5분 읽기
- 남조류인 프로클로로코쿠스(Prochlorococcus)는 지구 산소의 약 5분의 1을 생산
- 열대 해역의 아름다운 푸른색:프로클로로코쿠스 외에는 다른 생명체가 거의 없기 때문
- 총 20만 킬로미터에 걸쳐 3~8미터 깊이의 수심에서 물 샘플을 수집
- 온난화 시나리오:2100년까지 열대지역에서 프로클로로코쿠스의 생산성 17~51% 감소할 것

바다가 산소를 생산하는 생물을 잃고 있을까요?
온난화로 인한 해양 온난화, 해양에서 가장 중요한 식물성 플랑크톤 종에 해를 끼친다.

위험에 처한 중요한 작은 생물:
남조류인 프로클로로코쿠스(Prochlorococcus)는 지구 산소의 약 5분의 1을 생산하지만, 그 기간은 그리 오래가지 않을 것이다. 이 식물성 플랑크톤 종은 놀라울 정도로 열에 민감하게 반응한다. 한 연구에 따르면 수온이 섭씨 28도부터는 번식력이 급격히 떨어진다. 이로 인해 2100년까지 전 세계 프로클로로코쿠스의 생산성이 최대 38%까지 감소할 수 있다. 그 결과는 무엇일까? 

▲ 해양 산소 생성에 중요한 시아노박테리아 종이 예상치 못하게 온도에 민감하다. 이는 해양에 어떤 의미를 가질까? © Kathy Newer / 워싱턴 대학교

해양 식물성 플랑크톤은 해양 먹이 사슬의 기반을 형성하며 육상 산소의 중요한 생산자다. 이러한 유영하는 작은 생물 중 하나가 프로클로로코쿠스 마리누스(Prochlorococcus marinus)다. 이 남조류는 전 세계에서 가장 작지만 가장 풍부한 광합성 플랑크톤 생물이다. 상층 해수의 75%에서 발견되며 해양 산소 생산의 절반을 담당한다. 아열대 및 열대 해역에서는 프로클로로코쿠스(Prochlorococcus)가 지배적인 식물성 플랑크톤이다.

이 작은 청록조류는 따뜻한 물에서 번성하지만, 성장에 필요한 영양소는 거의 없다. 워싱턴 대학교 시애틀 캠퍼스의 주저자 프랑수아 리발레(François Ribalet)는 "열대 해역은 해안에서 멀리 떨어져 있어 매우 아름다운 푸른색을 띠는데, 프로클로로코쿠스 외에는 다른 생명체가 거의 없기 때문이다"고 설명했다. 이 남조류는 수백만 년에 걸쳐 크기를 줄이고 유전체를 필수 요소만 남기면서 영양분이 부족한 환경에 적응해 왔다.

▲ 남조류인 프로클로로코쿠스는 세계에서 가장 작지만 가장 풍부한 광합성 플랑크톤 생물이다. © Natalie Kellogg / 워싱턴 대학교

20만 킬로미터 이상 항해하며 측정

하지만 한 가지 중요한 의문은 여전히 ​​풀리지 않았다. 바로 프로클로로코쿠스가 기후 변화로 인한 해양 온난화에 어떻게 반응하는가이다. 리발레(Ribalet)와 그의 팀은 "작은 식물성 플랑크톤이 미래의 해양 온도에 어떻게 반응하는지에 대한 우리의 지식은 주로 모델 생물을 이용한 실험실 실험에 기반한다"고 설명했다. 이러한 상황을 바꾸기 위해, 연구팀은 지난 몇 년 동안 태평양 여러 지역에서 이 작은 남조류의 밀도와 증식을 조사해 왔다.

연구팀은 연구를 위해 90차례의 조사를 수행하고 총 20만 킬로미터에 걸쳐 3~8미터 깊이의 수심에서 물 샘플을 수집했다. 이 수심은 식물성 플랑크톤과 광합성에 필수적인 빛이 가득한 수층이다. 유세포 분석기를 사용하여 물 샘플에서 프로클로로코쿠스(Prochlorococcus) 세포의 수를 측정했다. 연구팀은 이 남조류의 총 세포 수가 8천억 개가 넘는 것을 확인했다.

▲ a, 현장 개체군의 최대 분열율(상위 80%, d−1)은 행렬 개체군 모델(n = 100개의 독립 표본, 파란색 원)과 희석 실험 데이터(n = 45개의 독립 표본, 주황색 원), 세포 주기 분석 데이터(n = 9개의 독립 표본, 빨간색 원) 및 영양분이 풍부한 조건에서 배양한 배양 분리주 데이터(n = 94개의 독립 표본, 흰색 사각형)를 통해 추정되었으며, 일일 평균 해수 온도(°C)의 함수로 표시되었다. 실선과 점선은 각각 표준 지수 곡선과 대사 이론 접근법을 사용하여 99분위수 회귀 적합을 나타낸다. 점선 주위의 음영은 1,000번 부트스트랩 반복 실험의 표준편차를 나타낸다. (출처: Published: 08 September 2025 / Future ocean warming may cause large reductions in Prochlorococcus biomass and productivity / nature microbiology)

▲ b, 온도에 따른 세포 풍부도(106개 세포 l−1)를 나타낸 그래프입니다. 여기서 점은 각 온도 구간에서 관측된 상위 80% 풍부도 측정값의 중앙값을 나타냅니다. 데이터는 시간당 구간별 해류 측정값과 수집된 데이터세트14, 23, 43을 결합한 것이며, 색상 코드는 각 온도에서의 관측값 수를 나타냅니다. 오차 막대는 상위 80% 하위 집합 내 5번째 및 95번째 백분위수를 나타냅니다. 빨간색 상자는 따뜻한 온도(28°C 이상)가 생물체에 미치는 유해한 영향을 강조합니다. 삽입된 지도는 샘플 위치의 지리적 분포를 나타내며, 28°C 이상의 수온에서 채취한 샘플은 빨간색으로 표시했습니다.

섭씨 28도에서 급격히 감소

분석 결과, 이 작은 산소 생산자는 이전에 생각했던 것보다 온도에 더 민감하다는 것이 밝혀졌다. 프로클로로코쿠스의 증식 속도와 개체 밀도는 수온 28도까지 기하급수적으로 증가한다. 하지만 그 온도가 넘어가면 생식률과 밀도가 급격히 감소한다. 리발레와 그의 동료들은 "섭씨 28도 이상에서는 세포 빈도가 감소하고 섭씨 30도에서는 절반으로 떨어진다"고 보고했다. 그들은 13가지 다른 프로클로로코쿠스 균주를 이용한 보충 실험실 실험에서도 유사한 결과를 관찰했다.

이 데이터는 중요한 해양 산소 생산자인 프로클로로코쿠스가 지나치게 따뜻한 해수 온도에 민감하게 반응함을 시사한다. 리발레는 "프로클로로코쿠스의 온도 한계는 우리가 생각했던 것보다 훨씬 낮다"고 말했다. 따라서 프로클로로코쿠스는 다른 열대 식물성 플랑크톤 종보다 더 취약하다. 연구진은 이러한 현상이 이 남조류가 진화 과정에서 적응에 중요한 많은 유전자를 감소시켰기 때문이라고 설명한다. 

▲ 리발레와 그의 팀은 태평양 여러 지역에서 90건의 조사를 수행했다. © François Ribalet / 워싱턴 대학교

생산성 최대 51% 감소

그렇다면 이는 가까운 미래의 해양과 산소 생산에 어떤 의미를 가질까? 멕시코만과 지중해를 포함해 이미 여름철 수온이 섭씨 28도를 초과하는 많은 해양 지역이 따뜻해지고 있다. 그러나 점진적인 기후 변화로 인해 훨씬 ​​더 많은 해양 지역이 영향을 받게 될 것이다. 리발레와 그의 동료들은 생태계 모델을 사용하여 중간(RCP4.5) 및 심각한(RCP8.5) 기후 변화에 대해 이러한 현상이 프로클로로코쿠스에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 조사했다.

리발레와 그의 연구팀은 시뮬레이션 결과 "온난화 시나리오에 따라 2100년까지 열대 지역에서 프로클로로코쿠스의 생산성이 17~51% 감소할 것"이라고 보고했다. 이 작은 산소 생산자의 개체 수는 특히 열대 지역에서 크게 감소할 수 있다. 서태평양 일부 지역에서는 심지어 개체군이 완전히 붕괴될 것으로 예측된다.

동시에 프로클로로코쿠스의 분포 지역은 고위도로 이동하고 있다. 연구진은 "이러한 서식지 확장에도 불구하고, 프로클로로코쿠스의 전 세계 생산성은 중간 기후 시나리오에서는 17%, 더 심각한 온난화 시나리오에서는 38% 감소할 것"이라고 보고했다.

"해양 먹이 사슬에 미치는 연쇄적 영향“

하지만 이것이 해양 환경에 구체적으로 어떤 의미를 갖는 걸까요? 이론적으로는 다른 식물성 플랑크톤 종이 이러한 손실을 최소한 부분적으로라도 상쇄할 수 있다고 생각할 수 있다. 예를 들어, 연구진이 발견한 바와 같이 열대 및 아열대 해양 지역에서 두 번째로 풍부한 남조류 종인 시네코코쿠스(Synechococcus)의 개체 수는 해수 온도가 상승함에 따라 증가하며, 섭씨 28도의 수온 하강은 예외다.

그러나 시네코코쿠스는 크기가 더 크고 더 많은 영양분을 필요로 하기 때문에 일부 해양 지역은 시네코코쿠스에 적합하지 않다. 리발레는 "시네코코쿠스가 생태계를 장악하더라도 다른 생물들이 수백만 년 동안 프로클로로코쿠스와 상호작용했던 것과 같은 방식으로 시네코코쿠스와 상호작용할 수 있을지는 확실하지 않다."라고 말했다. 따라서 프로클로로코쿠스의 손실은 해양 먹이 사슬에 연쇄적 영향을 미칠 수 있다. 최근 연구에 따르면 해양, 특히 열대 해역에서의 1차 생산이 이미 눈에 띄게 감소한 것으로 나타났다.

▲ 보완적인 실험실 실험에서 프로클로로코쿠스 샘플을 테스트했다. © Natalie Kellogg / 워싱턴 대학교

여전히 큰 불확실성이 남아
그러나 해양에 미치는 영향의 심각성은 현재까지 확보된 데이터를 바탕으로 추측할 수밖에 없다. 다른 식물성 플랑크톤 종이 어떻게 반응할지, 그리고 열대 지역 어딘가에 이 남조류의 내열성이 더 강한 변종이 존재할 가능성은 아직 불확실하다. 리발레는 "만약 이것이 사실로 입증된다면, 이 중요한 생물군에 희망을 줄 수 있어 매우 기쁠 것이다."라고 말했다. 이러한 한계에도 불구하고, 연구진은 이번 연구를 중요한 경종으로 보고 있다.

이 연구에 참여하지 않은 브레머하펜에 있는 알프레드 베게너 극지해양연구소의 해양 연구원 미리암 자이페르트도 비슷한 견해를 밝혔다. "현재 데이터 기반은 온도 한계에 대한 추가적인 데이터 기반 가정을 허용하지 않는다. 따라서 선택된 시나리오는 타당하고 상당히 의미 있는 것으로 간주될 수 있다."라고 자이페르트는 말했다.

연구자는 "결과 해석은 신중하고 근거가 충분하며, 현재의 생지화학 지식 체계를 벗어나지 않고, 추가 연구에 대한 새로운 관점을 제시한다"고 말했다.

참고: Nature Microbiology, 2025; doi: 10.1038/s41564-025-02106-4
출처: University of Washington, Nature Microbiology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]