Water-mass origin and transformation shapes seawater microbiomes in the northeastern Barents Sea and the St. Anna Trough

북극해는 세계의 기후 체계가 만나고 섞이는 거대하고 차가운 공간입니다. 수십 년 동안 과학자들은 따뜻한 대서양의 물이 북쪽으로 흘러 들어오며 빙결된 극지 해역에 열과 염분을 실어 나르는 모습을 지켜봐 왔습니다. "아틀란티피케이션(Atlantification, 대서양화)"이라고 알려진 이 움직임은 북극의 물리적 경관을 재편하며 해빙을 녹이고 해수의 화학적 성질을 변화시키고 있습니다. 그러나 바다는 단순히 물의 덩어리가 아니라 미생물로 가득 찬 살아있는 시스템입니다. 주로 박테리아로 구성된 이 아주 작은 유기체들은 해양 먹이사슬의 기초를 형성하며 지구가 탄소를 순환시키는 방식에 결정적인 역할을 합니다. 물 자체가 변함에 따라 다음과 같은 의문이 제기됩니다. 그 안에 살고 있는 보이지 않는 공동체도 함께 변하는가? 만약 물이 새로운 역사를 운반한다면, 그것은 또한 새로운 미생물 거주자들도 함께 운반하는 것일까? 이 미생물들이 북극 생태계 전체를 지탱하는 생물학적 과정을 주도하기 때문에 이 연결 고리를 이해하는 것은 매우 중요하며, 이들의 변화는 이 지역이 기능하는 방식에 대한 더 깊고 장기적인 변화를 알리는 신호가 될 수 있습니다.

바렌츠해의 북동부 지역과 세인트 안나 트러프(St. Anna Trough)라고 불리는 깊은 해협에서, 연구진은 물의 정체성을 그 안에 사는 미생물을 통해 읽어낼 수 있는지 테스트하기 위해 연구를 시작했습니다. 이 지역은 서로 다른 종류의 해수가 충돌하는 분주한 교차로입니다. 일부 물은 프람 해협(Fram Strait)과 바렌츠해를 통해 북쪽으로 이동하는 대서양에서 옵니다. 다른 물은 해빙이 녹거나 겨울에 표층수가 냉각되어 가라앉을 때 생성되는 국지적인 물입니다. 이러한 서로 다른 물들은 뚜렷한 온도와 염도를 가지고 있지만, 흐르는 과정에서 서로 섞이고 변형됩니다. 연구진은 이 물들에 사는 박테리아가 그저 무작위로 떠다니는 승객인지, 아니면 물의 기원과 일치하는 특정한 서명을 지니고 있는지 알고 싶었습니다. 이를 알아내기 위해 그들은 2023년 9월 조사 기간 동안 표면부터 수심 50미터까지 115개의 해수 샘플을 채취했습니다. 그들은 미세한 유기체들을 포집하기 위해 물을 여과한 후, 어떤 종들이 존재하는지 식별하기 위해 그들의 유전 코드를 분석했습니다.

결과는 명확하고 놀라운 패턴을 보여주었습니다. 물속의 박테리아 공동체는 그 물이 어디에서 왔는지에 따른 해수의 유형과 밀접하게 일치했습니다. 마치 지문이 사람을 식별하듯, 박테리아 종의 혼합은 물의 기원을 식별해 주었습니다. 연구진은 물의 역사, 즉 물이 어디에서 왔고 어떻게 변했는지가 박테리아 공동체에서 나타나는 차이의 절반 이상을 설명한다는 것을 발견했습니다. 온도, 염도, 수심과 같은 요인들도 역할을 했지만, 구체적인 해수의 유형이 어떤 미생물이 그곳에 발견될지를 예측하는 가장 강력한 변수였습니다. 이는 미생물을 관찰함으로써 과학자들이 물이 이동하고 다른 해류와 섞인 후에도 그 물의 경로를 추적할 수 있음을 의미합니다.

각기 다른 해수 층은 뚜렷한 박테리아 그룹을 보유하고 있었습니다. 대서양에서 흘러 들어오는 물인 바렌츠해 분지수(Barents Sea branch water)는 Amylibacter와 Nitrincolcolaceae 같은 특정 그룹이 풍부한 공동체를 운반했습니다. 반면, 겨울철 냉각에 의해 생성되어 바닥으로 가라앉는 차갑고 밀도가 높은 물은 SUP05 클러스터와 SAR324를 포함한 다른 그룹들이 지배적이었습니다. 녹아내리는 해빙에서 나온 해수(meltwater)는 조류 번식(algae blooms)의 부패와 관련된 경우가 많은 Planktomarina 및 Sulcitobacter와 같은 박테리아들로 구성된 독특한 서명을 가지고 있었습니다. 아마도 가장 흥-미로운 발견은 트러프의 가장자리를 따라 흐르는 따뜻하고 빠르게 움직이는 표층 해류로 식별된 비교적 새로운 특징인 켈디시 해류(Keldysh Current)에서 발견된 독특한 미생물 공동체였을 것입니다. 대서양과 북극의 물이 섞인 이 해류는 SAR11과 AEGEAN-169를 포함한 독특한 박테리아 집단을 지원하며, 이는 이 해류가 대서양 관련 생명체를 동쪽의 카라해(Kara Sea)로 운반하는 생물학적 통로 역할을 하고 있음을 시사합니다.

한 가지 발견이 예외적인 사례로 눈에 띄었습니다. 해양의 맨 윗부분에 위치한 북극 표층수는 그 자체로 독특한 박테리아 공동체를 가지고 있지 않았습니다. 대신, 이 층에서 발견된 미생물들은 해수(meltwater)와 켈디시 해류에서 발견된 것들의 혼합물처럼 보였습니다. 이는 표층수가 너무 유동적이고 잘 섞여 있어서 안정적이고 뚜렷한 정체성을 발달시키기에는 너무 가변적인 상태임을 시사합니다. 연구진은 해수 간의 차이가 완전히 새로운 유형의 박테리아가 도착해서 발생한 것이 아니라, 광범위하게 퍼져 있는 특정 그룹들이 얼마나 흔해졌는지에 대한 변화에 의해 발생했다고 결론지었습니다. 즉, 모든 물에는 기본적인 플레이어들이 존재하지만, 물이 어디에서 왔느냐에 따라 "팀 라인업"이 바뀌는 것이었습니다.

이러한 발견은 변화하는 북극을 모니터링하는 새로운 방법을 제공합니다. 해양이 따뜻해지고 대서양의 물이 북쪽으로 더 깊숙이 밀고 들어옴에 따라, 이 지역의 생물학적 구성은 물리적 변화와 함께 변화하고 있습니다. 이 연구는 이러한 "생물학적 아틀란티피케이션(biological Atlantification)"이 단지 이론이 아니라, 바다의 미생물 생명체 속에서 측정 가능한 현실임을 보여줍니다. 켈디시 해류와 바렌츠해 분지수에서 발견된 뚜렷한 공동체는 이 해류들이 대서양의 미생물들을 북극의 심장부로 실어 나르고 있음을 나타냅니다. 이는 대서양의 영향력이 확대되는 것이 단순히 물의 온도와 염도에만 영향을 미치는 것이 아니라, 그것이 지탱하는 생명체 자체에도 영향을 미치는 다층적인 과정임을 시사합니다. 이러한 미생물 공동체를 추적함으로써, 과학자들은 이제 북극 생태계가 어떻게 진화하고 있는지 실시간으로 관찰할 수 있는 민감한 도구를 갖게 되었으며, 이는 지구의 가장 중요한 지역 중 하나인 북극의 지속적인 변화에 대해 더 명확한 그림을 제공합니다.