채굴 예정지 아래에 펼쳐진 거대한 바이러스 군집
태평양 클라리온-클리퍼턴 해역의 퇴적물을 연구한 과학자들이 서로 다른 바이러스 1만1742종을 확인했다. 이 가운데 1만1662종은 이전에 기록된 적이 없는 종류다. 해저 금속을 노리는 기업들의 관심이 집중된 이 해역에서 새로 확인된 바이러스는 전체의 99%를 넘는다. 이는 채굴로 교란될 수 있는 생태계의 상당 부분이 아직 목록화되지 않았음을 보여준다.
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네이처 커뮤니케이션스에 게재된 이번 연구에는 충칭대학의 보원 허우와 리란 장, 중국 제2해양연구소의 둥 성이 참여했다. 연구팀은 2023년과 2024년 하와이와 멕시코 사이 해역에서 채취한 퇴적물 표본 60여 개를 조사했다. 이곳의 수심은 약 6000m에 이른다.
바이러스 대부분은 해저 영양분 재순환을 돕는 미생물인 박테리아와 고세균을 감염시키도록 적응한 것으로 보인다. 이번 발견은 외딴 생태계의 작동 방식에 관한 것으로, 인간 건강에 직접적인 위협을 줄 가능성은 낮아 보인다.
이번 발견은 서로 맞물린 두 가지 문제를 연구하는 가운데 나왔다. 채굴이 해저 미생물 군집을 어떻게 바꿀 수 있는지, 보호구역이 훼손된 서식지의 회복을 도울 수 있는지가 그것이다. 별도의 컴퓨터 모델링 연구에 따르면 이 해역의 보호구역 13곳은 동물 유생을 거의 주고받지 않는다. 한편 유럽 탐사대는 2021년 채굴 장비 시험이 남긴 피해를 조사하고 있다.
이들 연구는 까다로운 보전 문제를 구체적인 수치로 보여준다. 과학자들이 채굴 예정지의 생물을 계속 확인하는 동안, 정부와 기업은 서식지를 없애고 주변 퇴적물을 교란할 활동을 검토하고 있다.
연구진이 숨겨진 바이러스를 찾아낸 방법
중국 연구팀은 두 차례 표본 채취 기간에 얻은 퇴적물 코어에서 유전 정보를 담고 있는 분자인 DNA와 RNA를 추출했다. 연구진은 메타게놈 시퀀싱을 이용했다. 이 방법은 각각의 생물을 실험실에서 따로 배양하지 않고, 환경 시료에 섞여 있는 유전 물질을 읽어낸다.
이 방법을 이용하면 과학자들은 소량의 진흙에서 여러 바이러스의 유전 흔적을 한꺼번에 찾을 수 있다. 기존 염기서열과 비교하면 서로 다른 바이러스 집단을 식별하고, 어떤 생물을 감염시킬 수 있는지도 조사할 수 있다.
이번 연구에서 확인된 단백질 군집 가운데 기존 세계 데이터베이스와 일치한 것은 약 4%에 불과했다. 단백질은 세포와 바이러스 안에서 다양한 기능을 수행한다. 연구자들은 비슷한 단백질을 묶어 공통 기능이나 진화적 관계를 찾는다. 일치율이 낮다는 것은 심해의 유전적 다양성이 얼마나 적게 목록화됐는지를 보여준다.
주요 수치인 두 비율은 서로 다른 측정값을 나타낸다. 99% 이상은 이전에 기록되지 않은 바이러스의 비율이고, 약 4%는 단백질 군집과 데이터베이스 항목 간 일치율이다. 두 수치 모두 기존 과학 기록에 거의 반영되지 않은 군집임을 보여준다.
이 바이러스들은 해저에서 어떤 역할을 하나
박테리아와 고세균은 심해 퇴적물에서 탄소, 질소, 인, 황, 금속을 순환시키는 화학 반응을 수행한다. 햇빛이 없는 환경에서 이 반응은 지역 먹이그물을 유지하고 물질이 저장되거나 방출되는 양상을 좌우한다.
바이러스는 미생물 숙주를 감염시켜 이런 과정에 영향을 준다. 일부 바이러스에는 보조 대사 유전자가 있는데, 이는 감염된 세포가 영양분을 처리하거나 주변 환경에 대응하는 방식에 변화를 줄 수 있는 유전 정보다. 연구팀은 결절 단괴 지대의 바이러스가 금속 스트레스에 대한 반응을 포함해 미생물 대사에 영향을 줄 수 있음을 시사하는 유전적 단서를 확인했다.
이러한 기능은 추가 연구가 필요하다. 유전 염기서열은 가능한 활동을 파악하는 단서를 제공하지만, 해저 전반에서 그 활동이 어떻게 이뤄지는지를 확인하려면 살아 있는 군집을 측정해야 한다.
연구진은 네이처 커뮤니케이션스에 이번 조사 목적을 다음과 같이 밝혔다.
향후 환경영향평가를 위한 채굴 전 미생물 생태계의 필수 기준선.
기준선은 어떤 활동이 시작되기 전의 상태를 기록한 것이다. 이 경우 향후 조사에서 바이러스 군집과 숙주, 그리고 이들이 뒷받침하는 화학적 과정의 변화를 추적할 출발점이 된다.
같은 해저에 채굴업체가 관심을 갖는 이유
클라리온-클리퍼턴 해역에는 세계에서 알려진 다금속 단괴가 가장 많이 모여 있다. 이 덩어리에는 망간, 니켈, 코발트 등 전자제품과 배터리를 비롯한 산업 분야에서 수요가 있는 금속이 들어 있다.
바이러스 연구에 함께 제시된 수치에 따르면 국제해저기구는 심해 광물 탐사를 위해 31건의 계약을 허가했다. 이 가운데 17건은 클라리온-클리퍼턴 해역에 있으며, 5건은 중국이 보유하고 있다. 탐사 계약은 매장량과 환경 조건을 조사할 수 있도록 하지만, 상업적 채굴에는 추가 규제 절차가 필요하다.
단괴는 고운 진흙이 대부분인 해저에서 단단한 표면을 제공하기도 한다. 동물들이 단괴에 붙어 살고, 그중 일부는 다른 동물에게 은신처를 제공한다. 따라서 단괴를 제거하면 광물뿐 아니라 서식 공간도 사라진다.
해양지구화학자인 킬 해양연구소 GEOMAR 헬름홀츠센터의 마티아스 해켈 박사는 채굴 영향을 조사하는 조네(SONNE) 탐사대의 수석과학자로서 단괴에 사는 생물에 대해 이렇게 말했다.
보통 단괴 하나에서 작은 생물 두세 마리를 발견합니다.
단괴의 성장 속도는 매우 느리다. 해켈 탐사대의 설명에 따르면 성장률은 100만 년에 약 1~2mm다. 단괴의 종류와 위치에 따라 속도는 다르지만, 서식지 복구에는 지질학적 시간이 걸린다. 이는 채굴 사업 기간보다 훨씬 긴 시간이다.
교란은 채굴 장비의 이동 경로를 넘어 확산될 수 있다
채굴 차량은 단괴를 제거하고 표층 퇴적물을 휘젓게 된다. 고운 입자는 물속으로 떠올라 이동한 뒤 다시 가라앉으면서 채굴 장비가 직접 지나간 경로 밖의 생물까지 덮을 수 있다. 단괴에 붙어 사는 동물은 달아날 기회가 거의 없다.
해켈 박사는 가라앉는 퇴적물이 동물마다 서로 다른 영향을 줄 수 있다고 설명했다.
스스로 몸을 씻어낼 수 있는 생물도 있지만 그렇지 못한 생물도 있습니다. 물에서 먹이를 걸러 먹는 생물도 영향을 받을 가능성이 매우 큽니다.
바이러스 연구는 눈에 보이는 동물 아래에서 발생하는 또 다른 교란을 가리킨다. 퇴적물이 움직이면 바이러스와 숙주가 사는 곳, 서로 만나는 방식, 미생물 군집이 영양분과 금속을 처리하는 방식이 달라질 수 있다. 연구진이 인용한 과거 교란 실험에서는 단괴 지대 퇴적물에 미치는 영향이 수십 년간 지속됐다.
연구팀은 부분적인 회복 가능성도 확인했다. 심층 퇴적물과 표층 퇴적물에서 바이러스 집단과 유전 기능이 일부 공통으로 나타났다는 점이다. 심층 군집이 교란 뒤 표층 군집 일부의 재건에 기여할 수도 있다. 다만 그 기여의 정도와 채굴이 바이러스 및 숙주에 미치는 영향은 아직 알려지지 않았다.
2021년 채굴 시험 현장으로 돌아가다
연구선 조네의 SO322 탐사대는 클라리온-클리퍼턴 해역에서 벨기에 기업 글로벌 시 미네랄 리소시스가 2021년 봄 원격 조종 채굴 장비를 시험한 현장을 조사하고 있다. 시험은 수심 4000m가 넘는 곳에서 이뤄졌다.
장비는 74시간 동안 약 32km를 이동하며 5만4000㎡에 걸쳐 단괴를 채취했다. 이는 5.4헥타르에 해당하며, 연구진이 장비 이동 경로와 시험으로 영향을 받은 주변 퇴적물을 모두 조사하기에 충분한 규모다.
이번 탐사에는 유럽 7개국 17개 기관의 연구자 39명이 참여한다. 원격 조종 무인잠수정 킬 6000, 자율 무인잠수정 어비스, 해저에 설치하는 관측 장비, 퇴적물 채취 장치 등이 동원된다. 이번 연구는 2015년부터 잠재적 채굴 영향을 조사해 온 연구 프로그램인 마이닝임팩트의 일환이다.
과학자들은 해저와 수중 서식지를 조사하고, 퇴적물 플룸의 영향이 얼마나 오래 지속되는지 평가하며, 인공적인 단단한 표면이 단괴가 제거된 곳의 생물 재정착을 도울 수 있는지 살펴볼 예정이다.
해켈 박사는 아직 남아 있는 생물종 확인 작업의 규모를 이렇게 설명했다.
클라리온-클리퍼턴 해역의 많은 종은 매우 희귀합니다. 지금까지 우리가 표본을 채취한 종의 약 90%는 여전히 동정되지 않았고 이름도 없습니다. 앞으로 얼마나 많은 종이 더 발견될지는 아무도 모릅니다.
이 추정치는 탐사대 연구진이 채집한 종을 대상으로 한다. 바이러스 연구의 99%는 퇴적물 조사에서 새로 기록된 바이러스의 비율이다. 두 수치는 목록화가 미흡한 이 해역 생물다양성의 서로 다른 부분을 나타낸다.
보호구역 사이를 오가는 경로가 거의 없다
몰리 켄달 제임스와 동료들이 이끈 연구는 네이처 에콜로지 앤드 에볼루션에 게재됐다. 연구진은 클라리온-클리퍼턴 해역의 특별환경관심구역 13곳이 서로 연결된 보전망으로 기능하는지 조사했다.
많은 해저 동물은 해류를 타고 이동하는 유생 시기에 삶을 시작한다. 유생이 보호구역 사이를 이동할 수 있다면 개체군은 유전자를 주고받고 다른 지역에 새로운 개체를 공급할 수 있다. 연구진은 해양 순환 자료와 실행마다 6800만 개가 넘는 모의 입자를 이용해 이런 이동을 모델링했다.
입자는 해저 가까이에서 19일, 35일 또는 69일 동안 떠다니는 유생을 나타냈다. 시뮬레이션은 2019년과 2023년의 1월과 7월을 대상으로 했다. 가장 긴 기간을 적용했을 때도 이동 거리의 중앙값은 100km 미만이었다. 보호구역 사이의 거리는 약 200~800km다.
보호구역 사이에 가능한 직접 연결 경로 156개 가운데 실제 유생 이동이 나타난 경로는 5개뿐이었다. 한 보호구역에서 방출된 모의 유생 가운데 다른 보호구역에 도달한 비율은 0.02% 미만이었으며, 보호구역 간 이동의 99% 이상이 세 경로에 집중됐다.
모델은 유생이 해저에서 약 10m 이내에 머무는 것으로 설정했다. 이 해역 유생의 실제 수명은 잘 알려져 있지 않으며, 더 높이 헤엄쳐 다른 해류를 타면 이동 경로가 달라질 수 있다. 연구 결과는 특정 조건에서 예상되는 연결성을 보여주며, 계획 수립에 활용하고 검증할 수 있는 출발점을 제공한다.
회복은 어디에서 시작될 수 있나
모델에서 채굴 구역에 정착한 유생의 76%는 채굴 구역 안에서, 19%는 채굴 구역 밖의 비보호 지역에서 왔으며 보호구역망에서 온 비율은 5%에 그쳤다. 따라서 교란이 발생하기 전에는 지역 개체군이 모의 재공급의 대부분을 담당했다.
연구진은 이어 채굴 구역이 유생 공급을 중단하는 시나리오를 시험했다. 채굴 구역 밖 비보호 지역은 남은 정착 유생의 81%를 공급했고, 보호구역은 19%를 공급했다. 이런 변화는 지정 보호구역 밖의 서식지도 회복에 매우 중요할 수 있음을 보여준다.
연구팀은 기존 보호구역을 중간 서식지를 거쳐 연결할 수 있는 제안 통로 구역 53곳을 확인했다. 각 구역의 크기는 100×100km이며, 전체 면적은 53만㎢에 달한다.
모델에서 이 구역을 보호하자 간접 이동 경로는 151개로 늘었고 보호구역 간 이동은 406배 증가했다. 보호구역에서 방출된 입자가 다른 보호구역에 도달하는 비율도 약 5556개 중 하나에서 14개 중 하나로 높아졌다.
제안된 통로 구역 면적 가운데 기존 계약 구역과 겹치는 곳은 11%뿐이었다. 교란 시나리오에서 확대된 보호구역망은 채굴 구역에 남은 정착 유생의 36%를 공급했다. 기존 체계에서는 19%였다.
이 모델은 유생 공급원의 소실을 살펴봤다. 채굴 경계를 넘어 확산되는 퇴적물 플룸과 소음 등 다른 영향은 추가 평가가 필요하다. 이 연구가 실질적으로 기여하는 점은 서식지를 추가로 보호하면 개체군 간 이동 경로를 개선할 수 있는 장소를 확인했다는 것이다.
조사가 이어지는 가운데 다가오는 결정
현재 확보된 근거는 유전물질 조사, 해양 순환 모델, 채굴 시험 현장의 직접 조사에 걸쳐 있다. 각 연구는 같은 결정의 서로 다른 측면, 즉 무엇을 잃을 수 있는지, 교란이 어떻게 확산되는지, 회복은 어디서 시작될 수 있는지를 다룬다.
주요 일정과 발표된 향후 계획은 다음과 같다.
- 2015년: 마이닝임팩트가 심해 채굴 가능성의 환경 영향을 연구하기 시작했다.
- 2021년 봄: 글로벌 시 미네랄 리소시스가 클라리온-클리퍼턴 해역에서 채굴 장비를 시험했다.
- 2023년과 2024년: 연구진이 바이러스 조사에 사용된 퇴적물 표본을 채취했다.
- SO322 탐사: 과학자들이 2021년 시험의 영향을 조사하고 생물 재정착 경로를 살펴보고 있다.
- 2026년 11월 19일: 발표된 계획에 따르면 미국령 사모아 앞바다의 해저 임대권 판매 두 건이 예정돼 있다.
미국령 사모아 제안은 클라리온-클리퍼턴 해역과는 다른 태평양 지역에 관한 것이다. 제안된 임대 구역 두 곳의 면적은 합쳐서 3100만 에이커가 넘으며, 로즈 환초 해양국립기념물과 맞닿아 있다. 풀라알리이 니콜라오 풀라 주지사는 자치령 수역에서의 상업적 광물 채굴에 반대해 왔다.
미국의 제안은 생태 조사가 계속되는 가운데 태평양 해저 광물 매장지를 개발하려는 압력이 커지고 있음을 보여준다. 클라리온-클리퍼턴 해역에서 새로 구축된 바이러스 목록은 환경 평가에 활용할 구체적인 도구를 제공한다. 이제 연구자들은 동물과 퇴적물 화학, 서식지 간 연결성의 변화뿐 아니라 이전에 기록되지 않은 수천 개 바이러스 집단의 변화도 살펴볼 수 있다.
보전 계획을 위해 두 가지 과제가 함께 진행돼야 한다는 점도 연구들이 보여준다. 과학자들은 해저 한 구역에 사는 생물과 그곳의 작동 원리를 파악해야 하고, 규제 당국은 그 구역이 주변 지역과 어떻게 연결되는지 고려해야 한다. 단괴 제거는 첫 번째 과제에 영향을 주고, 생물 재정착 경로의 교란은 두 번째 과제에 영향을 준다.
핵심 내용
- 연구진은 클라리온-클리퍼턴 해역의 퇴적물에서 바이러스 1만1742종을 확인했으며, 이 가운데 1만1662종은 이전에 기록되지 않았다.
- 바이러스 대부분은 박테리아와 고세균에 연관된 것으로 보이며, 영양분 순환과 금속에 대한 반응에 영향을 줄 수 있다.
- 퇴적물 교란은 단괴에 사는 동물뿐 아니라 바이러스 군집에도 영향을 줄 수 있다.
- 해양 순환 모델에서 보호구역 13곳 사이에 가능한 경로 156개 가운데 직접 연결은 5개뿐이었다.
- 제안된 서식지 통로 53곳을 추가하면 모델상 연결성이 크게 높아졌다.
- 조네 탐사대는 환경 평가와 규제에 참고할 수 있도록 2021년 채굴 시험의 영향을 조사하고 있다.
