d라이브러리

 극지 고층대기 관측 

우주를 탐색하다

극지는 우주로 열린 창이다. 지구의 자기력선은 남극과 북극에서 우주로 열려있다. 이런 자기력선을 따라 지구 대기로 유입된 우주의 입자들은 지구의 ‘고층대기(upper atmosphere)’와 상호작용하며 여러 가지 현상을 일으킨다. 오로라가 대표적이다. 오로라는 대기 깊숙이 들어온 하전입자가 대기 중 원자나 분자와 충돌해 발생한다.

고층대기, 어렵지만 중요한 이유

남위 62도 13분, 서경 58도 47분. 위치상 ‘서브오로라대(Sub-auroral Region)’에 속하는 남극세종과학기지는 고층대기를 연구하기 위한 최적의 장소다.

고층대기는 대류권과 성층권이 있는 저층대기보다 높은, 고도 50km 이상의 대기 영역이다. 즉 중간권(고도 50~90km)과 열권(고도 90~500km), 그리고 열권에 중첩돼 있는 전리권을 일컫는다. 전리권에는 원자가 태양 극자외선을 받아 이온과 전자로 전리(ionization)된 플라스마가 존재한다. 이로 인해 고층대기는 대류권이나 성층권과는 매우 다른 복잡한 전자기적, 동역학적 현상을 보인다.

극지 고층대기는 우주 환경의 영향과 저층대기에서 전파되는 대기 파동의 영향을 둘 다 받는다. 우주 환경에서 유입되는 고에너지 입자들은 고층대기 온도를 상승시키고 전리권 전자밀도를 크게 증가시킨다. 또한 고에너지 입자의 에너지 크기에 따라 오존과 같은 저층대기 구성입자들의 생성과 소멸 화학반응에도 영향을 준다.

저층대기로부터 받는 영향도 있다. 남극세종과학기지가 위치한 남극반도 주변은 남북으로 길게 뻗어 있는 남아메리카의 안데스 산맥과 남극반도를 따라 병풍처럼 펼쳐진 남극산맥 등 지형적인 특성이 독특하다. 겨울철 성층권에서 활발한 남극 소용돌이(Antarctic Vortex)에 의해 대기 파동 현상도 발생한다. 이 파동은 고층대기로 전파돼 고층대기의 열역학적, 동역학적 특성에 매우 중요한 영향을 미친다.

이토록 복잡하게 작동하는 고층대기를 연구하는 이유는 고층대기를 포함하고 있는 우주환경이 인간 생활에 직접적인 영향을 주기 때문이다. 고층대기 전리권이 교란되면 단일 주파수 위성위치확인시스템(GPS)에 오차가 생길 수 있고, 단파통신이 두절될 수 있다. 고층대기 영역에 상주하고 있는 인공위성의 운영이나 위성과의 통신에 장애가 발생하기도 한다. 또한 지상 전력망에 지자기 유도전류를 일으켜 심각한 영향을 줄 수 있다. 우주선과 같은 고에너지 입자는 우주에서 활동하는 우주인이나 극궤도 항공기 승무원의 건강에 치명적일 수 있다.

고층대기 온도·바람 30년 모니터링

극지연구소는 2000년대 초반부터 남극세종과학기지와 장보고과학기지, 북극다산과학기지 등에 다양한 광학 관측기기와 레이더 관측기기를 설치해 중간권 상부(고도 약 70km)에서 열권(고도 약 300km)까지의 바람과 온도를 지속적으로 모니터링 해왔다.

특히 남극세종과학기지는 현재 남극반도 주변 여러 기지 가운데 고층대기 관측 시설을 가장 많이 보유하고 있다. 1988년 완공 이후 미국 뉴욕주립대와 공동으로 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계(특정 파장대의 대기광을 관측해 고층대기 바람과 온도를 동시에 측정할 있는 광학 관측기기)를 설치하며 열권 관측을 처음 시도했다.

그리고 1990년대 말 적외선 간섭계를 설치해 중간권 상부와 열권 하부의 온도를 관측하면서 본격적인 연구를 시작했다. 적외선 간섭계는 2002년 대기광 분광계로 교체돼 현재까지 극지 고층대기의 온도를 관측하고 있다. 이를 통해 다양한 주기의 대기 파동이 이 영역에 존재한다는 사실이 확인됐다.

2007년에는 충남대 연구팀과 공동으로 유성(流星) 레이더를 세종과학기지에 설치해 중간권~열권 하부의 바람, 온도 등 고층대기 데이터를 지속적으로 수집하고 있다. 또한, 2008년에는 고층대기에 영향을 미치는 대기 파동을 직접 관측하기 위해 남극세종과학기지 주변 하늘 전체를 촬영할 수 있는 전천(全天) 카메라를 설치해 현재까지 운영하고 있다.

최근에는 미국 국립대기과학연구소(NCAR)와 공동으로 페브리-페로 간섭계를 남극세종과학기지에 설치해, 유성 레이더에 의한 중간권 및 열권 하부 관측에 이어 열권 상부까지 고층대기 관측을 확장할 수 있게 됐다.

2014년에는 두 번째 남극 기지인 남극장보고과학기지를 남극 반대편에 있는 테라노바만에 설립해, 극지 전리권, 오로라, 자기권, 우주선 등 극지 고층대기를 포함한 종합적인 우주환경 관측 시스템을 구축하기 시작했다.

 고(古)환경 복원 

지구 역사의 비밀을 캐다

남극세종과학기지가 위치한 서남극 지역은 최근 빙붕(ice shelf) 붕괴와 같은 급속한 환경 변화를 겪고 있고, 이는 최근의 지구온난화 경향과 관련 있다고 여겨진다. 그런데 혹시 이런 기후변화가 인간 활동의 영향 때문이 아니라, 자연적으로 일어나는 변화는 아닐까 하는 의문이 생길 것이다.

빙붕 대륙 빙하인 빙상(ice sheet)이 바다 쪽으로 흘러내려 빙상의 연장이 바다에 떠 있는 부분. 두께가 200~600m에 달한다.

극지연구소 고환경연구부에서는 자연적인 변화 추세를 파악하고 그 메커니즘을 이해하기 위해 과거 서남극 지역에서 어떤 기후변화가 일어났는지, 또 그에 따라 환경에는 어떤 영향이 있었는지 연구하고 있다

과거의 기후 기록을 간직하고 있는 많은 물질들 중에서 극지연구소 고환경연구팀이 주 연구대상으로 삼은 것은 해양과 육상의 퇴적물이다. 퇴적물을 분석해 지난 수천~수만 년의, 마지막 빙하기 이후의 서남극 환경 변화를 주로 복원하고 있으며, 때로는 수백만 년 이상으로 그보다 훨씬 오래된 환경 변화도 복원한다.

붕괴 빈번한 라슨 빙붕 탐사

극지연구소는 남극세종과학기지가 있는 킹조지섬을 포함한 서남극의 남극반도 지역을 오랫동안 연구해왔다. 퇴적물을 이용한 고환경 연구는 1990년대 말부터 시작됐다. 초창기에는 주로 남극세종과학기지 주변의 해양퇴적물 및 육상 토양을 연구했다. 대표적으로 남극세종과학기지 앞 맥스웰만의 빙해양 퇴적작용을 해석해 홀로세 동안의 기후변동을 분석하는 연구가 있다. 2010년에는 최근 3000여 년 동안 이 지역에 약 500년 주기의 기후변동이 일어났음을 밝힌 논문이 국제학술지인 ‘미국지질학회지(Geological Society of America Bulletin)’에 실리기도 했다.

최근엔 연구 영역이 훨씬 더 확장됐다. 2013년 초에는 한국의 쇄빙선 아라온호를 타고 웨델해 서쪽에 있는 라슨 빙붕 지역을 탐사하고 관측 장비를 설치했다. 라슨 빙붕 지역은 남극반도에서 가장 큰 빙붕 지역으로, 최근 빙붕 붕괴가 지속적으로 발생하고 있다. 2002년에는 한 달 정도의 짧은 기간 동안 3000km2가 넘는 빙붕(라슨B)이 붕괴됐다. 이 정도면 남한 면적의 3분의 1 넓이다. 그러나 접근이 용이하지 않아 지금까지 본격적인 연구가 이뤄지지 않았다.

극지연구소 연구팀은 2013년 아라온호에 다양한 지질·지구물리 장비를 싣고 라슨 빙붕 지역을 탐사했다. 퇴적물 시추기를 사용해 여러 개의 해양퇴적물 코어를 획득했고 퇴적물의 연대를 측정했다. 또한 퇴적물 내 유기물 조성 및 함량, 화석 종류, 미량 원소나 안정동위원소의 변화 등을 이용해 과거 환경을 해석하는 연구를 진행하고 있다.

특히 이 탐사를 통해 라슨C 빙붕 지역에서 세계 최초로 퇴적물 코어를 획득하는 데 성공했다. 이 시료들은 마지막 빙하기 이후 라슨 빙붕 지역의 고환경을 복원하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

해빙기 빙하 후퇴 양상 새롭게 밝혀내

탐사 경험이 축적되면서 극지연구소는 고환경 복원 분야에서 세계적으로 의미 있는 성과들을 내고 있다. 한 예로 남극 로스해(Ross Sea) 탐사를 통해 로스해의 빙하 후퇴 패턴에 대해 새로운 사실을 밝혀냈다.

로스해 지역은 마지막 빙하기 동안 수백m가 넘는 두꺼운 얼음으로 뒤덮여 있었으나, 빙하기가 끝나면서 빙상은 후퇴하고 현재와 같은 바다가 됐다. 그동안은 로스해 전역에서 빙하기 동안 서남극 빙상의 영향이 우세했고, 따라서 빙하는 북쪽에서 남쪽 방향으로 후퇴했다는 의견이 지배적이었다.

그런데 아라온호로 로스해 서부 지역의 해저 지형을 정밀하게 탐사한 결과, 빙하가 동쪽에서 서쪽으로 후퇴한 사실이 드러났다. 이는 동남극 빙상의 영향이 과거에 생각했던 것보다 더 넓은 지역에서, 더 오랫동안 지속됐다는 것을 의미한다. 쇄빙선, 남극장보고과학기지 같은 극지 연구 인프라가 갖춰져 있었기에 가능한 연구였다. 연구결과는 국제학술지 ‘지질학(Geology)’ 2017년 5월호에 실렸다.

서남극 라슨 빙붕 지역은 최근에도 빙붕 붕괴가 지속되고 있다. 2017년 7월에는 약 5800km2의 얼음이 라슨C 지역에서 깨져 나가면서 큰 관심을 모은 바 있다. 빙붕이 후퇴하면 주변 환경이 급격히 변하며 생태계 및 기후, 빙하의 흐름에 영향을 미친다. 오는 5월 극지연구소의 여러 연구팀은 아라온호를 이용해 약 20일간 라슨C 빙붕 지역과 남극반도 지역을 합동 탐사할 계획이다. 우리 연구팀은 기후변화에 따른 남극 빙하의 후퇴 역사 및 과거 해양환경의 변화, 남극과 전세계 환경 변화의 연관성을 밝히기 위해 앞으로도 연구를 계속할 것이다.

 생물 다양성 

킹조지섬의 생물을 훑다

남극은 기후에 따라 ‘해양성 남극지역(Maritime Antarctic Region)’과 ‘대륙성 남극지역(Continental Antarctic Region)’으로 구분된다. 남극세종과학기지는 해양성 남극지역인 킹조지섬 바톤반도에 위치하고 있다. 바톤반도는 상대적으로 기온이 높고(연평균 영하 1.8도, 1988~2016년 관측값 평균) 다습하다(연평균 88.7%). 특히 7개월 이상 지면을 덮고 있던 두꺼운 눈이 녹아내리는 여름철(12월 21일~3월 21일) 기온은 평균 약 1.5도로 남극의 다른 지역보다 높다.

바톤반도 뒤덮은 지의류와 선태류 김지희

상대적으로 높은 기온과 충분한 수분 공급, 오밀조밀한 굴곡이 잘 발달된 바톤반도의 지형은 육상에 다양한 서식환경을 만들어 생태계 다양성을 뒷받침하고 있다.

바톤반도의 대표적인 식생은 두 부류다. 균류와 광합성 조류의 공생체인 지의류와, 선태식물에 속하는 이끼류이다. 지의류와 이끼류는 바톤반도의 지형 및 크고 작은 암석들이 이루는 세부 지형과 관계를 맺으며 분포하고 있다.

바톤반도 식생에 대한 다양성 연구는 1992년 생태 조사의 일환으로 시작됐다. 이 연구로 지의류 42종과 이끼류 6종이 보고된 바 있으나 당시에는 단발적인 연구에 그쳤다. 2000년대 들어 육상식생의 분포와 다양성 연구가 본격적으로 재개돼 2006년에는 지의류 62종에 대한 보고가 이뤄졌다.

그리고 최근에는 지의류의 분류연구가 더욱 활발하게 이뤄지고 있다. 과거에는 지의체의 형태 특징과 이들이 생산하는 지의 성분을 박층크로마토그래피(TLC·Thin Layer Chromato
graphy)로 분리한 화학적 특성을 이용해 분류했다. 그런데 요즘에는 특정 유전자의 염기서열을 이용한 분자계통학 방법이 도입됐다. 그 결과 과거에 다른 종으로 분류됐던 다양한 형태의 지의류들이 같은 종으로 밝혀지는 사례도 종종 발생하고 있다.

동일종인 지의류가 서로 다른 형태를 갖는 이유는 여러 가지다. 한 예로 지의체 내에는 이를 구성하는 대표 균류와 광합성 조류외에도 다양한 균류와 박테리아가 공생하고 있는데, 그간 간과됐던 기타공생균류(효모, 곰팡이 등)가 지의체의 형태를 바꿀 수 있다. 또한 서식지의 환경에 따라 형태적 변이가 나타나는 경우도 있다.

극지생명과학연구부 연구팀은 지의류의 다양성 연구를 위한 새로운 연구 기법을 개발하고 있다. 현재는 킹조지섬에서 다양성이 가장 높은 분류군인 사슴지의속(Cladonia)을 대상으로 연구가 활발하다. 선태식물 중 이끼류(선류)는 킹조지섬에서 보고된 65종 중 29종이 바톤반도에서 발견돼, 현재 이들의 형태 및 분자계통학적 연구가 진행 중이다. 이와 함께 킹조지섬에서 보고된 우산이끼류(태류) 11종에 대한 연구도 진행할 예정이다.

드론 띄워 생물 분포 확인_(홍순규)

남극 육상생태계의 생물분포는 지형, 수분, 주변 생물 등 여러 환경 요인에 따라 결정된다. 바톤반도는 능선과 골짜기, 고지대와 저지대, 경사가 급한 지역과 완만한 지역 등 복잡한 지형적 특성을 가지고 있다.

고도와 경사도가 높은 지역은 주로 암석으로 표층이 구성돼 있고, 고도가 낮고 경사도가 작은 지역의 일부에 토양층이 형성돼 있다. 각 지형은 눈이 쌓이는 형태나 물이 흐르고 고이는 정도가 다르고, 사면에 따라 빛이 도달하는 양도 다르다.

이것이 생물 분포에 미치는 영향을 알아보기 위해 육상생태계연구팀은 드론을 띄워 바톤반도 전역의 고해상도 영상을 확보했다. 이를 바탕으로 약 10cm의 해상도로 미세지형도를 제작한 뒤, 다양한 식생이 구분지어 서식하고 있는 경사면의 환경 요소를 측정했다. 이를 통해 온도와 습도, 광량 등이 지의류와 선태류의 생존과 적응에 얼마나 영향을 미치는지 분석했다.

정확한 식생분포를 확인할 필요가 있을 때에는 기구형 드론인 ‘헬리카이트’를 띄웠다. 헬리카이트로 촬영한 영상을 4mm 공간해상도를 가진 모자이크 영상으로 변환해 분석했다.

그 결과 가로 세로 길이가 각각 4km로 작은 지역인 바톤반도 내에서도 환경, 특히 토양의 수분 함량 차이에 따라 서식하는 생물종이 다른 것으로 나타났다. 수분이 가장 많은 저지대와 건조한 고지대, 그리고 중간 지대를 점유하는 지의류가 각각 달랐고, 여러 군데에 동시에 서식하는 지의류라도 서식지에 따라 서로 다른 유전형을 가지고 있었다. 이는 유전형별로 선호하는 환경의 차이가 있음을 의미한다.

이처럼 환경 변화가 극심한 남극에서 수십 년에 걸친 생물종의 변화를 연구하는 것은 극지 생물의 다양성을 이해하고 앞으로 기후변화에 대응하는 단초를 제공할 것으로 기대된다.

 유전체 분석 

극지에서 살아남은 ‘저온 유전자’를 찾다

남극 해양의 어류는 연중 대부분을 해수온이 빙점(영하 1.9도)에 이르는 남극해에 산다. 남극어류는 다섯 종의 아목, 대략 120종이 서식하고 있다. 이중 남극암치아목(Notothenioids)이 90% 정도를 차지하며, 생물량도 남극해 전체 어류의 약 90%를 차지한다.

유전체로 밝힌 동결방지단백질의 비밀_(박현)

이들 어류들은 남극이라는 특별한 서식 환경에 적응하도록 진화해왔다. 가령 어떤 종은 적혈구를 포기하고 피부를 통해 물속의 산소를 흡수하도록 진화했다. 이런 종들이 살아남을 수 있었던 비결은 차가운 물에서는 산소가 포화 상태로 존재하고, 이 종들의 대사 작용이 온대 어류에 비해 훨씬 낮은 덕분이다. 적혈구가 없는 이런 어류들은 반투명하게 보인다고 해서 ‘빙어(ice fish)’라는 별명을 가지고 있다.

또한 모든 남극 어류는 동결방지단백질이 혈액을 따라 순환하도록 진화했다. 결빙의 해수에 노출됐을 때 체액의 빙점을 해수보다 낮게 보호하기 위한 생존 장치다. 어류뿐만 아니라 포유류, 곤충류, 세균, 미생물에 이르기까지 모든 생물은 체내에 얼음 결정이 생기면 생존할 수 없다. 날카로운 얼음이 물리적인 손상을 일으키고 세포와 조직의 탈수현상을 유발하기 때문이다.

실제로 극지에 서식하는 곤충, 식물, 효모, 세균 등에서 새로운 동결방지단백질들이 지속적으로 발견되고 있다. 동결방지단백질은 얼음에 결합해 얼음 결정의 성장을 억제하고, 어는점을 특이적으로 낮춘다. 이런 동결방지단백질들의 3차원 구조를 보면 공통적으로 얼음과 잘 결합할 수 있도록 편편한 부위가 있고, 여기에 물 분자와 수소결합을 이루기 위한 아미노산 잔기가 다수 존재한다.

동결방지단백질은 어떻게 만들어지는 걸까. 비밀을 풀기 위한 가장 중요한 단서는 유전체 정보다. 이를 위해 극지연구소는 2009년부터 남극어류의 유전체 해독을 시작해 2014년 남극대구, 2017년 남극드래곤피시의 유전자 지도를 완성했다. 올해는 아이스피시의 유전자 지도를 공개할 예정이다. 남극대구의 경우 유전자 3만2260개 중 1만3123개가 남극대구만이 갖고 있는 고유한 유전자라는 사실이 밝혀졌다. 현재 남극어류의 유전체 분석을 완성한 연구는 세계적으로 극지연구소가 유일하다.

또한 극지연구소에서는 남극 조간대(해안의 만조선과 간조선 사이의 지대)에 서식하는 해양플랑크톤인 남극요각류(Tigriopus kingsejongensis)의 전체 유전체 서열을 분석해 학계에 보고했다. 295메가베이스(Mb·1Mb는 100만 염기쌍) 정도의 크기를 가지는 남극요각류 유전체는 1만2000여 개의 코딩 유전자를 가지고 있다. 이것을 온대지역 요각류의 유전체와 비교한 결과, 남극 요각류가 수송과 대사과정에 관련된 특이한 유전자를 갖고 있고, 에너지 대사과정에 관련된 유전자들이 다른 유전자에 비해 급속히 진화했다는 사실이 밝혀졌다.

극지연구소에서는 현재 동결방지단백질을 활용해 혈액, 제대혈, 줄기세포와 같은 주요 생물자원을 동결 보존해 유전적 변이를 막고 장기 손상을 최소화하는 연구를 하고 있다. 또 동결방지단백질을 수산양식어류에 도입해 겨울철 냉해를 막는 연구를 분석진행 중이다. 동결방지단백질을 유전자 재조합 기술로 대량 생산하고 정제하는 기술이 개발되면 앞으로 연구가 더욱 활발해질 전망이다.

남극좀새풀에서 냉해 견디는 유전자 발견_(이형석)

남극좀새풀과 남극개미자리 등 극지 식물도 극심한 저온 환경에 생존하기 위한 다양한 적응 기작을 갖고 있을 것으로 예상된다. 그중에서도 남극좀새풀은 남극에 분포하는 유일한 벼과 식물이면서 척박한 환경에서 살아남을 수 있는 고도의 적응력을 보유하고 있어 식물학자들의 많은 관심을 받고 있다.

극지유전체사업단 연구팀은 남극좀새풀에서 ‘DaCBF7’이라는 유전자를 발견했다. 이 유전자는 식물이 서서히 저온에 적응하는 저온순화 과정에서 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려진 유전자의 일종이다. 다른 식물에서도 유사한 유전자들이 다수 발견됐지만 남극좀새풀 유전자에는 강한 추위에 더욱 특화된 정보가 포함돼 있을 것으로 예상됐다.

이를 확인하기 위해 우리는 해당 유전자를 벼에 삽입해 추위에 견디는 내냉성이 어떻게 달라지는지 관찰했다. 벼는 남극좀새풀과 같은 벼과에 속하는 친척관계이면서도 냉해에 매우 약한 작물이다. 그 결과, DaCBF7 유전자를 삽입한 벼는 일반 벼에 비해 저온에서의 생존율이 5배 정도 높은 것으로 나타났다. 저온에서 배양했을 때 일반 벼의 생존율은 평균 11%에 불과했지만, DaCBF7을 삽입한 벼는 생존율이 평균 54%에 달했다.

남극좀새풀 뿐만 아니라 극지방의 다른 현화식물(꽃을 생식기관으로 가지고 밑씨가 씨방 안에 들어 있는 식물)이나 선태식물들도 작물 개량을 위한 유전자원으로 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이런 연구는 농업 분야에서 지속적으로 발생하는 가뭄 피해, 이른 서리로 인한 냉해, 간척지에서 흔히 일어나는 고염분 피해 등 환경 조건이 적합하지 않아 생기는 농작물의 피해를 줄이는 데 도움을 줄 것으로 기대된다.

 해양 생태계 

지구의 환경 변화를 추적하다

남극해양무척추동물은 지금까지 약 1만 여 종이 등록돼 있다. 하지만 이는 빙산의 일각으로, 극지 과학자들은 남극해양무척추동물이 최소 수 만 종에 이를 것으로 추측하고 있다. 남극의 대표 생물인 펭귄이 총 7종, 물개와 해표가 6종, 고래가 25종인 것을 고려하면 엄청나게 많은 숫자다. 새롭게 발견된 신종 중에는 얼음 밑에 거꾸로 매달려 사는 말미잘처럼 상상을 초월하는 생물도 있다.

남극큰띠조개는 환경 변화의 바로미터_(안인영)

남극세종과학기지에서는 1988년 기지 준공 뒤 기지 주변에 살고 있는 펭귄, 물개, 지의류 등 육상 식생과 기지 앞 바다 마리안 소만의 조간대와 바닷속에 서식하는 해조류, 저서동물에 대한 기초 조사에 착수하며 연구 활동을 시작했다. 본격적인 해양생물연구는 1990년대 시작됐는데, 특히 기지 앞바다에 많이 살고 있는 ‘남극큰띠조개(Laternula elliptica)’의 얼음바다 속 생존 비밀이 주된 관심사였다.

이 종은 남극 연안에 많이 서식하는 남극토착종으로, 1980년대까지 분포 수심 외에 별로 알려진 것이 없었다. 극지연구소 연구팀은 20여 년 동안 이 종의 분포 특성, 주요 먹이, 대사활동, 성장 패턴과 생식주기, 월동에너지 전략 등에 대한 연구를 단계적으로 수행했다.

그 덕에 해당 종의 기초생물학적인 특성들과 생태계 역할이 다수 밝혀졌다. 대표적으로 1993년 이 종이 먹이를 섭취하고 배설하는 활동이 남극연안해양생태계 먹이사슬의 유기물질 순환을 촉진하는 역할을 한다는 사실을 알아냈다. 이 연구결과로 해당 종에 대한 전 세계 남극해양생물학자들의 관심이 높아졌다.

또한 1998년 남극큰띠조개가 저온에서 성장률이 낮을 것이라는 기대와는 달리 부족한 먹이로도 잘 성장할 수 있다는 사실을 증명했다. 조사 결과 남극큰띠조개는 생명현상 유지에 필요한 에너지 소모량이 수온이 높은 지역에 사는 조개들에 비해 4분의 1 정도로 낮았다.

이어 2년 동안은 남극큰띠조개의 계절에 따른 성장패턴과 생식주기를 분석해 먹이가 성장과 생식에 결정적인 요인임을 밝혀내는 한편, 남극큰띠조개 생체조직의 절반을 차지하는 근육질의 사이폰(먹이를 섭취하는 입수공과 배설물을 배출하는 출수공 부분)이 먹이가 부족한 겨울철, 생존과 생식활동에 필요한 에너지를 제공하는 저장소임을 밝혀냈다.

최근에는 독일 과학자들과 공동으로 남극큰띠조개 껍질에 기록된 과거 수십 년간 성장률의 변화가 기후변화와 상관이 있음을 확인했다. 현재 이 종을 기후변화모델생물로 다양한 연구를 진행하고 있다.

원시적인 환경에서 오랫동안 적응해 살아온 남극해양생물, 그 중에서도 해저에 살고 있는 무척추동물(해양저서무척추동물)은 거의 한 곳에 붙어살거나 느리게 움직이기 때문에 진행되고 있는 환경의 변화에 매우 민감하다. 기후변화로 남극해양생태계에 어떤 피해가 있을 것인지 미리 경고해 주는 ‘탄광의 카나리아(Canaries in the mine)’인 셈이다.

극지연구소 연구팀은 세종기기 앞바다인 마리안 소만에서 기후변화로 빠르게 진행되고 있는 빙벽 후퇴가 해양저서무척추동물 군집의 분포와 다양성에 직접적인 영향을 준다는 사실을 과학적으로 증명했다. 스쿠버다이빙으로 마리안 소만 여러 곳에서 해양저서무척추동물들을 채집해 출현 종 수, 분류적 특이성, 다양성 지수 등을 분석한 결과, 빙벽 가까이 갈수록 출현 종수와 다양성 등이 낮아지고, 멍게와 같은 기회종들이 상대적으로 많이 서식한다는 사실을 발견했다.

이 같은 분포 특성은 빙하 붕괴 시 떨어져 나온 얼음조각들에 의한 직접적인 충격, 함께 유입되는 육상 퇴적물의 침강 등이 주원인이었다. 이처럼 기후변화 연구의 최적의 모델 생태계인 마리안 소만에서 현재 다양한 연구가 진행 중이다.

작지만 큰 식물플랑크톤의 생태계 _(형철)

남극세종과학기지가 위치한 남극반도 끝 남셰틀랜드 군도 일대 해역은 고래잡이 근거지가 될 만큼 고래를 먹여 살리는 크릴과 이를 지탱하는 식물플랑크톤이 번성하는 바다다.

남극세종과학기지에서는 1990년대 초반, 현재의 아라온호와 비교하면 매우 열악한 시설이었지만 외국의 내빙연구선을 타고 크릴과 식물플랑크톤에 관한 연구를 시작했다. 남아메리카에서 남극세종과학기지로 오기 위해 건너야 하는 드레이크 해협과, 남극세종과학기지와 남극대륙을 나누는 브랜스필드 해협이 우선 연구 대상이 됐고, ‘얼음 천국’으로 불리는 웨델해의 북쪽 가장자리까지 나아갔다.

식물플랑크톤의 종 조성과 성장 조건을 가장 크게 좌우하는 요인은 결국 어디에서 기원한 해수 덩어리가 어떻게 흘러들어와 섞이는지에 달려 있었다. 또한 얼어붙었던 바다가 녹아내리면서 만들어지는 소금기 덜한 가벼운 물이 바다 표층을 덮으면 바람이 불어도 바닷물이 쉽게 뒤섞이지 않고, 광합성을 하는 식물플랑크톤이 표층에 오래 남아 번성한다는 연구결과도 나왔다.

실제 크릴을 위한 식량이 얼마나 만들어지는지 탄소의 양을 기준으로 계산하기도 했다. 2000년을 전후로 해저에 침강 입자 트랩을 설치해 식물플랑크톤들이 고정한 탄소가 어떻게 바다 밑으로 가라앉아 온실가스인 이산화탄소를 해저에 모이게 만드는지 연구했다. 그 결과로 식물플랑크톤이 여름철에 폭발적으로 성장하고 1~2개월 뒤 탄소 덩어리 시체가 돼 대량으로 가라앉아 결과적으로 온실기체가 해저로 격리되는 현상이 밝혀졌다.

2001년에는 러시아 연구선 유즈모호를 타고 스코시아해를 가로 질러 웨델해 깊숙한 곳까지 들어가는 과감한 탐사도 진행했다. 해빙이 녹아 뒤로 물러나고 생물의 번성이 달라지는 과정을 지켜보려면 연구선에 탄 채 몇 달을 기다려야했지만, 이미 녹은 지 꽤 오래된 바다부터 얼음이 한참 남은 바다까지 한 달음에 달려 시간의 경과에 따른 변화를 압축적으로 관측했다.

이는 식물플랑크톤의 성장에 미치는 미량 금속의 영향, 그동안 잘 몰랐던 미세 식물플랑크톤 포식자들의 존재와 그 영향력을 규명하는 성과로 이어졌다. 그때의 연구 경험과 축적된 노하우는 빙붕이 유례없는 속도로 후퇴하는 아문센해 연구와 남극반도 일대 연안 생태계 연구를 위한 귀중한 자산이 됐다.

 대사체 활용 

질병 극복의 실마리를 얻다

남극세종과학기지 주변에 서식하는 남극 지의류와 이끼에는 화장품이나 의약품으로 이용할 수 있는 화합물이 들어있다. 대표적인 것이 ‘라말리나 테레브라타(Ramalina Terebrata)’에서 발굴한 ‘라말린(Ramalin)’이다.

비타민 1000배 효능 ‘라말린’ 분리

라말린은 항산화 효능이 탁월하다. 생물은 여러 대사과정에서 끊임없이 활성산소종(ROS·Reactive Oxygen Species)과 활성질소종(RNS·Reactive Nitrogen Species)을 축적한다. 활성산소종은 염증, 심혈관 질환, 암, 노화관련 질환, 대사질환 및 아테롬성 동맥경화증(Atherosclerosis)과 같은 여러 질병을 유발하는 원인이다.

활성산소종이 작용하는 방식은 단계적이다. 먼저 효소 수용체의 활성을 감소시키고, 세포막 단백질에 손상을 줘 결국에는 세포의 불활성화를 초래한다. 생물은 활성산소종의 유독성에 대항하는 자연적인 방어 기작을 가지고 있으나, 활성산소종이 지나치게 축적되면 세포에 비가역적인 산화 손상을 입힌다.

과학자들은 이런 산화 과정을 늦추거나 억제하기 위한 강력한 합성 항산화제를 개발해왔다. 그러나 이들은 암을 유발하는 부작용이 보고되거나, 시중에서 판매하는 비타민과 마찬가지로 항산화 효과나 기능이 떨어지는 등 한계가 있었다.

극지생명과학연구부 연구팀은 남극이라는 극한의 환경에서 살아남은 지의류에 주목했다. 지의류는 비(非)개화식물과 유사한 생물체로 곰팡이와 조류 또는 시아노박테리아(Cyanobacteria)와 공생 연합체다.

물론 그동안 많은 연구에서 다양한 지의류로부터 항생효과, 항산화, 항염증 등 여러 가지 생물학적으로 유용한 활성을 가지는 천연 화합물들을 분리해왔다. 그전까지 항산화 활성을 가진다고 알려진 지의류는 대부분 열대 및 아열대에서 기원한 종들이었다. 극지방의 지의류에 대한 항산화 활성 연구는 매우 미미한 실정이었다.

극지생명과학연구부 연구팀은 남극 지의류로부터 새로운 천연화합물을 분리하기 위해 지속적으로 시료를 확보하고 스크리닝했다. 그 결과 남극세종과학기지가 있는 남극대륙 킹조지섬에 군락으로 자생하는 라말리나 테레브라타가 기존 합성물질이나 천연물질보다 뛰어난 항산화 활성을 가지는 물질을 포함하고 있다는 사실을 알게 됐다.

우리는 여기서 새로운 구조의 화합물인 라말린을 분리했다. 라말린은 시판되는 합성 항산화제인 비타민C보다 1000배 이상 매우 높은 항산화 효과를 가진 것으로 나타났다. 실제로 2011년 LG생활건강은 라말린을 활용해 ‘프로스틴’이라는 화장품을 출시하기도 했다.

라말린은 치매 치료제로도 개발되고 있다. 현재는 라말린이 유전자 발현을 조절하는 히스톤 탈아세틸화 효소(HDACs·Histone deacetylase)를 저해하는 효과를 낸다는 사실을 확인한 상태다. 라말린이 치매를 억제하는 효과가 있는지 향후 분석할 계획이다.

대사체 라이브러리 확보할 것

극지연구소는 남극에 있는 동물자원에서도 생명공학의 블루오션을 찾고 있다. 대표적인 연구가 극지 요각류 연구다. 요각류는 새우나 게 같은 갑각류의 한 종류로 몸길이가 보통 1~4mm 내외에 불과하다.

그간 연구팀은 남극 고유 생물인 요각류(Tigriopus kingsejon gensis)가 강한 자외선을 받았을 때 스트레스에 어떻게 반응하고, 이때 항산화 방어 기작을 어떻게 작동하는지 연구해왔다. 그 결과 요각류에서 글루타치온 퍼옥시다제, 카탈라아제 등 항산화효소와 열충격 단백질을 확보했다.

극한 환경에 서식하는 극지 생물자원에는 ‘제2의 라말린’이 수두룩할 것이다. 우리는 이러한 대사체를 활용하는 기반을 마련하기 위해 추출물 및 대사체 라이브러리를 구축하고 있다. 남극 로스해 해양생물로부터 100여 종의 추출물 및 대사체를 확보하는 등 현재 500여 종의 라이브러리 정보를 쌓아둔 상태다.

신규 대사체의 활성을 검증하는 연구도 지속하고 있다. 2016년에도 균류(Preussia sp.)에서 대사체 7종의 구조를 결정하고, 진균에서 유래한 대사체 3종의 구조 분석을 완료했다.

앞으로 ‘극지미생물자원은행’과 ‘극지생물유전자정보은행’을 운영하며 극지생물과 유전자 정보를 국내외 연구자에게 제공할 계획이다.

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