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- 지금까지 가정:가장 중요한 산소 공급원인 광합성은 지속적인 어둠 속에서는 불가능
- 해저 샘플 챔버의 순 산소 생산량은 지속적인 어둠에도 하루 평방미터당 1.7~18밀리몰
- Geo battery(지구전지) 및 전기분해 보조제로서의 망간단괴

심해에서는 '어두운' 산소가 생성된다
예상치 못한 과정으로 망간 단괴와 초기 진화에 대한 새로운 빛이 밝혀졌다.

빛이 없는 심해에서도 완전히 예상치 못한 방식으로 산소가 생성된다. 연구자들은 이 “어두운” 산소의 근원이 해저에 있는 망간 단괴라는 사실을 발견했다. 따라서 이러한 금속이 풍부한 덩어리는 "지구 배터리" 역할을 하며 전기분해를 통해 해수를 분리할 수 있을 만큼 충분한 전압을 생성한다. 이는 지구의 산소 공급원에 대한 일반적인 가정에 도전한다. 동시에 미래의 심해 채굴에 대한 새로운 질문을 제기한다. 

▲ 산소는 심해 바닥에서도 생성된다. 하지만 여기에서 볼 수 있듯이 망간 단괴가 있는 곳에서만 만들어진다. © GEOMAR/CC by 4.0

춥고 어둡고 영양분이 다소 부족하다.
심해 바닥의 조건은 다소 열악하다. 이것이 바로 수면 아래 수천 미터에 위치한 이 지역에 개체수가 적고 종도 빈약하다고 생각되었던 이유다. 우리는 알고 있는 일반적인 가정은 그 아래에는 산소가 거의 없다는 것이다. 지구 시스템에서 가장 중요한 산소 공급원인 광합성은 지속적인 어둠 속에서는 일어날 수 없다.

해저에 있는 샘플 챔버

더욱 놀라운 것은 중앙 태평양 Clarion-Clipperton Zone의 스코틀랜드 해양과학협회(SAMS)의 앤드류 스윗맨(Andrew Sweetman)이 이끄는 연구원들이 발견한 것이다. 미래의 심해 채굴을 위한 허가 지역에는 특히 잠재적인 원자재 공급자로 간주되는 금속이 풍부한 단괴인 해저에 망간 단괴가 많이 있다. 따라서 이러한 다금속 단괴의 채굴이 심해 생태계와 그 생물에게 어떤 결과를 가져올지 결정하기 위한 집중적인 연구가 현재 진행 중이다.

▲ 해저 현장 실험을 위한 샘플 챔버(별)는 Clarion-Clipperton 구역의 여러 부분에 설치되었다. 실험실 테스트용 샘플은 빨간색으로 표시된 영역에서 채취됐다. © Sweetman 외./Nature Geoscience, CC-by 4.0

테스트를 위해 Sweetman과 그의 팀은 현장의 특수 심해 샘플 챔버에서 퇴적물과 망간 단괴를 조사하고 이를 다양한 조건에 노출시켰다. 그들은 또한 샘플의 산소 함량을 결정했다.

“처음에는 오작동이라고 생각했다.”

놀랍게도 연구원들의 심해 샘플에서는 진행 과정에서 소비되는 것보다 더 많은 산소가 생성됐다. "이 데이터를 받았을 때 우리는 처음에 센서가 오작동하고 있다고 믿었다. 현재까지 심해에서 수행된 모든 연구에서는 산소 생산량이 아닌 순 산소 소비량만 발견되었기 때문이다"고 Sweetman은 말했다.

그러나 센서를 여러 번 재보정하고 다른 방법을 사용하여 측정한 후에도 결과는 동일하게 유지되었다. “두 가지 방법 모두 동일한 결과를 얻었을 때 우리는 이전에는 상상할 수 없었던 획기적인 일이 벌어지고 있다는 것을 알았다”고 Sweetman은 말했다. 평균적으로, 해저 샘플 챔버의 순 산소 생산량은 지속적인 어둠에도 불구하고 하루 평방미터당 1.7~18밀리몰의 산소였다.

"어두운" 산소는 어디에서 오는가?

이 산소는 어디서 오는 걸까? 수천 미터 깊이에는 빛이 없기 때문에 광합성을 통한 생산은 불가능하다. 퇴적물의 화학 반응과 방사성 붕괴 과정은 산소를 방출할 수 있지만 Sweetman과 그의 동료들이 보고한 것처럼 측정된 산소 생산량의 0.5% 미만의 무시할 수 있는 부분만을 설명한다. 그들은 또한 깊은 곳으로 운반된 기포와 기타 오염물질을 배제할 수 있었다.

따라서 산소는 아직 알려지지 않은 과정에 의해 생산되어야 했다. 어떤 과정일까요? 이 수수께끼를 풀기 위해 Sweetman과 그의 동료들은 실험실에서 추가 테스트를 수행했다. 초점은 망간 단괴에 맞춰졌다. 그들은 금속이 풍부한 결절이 해저에 매우 가까운 곳에서 특히 높은 산소 수준을 측정했다. 실험실에서 이 괴경만을 테스트할 때도 비슷한 일이 일어났다.

▲ 심해의 망간 단괴에는 풍부한 물질이 함유돼 있으며 이들의 상호 작용으로 전압이 생성될 수 있다는 것이 밝혀졌다. © Hannes Grobe/AWI, CC-by-sa 4.0

Geo battery(지구전지) 및 전기분해 보조제로서의 망간단괴

과학자들은 망간 단괴에 대한 전기적 측정을 수행하면서 퍼즐에 대한 해결책을 찾았다. 이를 통해 금속 구조가 놀랍도록 높은 전압을 생성한다는 사실이 밝혀졌다. 일부 망간 단괴의 표면에는 최대 0.95V의 전압이 생성되었다. Sweetman과 그의 동료들은 “우리는 이 에너지가 결절층에 있는 금속 이온의 전위차에서 비롯된 것으로 의심한다”고 썼다. 이로 인해 전자가 내부적으로 재분배되어 전압이 생성된다.

일리노이 주 노스웨스턴 대학의 공동저자인 프란츠 가이거(Franz Geiger)는 “우리는 천연 '지구 배터리'를 발견한 것 같다. 동시에 이 망간 단괴 배터리는 심해의 "암흑 산소"가 어디에서 오는지 명확하게 보여준다. 팀이 설명하는 것처럼 단괴의 전류는 주변 바닷물의 전해 분해를 유발한다. H2O를 산소와 수소로 분리하는 데 필요한 1.5V는 여러 개의 망간 단괴가 서로 가까이 있으면 직렬로 연결된 배터리와 유사하게 달성될 수 있다.

“해양 연구에서 가장 흥미로운 발견 중 하나”

스코틀랜드 해양과학협회 이사인 니콜라스 오웬스(Nicholas Owens)는 “이것은 최근 해양과학에서 가장 흥미로운 발견 중 하나라고 생각한다”고 말했다. "비광합성 과정을 통한 산소 생산의 증거는 우리가 이 행성에서 복잡한 생명체의 출현에 대한 우리의 생각을 다시 생각하게 만든다." 광합성을 통해 최초의 호기성 생명체가 탄생했다.

동시에, 망간단괴에 의한 암흑산소의 발견은 미래의 심해 채굴에 대한 새로운 의문을 제기한다. Geiger는 “이것은 심해 채굴 전략에 큰 의문을 제기한다. 동물의 생물 다양성은 종이 풍부한 열대 우림보다 단괴가 풍부한 지역에서 더 높기 때문이다”고 Geiger는 말했다. 현재 발견된 산소 생산은 이에 대한 이유 중 하나일 수 있다. 하지만 만약 결절을 제거하게 된다면 기존 생각보다 심해 환경에 더 큰 피해를 줄 수 있다.

참고:Nature Geoscience, 2024; doi: 10.1038/s41561-024-01480-8
출처: Scottish Association for Marine Science (SAMS), Northwestern University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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