Genomic and experimental evidence from Antarctic geothermal sites indicates diverse thermophiles are globally cosmopolitan
이 연구는 고립된 남극 지열 지대의 다양한 호열성 미생물들이 전 세계적으로 분포하며, 신속한 재정착이 가능하고, 화산 활동 및 대기 조건을 통해 분산할 수 있다는 유전체 및 실험적 증거를 입증함으로써 호열성 미생물이 분산에 제한된다는 관점에 이의를 제기한다.
원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. 이것은 동료 심사를 거치지 않은 프리프린트의 AI 생성 설명입니다. 의학적 조언이 아닙니다. 이 내용을 바탕으로 건강 관련 결정을 내리지 마세요. 전체 면책 조항 읽기
수십 년 동안 과학자들은 극한의 열 속에서 살아가는 생명체에 대해 특정한 견해를 유지해 왔습니다. 그들은 뜨거운 온천과 화산 토양에서 번성하는 미생물들이 마치 자신들만의 고립된 따뜻한 구역에 갇혀 있는 섬 주민들과 같다고 믿었습니다. 이러한 환경은 전 세계에 흩어져 있고 넓고 척박한 추운 땅들에 의해 분리되어 있기 때문에, 그곳에 사는 열을 좋아하는 미생물들은 서로 이동할 수 없다고 가정되었습니다. 지배적인 이론은 이 생물들이 여정을 견뎌낼 수 있는 단단하고 휴면 상태인 포자를 형성하는 능력이 없다면, 시작된 곳에 머물며 고립된 채 진화할 수밖에 없다고 제안했습니다. 이 아이디어는 타당해 보였습니다. 만약 당신이 개방된 대기의 추위나 건조함, 또는 가혹한 자외선을 견딜 수 없다면, 새로운 온천을 찾아 대양이나 대륙을 건널 수 없을 것이기 때문입니다.
하지만 한 새로운 연구는 지구상에서 가장 고립된 핫스팟인 남극 화산 주변의 지열 토양을 조사함으로써 이 오래된 믿음에 도전합니다. 이 지역들은 얼음과 눈으로 둘러싸여 있으며 다른 따뜻한 장소들과 멀리 떨어져 있어, 열을 좋아하는 생명체가 정말로 갇혀 있는지 확인하기 위한 완벽한 시험 사례가 됩니다. 이곳에 사는 미생물들의 유전적 설계도를 조사하고 가혹한 조건에서 얼마나 잘 생존하는지 테스트함으로써, 연구진은 이들 중 상당수가 결코 현지 거주자가 아니라는 사실을 발견했습니다. 대신, 이들은 세계를 여행하며 멀리 떨어진 새로운 뜨거운 토양에 정착할 수 있는 글로벌 여행자처럼 보이며, 열을 좋아하는 생물은 본질적으로 제자리에 갇혀 있다는 생각을 뒤엎었습니다.
뉴질랜드와 미국 과학자들로 구성된 연구팀은 지구상에서 가장 남쪽에 있는 활화산인 에레버스 산을 포함한 남극의 네 가지 특정 지열 지역에 집중했습니다. 그들은 이 따뜻한 구역들에서 토양 샘본을 채취했고, 첨단 유전자 시퀀싱을 사용하여 그곳에 사는 미생물들의 게놈을 재구성했습니다. 그런 다음 이들의 유전적 프로필을 전 세계 다른 뜨거운 환경에서 가져온 방대한 미생물 DNA 데이터베이스와 비교했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 이 고립된 남극 지역의 열을 좋아하는 미생물 중 거의 3분의 2가 미국에서 온 온천이나 남미의 토양 등 세계 다른 지역과 유전적 일치성을 보였습니다. 이는 이 유기체들이 남극에만 국한된 것이 아니라, 대륙 사이를 이동하는 광범위하고 글로벌한 인구 집단의 일부임을 시사합니다.
이 작은 유기체들이 어떻게 그토록 춥고 건조하며 햇빛이 내리쬐는 대기 중을 통과하며 생존할 수 있었는지 이해하기 위해, 연구진은 세 종류의 남극 미생물을 실험실로 가져왔습니다. 그들은 배양체를 하늘을 통한 여행을 모방한 조건, 즉 극심한 추위, 먹이의 완전한 결핍, 건조함, 그리고 강렬한 자외선에 노출시켰습니다. 결과는 이 미생물들이 예상보다 훨씬 더 강인하다는 것을 보여주었습니다. 자외선이 가장 치명적인 요인이 되어 많은 세포를 죽였지만, 상당 부분의 개체군은 몇 주 동안 냉동 및 건조 조건을 견뎌냈습니다. Geobacillus의 일종인 한 미생물은 심지어 포자를 형성하여 가장 가혹한 방사선으로부터 스스로를 보호하는 방패 역할을 할 수 있었습니다. 포자를 형성하지 않는 나머지 미생물들도 높은 회복력을 보이며 생존했는데, 이는 그들이 태양으로부터 보호하는 색소나 높은 수준의 보호 DNA 복구 메커니즘과 같은 독자적인 생물학적 갑옷을 갖추고 있음을 시사합니다.
연구팀은 또한 이 미생물들이 애초에 어떻게 공기 중으로 들어올 수 있었는지도 조사했습니다. 연구진은 에레버스 산 근처의 빙하에서 뚫어낸 빙핵을 조사하여, 화산 폭발 시 퇴적되는 화산재인 테프라(tephra) 층을 살펴보았습니다. 그들은 이 재 층이 열을 좋아하는 미생물들로 풍부하게 채워져 있으며, 여기에는 주변의 얼음에는 존재하지 않는 많은 미생물이 포함되어 있음을 발견했습니다. 이는 화산이 폭발할 때, 거대한 엘리베이터처럼 토양과 미생물을 대기 높이 쏘아 올려 바람을 타고 먼 거리를 이동할 수 있게 한다는 것을 나타냅니다. 나아가, 연구팀은 에레버스 산의 뜨거운 토양에서 직접 공기 샘 samples를 채집했고, 열을 좋아하는 미로들이 이미 화산 위 공기 중에 떠다니며 바람에 의해 실려 갈 준비가 되어 있음을 발견했습니다.
이 미생물들이 새로운 지역을 얼마나 빨리 재정착할 수 있는지 테스트하기 위해, 연구진은 불과 4년 전 용암 흐름에 의해 멸균되었던 하와이의 한 지역을 조사했습니다. 그들은 그곳의 뜨거운 토양이 이미 세계 다른 지역의 균주와 유전적으로 동일한 많은 열 선호 미생물들의 터전이 되어 있음을 발견했습니다. 새로 멸균된 지역으로 특정 글로벌 균주들이 이토록 빠르게 돌아온 것은, 이 확산이 드문 백만 분의 일의 사건이 아니라 몇 년이라는 시간 척도 내에서 일어나는 정기적인 현상임을 시사합니다. 도착한 미생물들은 포자를 형성할 수 있는 것들뿐만 아니라, 태평양을 건너 멀리서 여행해 온 비포자 형성 유형들도 많이 포함되어 있었습니다.
연구진은 이 미생물들이 생존하는 데 도움이 되는 특정 형질들을 식별했습니다. 그들은 글로벌 여행자들이 햇빛으로부터의 손상을 방지하는 데 도움이 될 수 있는 특정 화학적 구성 성분을 DNA에 더 높은 비율로 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 또한, 많은 글로벌 여행자들이 공기 중에 존재하는 미세 가스를 먹을 수 있는 유전자를 가지고 있어, 하늘을 표류하는 동안 에너지원을 얻을 수 있다는 것도 발견했습니다. 추가로, 글로벌 여행자들은 더 넓은 범위의 온도, 즉 더 낮은 온도의 적당한 온도에서도 성장할 수 있는 능력이 더 높았는데, 이는 그들이 새로운 뜨거운 안식처를 찾기 전까지 추운 여정을 견디는 데 도움이 되었을 것입니다.
이 연구는 생명체가 지구상에서 어떻게 퍼져나가는지에 대한 우리의 이해를 근본적으로 변화시킵니다. 이는 극한의 열 속에서 살 수 있는 능력이 곧 그 유기체가 한곳에 갇혀 있다는 것을 의미하지는 않는다는 것을 보여줍니다. 대신, 많은 열 선호 미생물들은 대기의 가혹한 조건을 견뎌내기 위한 도구들을 진화시켜 왔으며, 이를 통해 광활한 거리를 이동하고 새로운 환경에 정착할 수 있습니다. 이 연구는 열을 좋아하는 생명체의 세계가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 연결되어 있음을 시사하며, 미생물들이 바람과 가끔 발생하는 화산 폭발에 의해 전 세계의 고립된 온천 사이를 끊임없이 이동하고 있음을 보여줍니다. 이 연구가 모든 열 선호 미로가 글로벌 여행자라는 것을 증명하는 것은 아니지만, 상당 부분의 미생물이 그러하다는 강력한 증거를 제공함으로써 지구상의 가장 극한 환경에서 생명이 어떻게 분산되는지에 대한 규칙을 다시 쓰고 있습니다.
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