Phytoplankton Diversity Shapes Microbial Enzymatic Processes and Organic Matter Turnover in the Greenland Sea

북극해는 지구의 기후를 조절하는 데 도움을 주는 거대하고 차가운 엔진입니다. 그 중심에는 두 가지 강력한 힘 사이의 섬세한 균형이 자리 잡고 있습니다. 바로 극지방의 얼어붙은 담수와 북쪽으로 흘러 들어오는 더 따뜻하고 짠 해류 사이의 균형입니다. 수 세기 동안 이 물들은 미세한 생명체 공동체를 억제해 왔습니다. 가장 중요한 것은 식물성 플랑크톤으로, 이들은 표층 근처에 떠다니며 먹이사슬의 기초를 형성하는 아주 작은 식물 같은 유기체입니다. 이들이 죽거나 먹히면 박테리아와 다른 미생물의 먹이가 되는 유기물을 방출합니다. 이러한 미생물의 활동은 탄소(생명의 구성 요소)가 심해에 격리될 것인지, 아니면 대기로 다시 유입될 수 있도록 표층수로 재순환될 것인지를 결정합니다. 지구가 온난화됨에 따라 이 수괴(water masses) 사이의 경계가 이동하고 있는데, 과학자들은 이 과정을 '대서양화(Atlantification)'라고 부르며, 이는 대서양의 물이 더 북쪽으로 밀고 들어오는 현상을 말합니다. 이러한 변화가 물속의 작은 생명체들을 어떻게 변화시키는지 이해하는 것은 매우 중요한데, 이는 북극이 탄소를 얼마나 저장할지, 혹은 얼마나 방출할지를 결정하기 때문입니다.

2021년 9월, 연구진 팀은 대서양과 북극 사이의 핵심 관문인 그린란드 해를 횡단하며 이러한 숨겨진 상호작용을 조사하기 위해 항해했습니다. 이들은 변화하는 기후가 이 지역을 어떻게 재편하고 있는지 이해하기 위해 설계된 더 큰 규모의 탐사의 일환이었습니다. 과학자들은 구체적인 질문에 집중했습니다. 즉, 물속에 존재하는 식물 생명체의 순수한 양이 가장 중요한가, 아니면 식물의 구체적인 종류가 더 중요한가 하는 점이었습니다. 이를 알아내기 위해 그들은 차갑고 신선한 서쪽의 극지방 해수에서 따뜻하고 짠 동쪽의 대서양 해수에 이르는 선을 따라 여섯 개의 서로 다른 지점에서 해수 샘프를 채취했습니다. 각 지점에서 그들은 미세한 식물, 박테리아, 그리고 그들의 대사 과정이 남긴 화학적 신호를 관찰했습니다. 그들은 식물의 크기를 측정하고, 종의 수를 세었으며, 미생물이 먹이를 분해하는 데 사용하는 특화된 단백질인 효소를 물속에서 분석했습니다.

연구진은 수괴의 유형이 전체 생태계를 형성하는 주요한 힘이라는 것을 발견했습니다. 그들이 조사한 횡단 구간의 서쪽 부분, 즉 물이 차갑고 신선한 곳에서는 단단한 껍질을 가진 규조류(diatoms)가 식물 군집을 지배하고 있었습니다. 반면, 물이 더 따뜻하고 짠 동쪽 부분에서는 군집이 아주 작은 단세포 편모충류(flagellates)가 지배하는 형태로 바뀌었습니다. 누가 그곳에 살고 있는가에 대한 이러한 변화는 생태계가 기능하는 방식에 깊은 영향을 미쳤습니다. 연구팀은 미생물이 단순히 존재하는 식물 물질의 양에 반응하는 것이 아로니라, 미생물의 활동이 전적으로 이용 가능한 먹이의 질에 달려 있다는 것을 발견했습니다. 차가운 극지방 해수에서 미생물은 단백질이 풍부한 물질을 분해하느라 바빴는데, 이는 아마도 규조류가 고단백 식단을 제공했기 때문일 것입니다. 대서양의 영향을 받은 따뜻한 해수에서는 미생물의 활동이 다른 식단, 즉 탄소를 심해로 가라앉히기보다는 표층 근처에서 영양분을 재순환시키는 데 유리한 식단을 선호하는 모습을 보였습니다.

가장 놀라운 발견 중 하나는 살아있는 식물 자체가 물속 전체 유기물의 아주 적은 부분만을 차지한다는 것이었습니다. 유기물의 대부분은 죽은 식물 잔해와 데트리투스(detritus, 유기물 부스러기) 형태였습니다. 그럼에도 불구하고 미생물은 그곳에 있는 무엇이든 먹는 것이 아니라 선택적이었습니다. 연구진은 수괴가 섞이는 전이 지대에서, 떠다니는 죽은 유기물이 많음에도 불구하고 미생물의 활동이 놀라울 정도로 낮다는 것을 관찰했습니다. 이는 미생물이 더 오래되고 다루기 까다로운 물질을 쉽게 소화할 수 없음을 시사합니다. 대조적으로, 차가운 극지방 해수에서 미생물은 규조류의 신선하고 단백질이 풍한 잔해를 효율적으로 처리하며 매우 활발하게 움직였습니다. 이는 유기물의 화학적 구성, 즉 어떤 식물이 죽었느냐에 따라 결정되는 구성이 먹이의 총량보다 미생물의 행동을 결정하는 더 강력한 동인임을 나타냅니다.

또한 이 연구는 북극의 탄소 이동 방식에 일어나는 결정적인 변화를 강조했습니다. 차갑고 극지방인 해수에서는 더 큰 식물의 존재와 미생물이 그 잔해를 처리하는 특정 방식 덕분에, 탄소가 심해로 더 쉽게 가라앉아 장기간 대기로부터 격리될 수 있는 시스템을 시사했습니다. 그러나 따서양의 영향을 받은 따뜻한 해수에서는 작은 식물의 우점과 그에 따른 미생물의 활동이 탄소를 표층 근처에서 빠르게 재순환시키는 시스템을 가리켰습니다. 이는 북극이 따뜻해지고 대서양의 물이 더 북쪽으로 밀고 들어옴에 따라, 이 지역이 심해에 탄소를 저장하는 효율성이 떨어질 수 있음을 의미합니다. 대신, 탄소는 더 쉽게 분해되어 대기로 다시 방출될 가능성이 높으며, 이는 온난화를 가속화할 수 있는 피드백 루프를 생성할 수 있습니다.

연구진은 결론적으로 북극 탄소 순환의 미래는 식물 생명체가 얼마나 많이 존재하는가가 아니라, 어떤 종류의 식물 생명체가 존재하는가에 달려 있다고 밝혔습니다. 해양이 따뜻해지고 수괴의 혼합이 변함에 따라 미세한 식물 군집의 구성도 변할 것입니다. 이러한 변화는 미생물이 유기물을 처리하는 방식을 바꾸는 식물에게 제공되는 먹이의 질을 변화시킬 것입니다. 그 결과는 탄소를 표층에서 재순환시키는 것과 심해로 배출하는 것 사이의 균형에 근본적인 변화를 가져올 것입니다. 이 연구는 이러한 과정들을 이해하기 위한 명확한 기준점을 제공하며, 그린란드 해에 떠다니는 미세한 식물들의 정체가 온난화되는 세상에서 탄소의 운명을 결정하는 핵심 요소임을 보여줍니다.