지구 땅속 5km에 엄청나게 많은 미생물이..어디서 왔을까

깊은 땅속 금광에서 발견된 '디설포루디스 오댁스비에이터' 세균(보라색 막대 모양)을 찍은 전자현미경 사진. 물이 쪼개진면서 나온 수소를 활용해 살아간다. 주황색 구는 탄소 덩어리.[사진 심층탄소관측팀]

산소 없이도 살아가는 미생물
높은 온도와 강한 압력이 작용하는 지구 깊은 땅속.
생물체가 살아가기 힘든 조건이지만, 그 깊은 곳에 엄청나게 많은 미생물이 존재한다는 사실이 최근 밝혀지고 있다.

땅속 미생물 무게를 다 합치면 70억이 넘는 인류 전체 몸무게보다 수백 배 많다고 한다.
지난달 10일 ‘심층 탄소 관측팀(Deep Carbon Observatory)’이 발표한 내용이다.

이 심층 탄소 관측팀은 50개국 연구진으로 구성돼 있고, 이들은 지난 10년 동안 지구 내부 비밀을 캐기 위해 공동연구를 진행했다.
이들은 가장 오염되지 않은 지구 심층, 즉 ‘지구 심층의 갈라파고스’를 탐사해 5㎞ 깊은 곳에서도 미생물이 존재한다는 사실을 밝혀냈다.

그렇다면 산소도 햇빛도 없는 그렇게 깊은 곳에서 미생물은 어떻게 생존할 수 있었을까.

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땅속 깊은 곳 미생물 어디서 왔을까

바다 밑바닥에서 채취한 퇴적토 시료. 고온과 고압이 작용하는 곳에도 미생물이 발견된다.[사진 심층 탄소 관측팀]

연구팀은 해양 심층 시추 기술과 첨단 DNA 분석 기술을 활용했다.
바다 밑바닥에서 아래로 2.5㎞(해수면에서는 최대 10.5㎞ 아래)까지 구멍을 뚫어 시료를 채취했고, 땅 위에서는 5㎞가 넘는 깊은 광산 깊은 곳에서도 시료를 채취했다.
4㎞ 깊이라면 해수면에서 받는 것보다 400배에 해당하는 압력(400기압)을 받는다.

시료에서는 미생물, 즉 세균과 고세균(古細菌, Archea) 세포, 그리고 죽은 세포가 발견됐다. 일부 진핵생물도 들어있었다.
세균·고세균뿐만 아니라 현미경으로 봐야 볼 수 있는 곰팡이나 원생동물, 조류(藻類) 등 진핵생물도 미생물로 분류된다.

연구팀은 분석 결과를 종합해 미생물이 분포하는 ‘심층 생물권(deep biosphere)’ 규모를 20억~23억㎦로 추산했다.
이는 바닷물 부피 거의 두 배에 해당한다.

생물권(生物圈, Biosphere)은 지구 대기·토양·해양 등에서 생물이 살고 있는 영역을 말한다.
지금까지 땅속 암석권(巖石圈, Lithosphere)은 지표면의 얕은 토양을 제외하고는 사실상 생물권에서 제외됐는데, 이번 연구결과로 암석권 가운데 적지 않은 부분이 생물권에 포함되는 셈이다.

또, 심층 생물권에 있는 생물체 탄소량은 150~250억t으로 ㎦당 평균 7.5t에 이른다.
인류 전체 탄소량과 비교하면 245~385배에 해당한다.

연구팀은 지구 전체 세균·고세균의 70%는 지표면 아래 존재한다고 지적했다.
하지만 1㎤에는 세균이 1000마리 수준이어서 눈에 보이지 않는 세균을 찾는 일은 짚더미에서 바늘 찾는 격이다.

연구팀은 보도자료를 통해 “땅 위 세균과 비교할 때 심층 미생물들은 훨씬 종류가 다양하고, 아주 느리게 성장한다”고 지적했다.
일부 세균은 실험실에서 자라는 세균에 비해 호흡 속도가 1만분의 1 수준에 불과하다,
대신 세포 수명은 수백 년에서 수천 년에 이를 정도로 엄청나게 길다.

이 같은 결과를 받아든 연구팀은 새로운 문제를 안게 됐다.
이들 미생물은 어디서 왔을까, 어떻게 퍼져나갔을까, 살아가는 데 필요한 에너지는 어디서 얻을까 하는 의문이다.

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암석에 붙어 지각 아래로 밀려 들어가

땅속 1.3km 깊이에 있는 남아프리카공화국 비아트릭스 금광에서 시료를 채취하는 연구팀, [사진 심층 탄소 관측팀]

지난 2005년 미국 로런스 버클리 국립연구소 연구팀은 남아프리카공화국 요하네스버그 인근 지하 2800m 음포넹 금광에서 세균을 찾아냈다.
‘디설포루디스 오댁스비에이터(Desulforudis audaxviator)’라는 이름을 얻은 이 세균이 에너지를 얻는 방식은 특이하다.

암석에 들어있는 우라늄이 붕괴할 때 나오는 방사선은 물(H2O) 분자 2개를 쪼개 과산화수소(H2O2)로 만들고, 이 과산화수소는 주변의 황화물(sulfide)을 황산염(sulfate)으로 바꿔준다.
세균은 과산화수소가 만들어질 때 남은 수소(H)를 활용해 황산염을 다시 황화물로 환원시키는데, 이 과정에서 세균은 에너지를 얻는다.

이 세균은 성장을 위해 주변의 암모니아와 유기물을 흡수해 사용하지만, 암모니아와 유기물이 없으면, 질소 가스나 이산화탄소를 직접 이용하기도 한다.

2013년 미국 노스캐롤라이나대학 연구팀은 북미 북서부 수심 2.6㎞ 바다 밑 지각층을 350~580m 파 내려가 채취한 암석 표본에서 미생물을 찾아냈다.
이들 미생물도 화학반응을 통해 에너지를 얻는 것으로 추정됐다.

해양 지각층에는 작은 구멍들이 혈관처럼 뚫려 있고, 그 구멍 사이로 물이 드나든다.
이 물이 현무암이나 감람석에 들어있는 철 성분과 반응해 수소를 발생시키고, 미생물은 이 수소를 에너지를 이용해 이산화탄소를 유기물로 만들게 된다.

일부 과학자들은 깊은 땅속에 미생물이 존재하는 이유를 지구 판구조론으로 설명한다.
바다 밑에서 용암이 솟아나고, 바닷물과 만나 식으면서 새로운 암석으로 탄생한다.
이 해양 지각은 융기 점에서 먼 곳으로 이동하다가 다른 판 아래로 밀려 들어가기도 하는데, 그런 과정을 겪으면서 미생물이 땅속으로 들어가게 됐다고 추정한다.

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없는 곳이 없는 미생물

지구 상에서 미생물이 존재하지 않는 곳을 찾기는 쉽지 않다.
아기가 자라는 자궁이나 뇌에는 미생물이 없는 것으로 여겨졌지만, 최근 사람 뇌에서도 세균이 검출될 수 있다는 보고가 나왔다.

지난해 11월 미국 앨라배마 대학 연구팀은 건강한 사람 뇌 조직에 세균이 있다는 연구결과를 공개해 주목을 받았다.
뇌와 혈관을 가로막는 장벽을 세균이 뛰어넘었다는 것이다.

사람 몸속에는 엄청난 수의 미생물이 들어있다. 대략 100조(兆) 마리의 미생물이 살고 있다.
피부 1㎠ 넓이에도 무려 세균 10만 마리가 살고 있다.

미생물 세포는 사람 몸무게의 1~3%를 차지한다.
체중 200파운드(90.7㎏) 무게를 가진 성인이라면 몸속에는 2~6파운드(0.9~2.7㎏)에 이르는 미생물을 지니고 있다.

인간이 가진 유전자가 2만2000개라면 이들 미생물이 가진 단백질 생산 유전자는 800만개에 이른다.
미생물은 ‘제2의 유전체’라고 부르는 이유다.

바닷물 1L 속에는 세균 100만 마리가 살고 있다.
하지만 이는 실제 실험실에서 배양할 수 있는 세균 숫자일 뿐이다.
배양하지 못하는 세균, 현미경으로 관찰되는 세균까지 포함한다면 바닷물 1L에는 10억 마리가 살고 있다고 봐야 한다.

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얼음 속에도, 열탕 속에도

그린란드 일루리삿 빙하. 빙하 아래에도 미생물은 존재한다. [중앙포토]

지난 2008년 미국 펜실베이니아 주립대 연구진은 두께 3.2㎞에 이르는 그린란드 빙하 밑에서 살아가는 미생물을 발견했다.
영하 9도라는 낮은 온도와 높은 압력, 희박한 산소 등 온갖 악조건 속에서 12만년을 버텨온 세균 ‘크리세오박테리움 그린란덴스(Chryseobacterium greenlandense)’다.

이 세균은 대신 세포 크기가 대장균 세포에 비해 10분의 1에서 100분의 1에 불과했다.
이런 초소형 몸집 덕분에 혹독한 조건에서도 살아남을 수 있었던 셈이다.
연구팀은 “이들 미생물은 빙하가 형성될 때 얼음 틈 사이로 밀려 들어가 그곳에서 살게 됐다”며 “얼음 속에도 영양분이 있을 수 있어 생존이 가능했을 것”이라고 추측했다.

북극의 해저 퇴적토에서 분리한 ‘콜웰리아 사이크레리트래아(Colwellia psychrerythraea) 균주 H34’는 따뜻한 곳보다 추운 환경을 좋아한다.
영상 8도에서 가장 잘 자라지만 영하 1도에서도 자랄 수 있다.
더욱이 액체 질소와 같은 온도인 영하 196도에서도 견디는 것으로 과학자들은 보고 있다.

차가운 것을 좋아하는 미생물들은 세포가 얼지 않도록 부동성(不凍性) 단백질을 생산하는 경우가 많다.

반면 뜨거운 온천이나 심해 열수구(熱水口, hydrothermal vent)에도 미생물은 살고 있다.
고온에서도 파괴되지 않는 효소(단백질)를 가진 덕분이다.

심해 열수구. 화산 활동과 관련해 데워진 바닷물이 해저에 생긴 균열을 통해 분출된다. [사진 위키피디아]

1997년 대서양 수심 3650m 해저 심해 열수구에서 발견된 ‘파이롤로부스 푸마리아이(Pyrolobus fumarii)’는 최고 섭씨 113도에서도 살 수 있는 것으로 나타났다.

2003년에는 미국 서부 연안에서 320㎞ 떨어진 수심 2400m 해저 열수구에서 ‘지오젬마 바로시아이(Geogemma barossii)라는 세균이 발견됐다.
이 균은 의료용 멸균기 온도인 섭씨 121도에서 10시간 동안 가열해도 죽지 않았을 뿐만 아니라 번식까지 했다.

보통 미생물은 멸균기를 121도에서 15분 정도 가열하면 다 죽지만, 이 세균은 130도로 가열했을 때야 죽었다.
그래서 ‘균주 121’이란 이름을 얻었다.

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짠물에도, 하늘 위에도

사람이 뜰 정도로 염분이 많은 사해. 이곳에서 살아가는 미생물도 있다.[중앙포토]

바닷물보다 8배나 짠 중동 사해(死海) 바닷물은 물론 염전에서도 미생물은 살고 있다.
‘할로아르쿨라 마리스모루이투스(Haloarcula marismortui)’라는 고세균은 소금물로부터 자신을 보호하는 특수 단백질을 갖고 있다.

미생물은 대류권과 성층권은 물론 고도 50㎞에 이르는 성층권계면(stratopause)에서도 발견된다.
성층권계면에서는 온도가 0도 정도로 낮고, 압력도 해수면 기압과 비교하면 100분의 1 수준으로 매우 낮다.

성층권계면의 온도는 그 아래 성층권이나 그 위 중간권(mesosphere)보다는 높다.
대류권과 성층권 사이 대류권계면(tropopause)은 고도가 10㎞ 남짓이지만 기온은 영하 50~60도나 된다.

지구 대기권. 맨 아래 지표면 가까운 곳에 대류권이 있고, 대류권계면 위에 성층권이, 성층권계면 위에 중간권이 있다. 노란색 선은 기온의 변화를, 오른쪽 검은색 선은 기압의 변화를 나타낸다.

태풍이나 화산 폭발 등으로 일단 미생물이 성층권 높이 올라가면 온도가 상대적으로 높고, 희박하지만 산소도 있어서 거기서 생존 가능성이 있다는 얘기다.

하지만 하늘 높은 곳 성층권계면에는 강한 자외선도 존재한다.
성층권계면은 지구 생명을 보호하는 성층권 오존층보다 고도가 높다.
자외선은 DNA를 파괴해 미생물 세포가 번식하는 것을 방해한다.

물론 미생물 중에서는 강력한 방사선에 노출돼도 살아남을 수 있는 종류도 있다.
지난해 10월 환경부 산하 낙동강생물자원관에서는 방사선과 자외선에 강한 새로운 미생물을 발견해 ‘데이노코쿠스 코렌시스(Deinococcus korensis)’로 명명했다.
이 세균은 2017년 6월 섬진강 유역에서 처음 분리했다.

데이노코쿠스 속(屬)의 대표 종(種)인 데이노코쿠스 라디오듀란스(Deinococcus radiodurans)는 1956년 미국에서 처음 발견됐다.
방사선으로 멸균했는데도 통조림 속에서 발효가 진행되는 것을 보고 조사를 하던 과정에서 발견됐다.

사람의 경우 10 그레이(Gy·방사선 에너지 흡수량 단위)의 방사선에 노출돼도 수 일내 사망하지만, 이 데이노코쿠스 라디오듀란스는 5000 그레이에서도 살아갈 수 있다.

데이노코쿠스 라디오듀란스는 방사선에 대한 저항력뿐만 아니라 낮은 온도, 건조한 곳, 산소가 없는 곳, 강한 산성에도 살아갈 수 있는 다중 극한 생물(polyextremophile)이다.
지구 상에서 가장 강한 세균으로 기네스북에 등재되기도 했다.

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산소 없어도 살아가는 것들

지난달 11일 광주 광산구 도산동에서 활동하는 사회단체 회원들이 사랑의 김장김치 나눔 행사를 열고 있다. 김치도 유산균 등 미생물을 활용한 발효식품이다. [연합뉴스]

미생물 중에는 산소 없이 살아가는 종류가 적지 않다.
이들을 혐기성(嫌氣性, anaerobic) 미생물이라고 한다. 공기, 즉 산소를 싫어한다는 의미다.

혐기성 미생물 중에는 절대(obligate) 혐기성인 종류와 조건(facultative) 혐기성인 종류가 있다.

절대 혐기성 미생물에게는 산소 자체가 해로운 물질로 작용한다.
산소가 쪼개져서 만들어지는 산소 라디칼을 방어하지 못하기 때문이다.

심해 열수공 인근에 사는 세균이나 보툴리눔 독소증(botulism)을 일으키는 클로스트리듐 보툴리눔(Clostridium botulinum)이 대표적인 사례다.
이들은 발효하면서 살아가거나, 산소 대신 황산염 같은 다른 화학물질을 이용하는 혐기성 호흡을 한다.

조건 혐기성 미생물은 산소가 없을 때는 발효를 하고, 산소가 있으면 그걸 이용해 산소 호흡을 하는 종류다.
대장균(Escherichia coli)이 조건 혐기성 세균이다.

대장균 [중앙포토]

이와 함께 산소 내성(aerotolerant) 미생물의 경우는 산소가 있을 때도 자라지만, 그렇다고 산소를 이용하는 것도 아닌 종류를 말한다.

산소 내성 미생물의 경우는 보통 발효를 통해 에너지를 얻는다.

산소를 적극적으로 활용하는 미생물은 호기성(好氣性, aerobic) 미생물이라고 한다.

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화성에도 생명이 있을까

지난달 11일 미 항공우주국(NASA)가 화성탐사선 인사이트가 로봇팔에 장착된 카메라로 찍은 셀카 사진 11장을 짜깁기한 이미지를 공개했다. [NASA wprhd=뉴스1]

과학자들은 지구의 모퉁이 극단적인 환경 속에서도 다양한 미생물이 살아가고 있음을 밝혀내고 있다.
생명이 없는 것처럼 보이는 태양계 행성, 특히 화성의 땅속에 얼음과 물이 있다면 미생물과 같은 생명체가 존재할 수도 있다.

물론 화성의 생명체를 탐사하는 연구는 지금도 진행되고 있다.
다만, 지구에서 보낸 탐사선에 지구의 미생물이 묻어가지 않도록 하는 것이 정확한 결과를 얻는 관건이다.
언젠가는 화성에서 생명체를 발견했다는 소식이 들려올지도 모를 일이다.