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슬로우 모션 생활, 죽었는지 살아있는지 모를 정도. 지표면 생물조건과 전혀 달라.
철과 망간을 산화시키는 박테리아는 작은 필터처럼 작용 지하에 방사성 입자 유지 시켜.
미생물은 방사성 핵종이 암석의 광물 표면에 결합하는 것을 방지하는 특정 시멘트 물질을 형성.

슬로우 모션 생활 “죽었는가 혹은 코마 상태인가”

“깊은 지하는 미생물을 위한 에덴동산이라는 인상을 받는다. 그러나 많은 연구자들은 그 반대의 결과를 보여 주었다”고 스테펜 지오반노니(Stephen Giovannoni, 오레곤 주립대학의 미생물학자)는 차분하게 말했다. 모든 곳에서 새로운 생명 형태와 미생물의 전략이 발견되더라도 깊은 생물권에서의 존재가 연구자들에게 달콤한 미끼는 아니다.

▲ 수열 통풍구는 깊은 생물권과 연결되어 있으며 생명의 요람이 될 수도 있다. © NOAA / PMEL

번창하는 대신 지속적으로 존재

실제로, 대부분의 미생물은 깊이 살지 않는 것 같다.
토미 펠프스(Tommy Phelps, 버지니아 주 테일러 스빌에 있는 Oak Ridge National Laboratory)가 이끄는 연구원들은 기록적인 2.7km 깊이에서 미생물을 발견했다.
호기심으로 연구원들이 이 지하 거주자를 면밀하게 살펴보았다.
그 결과는 냉정했다. 어떤 세포도 거의 활동적이지 않고 확실한 성장이나 번식의 흔적이 없었다. 이것은 미생물 학자들이 이전에 생존으로 이해했던 모든 것과 모순되는 것이다.

“우리는 항상 생존하기 위해서는 모든 생물이 성장해야 한다고 생각했다. 그러나 이것은 지표면에 있는 생명체에 대해 사실인 것처럼 보이지만 극단적인 환경에서는 박테리아에 적합한 모토가 아니다” 라고 Phelps는 설명한다. “땅속 미생물이 하고 있는 일은 그리 많지 않다. 그냥 존재하는 것이다."

수천 개 중 살아 있는 세포는 한 개

미생물 학자들은 그들이 시추 핵심에서 꺼낸 작은 세포 중 일부는 한 번도 분열되지 않고 오랫동안 지속 상태에 있다고 생각한다. 고에너지, 유기 분자 및 식품의 부족으로 인해 이들을 절대 절약 체제로 강제하는 것 같다. 다른 종의 경우 연구원들은 수 세기에서 수천 년에 이르는 평균 생성 시간을 결정했다. 이에 반해 단세포 유기체는 빠른 속도로 살고 있다. 장내 박테리아와 같은 많은 유기체는 20분마다 분열한다.

국제 해양 시추 프로그램(IODP, International Ocean Driling Program)의 연구원들이 2000년에 해저 500m 이상에서 시추 핵을 조사했다. 지하 생물의 어려움은 모든 깊은 생물권 주민들에게서 살아남지 못하는 것 같다. 현미경 분석에서 그들은 100개의 박테리아 세포에서 최대 1개의 생명체를 발견했으며 때로는 10만 개 중에서 하나만 발견했다.
연구진은 “해양 퇴적물에 있는 대부분의 지하 미생물은 매우 낮은 대사 활동에 적응해야 하거나 죽어있을 것이다”고 설명했다.

현재 어떤 변이가 올바른지, 지하 미생물의 이상한 삶이나 '非생명'에 대해 완전히 다른 설명이 있는지 아는 사람은 없다. ODP 원정 연구 책임자인 Steven D' Hond는 요약하자면 다음과 같이 요약했다. "우리는 인구 구조, 대사 전략, 지역 사회 구성 또는 심층 생물권의 글로벌 생지 화학 영향에 대해 거의 알지 못한다.“

▲ 국제 해양 시추 프로그램 (IODP)의 과학자들은 심해 생물권에서 시추 코어를 발견하기 위해 시추선“Joides Resolution”을 사용하고 있다. © agnormak / iStock

감옥인가 삶의 요람인가?

깊은 생물권의 생활 환경은 아마도 공룡 시대부터 있었을 것이다.
연대 분석은 미생물 군집 중 일부가 문자 그대로 80년 이상, 심지어 1억 6천만 년 동안 지하에 갇혀 있었음을 시사한다.

지하에 갇혀

프린스턴 대학의 툴리스 온스 토트(Tullis Onstott)는 시추 구멍의 크기를 측정할 때 작은 틈새와 구멍들 공간에 있는 박테리아들이 벽으로 둘러싸여 있는 것을 발견했다.

그들이 나올 수 없다면, 그들은 어떻게 거기에 도착했을까?
이전의 모든 조사에 따르면 지하 암석 거주민은 백악기의 지하에, 아마도 더 일찍 이미 존재했음을 나타낸다. 특히 적응 가능한 미생물의 지상 식민지가 실수로 지하수로 쏟아지거나 씻겨져 그 이후로 붙어있을 수 있다.

이 이론은 지금까지 식별된 대부분의 미생물이 생리학적으로 표면 생물 형태와 유사하고 심지어 관련되어 있다는 사실에 의해 뒷받침 된다.

혹은 지하에서 태어났을까?

그러나 일부 생물학자들은 완전히 다른 도발적인 가설, 즉 지하 생활 요람의 가설을 선호한다. '검은 흡연자'와 다양한 환경의 발견으로 이미 가벼운 홍수가 된 '원시수프'에 대한 기존의 아이디어가 처음으로 경쟁했다.

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일부 진화론자들에 따르면, 영양분이 풍부하고 뜨거운 심해 온천은 확실히 미생물에게 생명의 '요람'으로 제공될 것이다. 해저 화산의 용암 암석의 기공은 또한 첫 번째 생체 분자와 세포의 형성을 선호했을 것이다.

특히 원시 지구 표면에 아늑했던 것이기 때문에 밀도가 높은 질소-산소 분위기가 없으면 우주에서 치명적인 자외선을 방출하는 분자와 세포는 거의 보호되지 않을 것이다. 화산 폭발로 인해 재와 비가 내렸으며 운석 충돌은 아직 어린 지구에서 깊은 분화구를 강타했다.

예테보리 대학교의 Karsten Pedersen은 “표면에서의 생활에는 문제가 있었지만 아마도 지하 500미터 깊이에서 상당히 즐거웠을 것이다. 깊은 생물권이 '유출 사고'의 유물이 아니라 모든 생명체의 기원일 수 있다"고 생각한다. 그러나 연구자들은 여전히 이 특이한 서식지와 그 주민들에 대해 결정적인 결론을 도출할 수있는 정보를 너무 적게 알고 있다.

▲ 고준위 방사성 폐기물의 저장소는 수십만 년 동안 이를 안전하게 보관해야한다. © DOE

땅속 도우미 “미생물, 창고 작업자”

스웨덴의 아스포(Äspö)에 있는 미생물 학자들은 20년이 넘는 기간 동안 깊이 찾고 있다.
그들은 지하의 화강암 바위에 사는 박테리아를 연구하고 있다. 무엇보다, 작은 화강암 주민들이 방사성 폐기물의 지하 저장에 영향을 줄 수 있는지 여부와 방법을 알고 싶어한다.
전 세계의 과학자들은 현재 핵 저장소에 적합한 암석과 위치를 찾고 있기 때문이다.

이와 관련하여, 깊은 생물권의 발견은 이제 새로운 의문점을 제기한다.
미생물이 연료 어셈블리의 금속 용기를 손상시키거나 분해 할 수 있을까?
지하 또는 지하수에서 누출된 방사성 핵종의 확산을 촉진 또는 억제할까?

헬퍼로서의 “산소 소비자”

저장 탱크 부식의 주요 원인 중 하나는 지하수 또는 지하에 산소가 존재하기 때문이다.
일반적으로 500미터 깊이에는 산소가 없다.
그러나 저장소에 대한 공사 과정에서 공기는 지하 터널과 산소로 펌핑된다. 창고를 닫고 지하수로 채우면 이 산소가 용해되어 용기에 잠재적인 위험이 된다.

예테보리 대학교 (University of Gothenburg)의 과학자들은 소위 렉스 프로젝트(Rex 프로젝트, 세부 규모의 레독스 실험)의 일환으로 ‘로컬’ 박테리아와 미네랄이 침투된 산소를 제거할 수 있는지 여부를 조사했다. 실제로, 첫 번째 결과는 미생물이 해를 끼치지 않을 뿐만 아니라 실제로 ‘산소 섭취자’로서 결정적인 역할을 한다는 것을 보여 주었다. 연구원들의 추정에 따르면 캠프가 봉인된 후 1년 만에 모든 산소를 사용할 수 있었다.

▲ 소금 침전물에 살고있는 미생물은 용해된 우라늄을 불용성 우라 닐 포스페이트 결정 (녹색)으로 변환 할 수 있다. © HZDR / Juniks

지하의 ‘누수’를 잡는다.

‘지하 도우미’의 이점은 더 많다.
실험실 테스트에 따르면 방사성 핵종이 지하수로 누출된 경우 사고가 발생한 후 깊은 생물권의 박테리아도 달려들 수 있는 것으로 나타났다. 철과 망간을 산화시키는 박테리아는 작은 필터처럼 작용하여 지하에 방사성 입자를 유지 시킨다. 다른 미생물은 차례로 방사성 핵종이 암석의 광물 표면에 결합하는 것을 방지하는 특정 시멘트 물질을 형성한다.

2019년 헬름홀츠 센터 드레스덴-로센 도르프(Hresholtz Center Dresden-Rossendorf)의 미리암 바더(Miriam Bader)는 소금 돔에서 방사능 누출이 발생하더라도 도움을 줄 수 있을 것이라고 결론을 얻었다.

따라서, 이러한 소금 돔의 소금물에 사는 호염성 고세균(haloarchaea, 好鹽性古細菌 : 생존을 위해 염을 필요로 하는 고세균류)은 효과적인 바이오 미네랄라이저인 것으로 입증되었다. 즉, 용해된 우라늄에 결합하여 불용성 화합물로 변환 시킬 수 있다.
실험실 테스트에서 우라늄 분자는 미생물의 세포벽에 빠르게 축적되어 인산염과 반응하여 불용성 우라닐 포스페이트 미네랄의 결정을 형성한다.

▲ 호염성 고세균(haloarchaea) 세포가 모여 있는 모습. 사진: NASA

Bader 박사는 “이러한 호염성 고세균(haloarchaea)는 실질적으로 핵 폐기물을 보호하는 천연 가드이며 우라늄 및 기타 고 방사성 중금속이 물에 유입되는 경우 환경에 도달하는 것을 효과적으로 막을 수있다”고 말했다.

그러나 미생물 보호팀은 저농도의 방사성 중금속에서만 효과적이었다. 

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[더사이언스플러스=문광주 기자]

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