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Korea Institute of Ocean Science & Technology

심해의 보고 화학합성생태계

  • 조회 : 13477
  • 등록일 : 2009-08-14
심해의 보고 화학합성생태계
- 열수분출공(Hydrothermal vent), 용수역(Seep), 고래뼈(Whale bone), 침목 등 -
김   동  성 (해양생물자원연구부)


본인이 처음으로 열수분출공 생물군집과 인연을 맺은 것은 일본 동경대학 대학원 석사시절인 1989년이다. 지도교수인 Dr. Ohta가 오키나와 트러프에서 첫 열수지역을 발견한 후 첫 제자로 들어갔기 때문이다. 따라서 석사학위는 자연스럽게 유인잠수정“Shinkai 2000"을 사용한 ”심해열수대형저서생물과 그 공생관계“를 밝히는 논문을 쓰게 되었다. 

1979년 태평양의 동쪽 바다 2,600미터, 위경도 0°47‘84“N, 86°09'18"W (EPR)에서 전 세계 처음으로 미국의 Alvin이 열수생태계의 생물을 채집한 후 10년 뒤의 일이며, 지금으로부터는 약 20여 년 전의 일이다. 그 후 해양연구원에와서 연구원의 도움으로, 파푸아 뉴기니아의 마누스해분, 휘지해분, 세계에서 가장 깊은 해역인 마리아나 해구, 오카나와의 새로운 열수발견인 하토마해구 등, 또 인도양의 첫 열수발견지역인 Edmond Vent Field, Kairei Field 등등의 탐사를 독일과 일본과의 공동연구로 진행 할 수 있었다. 

독일의 Sonne 와 카메라가 장착된 GTVA 그랩, 일본의 유인잠수정”Shinkai 6500",세계에서 가장 깊은 잠항이 가능했던 "Kaiko", 가장 최신의 고화질 카메라가 장착된 "Hyperdolphin-3k"의 활용은 연구자로서 양질의 자료 및 생물시료를 획득할 수 있는 행운이기도 했다. 그러한 연구 결과는 미약하지만 몇 편의 국,내외 학술지에 게재를 하였고, 세계 심해생물학자들의 가장 활발한 발표 장소인 2006년 영국의 Southampton에서 열린 “International Deep-Sea Biology Symposium” 과 심해의 화학합성생태계 관련 연구자들이라면 세계의 거의 모든 학자가 참여하는 2009년 6월말 일본의 오키나와에서 개최된 “4th International Symposium on Chemosynthesis-Based Ecosystems-Hydrothermal Vents, Seeps and Other Reducing Habitats-”에서 “열수성 신종“발표를 비롯한 몇 편의 발표를 하였다.

 

 

 


그림 1. 열수역에 서식하는 선충류의 신종 발견


        (Dinetia pacifica n. sp., male.)



표. 1 Dinetia pacifica n. sp. 의 형질 비교

그림 2. 열수관련 해역들에서의 중형저서생물(meiobenthos)의 개체수 및 군집의 유사성분석


하지만, 무척 유감스럽게도 심해생물 연구에 있어 거의 절대적인 위치를 가지고 있는 두 학회 모두 한국에서는 유일하게 우리연구실의 발표만이 있었다. 

그림 3. 제4차 화학합성생태계 국제 심포지엄 발표장 전경 


이것은 당연히 우리나라 주변에 이와 유사한 생태계가 존재하지 않는다는 것 (생태계만 존재한다면 그 전문가는 쉽게 도출될 수 있었을 것이다) 그래서 국제공동연구를 할 수 밖에 없다는 점과 이러한 연구를 위한 기반 장비 및 환경 (예를 들면 잠수정(현재는“해미래”가 개발되었지만..), TGVA같은 장비, 연구 모선의 충분한 활용 등)이 아직 많이 미흡하다는데 그 결정적 원인이 있을 것이다.

 
모두 알고 계시는 이야기라고 생각하지만, 현재 전 세계 High sea의 큰 주제는 “해양 자원”이다. 해양에 주인 없이 펼쳐져있는 “광물자원”과 “생물자원”은 여러 중요한 국제회의에서 자국의 이익실현을 위한 치열한 논쟁과 행위가 끊임없이 이어지고 있다. 이러한 공통된 자원의 보고 중 첫 번째로 꼽을 수 있는 곳이 심해열수분출공지역과 용수지역이라 할 수 있을 것이다. 

 
 
그림 4. 열수분출공은 그 높낮이 뿐 아니라 형태 및 개수가 지역에 따라 크게 차이가 난다. 해저 밑바닥의 열수 분추구에서의 black smoker(사진제공; 김동성, 일본JAMSTEC)
 


열수분출공 생물군집의 발견은 현재도 계속되어져 태평양의 서부·남서부
·남부·동부, 대서양, 인도양, 지중해, 북극해 등에서 발견되어졌다. 태평양의 서부에서 남부에 걸쳐서, 마리아나 해구, 마누스 해분, 북휘지 해분, 라우 해분, 컬마딕 back-arc 해분, 오키나와 trough의 여러 곳과 동부의 캐나다 앞 환데후카·익스플로러·골다 해령이나 미국에서 칠레 앞에 이르는 동태평양 해팽(rise)이다. 


대서양에도 중앙을 남북으로 횡단하는 대서양 중앙 해령이 있어, 여기에도 동태평양 해팽 못지않은 다수의 생물군집이 발견되었다. 인도양 중앙 해령계에 있어서는, 일본의 연구팀이 세계에서 가장 처음으로 열수분출공 생물군집을 발견했다. 

최근에는, 북극주변의 Gakkel 해령(수심 2000m)에서도 열수분출공 생물군집의 존재가 지적되었다. 또, hot spot 열수분출 로서는, 하와이 앞 Loihi 해산이 유명하다. 용수생물 군집은, 지구의 플레이트가 말려들어가는 해역, 해저유전이나 메탄하이드레이트 등과 같은 배경 하에서 형성되어진다. 태평양의 북부
·서부·남서부·동부, 멕시코만, 대서양의 동부와 서부, 지중해, 인도양동부 등이다. 오호츠크해에는, 수심 300 ~ 804m 정도에 메탄용출이 있고, 알래스카 앞바다의 Aleutian 해구(수심 4530~4980m), 서태평양에 있어서는 마리아나 화산 앞의 남차모르 해산 정상부(수심 약 2900m) 그 외 파푸아뉴기니아 섬, 동태평양의 오레곤 앞, 몬트레이 만, 페루 해구, 칠레 해구 등에서 연이어 발견되어졌다. 


 그림 5. 전 세계 해양에서 발견되어진 열수분출공 및 열수역 (빨강 동그라미)



여기서 현재 세계의 해양에서 뜨거운 감자가 되어있는 화학합성생태계라는 것이 무엇인지 간단히 살펴보기로 하자. 화학합성이라는 것은 무기물의 산화에 의해 발생하는 에너지를 사용하여 탄산을 고정한 유기물을 합성하는 것을 말한다. 

광합성에 있어서의 광에너지 대신에 무기물의 산화 에너지를 이용하는 것이다. 화학합성 무기영양생물과 메탄산화세균은 같은 류라고 판단, 이들이 생산자적으로 기능하는 생태계를「화학합성생태계」로, 그곳에 형성되는 생물군집을 「화학합성 생물군집」이라고 한다. 


화학합성 생태계/화학합성 생물군집의 주된 것은, 마그마 등의 열원에 의해 발생되는 열수순환계에 형성되는「열수생태계」/「열수분출공 생물군집」,그 이외의 순환계에서 메탄 등 탄화수소가 풍부한 용수가 뿜어져 나오는 장소에 형성되는「용수생태계」/「용수성 생물군집」이 있다. 열수분출공 생물군집은, 통상 중앙해령이나 열도/ 배호분지(back arc basin)의 활동적인 해저화산지역에 형성된다. 용수생물군집은 해구나 trough라고 하는 판(플레이트)의 수렴지역, 메탄하이드레이트 형성지역, 이화산, 해저유전지역 등에 형성된다. 그 위에 생물의 사체가 해저에 쌓여서, 부패되어감에 따라 유화수소나 메탄이 발생하는 경우가 있다. 그들에는, 죽은 고래에 형성되는「고래뼈 생물군집」이나 침몰된 나무에 형성되는「침목생물군집」이 포함된다. 


화학합성 생태계 중, 열수분출공 주변에 형성되는 열수 생태계의 먹이사슬을 보면, 해저 밑에서 공급되어지는 화학종의 조성에 차이가 있지만, 생태계의 구조로서는 용수생태계도 기본적으로 다르지 않다. 일차생산자인 세균이나 고세균은, 해저표면이나 저서생물의 몸 표면에 밀집되어 박테리아 매트를 형성하기도 하고 자유롭게 수괴 속을 떠다니기도 한다. 


화학합성 생태계에서는, 세균과 동물의 사이에 다양한 공생관계가 보인다. 화학합성 생태계에 대표적인 흰색분말패각조 개, 심해홍합류, 앨빈조개류, Lamellibrachia를 포함한 관벌레류, Rimicaris속의 심해새우류, 허리꺽인새우류인 Munidopsis 등은

 
그림 6. 열수분출공 및 용수역에 서식하는 여러 종류의 저서생물들. 굴뚝(Chimney)이나 용출역으로부터 뿜어나오는 화학적 성분에 의해 유지되는 이들 생태계는 굴뚝이나 용수역이 수명을 다함과 동시에 서서히 그 자취를 감추기도 한며, 새로운 분출공의 형성에 동반되어, 근처 어디로부턴가의 유입으로 새로운 형태의 생태계가 조성되기도 한다. 
(사진제공; 김동성, 일본JAMSTEC)



세포내?외에 박테리아를 공생시켜 그들이 생산하는 물질을 영양원으로 한다. 이러한 동물의 서식밀도는 높은 경향을 보이고, 대서양 중앙해령의 열수분출지역에 서식하는 새우류인 Rimicaris exoculata 는 2500개체/㎡, 멕시코만의 용수역에 서식하는 홍합류인 Bathymodiolus childressi 는 460~830개체/㎡에 달할 정도로 높다. 일본주변에서도 사가미만 하쯔시마 앞의 용수역에서는 이매패류인 Calyptogena soyoal 와 Calyptogena okutanii 의 혼생집단은 128개체/㎡정도를 보인다. 

공생에 의한 일차생산과 접해있는 동물들은 심해임에도 불구하고 국소적으로 높은 서식밀도와 생체량을 보인다. 화학합성 생물군집의 주요한 동물분류군은, 과 레벨 이하의 하위 분류군에서의 고유성이 높고, 태평양, 대서양, 인도양 등 광범위하게 공통되어 출현하는 경우가 많다. 예를 들면 이매패강의 Vesicomlyidae과, Bathymodiolus속, 복족강의 Provannidae과 Lepetodrilidae과, 다모강의 Nautiliniellidae과?Siboglinidae과 Paralvinidae과 등은 많은 지역에 공통한다. 먼거리에 있는 군집사이에서도, 같은 종 혹은 근연종이 출현한다. 인도양의 열수분출해역에 분포하는 심해홍합류인 Bathymodiolus marisindicus에 무엇보다 가까운 종(같은 종일지도 모른다)은, 10,000㎞ 정도 떨어진 이즈?오가사와라 제도해역의 열수분출역에 서식하는 B.septemdierum이다. 사가미만의 Calyptogena soyoal는 미국 서해안 앞의 Calyptogena kilmeri 와 같은 종이다. 이 처럼 저서생물의 고유성?공통성은, 유생분산과정과도 밀접하게 관련되어 있다는 것으로부터, 유생분산 메커니즘으로 mega plume에 의한 유생운반, 고래뼈 생물군집이 분산의 중계지점이 된다고 하는 징검다리 가설, 긴 유생기간에 따른 장거리 분산의 가능성 등이 지적되어 왔다. 

화학합성 생물군집의 종 다양성을 보면, 광합성 의존형의 심해 생물군집보다 낮게 나타난다. 화학합성 생물군집을 구성하는 동물종의 서식밀도나 생체량은 1,2종이 돌출되어 커다란 값이 되어 군집의 70 ~ 90%의 상대량이 되는 것에 비해, 광합성 의존형에서는 돌출한 종은 출현하지 않는다. 오키나와 해구에 있는 열수분출공 생물군집, 거기에 하쯔시마 앞 주변의 광합성 의존형의 심해생물군집을 구성하는 저서생물을, 밀도가 높은 순으로 나열해보면, 화학합성 생물군집에는 출현종수가 적고 최고 밀도의 종과 최저밀도의 차는 크다. 그러나 광합성 의존형에서는 출현종수는 많고 밀도의 차이는 적다. 화학합성 생태계의 다양성이 낮은 이유는 명확하지 않지만, 고온, 고농도의 유화수소나 중금속이라하는 유독환경으로의 적응, 환경의 불안정성(열수분출이나 용수현상이 비교적 단기수명이다) 등이 영향을 미치고 있을지도 모른다.

이렇듯 지구상의 많은 해역에서 약 30여년에 걸친 많은 발견과 연구 결과가 축적되어 왔다. 그렇다면 우리나라는 이러한 연구를 하기에 너무 늦은 것일까? 개인적인 결론을 이야기하자면 “아니다”라는 것이다. 늦기는 했지만, 이러한 연구 현장에 참여하여 결과를 도출할 수 있는 틈새가 아직은 여전히 많이 남아있다 생각된다. 특히, 열수분출공이나 열수역에서 전혀 새로운 생물군집의 발견을 기대할 수 있는 해양의 지역이 아직도 많이 남아 있다는 것이다. 

이러한 지역 가운데 북극해는 오랫동안 가장 큰 관심의 대상이 되어 왔다. 북극해의 Gakkel 해령에서 열수분출공은 분출공 고유의 특색을 잃어버리고 지역화가 되어버렸지만 그들의 생물상은 사진기록과 채집된 시료로 남아있다. 생물지리학적으로, 분류학적으로 주목할 만한 관심이 가는 다른 지역들은 독립된 해령 환경들이다. 대서양 남서부에 위치한 Scotia 해령, 지중해의 Cayman 해팽, 그리고 인도양 북동쪽에 위치한 Andaman 배호 해령이 이에 속한다. 중앙해령조차도 아직까지 탐사되지 않은 부분들이 남아 있다. 반드시 조사해야 할 해령들 가운데 하나가 대서양 중앙 해령의 Azores 지역이다. 

유전인자의 흐름에 대한 연구, 이 단열대가 각 종들의 확장에 대해 장벽으로든 또는 여과지역으로든 어떻게 작용하고 있는 지에 대한 연구 등도 필요하고, 남동태평양의 칠레 해팽과 남극 해령들 또한 분류학과 다양성, 유전자의 흐름에 관한 비교 연구는 아직까지 많이 미흡한 상태이다. 인도양의 triple 해령 환경의 분출공 생물상에 대한 계통지질학적 연구, 대서양과 서태평양 생물상의 비교 연구들은 대서양과 태평양 사이의 종의 확산 방향을 밝히는 것도 연구주제의 하나일 것이다. 심지어 매우 잘 탐사된 분출공 지역에서도 분명하게 알려지지 않은 적응방법에 대한 발견의 가능성이 존재한다. 

대부분의 분출공 생물종들에 대해 생물학적으로 자세히 알려진 바는 거의 없다. 이러한 평범하지 않은 서식지에서 살아가는 적응능력의 범위를 파악하기 위한 개체군의 서식 습성과 생활사에 대한 연구 등, 각 개체군에 대한 깊은 연구는 언제든 엄청난 가능성들을 내포하고 있다. 

우리연구원은 다행히도 오래전부터 열수연구를 서태평양에서 수행하여 왔다. 광물자원 탐사를 위한 것이 주였지만 연구책임자의 배려 하에 환경적인 연구도 수행되어, 다행히 본인도 참여할 수 있었다. 하지만 연구환경이 제대로 조성되지 않았던 지금까지는 국제공동연구 하에 이루어지는 것을 활용하거나 일차적인 자료만을 만들 수 밖에 없었다. 그러나, 최근 우리 연구원은 무인잠수정“해미래”를 개발하여 보다 연구에 박차를 가할 수 있는 환경 조성이 되었다. 또한, 잠수정 “해미래”를 이제부터는 적극적으로 활용할 시기에 와있다. 

해저열수광상개발사업단의 노력으로 연구비가 과거보다는 크게 증액되고, 연구책임자의 주관 하에 이루어지겠지만 올해는 기존의 통가 지역 외에 과거 본인이“Shinaki 6500"으로 잠항을 했던 인도양 Triple junction의 북쪽 지역에 대해 탐사를 할 예정으로 있다한다. 앞에서도 언급하였지만, 이 북쪽 해역은 새로운 열수지역 발견 가능성이 아주 높은 지역이라 할 수 있다. 이와 더불어 남해연구소 주관 하에 시행되고 있는 ”해미래“ 활용연구에서는 우리 나라 동해의 가스하이드레이트 유력지역의 연구가 시행되고 있다. 이러한 지역에는 용수역 생물군집이 발견될 가능성이 충분히 있다고 본다. 

이미 우리나라 동해의 동쪽 끝 부분 수심 3,000미터를 넘는 장소이지만 Okushiri ridge 포함 4군데와 수심 1000미터를 넘지 않는 Joetsu  앞 바다에서 이러한 생물군집 발견이 있었기 때문에, 우리도 발견할 가능성이 더욱 높다 할 수 있다. 이러한 일련의 연구원의 연구들이 이루어진다면, 앞으로는 더욱 많은 심해 및 심해화학합성생태계의 전문가들이 배출될 수 있을 것이고, 그러한 전문가들에 의해 국제사회에서 우리나라도 전 세계 심해해양자원의 문제에 대해 보다 적극적으로 참여하여 권리 및 의무를 이행할 수 있을 것으로 생각되며, 그러한 날이 하루 빨리 오기를 진심으로 기대해본다.    


2009-08-14 

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2019-05-31