Borealisation of an Arctic marine ecosystem during the Last Interglacial

북극은 단순히 얼어붙은 황무지가 아닙니다. 그곳은 지구의 기후 시스템에서 결정적인 역할을 하는, 살아 숨 쉬는 바다입니다. 그 표면에는 식물성 플랑크톤이라 불리는 미세한 식물들이 존재하며, 이들은 해양 먹이 그물의 기초를 형성합니다. 이 작은 유기체들은 또한 지구의 건강을 위한 강력한 엔진이기도 한데, 대기 중의 막대한 양의 이산화탄소를 흡수하여 심해로 가라앉힘으로써 이를 효과적으로 격리하기 때문입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 지역이 전 세계의 다른 지역보다 거의 4배나 더 빠른 속도로 경고할 만큼 빠르게 온난화되는 과정을 지켜봐 왔습니다. 얼음이 녹고 대서양의 따뜻한 물이 더 북쪽으로 밀려 들어오면서, 온대 종들이 이 차가운 바다로 침입하기 시작하고 있는데, 연구자들은 이러한 변화를 '보레알리제이션(borealisation, 북방화)'이라고 부릅니다. 큰 의문은 이 급격한 변화가 어떻게 생태계를 재편할 것인지, 그리고 북극이 계속해서 탄소 흡수원 역할을 할 수 있을지, 아니면 그 능력을 상실할 것인지 하는 점입니다. 이를 규명하기 위해 과학자들은 과거, 구체적으로는 12만 8천 년 전에서 11만 6천 년 전 사이에 발생했던 '최후 간빙기(Last Interglacial)'라고 알려진 온난한 시기를 살펴봅니다. 이 시대는 자연적인 실험실 역할을 하며, 인류의 산업 활동이 시작되기 전 열기에 반응하여 해양 생물과 탄소 순환이 어떻게 반응했는지 이해하는 데 도움을 주는, 더 따뜻해진 북극의 모습을 엿볼 수 있는 기회를 제공합니다.

연구팀은 이제 전통적인 화석의 한계를 뛰어넘는 기술을 사용하여 이 고대의 과거를 들여다보았습니다. 그들은 그린란드와 스발바르 사이의 깊은 해협이자 따뜻한 대서양 해수가 북상하는 통로인 프람 해협(Fram Strait)의 해저에서 퇴적물 코어를 채취했습니다. 이 특정 퇴적물에서는 잘 보존되지 않는 고대 생물의 단단한 껍데기를 찾는 대신, 그들은 진흙에서 직접 고대 DNA를 추출했습니다. 10만 년 이상 보존된 이 유전 물질은 가장 작은 미생물부터 가장 큰 고래에 이르기까지 전체 생태계의 상세한 스냅샷을 제공했습니다. 결과는 그 온난했던 시기 동안 북극해의 극적인 변화를 보여주었습니다. 생태계는 단순히 따뜻해진 것이 아니라, 근본적으로 성격이 변했습니다. 즉, 차갑고 얼음이 지배하던 체계에서 온대 종이 지배하는 체계로 전환되었으며, 이는 해양이 탄소를 처리하는 방식에 심대한 결과를 초-초래했습니다.

이야기는 해양의 생산성을 주도하는 미세한 식물들로부터 시작됩니다. 온난한 구간으로 이어지는 차가운 빙기 동안, 바다는 규조류(diatoms)가 지배했습니다. 규조류는 유리 같은 껍데기를 가진 단세포 조류로, 무겁고 빠르게 가라앉아 탄소를 심해로 효율적으로 운반합니다. 그러나 기후가 따뜻해지고 최후 간빙기가 시작되면서, 규조류는 대부분 코콜리토포레(coccolithophores, 석회질 미세조류)라고 불리는 다른 그룹의 식물성 플랑크온로 대체되었습니다. 이들도 단세포 조류이지만, 규조류보다 작으며 규산염 대신 탄산칼슘으로 껍데기를 만듭니다. 유전적 기록은 온대 해역에는 흔하지만 차가운 북극에는 드문 특정 종류의 코콜리토포레인 *게피로캡사(Gephyrocapsa)*의 폭발적인 증가를 보여줍니다. 이는 온대 종들을 실은 따뜻한 대서양 해수가 북극으로 밀려 들어와 차가운 물의 전문가들을 몰아냈음을 시사합니다. 이 변화는 매우 뚜렷하여 연구자들은 생태계가 뒤집힌 정확한 순간을 추적할 수 있었습니다. 이는 빙기 세계에서 간빙기 세계로의 명확한 전환을 나타냅니다.

이 주요한 변화가 정착하기 전, 연구자들은 짧지만 혼란스러운 생태적 격동기를 감지했습니다. 빙하가 녹기 시작하고 기후가 따뜻해짐에 따라, 바다는 담수 섞인 융해수와 짠 대서양 해수가 섞인 상태가 되었습니다. 이는 일반적인 해양의 법칙이 유예되는, 층이 나뉘고 불안정한 환경을 조성했습니다. 이 시기에 DNA 기록은 더 작고 유연한 유기체들의 폭발적인 다양성을 보여주었습니다. 이들 중 상당수는 스스로 움직이거나 다른 생물을 먹이로 삼을 수 있는 아주 작은 단세포 진핵생물이었는데, 이러한 특성은 변화하고 영양분이 부족한 물속에서 살아남는 데 도움이 되었습니다. 또한 연구자들은 오늘날 유해한 조류 번식을 일으키는 것으로 알려진 조류의 증거도 발견했는데, 이는 급격한 환경 변화의 스트레스가 잠재적으로 독성을 가진 종의 증식을 유발할 수 있음을 시사합니다. 이 과도기적 단계는 얼음, 담수, 그리고 따뜻한 해류 사이의 균형이 깨졌을 때 북극 생태계가 얼마나 취약해질 수 있는지를 강조합니다.

온난한 시기가 정점에 달했을 때, 생태계는 온대 코콜리토포레가 지배하는 새로운 정상 상태로 안정되었습니다. 그러나 변화는 미세한 수준을 훨씬 넘어섰습니다. 유전적 기록은 또한 대형 해양 동물의 존재를 포착하여, 이 시기 북극에 존재했던 이들에 대한 최초의 분자적 증거를 제공했습니다. 고래와 물고기의 DNA가 퇴적물에서 나타났으며, 이는 해양의 북방화가 먹이 사슬의 꼭대기까지 확장되었음을 알리는 신호였습니다. 연구자들은 대서양 대구(Atlantic cod)와 밍크고래처럼 오늘날 따뜻한 온대 해역과 연관되어 있지만, 이 온난한 시기 동안 북쪽 멀리까지 진출했던 종들의 유전적 흔적을 발견했습니다. 보통 얼음에 매달려 사는 물개들조차 기록에 등장했지만, 그들의 존재는 온난한 시기 중에서도 해빙이 잠시 돌아왔던 특정 냉각 시기와 연결되어 있었습니다. 이는 가장 작은 플랑크톤부터 가장 큰 포식자에 이르기까지 전체 해양 공동체가 유입된 따와 따뜻한 물과 그 물이 실어 온 종들에 의해 재편되었음을 나타냅니다.

이러한 과거의 변화가 갖는 함의는 우리가 미래를 이해하는 데 있어 매우 중요합니다. 무겁고 빠르게 가라앉는 규조류에서 더 작고 느리게 가라앉는 코콜리토포레로의 이동은, 해당 온난기 동안 해양이 대기로부터 탄소를 끌어당겨 심해에 저장하는 능력이 약화되었을 수 있음을 시사합니다. 코콜리토포레 역시 광합성을 수행하지만, 그들의 껍데기는 탄산칼슘으로 만들어지며, 이 과정은 오히려 이산화탄소를 물속으로 다시 방출하여 성장의 이점을 일부 상쇄할 수 있습니다. 더욱이, 이 유기체들의 크기가 더 작다는 것은 이들이 더 느리게 가라히는 것을 의미하며, 이는 탄소가 심해로 격리되기보다 상층 해양에서 소비되거나 분해될 시간을 더 많이 준다는 것을 뜻합니다. 이는 현대의 북극이 온난화되고 유사한 변화를 겪을 때, 전 지구적 탄소 흡수원으로서의 역량이 감소하여 잠재적으로 기후 변화를 가속화하는 피드백 루프를 만들 수 있음을 시사합니다.

이 연구는 지구가 자연적으로 현재보다 더 따뜻했던 시기를 사용하여, 복잡한 해양 생태계가 급격한 온난화에 어떻게 반응하는지에 대한 드물고 상세한 관점을 제공합니다. 이는 북극이 단순히 기후 변화의 수동적인 피해자가 아니라, 급격하고 체계적인 재편을 겪을 수 있는 능동적인 참여자임을 확인시켜 줍니다. 온대 종의 침입, 먹이 그물의 붕괴, 그리고 탄소 저장 효율의 잠재적 감소는 모두 북극해가 지금과는 매우 다르게 보이고 기능하게 될 미래를 가리킵니다. 진흙 속에 갇힌 유전적 역사를 읽음으로써, 과학자들은 앞으로 몇 십 년 동안 일어날 수 있는 일에 대한 강력한 유추 모델을 찾아냈습니다. 북극은 변하고 있으며, 과거로부터 얻은 교훈은 이러한 변화가 전 지구적 기후 시스템 전체에 파장을 일으켜, 생명의 균형과 우리가 마시는 공기의 화학적 성질을 변화시킬 것임을 암시합니다.