해양 과학자들은 해양 생태계에 대한 화석 연료 배출의 치명적인 효과를 오랫동안 밝혀온 바 있다. 미국 캘리포니아 대학 산타 바바라(UCSB; University of California, Santa Barbara, UC Santa Barbara) 소속의 연구진은 미세한 껍질이 덮여 있는 식물에서 환경 영향에 대한 복원력(resilience)을 확인했으며, 이 연구 결과는 해양 생명체의 미래가 어둡지만은 않다는 사실을 제안하고 있다.
대기 중 이산화탄소의 증가로 인한 해양 산성화는 중요한 석회화 해양 유기체(calcifying marine organism)의 생리학에 영향을 끼칠 것으로 예측되지만, 변화의 특성과 크기는 아직까지 확립되지 않았다. 석회비늘편모류(coccolithophore)에서 수많은 종과 가계가 해양 산성화에 대하여 다양한 석회화 반응을 나타내지만, 이면에 감추어진 생화학적 특성은 규명되지 않은 채 남아 있다.
화석 연료 배출이 증가함에 따라, 해양에 흡수되어 용해되는 이산화탄소의 양은 해양 pH 수준을 낮춘다. pH가 감소함에 따라 껍질을 지닌 해양 종은 용해되기 시작할 수 있거나 또는 탄산칼슘(calcium carbonate)을 만드는 것이 더욱 어려워질 수 있다. 탄산칼슘은 껍질을 지닌 해양 종이 껍질을 구축하는데 사용하는 백악질 물질이라고 UCSB 생태, 진화 및 해양 생물학부 교수인 Debora Iglesias-Rodriguez는 밝혔다.
Iglesias-Rodriguez와 박사 후 연구원인 Bethan Jones 등의 연구진은 현미경으로만 볼 수 있는 작은 식물에 대한 해양 산성화(ocean acidification)의 영향에 관한 대규모 연구를 주도했다. EPOCA(European Project on Ocean Acidification)가 후원한 이 연구는 PLoS ONE 저널에 발표됐으며, 미래 해양 조건에서 석회화를 유발하는 물질(calcifier)의 활성 또는 껍질을 만드는 생물에 관한 전통적인 사고에 반하는 연구 결과를 제안했다.
해양 산성화가 악화되고 있으며, 실제로 석회화에 악영향을 초래하고 있다는 이야기는 오래 전에 출현했다고 Iglesias-Rodriguez는 밝혔다. Iglesias-Rodriguez 연구팀은 해양 석회비늘편모류(marine coccolithophore)의 일종인 에밀리아니아 헉슬레이(Emiliania huxleyi, E. huxleyi) 종이 높은 농도의 이산화탄소가 함유되어 있는 해수 조건에서 실제로 껍질이 더 커졌다는 것을 발견했다. 연구팀은 석회화(calcification)가 산성화에 따라 감소되는 경향이 있다는 것을 인정하는 한편, 연구진이 해수에서 모든 껍질을 가지는 유기체, 해양 성게 및 해양 산호 등에서 다양한 반응이 나타난다는 것을 확인했다고 Iglesias-Rodriguez는 밝혔다.
에밀리아니아 헉슬레이는 해양 먹이 사슬을 비옥하게 만들고, 광합성 공정을 통하여 탄소를 처리함으로써 산소를 생성시키는 거대한 해양을 규제하는 껍질 생산자 집단이다. 따라서 이러한 해양종의 생존은 해양 시스템 안팎의 유기체에 영향을 끼친다. 그러나 대기 중 이산화탄소의 수준이 증가함에 따라 해수는 산성 수준으로 pH 값이 내려가고, 산성 환경은 덜 우호적이 될 수 있다.
UCSB 연구는 현재의 수준보다 이산화탄소 수준이 4배 더 높은 미래의 조건에서 에밀리아니아 헉슬레이의 생화학이 어떻게 변화하는지를 규명하기 위하여 숏건 프로테오믹스(shotgun proteomics, 숏건 단백질 유전 정보학 연구)라고 알려진 접근 방법을 결합했다. 이러한 접근은 광합성과 같은 개별적인 공정에서 관찰되는 것과는 반대의 환경에서 모든 변화와 영향을 조명하는 보다 폭넓은 조사 결과를 얻게 해주었다.
숏건 프로테오믹스는 세포의 기계가 해양 산성화에 의해 어떻게 조절되는지를 이해하기 위하여 단백질의 유형, 양 및 변형 등을 조사한다. 완벽한 접근은 없다고 Iglesias-Rodriguez는 밝혔다. 모든 방법에는 위험 부담이 있지만, 이 방법이 시스템으로부터 많은 정보를 얻을 수 있는 방안이라고 연구진은 생각하고 있다. 자연적인 해양 조건을 반영하기 위하여 연구팀은 에밀리아니아 헉슬레이를 성장시키는 데 0.5톤 이상의 해수를 사용했으며, 현재 수준의 탄소 수준과 미래의 높은 탄소 수준을 재현하기 위하여 이산화탄소에서 거품을 만들었다. 연구팀은 단백질을 충분하게 축적하여 분석하기 위하여 식물이 성장하기 충분한 6개월에 걸쳐 실험을 수행했다.
이 연구에서 연구진은 iTRAQ(tandem mass-spectrometry with isobaric tagging)와 두 가지 이산화탄소 조건에서 에밀리아니아 헉슬레이의 세포에서 별도로 발현되는 단백질을 규명하기 위하여 다수의 데이터베이스를 조사하는 방안을 결합하는 접근을 채용했다. 두 가지 이산화탄소 조건은 현재의 이산화탄소 수준을 재현하는 395 p.p.m.v.와 미래의 이산화탄소 수준을 재현하는 ~1340 p.p.m.v.이었다.
연구팀은 더 높은 이산화탄소에 노출된 에밀리아니아 헉슬레이 세포가 그 크기가 더 커졌으며, 현재의 조건에서 성장하는 것보다 더 많은 껍질을 함유하고 있다는 사실을 발견했다. 더 느리게 성장하는 것을 제외하고, 보다 더 높은 이산화탄소 수준은 숏건 프로테오믹스를 이용하여 측정했을 때, 생화학 수준에서 세포에서조차 영향을 끼치지 않는 것으로 보인다.
보다 더 높은 이산화탄소 수준에 노출된 에밀리아니아 헉슬레이의 세포는 현재의 이산화탄소 수준에 노출된 에밀리아니아 헉슬레이 세포보다 더 많은 세포상 입자 형태인 무기탄소 즉 방해석(calcite, CaCO3), 입자상 유기 질소 및 탄소 등을 함유하고 있었다. 이것은 세포가 상승된 이산화탄소 조건에서 더 느리게 성장하는 결과를 낳았다. 높은 이산화탄소 조건에서 석회비늘편모류는 더 커졌으며, 세포는 더 큰 코콜리스(coccolith, 백악(白堊)이나 심해의 연니(軟泥) 속에서 볼 수 있는 석회질의 작은 조각들)를 보유한다. 현재 수준의 이산화탄소 조건에서 성장한 세포는 이러한 기형이 나타나지 않았다. 석회화 속도, 입자상 유기 탄소 생성 또는 세포의 유기 탄소 등에서는 유의한 차이가 관찰되지 않았다. 질소 비율에서는 차이가 관찰됐다. 따라서 관찰된 결과는 세포의 영양분 제한 또는 새로운 환경 순응과 관련이 없다는 것을 알 수 있다.
석회화를 유지했지만 분화 속도가 지연됐기 때문에, 에밀리아니아 헉슬레이가 가지고 있는 방해석의 양이 증가됐다고 Iglesias-Rodriguez는 밝혔다. 에밀리아니아 헉슬레이는 더 적은 세포를 얻었지만, 현재의 해수 조건 하에서 나타나는 세포처럼 건강하게 보이고, 따라서 껍질이 단순한 용해로 사라지지 않았다고 Iglesias-Rodriguez는 설명했다.
연구팀은 이러한 생물종 표본이 매우 높은 이산화탄소에서조차 견딜 수 있는 생화학 메커니즘을 가지고 있는 것으로 추정하고 있으며, 보다 더 느린 성장이 문제가 될 수 있다고 강조했다. 만약 다른 종이 빠르게 성장한다면, 에밀리아니아 헉슬레이는 일부 지역에서 수적으로 우세해질 수 있다고 Iglesias-Rodriguez는 밝혔다.
그림1> 에밀리아니아 헉슬레이 시료
그림2> 현재 및 높은 이산화탄소 수준 하에서 성장한 코콜리스(coccoliths)
출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문:
http://phys.org/news/2013-04-effect-ocean-acidification-dire.html 제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2013.04.30 17:23
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