깨어나는 북극의 고대 미생물, 온난화 가속할 수 있어

고대 미생물이 지금 중요한 이유

북극 곳곳의 얼어붙은 땅에서 수만 년 전 고대 식물과 동물을 먹고 살던 미생물들이 다시 생명 활동을 시작하고 있다. 알래스카 내륙의 영구동토층 시료를 이용한 실험실 연구에 따르면, 최고 4만 년 된 휴면 미생물 군집도 따뜻하고 습한 상태가 유지되면 몇 달 만에 다시 활동할 수 있다. 활동을 재개한 미생물은 오랫동안 얼어 있던 유기물을 분해해 온실가스인 이산화탄소와 메탄을 방출한다. 이 과정은 온난화를 부추기고, 영구동토층 해빙이 자기강화적 순환을 통해 가속할 위험을 높인다.

영구동토층은 2년 연속으로 얼어 있는 땅이다. 깊이가 1미터에 불과할 수도 있고 수백 미터에 달할 수도 있으며, 오래전에 사라진 툰드라와 아한대 생태계에서 비롯된 고대 탄소를 가두고 있다. 표층은 여름에 녹는 경우가 많지만, 더 깊은 층은 마지막 빙하기 이후 계속 얼어 있었다. 새 연구는 여름이 길어지고 해빙기가 봄과 가을까지 이어지면 영구동토층 깊은 곳의 미생물도 현대 탄소 순환의 일시적인 구성원이 될 수 있음을 보여준다.

이 시점이 중요한 이유가 있다. 북극은 지구 평균보다 약 두 배 빠르게 온난화하고 있으며 해빙기도 길어지고 있다. 과학자들은 식물이 대부분 휴면 상태인 가을, 겨울, 봄에 북부 지역에서 온실가스 배출이 늘어나는 것을 측정했다. 이러한 비성장기 배출량까지 포함하면 최근 여러 해 동안 이 지역은 대기로 탄소를 순배출한 것으로 보인다. 고대 미생물의 활동 재개는 이 부담을 더 키울 수 있다.

알래스카 영구동토층 터널이 보여주는 것

미생물이 얼마나 빨리 되살아나는지 알아보기 위해 연구진은 알래스카 페어뱅크스 인근의 영구동토층 연구 터널에서 얼어 있는 시료를 채취했다. 터널은 지표면 아래 약 50피트에 있으며, 얼어 있는 땅속으로 350피트 넘게 뻗어 있다. 이곳에는 후기 플라이스토세 경관의 상세한 기록이 보존돼 있다. 수천 년 동안 얼어 있던 온전한 고대 토양과 얼음을 채취할 수 있는 드문 장소다.

알래스카는 주의 넓은 지역이 영구동토층 아래에 있어 연구하기에 적합하다. 터널의 얼어붙은 벽에는 실트와 모래, 유기물이 풍부한 지층, 토양이 얼면서 형성된 지중 얼음층이 드러나 있다. 이 지층 상당수에는 미생물에 의해 아직 대부분 분해되지 않은 식물과 동물의 물질이 묻혀 있다. 해빙으로 액체 상태의 물이 생기고 기온이 영하를 넘으면, 오랫동안 활동하지 않던 미생물 군집은 대사를 재개하는 데 필요한 조건을 갖추게 된다.

과학자들이 빙하기 미생물을 되살린 방법

실험실에서 연구진은 고대 영구동토층의 작은 조각을 적신 뒤, 현재와 미래의 알래스카 여름을 나타내도록 설정한 온도에서 배양했다. 새로 자라는 미생물이 검출 가능한 원자 표지를 흡수하도록 중수소가 농축된 물을 사용했다. 중수소는 수소의 무거운 동위원소다. 한 달 뒤 활동 징후를 보인 세포는 극히 일부에 그쳐 미생물이 천천히 활동을 재개하는 것으로 나타났다. 그러나 더 따뜻한 조건에서 6개월간 배양하자 상황이 크게 달라졌다. 미생물 군집의 구성이 바뀌고 눈에 보이는 생물막이 형성됐으며, 되살아난 미생물은 현대 미생물과 매우 비슷하게 행동했다.

원자 하나하나 추적한 느린 활동 재개

중수소 표지법을 이용하면 추측에 의존하지 않고 미생물의 성장을 추적할 수 있다. 미생물이 새 세포막이나 다른 분자를 만들 때 수소 원자를 더한다. 그 원자가 중수소라면 기기를 통해 더 무거운 원자 표지를 확인하고, 성장이 오염이 아니라 실험에서 비롯됐다는 점을 입증할 수 있다. 알래스카에서 얻은 자료는 미생물이 즉시 되살아나는 것이 아님을 보여준다. 많은 미생물이 몇 주간 환경에 적응한 뒤, 오랜 시간 따뜻한 상태가 이어져야 재편되고 증식하는 것으로 보인다. 이러한 지연은 한 차례의 폭염보다 해빙기가 길어지는 것이 더 중요한 이유를 보여준다.

몇 달간 온난한 상태가 이어지면

핵심 발견은 미생물이 깨어나는 데 걸리는 시간이다. 실험에 따르면 일부 고대 미생물 군집은 해빙이 시작된 뒤 완전히 활동하기까지 약 1~6개월의 시차가 있다. 현재 기후에서도 북극 일부 지역은 매년 그만큼 오랫동안 기온이 영하를 웃돈다. 기후 전망은 앞으로 해빙기가 더 길어질 것으로 내다본다. 따뜻한 기간이 길어지면 미생물은 세포막을 다시 만들고 동결로 인한 손상을 복구하며 복잡한 탄소를 분해하는 데 필요한 효소를 활성화할 시간을 확보한다. 이런 작동 체계가 갖춰지면 미생물은 얼어 있던 유기물을 빠르게 탄소 가스로 전환할 수 있다.

이 시차는 현장 측정에서 관찰되는 더 광범위한 양상도 설명해준다. 많은 툰드라 지역은 식물이 활발히 자라는 짧은 여름철에 이산화탄소를 흡수한다. 그러나 미생물이 계속 호흡하면서 나머지 기간의 탄소 배출이 늘어 여름철 흡수량을 상쇄하는 경우가 많다. 고대 탄소를 이용하는 새로 깨어난 미생물이 더해지면 비성장기의 탄소 손실이 커지고, 해당 지역이 순배출원으로 바뀔 수 있다.

얼어붙은 탄소 저장고에서 온실가스 배출원으로

영구동토층은 흔히 거대한 탄소 저장고로 묘사된다. 추운 환경에서는 식물과 동물의 잔해가 완전히 분해되지 않아 쌓인 뒤 얼어붙었다. 해빙은 이 저장고를 연다. 산소가 풍부한 토양에서는 미생물이 주로 이산화탄소(CO2)를 방출한다. 이탄지와 습지, 해빙 호수 바닥처럼 물이 고여 있거나 산소가 부족한 환경에서는 메탄생성균이라는 특수한 미생물이 메탄(CH4)을 만들어낸다.

이산화탄소와 메탄의 차이

메탄은 수십 년 동안 이산화탄소보다 훨씬 많은 열을 가두지만 대기 중에서는 더 빨리 분해된다. 이산화탄소는 분자 하나당 온난화 효과가 덜 강하지만 수백 년 동안 남는다. 해빙되는 땅에서 이산화탄소와 메탄이 각각 얼마나 배출되는지는 지역 조건에 따라 달라진다. 건조하고 배수가 잘되는 토양에서는 이산화탄소 배출 비중이 커진다. 물에 잠긴 토양과 해빙 호수에서는 메탄 배출이 늘어난다. 알래스카와 캐나다 서부에서 진행된 최근 연구에 따르면 생산성이 높은 기간에는 숲이 배출량보다 약간 많은 이산화탄소를 흡수할 수 있지만, 습지와 호수에서 나오는 메탄, 산불, 추운 계절의 호흡으로 그 흡수량이 상쇄된다. 이 지역의 전체 온실가스 수지는 앞으로 수십 년간 온난화를 더 키울 것으로 나타난다.

탄소는 얼마나 많이 방출될 수 있을까

북부 영구동토층 지역의 토양에는 약 1조4,600억~1조6,000억 미터톤에 이르는 막대한 양의 유기 탄소가 저장돼 있다. 이는 현재 대기 중에 있는 탄소의 약 두 배다. 대부분은 지표면 아래 3미터 이내에 있지만, 상당량은 얼음이 풍부한 퇴적층과 예도마(Yedoma)라고 불리는 고대 황토 퇴적층 깊숙이 갇혀 있다. 이 깊은 예도마 퇴적층에 저장된 탄소량은 3,270억~4,660억 톤으로 추정된다. 북극의 강 삼각주에는 약 960억 톤이 더 저장돼 있다. 지표면부터 점진적으로 해빙되면 시간이 지나면서 지표 가까이에 있는 저장 탄소의 상당 부분이 노출될 것이다. 얼음이 풍부한 땅이 붕괴해 서모카르스트 함몰지와 호수를 만드는 급격한 해빙은 한 계절 만에 더 깊은 층의 탄소를 동원할 수 있다.

탄소 플럭스 측정 결과, 이 거대한 저장고는 이미 대기 중 탄소를 늘리기 시작한 것으로 보인다. 지역별 관측과 겨울철 관측을 새로 반영한 분석에 따르면, 추운 계절의 손실을 포함할 경우 영구동토층 생태계는 이산화탄소 형태로 연간 순 3억~6억 톤의 탄소를 방출한다. 알래스카 상공에서 진행된 항공 관측에서는 툰드라가 지속적인 탄소 배출원 역할을 하는 것으로 추정됐고, 아한대 숲은 산불과 날씨에 따라 탄소 흡수량이 거의 없는 상태부터 소규모 흡수원까지 변동하는 것으로 나타났다. 식물은 활동하지 않지만 미생물은 그렇지 않은 길고 추운 기간에 더 많은 센서가 자료를 수집하면서, 일부 분석에서는 겨울철 배출 추정치가 기존보다 2~3배 상향 조정됐다. 이런 결과는 영구동토층 해빙에 따른 되먹임이 이미 시작됐다는 관측과 부합한다.

식물과 추운 계절이 배출량을 상쇄할 수 있을까

매년 여름 툰드라와 아한대 숲의 식물은 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하고 일부를 생물량과 새 토양 유기물로 저장한다. 건강한 산림과 습지에서는 흡수량이 클 수 있다. 문제는 북극의 추운 계절이 매우 길다는 점이다. 눈이 쌓여 있는 동안에도 미생물 호흡은 1년 중 상당 기간 낮은 수준으로 계속된다. 250일 이상 이어지는 기간 동안 매일 발생하는 소량의 탄소 손실이 여름철 흡수량의 상당 부분 또는 전부를 상쇄할 수 있다.

미생물의 적응력도 문제를 더한다. 스발바르와 다른 북극 지역의 연구에 따르면 계절에 따라 해빙되는 표층의 미생물은 추운 환경에 잘 적응해 있다. 낮은 온도에서도 효율적으로 작동하는 효소를 만들고 다양한 탄소 화합물을 이용할 수 있다. 일부 미생물은 특정 조건에서 이산화탄소를 직접 흡수하기도 하지만, 이 경로의 규모는 분해 과정에서 나오는 탄소 배출량에 비해 작다. 습지와 이탄지는 수백 년에 걸쳐 이탄을 축적해 순탄소 흡수원으로 남을 수 있지만, 강한 온난화 효과를 내는 메탄도 배출한다. 종합하면 최근 자료는 지역 전체의 식물 흡수량이 늘어나는 호흡 손실과 해빙지에서 나오는 메탄을 완전히 상쇄하지 못한다는 점을 보여준다.

위험을 바꾸는 것은 기온뿐 아니라 시기

새 실험실 연구 결과는 계절의 길이에 주목하게 한다. 수천 년 동안 휴면 상태였던 미생물은 성장에 앞서 손상을 복구하고 군집을 재편하는 데 몇 주에서 몇 달이 필요할 수 있다. 해빙기가 길어지면 미생물은 그 시간을 확보할 수 있다. 짧은 폭염보다 봄에 더 일찍 해빙이 시작되고 가을에 더 늦게 얼어붙는 것이 더 중요하다. 여러 북극 지역의 기후 기록에서는 이미 이런 변화가 나타나고 있다.

영구동토층이 교란된 뒤 탄소 방출을 가속하는 데 햇빛도 역할을 한다. 해빙으로 토양 탄소가 하천과 호수로 흘러 들어가 햇빛에 노출될 수 있다. 광화학 반응은 복잡한 유기분자를 약화해 미생물이 더 쉽게 섭취하도록 만든다. 실험에서는 미생물 군집이 햇빛에 의해 약해진 탄소를 활용하도록 대사 작용을 바꾸고, 그중 더 많은 양을 이산화탄소로 전환하는 것으로 나타났다. 해빙이 시작되면 물의 흐름, 빛, 생물 작용이 함께 작용해 고대 탄소를 생태계 안으로 이동시킨다.

그 밖의 요인도 중요하다. 토양 온도가 오르면 수분 조건도 바뀌는 경우가 많고, 대기 침적이나 지역 내 요인으로 질소가 추가되기도 한다. 영구동토층 이탄지 토양을 대상으로 한 실험에서는 온난화로 이산화탄소 배출이 늘고 메탄생성균과 다른 미생물군의 활동이 활발해질 수 있는 것으로 나타났다. 질소가 더해지면 미생물 군집과 온실가스 플럭스가 추가로 바뀔 수 있으며, 강력한 온실가스인 아산화질소도 영향을 받는다. 이런 상호작용은 해빙지의 반응이 하나의 과정이 아니라 경관에 따라 달라지는 여러 연계 과정으로 이뤄져 있음을 보여준다.

과학자들이 아직 모르는 것

미생물은 영구동토층 탄소를 가스로 전환하는 동력이지만, 광범위한 지역에서 이들의 미래 행동을 예측하기는 여전히 어렵다. 영구동토층은 건조한 고지대부터 물에 잠긴 이탄지까지, 광물성 토양부터 두꺼운 유기층까지 다양한 지형에 걸쳐 있으며, 조건은 몇 미터 간격으로도 달라진다. 10년간의 분자 수준 연구로 놀라울 만큼 다양한 미생물이 밝혀졌지만, 유전자 목록을 신뢰할 수 있는 가스 배출 전망으로 전환하는 일은 여전히 미개척 분야다. 연구진은 열 흐름, 토양 수분, 수문 작용, 미생물 대사를 결합해 해빙에서 배출까지 전 과정을 포착하는 모델을 구축하고 있다. 그러나 많은 모델은 급격한 해빙, 물과 탄소의 수평 이동, 새로 깨어나는 미생물 실험에서 나타난 시간 지연을 아직 제대로 모사하지 못한다.

접근이 어려운 계절과 지역의 측정 자료도 여전히 부족하다. 지역 플럭스 타워 측정값을 전체 지역으로 확대하는 상향식 방식은 위성과 항공기 자료를 활용하는 하향식 추정치와 차이를 보일 수 있다. 이러한 차이는 겨울철 자료 부족, 습지와 호수의 불확실성, 산불 영향의 변화에서 비롯되는 경우가 많다. 여러 접근법을 더 잘 통합하면서 전체적인 이해는 나아지고 있지만, 배출량 전망에는 여전히 큰 편차가 있다.

기후 예산 밖에도 한 가지 우려가 있다. 고대 미생물의 부활 가능성은 자연스럽게 안전 문제를 제기한다. 미생물을 깨우는 연구는 소량의 시료를 사용하고 표준적인 실험실 안전수칙을 따른다. 실험실 연구의 규모는 매년 여름 저절로 녹는 광대한 영구동토층에 비하면 극히 작다. 기후 측면의 위험은 실험실 균주가 아니라 야외에서 미생물이 만들어내는 온실가스에 있다. 이 현실은 모니터링과 온난화 완화에 초점을 맞춰, 계절적 해빙이 시작되는 기준점을 넘는 얼어붙은 땅을 줄여야 할 필요성을 보여준다.

핵심 내용

• 북극의 고대 미생물은 따뜻하고 습한 상태가 1~6개월 이어지면 깨어나 오랫동안 얼어 있던 유기물을 분해하며 이산화탄소와 메탄을 방출할 수 있다.
• 영구동토층 지역의 토양에는 약 1조4,600억~1조6,000억 톤의 유기 탄소가 저장돼 있으며, 이는 대기 중 탄소량의 약 두 배다.
• 알래스카 페어뱅크스 인근 영구동토층 연구 터널에서 채취한 고대 시료를 따뜻한 온도에서 6개월간 배양한 결과 미생물 활동이 극적으로 되살아났다.
• 북극 온난화로 해빙기가 길어지고 있으며, 이는 짧은 폭염보다 미생물의 활동 재개에 더 큰 영향을 준다.
• 최근 관측에 따르면 추운 계절의 손실을 포함할 경우 북부 영구동토층 지역은 이미 대기 중 탄소의 순배출원이다.
• 호수와 습지에서는 메탄 배출이 늘고 건조한 토양에서는 이산화탄소 배출이 많은 경향이 있으며, 두 가스 모두 서로 다른 기간에 걸쳐 온난화를 키운다.
• 최근 연구에서는 겨울철 탄소 손실 추정치가 상향 조정돼 식물의 여름철 탄소 흡수량 상당 부분을 상쇄하는 것으로 나타났다.
• 햇빛은 해빙된 영구동토층의 탄소를 미생물이 더 쉽게 섭취하도록 해 하천과 호수에서 이산화탄소 방출을 가속한다.
• 미생물 군집과 토양 조건이 크게 달라 불확실성이 크고, 모델도 급격한 해빙과 계절적 변화를 제대로 반영하기 어려워 여전히 큰 불확실성이 남아 있다.
• 대중에게 주된 위험은 엄격히 통제되고 규모가 작은 고대 미생물의 실험실 취급이 아니라, 온실가스 증가로 인한 기후 온난화다.