배양하면서 그들의 증식 속도와 광합성 능력을 조사했다. 이런 배양 실험을 하는 동안 연구팀은 ‘천커스’(Chonkus)라는 이름을 붙인 한 종류가 유난히 빨리 증식하는 돌연변이라는 것을 알게 되었다.

 

 

 

 

슈버트 팀이 발견한 천커스의 전자현미경 사진이다. 사진에서 흰 반점은 이산화탄소 방울이라고 생각되고 있다. 이 이산화탄소 방울은 천커스가 유난히 빨리 증식할 수 있는 원인이 되며, 이것이 무겁기 때문에 빨리 침전한다고 생각하고 있다.

 

 

 

시험관 속에서 배양된 시아노박테리아의 덩어리이다. 그들은 대부분 따뜻한 수온을 좋아한다.

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슈버트 박사팀은 시험관 속에서 배양하는 천커스가 유난히 빠르게 증식했고, 단세포 상태이던 그들이 대량 증식하면 서로 조밀하게 엉겨 붙었으며, 그 덩어리들은 쉽게 아래로 침전한다는 사실을 발견했다. 특히 그들의 덩어리는 무게가 무거웠기 때문에 매우 빠른 속도로 침전했다.

 

 

 

 

증식한 시아노박테리아들은 서로 엉겨 붙어 아래로 침전한다. 그러면 그들은 이산화탄소를 해저에 저장해두는 결과를 가져온다. 심해 바닥에 가라앉은 그들이 분해되어 다시 해수면까지 순환되는 데는 약 600만 년이 걸릴 것이라고 과학자들은 추정한다. 다시 말해 시아노박테리아는 해수 속의 이산화탄소를 수거하여 해저에다 600만 년간 저장해둘 수 있는 것이다.

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천커스 시아노박테리아를 발견한 슈버트 팀은 2024년 10월 29일에 발간된 학술지 <Applied and Environmental Microbiology>에서 다음과 같은 사실을 밝혔다. 즉 “천커스는 바다에 증식하는 어떤 시아노박테리아 종류보다 이산화탄소를 대량 흡수하면서 빠르게 증식하여 해저에 가라앉기 때문에 천커스를 인위적으로 대량 증식시켜 세계의 바다에 살게 하면 이산화탄소 감축에 큰 효과를 볼 수 있을 것이다.”

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이 논문에 의하면, 일반 시아노박테리아는 평균 하루에 1회 정도 증식하지만, 천커스는 배양액 속에서 2.35시간에 1회씩 분열할 정도로 빨리 불어났으며, 플라스크에 가득 자라면 배양액 1리터 속의 천커스 무게가 31g이나 되었다. 그들이 전 세계 바다에서 이렇게 빠른 속도로 증식한다면, 단시간에 대량의 이산화탄소를 해저에 저장하여 기후변화로부터 지구를 살릴 가능성이 있는 것이다.

-YS

 

 

<참고 자료>

Journal:​M.G. Schubertet al.Cyanobacteria newly isolated from marine volcanic seeps display rapid sinking and robust, high-density growth. Applied and Environmental Microbiology. Vol. 90, October 29, 2024.

 

 

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