박테리아가 기후 변화를 가속화한다?

다른 유기체보다 온난화 영향 크게 받아

원핵생물로 알려진 박테리아와 고세균(Archaea)은 지구상에 존재하는 모든 유기체의 총 무게인 바이오매스(Biomass)의 절반가량을 차지한다. 지구 온도가 상승하면 이러한 미생물이 더 많은 탄소를 방출하여 기후 변화가 가속화될 수 있다는 연구 결과가 나왔다.

영국 임페리얼 칼리지 런던의 연구자들은 온난화가 원핵생물에 미치는 영향을 조사했다. 전 세계의 여러 환경에서 자료를 수집하고 분석한 결과, 온도 상승으로 인해 박테리아 등의 호흡 속도가 빨라지면서 이산화탄소 배출량도 함께 증가한다는 사실을 발견했다. 이 연구는 지난 13일 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 저널에 발표되었다.

지구상에 존재하는 박테리아와 고세균의 분포 비율. 모든 원핵생물의 세포 숫자는 약 10의 30승으로 추정된다. © Nature / SCELSE

지구상에 존재하는 박테리아와 고세균의 분포 비율. 모든 원핵생물의 세포 숫자는 약 10의 30승으로 추정된다. © Nature / SCELSE

박테리아와 같은 미생물의 대사율을 이해하는 것은 기후 변화로 생태계가 어떻게 바뀔지 예측하는 데 중요하다. 원핵생물이 전 세계 탄소 배출량에서 큰 부분을 차지하기 때문이다.

대부분의 원핵생물은 인간과 유사하게 호흡이라는 과정을 통해 에너지를 생산한다. 여기에는 공기를 마시고 이산화탄소를 방출하는 과정이 포함된다. 그러나 박테리아와 고세균은 다른 유기체보다 환경 변화에 쉽게 적응할 수 있다. 온도가 상승함에 따라 호흡을 효율적으로 변환하고, 생존하기 위해 이산화탄소를 다른 유기체보다 훨씬 높은 비율로 배출하여 적응한다.

연구팀은 먼저 482종의 원핵생물을 대상으로 온도에 따른 호흡수 변화를 조사했고, 수집한 데이터베이스를 분석해서 이산화탄소 배출량에 미치는 영향을 예측했다. 그 결과, 이전에 생각했던 것보다 더 빠른 속도로 고온에 적응하여 탄소 배출량을 증가시킬 것이라는 사실을 알게 됐다.

고세균은 화산 온천에서도 발견된다. 사진은 옐로스톤 국립공원의 그랜드 프리즘 온천. © U.S. NPS

고세균은 화산 온천에서도 발견된다. 사진은 옐로스톤 국립공원의 그랜드 프리즘 온천. © U.S. NPS

온도가 상승하면 원핵생물의 CO2 배출량 급증

임페리얼 칼리지 생명과학부의 샘랏 포어(Samraat Pawar) 수석 연구원은 “온도가 상승하면 단기적으로는 며칠에서 몇 시간 단위로 개별 원핵생물의 신진대사가 활발해지면서 더 많은 이산화탄소를 배출한다. 그러나 신진대사의 효율이 떨어지는 한계 온도가 여전히 존재한다”라고 말했다.

또한, 포어 박사는 “장기적으로는 수년에 걸쳐 원핵생물 집단이 더 높은 온도에서 견딜 수 있도록 효율적으로 진화해 신진대사와 탄소 배출량을 늘릴 수 있다”라면서 이것을 ‘더블 웨미(Double whammy)’ 효과라고 불렀다. 온도가 상승함에 따라 이산화탄소 배출량이 증가하는 과정이 계속 반복되는 악순환에 빠진다는 것이다.

연구팀은 이런 현상이 기후 변화에 부정적인 영향을 미칠 가능성이 있다고 밝혔다. 그러나 온도, 호흡수, 탄소 배출량의 정확한 관계는 아직 불확실하다.

원핵생물 균주의 실험 온도별 피크 성장 온도. © Imperial College London

원핵생물 균주의 실험 온도별 피크 성장 온도. © Imperial College London

실험에서는 0°C 미만의 남극 호수에서 120°C 이상의 화산 온천에 이르기까지 다양한 환경에 서식하는 원핵생물들의 온도 변화에 대한 반응을 조사했다.

예상대로 대부분의 원핵생물은 고온에서 훨씬 많은 이산화탄소를 배출했다. 보통 45℃ 미만에서 사는 중온성 원핵생물은 온도 상승에 민감한 반응을 보였다. 반면에 45°C 이상에서 사는 고온성 원핵생물은 별다른 반응을 보이지 않았는데, 이미 고온에 적응한 상태라서 영향을 덜 받는다고 추정된다.

결론적으로 중온성 원핵생물은 진핵생물보다 온난화에 더 큰 영향을 받는다. 즉, 모든 식물, 곰팡이, 동물처럼 복잡한 세포를 가진 유기체들에 비해서 원핵생물의 탄소 배출량이 온도 변화에 더 민감하다는 뜻이다.

기존 예측 모델을 벗어나

현재까지 제시된 여러 모델에 따르면 지구 온도 상승과 함께 유기체들의 이산화탄소 배출량도 증가하는 것으로 나타났지만, 이것은 원핵생물과 다른 유기체의 차이점을 고려하지 않은 것이다.

이번 논문의 제1 저자인 토마스 스미스(Thomas Smith) 연구원은 “대부분의 기후 모델은 모든 유기체의 호흡 속도가 같은 방식으로 온도에 반응한다고 가정하지만, 우리의 연구에 따르면 박테리아와 고세균은 전체 유기체의 평균치에서 벗어날 가능성이 있다”라고 말했다.

연구팀은 미래의 기후 변화 예측을 위해서 원핵생물이 탄소 배출에 미치는 영향을 계산하는 수학적 모델을 구축했다고 밝혔다. 이를 통해 현재 생태계와 기후 모델에서 예상하는 수치보다 탄소 배출량 증가 속도가 빨라질 것으로 전망했다.

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