From viruses to mesozooplankton: succession and trophic lags during the spring bloom in the Arctic under climate change transition
이 연구는 기후 변화에 대한 우려에도 불구하고, 콩스피외르데(Kongsfjorden)의 2023년 북극 봄철 대번식(spring bloom)이 온도가 아닌 주로 영양염류 고갈과 포식 압력에 의해 주도되는 전형적인 영양 단계 천이를 따랐음을 밝히며, 극지 생태계의 반응을 완전히 이해하기 위해 더 높은 해상도의 모니터링이 필요함을 강조한다.
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북극해는 지구상의 거의 다른 어떤 곳보다 빠르게 변화하고 있습니다. 지구가 온난화됨에 따라, 일 년 중 많은 기간 동안 이 해역을 덮고 있던 얼음이 후퇴하고 있으며, 이는 더 많은 햇빛이 바다에 도달하게 하고 남쪽에서 흘러 들어오는 물의 혼합을 변화시키고 있습니다. 이러한 변화는 단순히 물리적인 변화가 아닙니다. 이는 전체 해양 먹이 그물의 기초를 형성하는 아주 작은 생명체들의 규칙을 다시 쓰는 일입니다. 봄에는 식물성 유기체라고 불리는 플랑크톤의 거대한 폭발적 증식이 일어나며 어둡고 차가운 바다를 초록빛으로 물들입니다. 이 대번식(bloom)은 미생물부터 가장 큰 고래에 이르기까지 모든 것을 먹여 살리는 생태계의 엔진입니다. 하지만 이 에너지가 먹이 사슬 위로 이동하기 위해서는 타이밍이 완벽해야 합니다. 만약 식물이 너무 일찍 혹은 너무 늦게 피어나거나, 그것을 먹는 동물들이 적절한 시기에 도착하지 못한다면, 그 연결 고리는 끊어집니다. 과학자들은 이를 "영양 단계의 불일치(trophic mismatch)"라고 부르며, 온난화되는 세상 속에서 이러한 연결 고리가 끊어져 에너지가 먹이 그물의 바닥에 갇힌 채 상위 동물들을 굶주리게 할 것이라는 우려가 커지고 있습니다.
이러한 붕괴가 실제로 일어나고 있는지 이해하기 위해, 연구팀은 북극 고위도 스발바르 제도의 콩스피외르겐(Kongsfjorden) 피오르드로 여행을 떠났습니다. 그들은 아주 작은 바이러스부터 가장 큰 플랑크톤 동물에 이르기까지, 단 한 번의 봄 동안 펼쳐지는 전체 먹이 그물을 실시간으로 관찰하기 위해 출발했습니다. 몇 달에 한 번씩 스냅샷을 찍는 대신, 그들은 2023년 4월부터 6월까지 2, 2~3일마다 같은 장소를 다시 방문했습니다. 이러한 고빈도 모니터링을 통해 그들은 보통은 눈에 띄지 않는 급격하고 일상적인 변화를 관찰할 수 있었습니다. 그들의 목표는 태양으로부터 박테리아로, 다시 작은 헤엄치는 생물들로, 그리고 마지막으로 더 큰 동물들로 에너지가 어떻게 흐르는지를 추적하여, 이 사슬이 온전하게 유지되고 있는지 아니면 기후 변화의 압력 아래서 풀리기 시작했는지를 확인하는 것이었습니다.
그들이 발견한 것은 깨진 이야기가 아니라, 긴밀하게 엮여 있고 반응성이 높은 공동체의 이야기였습니다. 시즌은 육안으로는 볼 수 없는 아주 작은 단세포 식물들이 지배하는 조용한 서곡과 함께 4월에 시작되었습니다. 낮이 길어지고 물이 약간 따뜻해짐에 따라, 이 작은 식물들은 이용 가능한 영양분, 구체적으로 규산(silicic acid)을 소비했습니다. 5월 중순에 이 미네랄이 고갈되자, 공동체는 극적으로 변화했습니다. 작은 식물들은 사슬을 형성하는 더 큰 식물인 규조류(diatoms)의 거대한 대번식에 자리를 내주며 잠시 동안 바다를 지배했습니다. 그러나 이 호황은 짧았습니다. 규조류가 필요한 마지막 영양분을 소비하자마자 그들은 붕괴했고, 거대하고 젤라틴질의 군락을 형성하는 다른 종류의 식물이 그 자리를 차지했습니다.
결정적으로, 물속의 동물들은 수동적인 관찰자가 아니었습니다. 그들은 이 전이를 능동적으로 형성하고 있었습니다. 연구진은 사슬 형성 식물에서 젤라틴질 군락으로의 변화가 단순히 먹이가 떨어져서 일어난 반응일 뿐만 아니라, 잡아먹히는 것에 대한 직접적인 반응이라는 것을 발견했습니다. 미크로조플랑크톤(microzooplankton)이라 불리는 작은 헤엄치는 생물들이 작은 단세포 식물들을 격렬하게 뜯어먹기 시작했습니다. 이러한 압력에 대응하여, 젤라틴질 식물들은 작은 포식자들이 먹을 수 없을 만큼 큰 보호용 군락을 형성했습니다. 이는 포식자의 존재에 의해 촉발된 방어 기제였습니다. 한편, 이 식물들을 먹이로 삼게 될 더 큰 동물들, 예를 들어 요각류(copepods)는 바로 그 축제를 즐길 적절한 순간을 기다리며 막 부화하여 성장하고 있었습니다.
또한 이 연구는 생태계의 가장 작은 구성원들인 박테리아와 바이러스가 나머지 먹이 그물의 속도를 어떻게 맞추고 있는지도 밝혀냈습니다. 식물 대번식이 정점에 달하고 쇠퇴하기 시작하면서, 이들은 유기물을 방출하여 박테리아의 급증을 뒷받침했습니다. 거의 즉시, 바이러스가 이 박테리아들을 공격하여 터뜨리고 그 영양분을 다시 물속으로 재순환시켰습니다. 이 과정은 매우 빠르게 진행되어 박테리아와 바이러스 개체군이 지연 없이 완벽하게 동기화되어 오르내렸습니다. 이러한 빠른 재순환 덕분에 에너지는 손실되지 않고 표층수에 머물며 다음 단계의 먹이 그이가 사용할 수 있도록 준비되었습니다.
6월이 되자 물은 상당히 따와졌고, 요각류를 포함한 더 큰 동물들이 대거 도착했습니다. 연구진은 이들의 도착 시기가 먹이원의 가용성과 일치한다는 것을 관로 관찰했습니다. 작은 요각류들은 젤라틴질 식물 군락이 정점에 달할 때 나타났고, 더 큰 성체 요각류들은 물이 계속 따뜻해짐에 따라 나중에 도착했습니다. 과학자들이 우려했던, 즉 동물들이 도착했을 때 빈 식탁을 마주하게 되는 "불일치"의 증거는 없었습니다. 대신 데이터는 일관된 사건의 순서를 보여주었습니다. 식물이 자라고, 포식자가 먹고, 박테리아가 찌꺼기를 재순환하며, 바이러스가 박테리아를 억제하는 등, 모두가 동기화된 리듬에 맞춰 움직이고 있었습니다.
연구진은 북극의 급격한 온난화와 물 유형의 변화하는 균형에도 불구하고, 콩스피오르겐의 먹이 그web이 2023년 봄 동안 견고하게 유지되었다고 결론지었습니다. 먹이 사슬의 서로 다른 단계 사이의 연결 고리는 단단하게 유지되었습니다. 식물은 잡아먹히는 것에 반응하여 형태를 바꾸었고, 포식자들은 먹이를 소비하기 위해 제때 도착했으며, 미생물 재순환자들은 시스템을 효율적으로 가동했습니다. 이 연구가 단 한 시즌과 한 지역만을 다루었지만, 이는 여전히 자연이 의도한 대로 기능하고 있는 시스템에 대한 안심할 만한 통찰을 제공합니다. 이는 현재로서는 북극의 플랑크톤 공동체가 변화하는 환경에 맞춰 자신의 타이밍과 구조를 조정할 수 있을 만큼 회복력이 있으며, 전체 극지 생태계를 지탱하는 에너지의 흐름을 유지하고 있음을 시사합니다. 그러나 저자들은 이것이 단지 시간 속의 한 장면일 뿐이라고 경고합니다. 이러한 시스템이 가속화되는 기후 변화에 어떻게 대처할 것인지 진정으로 이해하기 위해서는, 북극이 계속 따뜻해지는 동안 이 섬세한 균형이 유지될 수 있는지 확인하기 위해 매년 지속적으로 관찰해야 합니다.
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