지구 땅속 5km에 엄청나게 많은 미생물이..어디서 왔을까

  https://news.v.daum.net/v/20190112120053664

땅속 미생물 무게를 다 합치면 70억이 넘는 인류 전체 몸무게보다 수백 배 많다고 한다.
지난달 10일 ‘심층 탄소 관측팀(Deep Carbon Observatory)’이 발표한 내용이다.

이 심층 탄소 관측팀은 50개국 연구진으로 구성돼 있고, 이들은 지난 10년 동안 지구 내부 비밀을 캐기 위해 공동연구를 진행했다.
이들은 가장 오염되지 않은 지구 심층, 즉 ‘지구 심층의 갈라파고스’를 탐사해 5㎞ 깊은 곳에서도 미생물이 존재한다는 사실을 밝혀냈다.

그렇다면 산소도 햇빛도 없는 그렇게 깊은 곳에서 미생물은 어떻게 생존할 수 있었을까.

시료에서는 미생물, 즉 세균과 고세균(古細菌, Archea) 세포, 그리고 죽은 세포가 발견됐다. 일부 진핵생물도 들어있었다.
세균·고세균뿐만 아니라 현미경으로 봐야 볼 수 있는 곰팡이나 원생동물, 조류(藻類) 등 진핵생물도 미생물로 분류된다.

연구팀은 분석 결과를 종합해 미생물이 분포하는 ‘심층 생물권(deep biosphere)’ 규모를 20억~23억㎦로 추산했다.
이는 바닷물 부피 거의 두 배에 해당한다.

생물권(生物圈, Biosphere)은 지구 대기·토양·해양 등에서 생물이 살고 있는 영역을 말한다.
지금까지 땅속 암석권(巖石圈, Lithosphere)은 지표면의 얕은 토양을 제외하고는 사실상 생물권에서 제외됐는데, 이번 연구결과로 암석권 가운데 적지 않은 부분이 생물권에 포함되는 셈이다.

또, 심층 생물권에 있는 생물체 탄소량은 150~250억t으로 ㎦당 평균 7.5t에 이른다.
인류 전체 탄소량과 비교하면 245~385배에 해당한다.

연구팀은 지구 전체 세균·고세균의 70%는 지표면 아래 존재한다고 지적했다.
하지만 1㎤에는 세균이 1000마리 수준이어서 눈에 보이지 않는 세균을 찾는 일은 짚더미에서 바늘 찾는 격이다.

연구팀은 보도자료를 통해 “땅 위 세균과 비교할 때 심층 미생물들은 훨씬 종류가 다양하고, 아주 느리게 성장한다”고 지적했다.
일부 세균은 실험실에서 자라는 세균에 비해 호흡 속도가 1만분의 1 수준에 불과하다,
대신 세포 수명은 수백 년에서 수천 년에 이를 정도로 엄청나게 길다.

이 같은 결과를 받아든 연구팀은 새로운 문제를 안게 됐다.
이들 미생물은 어디서 왔을까, 어떻게 퍼져나갔을까, 살아가는 데 필요한 에너지는 어디서 얻을까 하는 의문이다.

암석에 들어있는 우라늄이 붕괴할 때 나오는 방사선은 물(H2O) 분자 2개를 쪼개 과산화수소(H2O2)로 만들고, 이 과산화수소는 주변의 황화물(sulfide)을 황산염(sulfate)으로 바꿔준다.
세균은 과산화수소가 만들어질 때 남은 수소(H)를 활용해 황산염을 다시 황화물로 환원시키는데, 이 과정에서 세균은 에너지를 얻는다.

이 세균은 성장을 위해 주변의 암모니아와 유기물을 흡수해 사용하지만, 암모니아와 유기물이 없으면, 질소 가스나 이산화탄소를 직접 이용하기도 한다.

2013년 미국 노스캐롤라이나대학 연구팀은 북미 북서부 수심 2.6㎞ 바다 밑 지각층을 350~580m 파 내려가 채취한 암석 표본에서 미생물을 찾아냈다.
이들 미생물도 화학반응을 통해 에너지를 얻는 것으로 추정됐다.

해양 지각층에는 작은 구멍들이 혈관처럼 뚫려 있고, 그 구멍 사이로 물이 드나든다.
이 물이 현무암이나 감람석에 들어있는 철 성분과 반응해 수소를 발생시키고, 미생물은 이 수소를 에너지를 이용해 이산화탄소를 유기물로 만들게 된다.

일부 과학자들은 깊은 땅속에 미생물이 존재하는 이유를 지구 판구조론으로 설명한다.
바다 밑에서 용암이 솟아나고, 바닷물과 만나 식으면서 새로운 암석으로 탄생한다.
이 해양 지각은 융기 점에서 먼 곳으로 이동하다가 다른 판 아래로 밀려 들어가기도 하는데, 그런 과정을 겪으면서 미생물이 땅속으로 들어가게 됐다고 추정한다.

지난해 11월 미국 앨라배마 대학 연구팀은 건강한 사람 뇌 조직에 세균이 있다는 연구결과를 공개해 주목을 받았다.
뇌와 혈관을 가로막는 장벽을 세균이 뛰어넘었다는 것이다.

사람 몸속에는 엄청난 수의 미생물이 들어있다. 대략 100조(兆) 마리의 미생물이 살고 있다.
피부 1㎠ 넓이에도 무려 세균 10만 마리가 살고 있다.

미생물 세포는 사람 몸무게의 1~3%를 차지한다.
체중 200파운드(90.7㎏) 무게를 가진 성인이라면 몸속에는 2~6파운드(0.9~2.7㎏)에 이르는 미생물을 지니고 있다.

인간이 가진 유전자가 2만2000개라면 이들 미생물이 가진 단백질 생산 유전자는 800만개에 이른다.
미생물은 ‘제2의 유전체’라고 부르는 이유다.

바닷물 1L 속에는 세균 100만 마리가 살고 있다.
하지만 이는 실제 실험실에서 배양할 수 있는 세균 숫자일 뿐이다.
배양하지 못하는 세균, 현미경으로 관찰되는 세균까지 포함한다면 바닷물 1L에는 10억 마리가 살고 있다고 봐야 한다.

이 세균은 대신 세포 크기가 대장균 세포에 비해 10분의 1에서 100분의 1에 불과했다.
이런 초소형 몸집 덕분에 혹독한 조건에서도 살아남을 수 있었던 셈이다.
연구팀은 “이들 미생물은 빙하가 형성될 때 얼음 틈 사이로 밀려 들어가 그곳에서 살게 됐다”며 “얼음 속에도 영양분이 있을 수 있어 생존이 가능했을 것”이라고 추측했다.

북극의 해저 퇴적토에서 분리한 ‘콜웰리아 사이크레리트래아(Colwellia psychrerythraea) 균주 H34’는 따뜻한 곳보다 추운 환경을 좋아한다.
영상 8도에서 가장 잘 자라지만 영하 1도에서도 자랄 수 있다.
더욱이 액체 질소와 같은 온도인 영하 196도에서도 견디는 것으로 과학자들은 보고 있다.

차가운 것을 좋아하는 미생물들은 세포가 얼지 않도록 부동성(不凍性) 단백질을 생산하는 경우가 많다.

2003년에는 미국 서부 연안에서 320㎞ 떨어진 수심 2400m 해저 열수구에서 ‘지오젬마 바로시아이(Geogemma barossii)라는 세균이 발견됐다.
이 균은 의료용 멸균기 온도인 섭씨 121도에서 10시간 동안 가열해도 죽지 않았을 뿐만 아니라 번식까지 했다.

보통 미생물은 멸균기를 121도에서 15분 정도 가열하면 다 죽지만, 이 세균은 130도로 가열했을 때야 죽었다.
그래서 ‘균주 121’이란 이름을 얻었다.

미생물은 대류권과 성층권은 물론 고도 50㎞에 이르는 성층권계면(stratopause)에서도 발견된다.
성층권계면에서는 온도가 0도 정도로 낮고, 압력도 해수면 기압과 비교하면 100분의 1 수준으로 매우 낮다.

성층권계면의 온도는 그 아래 성층권이나 그 위 중간권(mesosphere)보다는 높다.
대류권과 성층권 사이 대류권계면(tropopause)은 고도가 10㎞ 남짓이지만 기온은 영하 50~60도나 된다.

하지만 하늘 높은 곳 성층권계면에는 강한 자외선도 존재한다.
성층권계면은 지구 생명을 보호하는 성층권 오존층보다 고도가 높다.
자외선은 DNA를 파괴해 미생물 세포가 번식하는 것을 방해한다.

물론 미생물 중에서는 강력한 방사선에 노출돼도 살아남을 수 있는 종류도 있다.
지난해 10월 환경부 산하 낙동강생물자원관에서는 방사선과 자외선에 강한 새로운 미생물을 발견해 ‘데이노코쿠스 코렌시스(Deinococcus korensis)’로 명명했다.
이 세균은 2017년 6월 섬진강 유역에서 처음 분리했다.

데이노코쿠스 속(屬)의 대표 종(種)인 데이노코쿠스 라디오듀란스(Deinococcus radiodurans)는 1956년 미국에서 처음 발견됐다.
방사선으로 멸균했는데도 통조림 속에서 발효가 진행되는 것을 보고 조사를 하던 과정에서 발견됐다.

사람의 경우 10 그레이(Gy·방사선 에너지 흡수량 단위)의 방사선에 노출돼도 수 일내 사망하지만, 이 데이노코쿠스 라디오듀란스는 5000 그레이에서도 살아갈 수 있다.

데이노코쿠스 라디오듀란스는 방사선에 대한 저항력뿐만 아니라 낮은 온도, 건조한 곳, 산소가 없는 곳, 강한 산성에도 살아갈 수 있는 다중 극한 생물(polyextremophile)이다.
지구 상에서 가장 강한 세균으로 기네스북에 등재되기도 했다.

혐기성 미생물 중에는 절대(obligate) 혐기성인 종류와 조건(facultative) 혐기성인 종류가 있다.

절대 혐기성 미생물에게는 산소 자체가 해로운 물질로 작용한다.
산소가 쪼개져서 만들어지는 산소 라디칼을 방어하지 못하기 때문이다.

심해 열수공 인근에 사는 세균이나 보툴리눔 독소증(botulism)을 일으키는 클로스트리듐 보툴리눔(Clostridium botulinum)이 대표적인 사례다.
이들은 발효하면서 살아가거나, 산소 대신 황산염 같은 다른 화학물질을 이용하는 혐기성 호흡을 한다.

산소 내성 미생물의 경우는 보통 발효를 통해 에너지를 얻는다.

산소를 적극적으로 활용하는 미생물은 호기성(好氣性, aerobic) 미생물이라고 한다.