1. 연구 배경
2. 연구 의의
2.1 심해 정밀탐사 원천기술 확보 및 해양연구 선도그룹 도약
2.2 해양시스템 연구를 위한 인도양 가치 확대
2.3 지구와 해양의 근본 현상 이해를 위한 최적의 연구 장소
2.4 새로운 생명자원의 보고
3. 연구 개요
3.1 연구 목적
3.2 연구 지역 및 탐사 기간
3.3 연구 주요 장비
3.4 연구 내용 및 구성
4. 주요 연구 결과
4.1 새로운 열수분출공 발견
4.2 열수생태계 구조 및 기능
4.3 열수분출공 미생물 및 생명·유전 자원
4.4 열수분출공 환경 특성
4.5 Web-GIS 구축 및 국제협력
5. 성과 및 향후 전망
1. 연구 배경
심해 열수분출공은 50년 전 동태평양에서 최초로 발견된 이후, 심해 탐사를 수행할 수 있는 장비와 시설을 갖춘 세계 선진 연구기관들의 주도로 전 세계 대양에서 현재까지도 수많은 열수분출공이 지속적으로 발견되고 있으며, 이들을 대상으로 한 많은 연구가 활발히 수행되고 있다.
심해 열수분출공은 1977년 동태평양 갈라파고스의 수심 2,600 m에서 미국 우즈홀 해양연구소(WHOI)의 심해 유인 잠수정 앨빈호를 이용한 단층(Galapagos Rift) 탐사에서 처음 발견되었으며, 이곳에 조개류, 홍합류, 관벌레류 등이 매우 높은 밀도로 서식하는, 독특하고 새로운 유형의 생태계가 존재하고 있음을 확인하였다(Corliss and Ballard, 1977). 이후 1979년에 미국과 프랑스 연구팀에 의해 동태평양 해령(East Pacific Rise)에서 열수분출공과 그 주변에서 높은 밀도로 서식하는 다양한 생물군이 발견되고(Spiess et al., 1980), 1983년에도 북아메리카 서부 해안과 가까운 북동 태평양 심해의 Juan de Fuca Ridge에서 열수분출공과 그 주변에 서식하는 생물들의 군집이 발견되면서(Chase et al., 1985), 이러한 생태 환경을 ‘열수분출공 생물군집(Hydrothermal vent communities)’이라 부르기 시작하였고, 이후로 전 대양의 심해저를 대상으로 한 열수 탐사가 활발히 이루어지게 되었다.
서태평양에서는 1985년 Manus 분지에서 열수해역이 처음 발견된 이후(Both et al., 1986), Mariana back-arc에서도 열수생태계가 발견되었는데(Craig et al., 1987; Hessler and Lonsdale, 1991), 발견된 생물의 절반 이상이 이전에 다른 열수지역에서 발견된 생물과는 다른 생물 속이었지만, 대서양 열수지역에서 발견된 새우류와 유사한 종이 출현함으로써 각 지역의 열수 생물 군집의 관계성에 대한 새로운 시각 제공이 이루어지게 되었고, 그때부터 열수생물군집 종의 이동과 전파에 관한 연구도 본격적으로 진행되었다. 이후에 North Fiji 및 Lau 분지에서도 열수해역이 발견되었으며(von Stackelberg et al., 1988; Jollivet et al., 1989), Okinawa Trough를 시작으로 일본열도 남쪽으로 이어지는 해저 화산지역에서도 새로운 열수지역이 계속해서 발견되었다(Kimura et al., 1988; Halbach et al., 1989; Ohta and Kim, 2001).
대서양은 느린 속도로 확장하는 대서양 중앙해령(Mid-Atlantic Ridge)에서 1986년에 열수분출공과 열수생물 군집이 처음 발견된 후(Rona et al., 1986), 중앙해령 여러 곳에서 열수생태계가 연이어 발견되었으며, 2000년에는 백색의 carbonate 침니로 이루어진 Lost City로 명명된 열수 지역이 발견되었는데(Kelley et al., 2001), 이곳은 맨틀암의 변질 작용으로 발생한 반응열이 기반이 되는 열수 지역으로, 그동안 알려진 열수 시스템과는 다른 열수시스템으로 조명되면서 생명 기원에 대한 새로운 근거로 주목받는 등, 태평양과는 또다른 독특한 열수 환경들이 발견되었다.
인도양은 2000년에 중앙해령의 Rodriguez Triple Junction 북쪽 지역에서 일본 JAMSTEC 연구팀이 인도양 첫 열수지역인 “Kairei field”를 발견하고(Hashimoto et al., 2001)(Fig. 1), 이어서 미국 연구팀이 가까운 지역에서 두 번째 열수지역인 “Edmond field”를 발견하면서(Van Dover et al., 2001), 본격적인 열수 탐사가 시작되었고, 이후 일본, 미국, 독일, 프랑스, 중국 등 많은 국가의 집중적인 탐사가 현재까지 계속되고 있다.
전 세계에서 발견된 열수 해역에서는 각 나라의 선진 연구기관 및 연구자들에 의해 다양한 연구가 진행되었다. 열수생태계에 관한 연구로 열수지역에 서식하는 생물의 생태 및 종 다양성에 관한 연구(Herrera et al., 2015), 열수생물의 지리학적 분포와 집단유전적 연결성에 관한 연구(Copley et al., 2016), 열수생물 영양단계 연구(Husson et al., 2017) 등이 수행되었으며, 열수해역 미생물에 대한 연구로는 열수분출공 미생물의 유전자 발굴 및 기능별 분류 연구(Nyholm et al., 2008; Breusing et al., 2017), 열수 유래 게놈 기반 고세균 분류 연구(O’Maille, 2015) 등이 수행되었다. 또한 열수분출공 주변의 환경적인 특성에 관한 연구로는 열수 분출 물질 연구(German et al., 2002), 열수 기원 물질의 이동에 대한 연구(Mills and Elderfield, 1995), 열수주변 생지화학적 순환 연구(Tarasov et al., 2005), 열수 플룸 생성 기원 연구(Sands et al., 2012), 열수공 주변 미량원소 연구(Chakraborty et al., 2014)들이 수행되었다.
열수분출공을 중심으로 한 열수시스템은 20세기 가장 주목할 만한 과학적 발견으로 평가되고 있으며, 지각의 진화, 지구 내부물질 순환, 생명의 기원 등을 연구할 수 있는 최적의 자연학습장인 동시에 미래 자원의 보고로 여겨지고 있다. 열수분출공 주변에 형성된 생태계는 지구 내부의 에너지를 근간으로 하는 화학합성에 의해 유지되는 생태계로서, 생명의 기원을 비롯한 초기 지구의 생명현상과 함께 다른 행성의 생명 존재 가능성까지 함께 밝힐 수 있는 중요한 key가 될 수 있다. 또한, 고온·고압의 극한 환경에 적응하고 있는 다양한 열수 생명체의 에너지 생체대사에 대한 체계적 규명을 통해 새로운 물질대사 과정을 밝혀낼 가능성이 매우 높은 곳이다.
2. 연구 의의
2.1 심해 정밀탐사 원천기술 확보 및 해양연구 선도그룹 도약
해저 열수 환경은 지구시스템 통합이론인 판구조론을 통해 정립되었으며, 다양한 후속 연구들을 통해 계속해서 수정·보완되고 있는 대표적 거대학문 분야이다. 열수분출공 탐사는 수천 미터의 심해에 위치하면서, 고온(0~400℃)의 열수가 분출되고, 기압은 수백기압(200~300기압)에 이르는 극한 환경을 대상으로 한 고도의 정밀성과 접근성이 요구되는 탐사로, 우주개발에 버금가는 고난도의 해양탐사 기술력 또한 필요하다. 따라서 열수분출공 연구의 수행은 해당 국가 및 연구기관이 대형조사선, 심해잠수정 등을 활용한 탐사 연구를 통해 심해 및 대양 연구의 선도그룹으로 도약하기 위한 기반 구축을 가능하게 할 수 있다. 한국해양과학기술원은 2017년에 최첨단 위치 제어기능과 탐사 장비가 탑재된, 우수한 항해 능력을 보유한 대형과학조사선 이사부호를 건조 및 보유하게 됨으로써 심해 유무인 잠수정을 비롯한 열수탐사 연구 필수장비 운용과 활용이 가능한 플랫폼이 구축됨에 따라, 전지구적 프로세스를 이해하기 위해 필요한 모든 해양 연구 분야의 결과 도출 및 국제공동연구 프로그램 참여로 글로벌 연구 능력의 향상을 도모할 수 있게 되었다.
2.2 해양시스템 연구를 위한 인도양 가치 확대
인도양 중앙해령에서의 열수지역 탐사는 태평양과 대서양 중앙해령에 비해 뒤늦게 시작되었으나, 최근 활발한 해저 열수 활동이 보고되면서 학문적 관심은 물론 자원개발을 위한 경제적 관점에서도 큰 주목을 받고 있다.
인도양 중앙해령은 삼중합점(triple junction)을 중심으로 지역별로 서로 다른 해령들로 구성되며, 지질학적으로 상이한 특징을 보인다(Table 1). 특히 인도양 중앙해령은 느린 확장속도에 기인한 지질 및 지구조 특성으로 인해 열원, 기반암, 유체조성 등이 지역별로 상이한 열수 환경을 형성하고 있어서, 이들에 적응한 다양한 열수생물 군집의 발견과 미기록 신종의 발굴 가능성이 높으며, 새로운 열수시스템 연구에도 매우 유리한 조건을 갖추고 있다.
Table 1.
Geological characteristics dependent on spreading rates of the Indian Ocean Ridge
인도양 중앙해령에서의 본격적인 탐사는 삼중합점을 중심으로 비교적 최근에 수행되고 있으며, 타 해령 지역에 비해 탐사가 수행되지 않은 지역이 많이 남아 있으므로, 태평양과 대서양에 비해 아직 발견되지 않은 열수 분출 지역이 산재해 있을 것으로 예측된다. 더불어 본 연구에서 주요 탐사 해역으로 설정한 인도양 중앙해령대 내 대상 해역은 우리나라에서 사전에 독자적으로 수행한 기초탐사 결과를 보유하고 있어, 이를 바탕으로 한 열수분출 지역의 종합적 연구 수행에 유리하다. 따라서 인도양 중앙해령은 새로운 열수지역 개척과 더불어 해양생물자원 발굴 가능성 또한 매우 높은 지역이라고 할 수 있다(Fig. 2).
2.3 지구와 해양의 근본 현상 이해를 위한 최적의 연구 장소
1970년대 말 갈라파고스 해령에서 최초의 열수분출공이 발견된 이후 지금까지 550개 지역 이상에서 열수활동이 확인되었는데 이들 지역은 중앙해령, 섭입대, 열점 등의 지구조에 따라 다양한 특성을 나타내고 있으며, 해수의 동위원소 조성이나 대양 내 탄소 순환 등은 해저열수시스템을 통한 지각-해양 사이의 물질순환에 의해 조절되는 것으로 알려져 있으나 다양한 열수시스템에 의한 정성/정량적 영향은 아직까지 밝혀지지 않고 있다. 또한 원시 해양은 지금과는 다른 다양한 형태의 생명체가 존재했을 것으로 추정되는데, 원시 해양과 유사한 열수 환경에 대한 연구는 메타 유전체 해독, 신규 기능 열수 생물체의 선택적 배양 및 열수 환경의 생지화학적 과정 규명 등을 통해 기존 생명체에서는 알려지지 않은 새로운 종류의 물질대사과정 규명이 가능하다(Fig. 3). 기후변화와 같은 전 세계 초미의 이슈 등과 관련하여서도 해양에서의 물질 순환, 특히 탄소순환에 있어 해저 열수시스템의 역할이 그동안은 축소 내지 간과되었지만, 한편으로 이를 파악하기 위해서는 열수시스템의 물질플럭스와 해양 탄소순환의 연관성 연구가 필요한 시점이다.
2.4 새로운 생명자원의 보고
열수분출공 지역은 심해저의 경계면(해령)에서 수천도의 마그마에 의해 새로운 해양지각이 형성되는 지역으로, 최대 400℃에 이르는 열수분출물이 뿜어져 나오는 가운데, 화학합성을 기반으로 한 특이한 생태계가 존재한다. 특히 심해 열수지역은 대표적인 deep-biosphere 영역으로서 극한 생명체의 존재로 인해 생명진화 및 생명시스템연구에 있어서 매우 중요한 지역이 되고 있다.
해저 열수 환경은 광물자원을 생성하는 주요 기작으로도 주목받고 있는데, 해저 열수 환경을 통해 형성된 광물자원의 규모는 지금까지 알려진 육상자원의 약 40배로 평가되고 있다. 하지만 이들 광물자원 개발의 토대는 열수분출공의 생성-성장-소멸이라는 해저 열수 환경의 진화 이해를 통해 구축될 수 있기 때문에, 열수시스템에 대한 연구가 광물자원 개발 전에 반드시 뒷받침되어야 한다.
또한 최근 바이오산업의 원천 자원으로서 해양 유전자원(genetic resources)의 가치가 급격히 상승하고 있는 오늘날에 심해 열수지역은 열수공 주변 극한 생명체와 특이한 생명 현상들로부터 유래되는 천연물을 포함한 바이오산업의 원천 소재와 응용 기술의 발굴 가능성이 그 어느 곳보다 큰 지역이라고 할 수 있다. 더불어 심해를 포함한 대양의 해양생물다양성 연구는 아직 매우 부족한 상태로, 특히 심해에 분포하는 심해생물의 80% 이상이 아직 보고되지 않은 미기록종이기 때문에 심해 열수 환경에서 새롭게 보고되고 발굴되는 생물들은 향후에 높은 학술적 가치를 갖게 되며, 미래 생물자원 개발을 위한 해양자원 확보 차원에서도 국가적으로 매우 중요하다.
3. 연구 개요
3.1 연구 목적
본 연구는 앞서 연구 배경 및 연구 의의에서 서술된, 현시대에 요구되는 심해열수 분출공 연구의 필요성을 토대로, 기존에 이미 알려진 지역이 아닌 새로운 지역 및 새로운 유형의 열수분출공을 찾아내어, 아직은 많은 부분에서 연구되지 않은 열수 생태계 및 환경에 대한 종합적 이해를 통해 유용한 생명 기능의 활용 기반을 구축하고자 계획되고 준비되었다.
이를 위해 인도양의 중앙해령대 내 미발견된 열수분출공 지역을 탐사 및 연구 대상 지역으로 설정하였으며, 잠수정 등을 활용한 탐사를 통해 신규 열수공 발견 및 유형별 대표 분출공을 선정하고, 이들을 대상으로 열수 생태계 생명현상 이해를 위한 종합적인 연구를 수행하여, 극한환경에서의 생명현상과 물질대사 작용 이해를 위한 새로운 과학적 발견과 함께 열수생태계 구조와 생명기능을 해석함으로써 해양생물 유전자원 활용을 위한 원천기술 기반을 확보하고자 하였다.
3.2 연구 지역 및 탐사 기간
인도양 중앙해령대가 위치한 심해역에서 한국해양과학기술원의 심해저 연구팀이 2009년부터 인도양 해양광물자원 개발 연구의 일환으로 수행한 탐사를 통해 확보된 열수활동(열수플룸) 증거들을 토대로, 새로운 열수분출공의 발견이 예상되는 지역(인도양 중앙해령대 8-16°S)과 기존에 인도양 중앙해령대에서 발견된 열수 지역을 연구 대상 지역으로 설정하여, 코로나19로 탐사가 진행되지 못한 2021년을 제외한 2017년부터 2023년까지 6년간에 걸쳐 매년 탐사를 수행하고 종합적인 연구를 진행하였다(Tables 2~3, Fig. 4).
Table 2.
Names and locations of the exploration sites in the Central Indian Ridge
| Site names |
Site locations (latitude and longitude) | Average depth (m) |
| Onnuri Vent Field* | 11°29´~ 11°14´S, 66°22´~ 66°30´E | 2,014 |
| Onbada Vent Field* | 2,585 | |
| Onnare Vent Field* | 3,021 | |
| Mirae Vent Field** | 3,370 | |
| Ari Vent Field** | 3,819 | |
| Cheoeum Vent Field** | 3,020 | |
| Solitaire Vent Field | 19°35´~ 19°32´S, 65°49´~ 65°53´E | 2,606 |
| Dodo Vent Field | 18°11´~ 18°12´S, 65°26´~ 65°29´E | 2,745 |
| Edmond Vent Field | 23°50´~ 23°55´S, 69°32´~ 69°42´E | 3,305 |
| Kairei Vent Field | 25°16´~ 25°22´S, 69°59´~ 70°00´E | 2,435 |
*: New hydrothermal vents discovered during this research project. **: New hydrothermal vents discovered during research project conducted by Korea Institute of Ocean Science & Technology on seafloor massive sulfide deposits. Information on the locations of hydrothermal vents left blank will be made public after comprehensive review papers on those vents are published.
Table 3.
Exploration Period in the Central Indian Ridge
3.3 연구 주요 장비
본 연구의 인도양 중앙해령대 탐사를 위한 주요 기기와 장비로는 한국해양과학기술원의 종합해양연구선인 이사부호(R/V, 5900톤)를 비롯하여, 최대 수심 5000 m까지 잠항하여 4대의 카메라 영상을 보며 원격조정을 통해 정밀한 각종 시료 채취 작업 및 고해상도 영상 촬영과 다양한 환경자료 획득이 가능한 Canadian Scientific Submersible Facility (CSSF)의 무인잠수정(ROV) ROPOS, 해저면을 영상으로 보며 퇴적물 채취가 가능한 TV Grab, 암석 및 기반암 채취를 위한 Rock Dredge, 심해 퇴적물 표층의 교란을 최소화하며 코어를 채취하는 Multiple Corer, 환경특성 측정 및 해수 채취를 수행하는 CTD 등이 활용되었다(Fig. 5). 2000 m에서 3000 m에 이르는 심해 열수분출 지역의 종합 탐사와 정밀 시료 채취는, ROV의 모선(Mothership) 역할 수행이 가능한 이사부호 및 다년간 세계 각지의 열수 탐사에서 훌륭한 성과를 냈던 ROV ROPOS의 운용이 있었기 때문에 실질적으로 가능하였다.
3.4 연구 내용 및 구성
본 연구는 한국해양과학기술원이 주관연구기관으로서 전체적인 연구를 주도하는 가운데, 공동연구기관으로 서울대학교, 위탁연구기관으로 이화여자대학교와 인하대학교가 참여하여 다양한 분야에서 종합적으로 수행되었다. 연구의 최종목표를 ‘인도양 중앙해령에 분포하는 심해 열수분출공 환경특성 이해 및 주변 생태계의 구조와 생명기능 해석’으로 설정하고, 열수생태계 구조 및 기능, 열수 미생물 및 생명·유전 자원, 열수분출공 주변 환경 특성의 3가지 큰 범주 아래 다양한 세부 연구를 수행하였다.
세부 연구로서 열수생태계 구조 및 기능과 관련해서는 열수 생물의 확보 및 다양성 연구와 분포 특성 연구, 열수생물 생태지위 연구, 계통지리학 및 집단유전학적 연구, 유용성분 연구, 열수생물 외골격 특성 연구 등이 수행되었으며, 열수 미생물 및 생명·유전 자원과 관련해서는 미생물 기능 연구 및 생명 자원 확보, 환경 특이 기능유전자 발굴 및 유용균주 유래 신물질 발굴 등이 수행되었고, 열수분출공 주변 환경 특성과 관련해서는 열수분출공 생성기반 및 지구조 연구, 기반암 및 지화학 특성 연구, 열수기원 입자플럭스 연구 등이 수행되었다.
4. 주요 연구 결과
4.1 새로운 열수분출공 발견
인도양 중앙해령 내 새로운 열수분출공의 탐지와 조사를 위해 2017년부터 2019년까지 전반기 3년간의 탐사에서는 사전에 열수플룸이 확인된 지역을 대상으로 이사부호에 장착된 멀티빔을 이용한 지형 관측과 CTD, NOAA PMEL에서 협력받은 MAPR 등을 활용한 열수풀름 관측, Dee-Sea Camera 및 TV Grab을 통한 영상 관측이 수행되었다. 잠수정을 활용하지 못하는 한계 속에서도 2018년에 인도양 공해상에서 세계 네 번째로 열수분출공 및 열수생태계를 발견하고 순우리말인 온누리를 사용하여 Onnuri Vent Field로 명명하였으며, 다양한 열수 생물 시료 및 환경 시료 등을 획득하였다(Kim et al., 2020a)(Fig. 6). Onnuri Vent Field는 기존에 인도양에서 발견되었던 열수분출공들과는 다른 형태로서 느린 확장형 type의 열수분출 지역이다.
2021년부터 2023년까지 후반기 3년간의 탐사에서는 ROV ROPOS를 활용한 고해상도 영상 관측을 통해 열수지역에 대한 정밀 탐지가 수행되었으며, 2021년에는 인도양 공해상에서 2018년에 이은 두 번째, 세 번째의 새로운 열수분출공들을 연이어 발견하고, 순우리말인 온바다와 온나래를 활용하여 Onbada Vent Field 및 Onnare Vent Field로 명명하였다(Figs. 7~8). Onbada/Onnare Vent Field에 대한 종합리뷰 논문은 곧 발표될 예정이다. 3년간 이루어진 ROV를 활용한 조사에서는 열수분출공에 밀착하여 촬영한 높은 해상도의 정밀 영상자료를 대량으로 확보하였으며, 각 열수지역의 생태계 훼손을 최소화하면서 많은 양의 저서생물과 미생물 시료 및 퇴적물 시료, 활동이 멈춘 침니(dead chimney) 등을 획득하고, 열수 환경 특성의 측정 및 열수공 분출수 포획 등을 수행하는 등 열수생태계 연구에 필수적인 귀중한 시료들을 확보하였다. 그 외 Multiple Corer로 열수 주변 퇴적층의 퇴적물 코어 시료를 채집하였으며, Rock Dredge를 활용하여 주변 암석 및 기반암을 채취하고, CTD로 열수 주변 해수의 채취 및 관측 등을 수행하였다.
4.2 열수생태계 구조 및 기능
4.2.1 열수분출공 해역 Eco-mapping 연구
조사해역인 Onnuri, Onbada, Onnare Vent Field에서 실영상을 기반으로 한 Eco-mapping 연구를 위해 2021년부터 2023년까지 ROV에 장착된 고해상도 DSLR 카메라와 비디오 카메라를 사용하여 열수분출공 주변 해저면 및 서식 생물 영상을 대량으로 촬영하고 확보하였다. 확보된 촬영 영상은 영상 합성 전용 맵핑 프로그램(Pix4D, Metashape)을 이용하여 처리하고, 각 열수분출지역의 대표 열수공들에 대한 2D 및 3D Mosaic을 제작하였으며, 제작된 영상을 기반으로하여 생물상, 서식밀도 및 생물량 분석 등을 수행할 수 있는 생물분포 특성 주제도와 서식지 정밀 지형 주제도를 작성하였다(Fig. 9).
4.2.2 열수분출공 해역 대형저서동물 다양성 및 분포특성 연구
2017년부터 2023년까지 인도양 중앙해령대 조사 지역의 열수분출공 주변에서 총 9문 153종 10,000개체 이상의 대형저서생물을 확보하였다(Fig. 10). 연체동물 부족류와 복족류, 절지동물 초갑류 등이 우점하였으며, 다모류 신종인 Branchipolynoe onnuriensis에 대한 형태 및 유전자 분석 결과를 토대로 논문을 출판하고(Kim et al., 2022b), 십각류에서도 신종 후보종을 확보하였다. 확보된 열수 대형저서동물 중 분석이 완료된 19종 150개체는 국립해양생물자원관에 기탁하였다.
조사해역에 서식하는 열수 대형저서동물의 군집구조 분석 결과, Onnuri Vent Field에 서식하는 생물은 다른 인도양 열수 지역 생물과 출현 유사성에서 통계적 차이를 보였고, 주로 diffuse flow vent에서 출현하는 종들이 출현하였다. Onbada/ Onnare Vent Field는 침니 형태의 열수지역으로, Onnuri Vent Field와 환경적인 차이로 인해 생물 종 군집에서도 차이를 보였다. 블랙스모그가 없는 Onnuri 지역에서는 새우류인 Rimicaris kairei가 출현하지 않는 대신에, 심해 홍합인 Gigantidas sp.가 우점하여 출현하였다. Onnuri 지역 대형저서동물의 군집구조는 인도양 중앙해령대 내 다른 열수지역과 비교에서도 차이를 보였으며, 침니 형태의 열수분출공이 많은 Onbada와 Onnare 지역도 비슷한 침니 형태를 보이는 인도양 중앙해령대 남쪽에 위치한 Edmond 등의 열수지역과 군집구조에서 큰 차이를 보였는데, 이는 지리적 차이에 의한 열수 환경 특징 차이로 판단된다.
4.2.3 열수분출공 해역 중형저서동물 다양성 연구
심해 열수 지역에 서식하는 해양 선형동물 다양성 연구와 관련해서는, 전 세계 열수 해역에서 보고된 문헌을 총망라하여 분석한 결과, 2017년까지 총 12속 16종의 해양 선형동물이 기록되었으나, 이 중에 인도양 열수분출공 해역에서는 단 한 종도 생물다양성 연구 보고가 없음을 확인하고, 본 연구 기간 인도양 중앙해령대 열수분출공 주변 해역에서 확보한 해양 선형동물의 형태분류학적 연구를 진행한 결과 총 7과 11속 31종을 확인하였다(Fig. 11). 확보된 해양 선형동물에 대해서는 종 다양성 인벤토리(Inventory)를 작성하고, DIC (Differential Interference Contrast) 광학현미경과 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)을 활용하여 형태 분류학적 초미세구조에 대한 디지털이미지 정보를 구축하였다.
중형저서동물 주요분류군인 저서성 요각류와 짠물응애류에 대한 연구에서는 2017년부터 2023년까지 인도양의 8개 열수분출 지역(Solitaire, Edmond, Onnuri, Onnare, Onbada, Ari, Cheoeum, Kairei)에서 획득한 저서성 요각류와 짠물응애류를 형태적으로 분석한 결과, 총 4목 23과 46속 75종이 확인되었다(Fig. 12). 특히 이들의 다양성 분석에서 저서성 요각류는 Onnare Vent Field, 짠물응애류는 Onnuri Vent Field에서 가장 다양한 종이 출현하였다. 저서성 요각류는 71종 중에 30종(약 40%)이 신분류군으로 확인되었으며, 신종 9종과 미기록종 1종에 대한 논문을 발표하였다(Ivanenko et al., 2019; Kim and Lee, 2020; Lee et al., 2020).
4.2.4 열수분출공 해역 중형저서동물 분포 특성 연구
인도양 열수 해역에 서식하는 중형저서동물의 군집 분포 특성 연구를 위해 Onnuri Vent Field와 인근의 일반 심해에 서식하는 중형저서동물 군집을 비교한 결과, Onnuri Vent Field에 서식하는 중형저서동물의 서식밀도가 인근의 일반 심해 지역보다 높은 서식밀도를 보였으며, Onnuri Vent Field는 인근의 일반 심해에 비해서 선형동물의 비율이 낮은 대신에 저서성 요각류의 비율이 높은 경향을 보였다. 선형동물 종 분석 결과에서는 풍부도, 균등도, 다양도 값이 Onnuri Vent Field보다 심해에서 더 높게 나타났으며, 이에 관한 상세한 연구 결과는 Kang and Kim(2021)에 발표되었다(Fig. 13). Onnuri, Onnare, Onbada Vent Field에 서식하는 중형저서동물 특성 비교에서는 평균 서식밀도에서 Onbada가 가장 높았으며, 군집구조를 비교한 결과에서는 Onnuri와 Onnare가 서로 확연히 구분되는 것으로 나타났으며, Onbada 지역의 군집구조는 다른 두 지역 군집구조 형태가 혼재하는 양상을 보였다.
4.2.5 열수분출공 해역 저서생물 유생 및 동물플랑크톤 연구
열수분출공 주변 서식 저서생물 유생 분산 경로와 기작을 이해하기 위해, 조사해역에서 저서생물 유생과 동물플랑크톤 채집 후 형태학적 분석과 분자생물학적(유전자) 분석을 진행한 결과, 수층에서 다층플랑크톤채집기로 채집한 동물플랑크톤 시료에서는 이매패류 5종과 복족류 52종의 유생을 선별하였으며, ROV로 채집한 시료에서는 이매패류 3종, 복족류 12종과 삿갓조개류 4종의 유생을 선별하였다(Fig. 14). 이들에 대한 형태적 분석과 유전자 분석을 수행하여 Onnuri Vent 주변에 서식하는 이매패류(Bathymodiolus spp.) 및 복족류(Phymorphynchus spp., Leptodrilus spp.,Vetulonia spp.)의 유생과 형태적으로 흡사한 저서생물 유생들의 유광층(0-200 m) 출현을 확인하였으며, “저서생물 유생이 열수분출공 주변 저층해류에 따라 이동하는 전략” 가능성을 확인하고 이를 논문으로 게재하였다(Kim et al., 2022a). 복족류 유생 9종과 이매패류 유생 2종을 선별하여 미토콘트리아 DNA 서열을 분석한 결과에서는 Neritidae species 1종과 Lophocochlias parvissimus 및 열수 복족류 Bruceiella wareni의 미토콘드리아 원형 DNA 전체 서열을 최초로 밝혀내었고 이를 논문으로 발표하였다(Kim et al., 2023).
Fig. 14.
Photographs of mollusc larvae collected from the water column near and around a hydrothermal vent in the Central Indian Ridge (Part of the figure is published in Kim et al.(2022a)).
4.2.6 열수분출공 해역 원생생물 다양성 연구
열수해역 서식 원생생물 영구 표본 및 유전자 정보를 확보하고, 열수분출공 주변 생물상에 따른 원생생물 다양성 및 발생 특이성을 확인하기 위해 TV Grab, Multiple corer, ROV를 이용하여 퇴적물과 열수공 주변해수 시료를 획득하고 분자학적 메타바코딩을 분석한 결과, Onnuri Vent Field에서는 후편모생물(Opisthokonta), 리자리아(Rhizaria), 피하낭류(Alveolata) 그룹에서 높은 read수가 검출되었다. 특히 피하낭류 그룹에서 섬모충(Ciliphora)의 높은 종 다양성(OTUs)을 확인하였고, 다량 검출된 미지의 염기서열(unclassified)을 통해 기존에 심해 열수생태계에서 보고되지 않은 다양한 원생생물 신종들이 대량으로 존재함을 확인하였다.
2019년부터 2023년까지 채집한 인도양 열수해역 시료에서는 총 25종의 섬모충 종 다양성을 확인하였다(Fig. 15). 특히 지속적으로 출현이 확인된 Dysteria 종은 Onnuri, Onbada를 대표하는 우점종으로 검토되었으며, Onnuri, Onbada, Onnare 열수분출공에서 확인된 종들 가운데 17종의 유전자를 확보하고 분석한 결과, 모두 신규 유전자로 판명되었다.
4.2.7 열수생물의 생태 지위 및 영양단계 연구
인도양 중앙해령 내 Onnuri Vent Field에 서식하는 거대 저서생물의 먹이원과 먹이망 구조 연구를 위해 탄소와 질소 및 황의 안정동위원소비 분석을 수행하여, Onnuri 지역의 주요 에너지원인 화학합성에는 3개의 생산 경로가 존재함을 확인하고 4개의 영양단계를 갖고 있음을 밝혀내었으며, 공간적 차이가 에너지원 가용성 차이를 유발함으로써 영양 관계에 영향을 미치고 있음을 수치로 확인하였다(Suh et al., 2022).
인도양의 Onnuri Vent Field와 태평양의 북피지 열수지역에 서식하는 열수 생물의 체내 아미노산 질소 안정동위원소를 비교한 연구에서는 활동성 열수분출공을 가진 북피지 열수지역에 서식하는 생물보다 Onnuri와 같이 느린 확장형 열수지역에 서식하는 생물들의 Trophic position (TP)이 더 높음을 확인하였으며, 서로 다른 환경을 가진 열수생태계에 대한 영양적 다양성 및 먹이사슬 역학 관계를 고찰하였다(Fig. 16)(Suh et al., 2023).
Fig. 16.
Individual amino acid nitrogen isotope values (δ15N) of deep-sea hydrothermal Mussel species from the Onnuri Vent Field and North Fiji Basin (Part of the figure is published in Suh et al.(2023)).
동위원소 기반 SIBER 모델을 활용한 열수 생물의 생태적 지위 분석 결과에서는, 장님게, 말미잘, 흰고둥의 생태적 지위 다양성과 크기가 높게 나타났으며, 반면에 털달팽이, 비늘발고둥, Rimicaris 새우에서는 생태적 지위 다양성과 크기가 비교적 낮았다. 열수지역별로는 평균적으로 Onnuri Vent Field에 서식하는 생물의 생태적 지위 다양성이 높았는데, 이는 Onnuri 지역의 먹이자원이 더 풍부하거나 먹이경쟁이 상대적으로 낮음을 시사한다.
4.2.8 열수생물 유래 유용성분 다목적 효능 분석
열수생물 유래 유용소재를 발굴하고 열수생물 추출물의 다목적 효능을 분석하기 위하여 탐사지역 열수공 주변에 서식하는 열수생물인 Gigantidas vrijenhoeki, Bathymodiolus marisindicus, Chrysomallon squamiferum, Alviniconcha sp.를 확보하고, 다양한 전처리를 통해 분말화된 원료 소재로부터 단백질 가수분해물, 주정추출물, 열수추출물을 제조하여 확보하였다. 이들 열수생물 추출물에 대한 다목적 효능평가를 수행하여, 가장 우수한 효능을 나타내는 추출물을 선별하였으며, 선별된 추출물에 대한 분리정제 및 화학구조 분석을 수행하여 확인된 유효소재를 대상으로 주요 효능에 대한 작용기전을 규명하였다(Heo et al., 2023). 이들 열수생물 추출물을 통해 항산화, 항염증, 항암, 항고혈압, 항주름, 미백 효능 등 생리활성 효능을 분석한 결과, 열수생물 추출물이 항고혈압에 우수한 효능을 나타내는 것을 확인하였다. 특히 G. vrijenhoeki, B. marisindicus, C. squamiferum 유래 가수분해물에서 우수한 항고혈압 효능이 확인되었으며 분리정제 및 화학구조 분석을 통해 고혈압을 억제하는 4개의 펩타이드를 확인하였다(Fig. 17).
4.2.9 인도양 중앙해령대 열수생물 집단유전학적 연구
인도양 중앙해령의 열수 분출공에 서식하는 홍합과 공생세균의 유전적 다양성과 지리적 역할에 대한 연구에서는 인도양 해령 내 서로 다른 열수해역 및 동태평양 해령열수해역에 서식하는 동종의 홍합에 대한 DNA 분석을 통해 심해의 환경적 특성과 해령의 확장속도가 공생세균 진화에 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다(Fig. 18)(Jang et al., 2022).
Fig. 18.
A Photograph and population genetic study sites of deep-sea hydrothermal vent mussel (a), and a photograph and phylogeographic study sites of deep-sea hydrothermal vent snail (b). (Part of the figure is published in Jang et al.(2022)).
인도양 해령 내 열수지역에 서식하는 Alviniconcha속 달팽이의 계통지리학 연구에서는 미토콘드리아 COI 유전자와 두 개의 핵유전자에 기반한 DNA 시퀀스 데이터를 분석한 결과, 인도양 중앙해령 북부에 위치한 Onnuri와 Solitaire에서 새롭게 발견된 Alviniconcha 달팽이들이 인도양 중앙해령 남부에서 식별된 Alviniconcha와는 다르다는 것을 밝혀냄으로써, 인도양 중앙해령의 북부와 남부 사이에 계통지리학적 경계가 존재함을 밝혀냈다(Fig. 18)(Jang et al., 2023).
인도양 중앙해령의 Kairei, Onnuri, Onnare, Onbada 지역에 서식하는 Phymorhynchus sp.를 집단유전학적으로 연구한 결과에서는, 미토콘드리아 서열로 나뉘는 총 7개의 군집이 확인되었고, 공생세균의 종 구성은 지역별, 군집별로 차이를 보였으며, 이를 바탕으로 인도양 중앙 해령의 열수지역에 서식하는 Phymorhynchus속 중에 2종 이상의 신종이 존재할 것으로 예상되었다. 이는 인도양 중앙 해령의 Phymorhynchus 속에 대한 최초의 집단유전학적 분석으로, 새로운 열수 지역과 기존 지역 간의 유전적 연결성 연구에 주요한 토대가 될 것으로 사료된다.
4.2.10 열수해역 갑각류 외골격 특성 이해
인도양 중앙해령대 심해 열수분출공 주변에서 높은 온도와 압력에 적응하여 서식하는 갑각류의 적응 특성을 이해하기 위해, 인도양 중앙해령대 열수 지역에 서식하는 심해 열수종(Austinograea sp.) 게와 연안종(Charybdis japonica) 게의 외골격에 대한 구조 및 화학적, 기계학적 특성을 비교 분석한 결과, 4겹으로 형성된 외골격의 구조적 특징은 두 종이 유사하였으며, 화학 구조에서도 구성 원소의 수는 12개로 두 종이 같았으나, 미량 구성 원소 중 Al, S, Cl은 epicuticle층에서 연안종에 비해 열수종이 유의미하게 높은 비중을 차지함을 확인하였다(Fig. 19). 또한 외골격 단면의 기계학적 특성을 분석한 결과, 열수종의 경도(hardness) 및 탄성도(reduced modulus)가 전반적으로 연안종에 비해 우수한 것을 확인하였다(Cho et al., 2022). 이에 심해 열수분출공에 서식하는 갑각류는 연안종에 비해 기계학적 특성이 강하고 열 안정성이 우수한 외골격을 갖고 있는 것으로 판단되며, 특히 열수종의 외골격에 다량 포함된 알루미늄과 황이 외골격의 파괴 저항성을 향상시켰을 것으로 예측된다.
Fig. 19.
Crab samples and mechanical properties of the exoskeletons of the two crab: vent crab (a), coastal crab (b), hardness of the exoskeletons (c), reduced modulus of the exoskeletons (d) (This figure is published in Cho et al.(2022)).
4.3 열수분출공 미생물 및 생명·유전 자원
4.3.1 열수 미생물 기능 연구 및 자원 확보
인도양 중앙해령대 열수지역인 Edmond, Solitare, Onnuri, Ari, Cheoeum 등으로부터 확보된 열수 시료에 대한 미생물의 메타게놈 분석을 수행하여 인도양 중앙해령대 열수 환경의 미생물 물질대사 과정을 최초로 규명하였다(Namirimu et al., 2022). Onnuri Vent Field에서의 일차생산은 탄소고정 경로중 하나인 CBB (Calvin-Benson-Bassham) cycle을 통해 주로 진행되는 반면, Cheoeum Vent Field에서는 주로 Wood-Ljungdahl (WL) 경로를 통해 진행된다는 차이점을 확인하였으며, 인도양 열수지역에서의 탄소순환이 대서양이나 태평양의 열수지역에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 진행되는 것을 확인하였다(Fig. 20). Onnuri Vent Field는 일반적으로 열수환경에서 탄소고정을 담당하는 것으로 알려진 미생물들이 우점하지 않는 특이성을 보였는데, 메타게놈으로부터 개별 미생물의 유전체를 추출하여 재조립한 MAGs를 집중 분석한 결과, Onnuri 지역은 인도양 내 다른 열수지역(Edmond, Solitare)과 달리 KSB1 그룹이 높은 비율로 존재함을 확인하였으며, 이 지역에서는 지금까지 종속영양으로 여겨졌던 미생물 그룹인 KSB1이 CBB 경로를 통해 탄소고정 즉, 일차생산을 담당하고 있음을 발견하였다.
Fig. 20.
Schematic illustration of key microbial metabolisms of carbon, sulfur, methane, and nitrogen in the diffuse flow hydrothermal vents at Onnuri and Cheoeum Vent Field (This figure is published in Namirimu et al.(2022)).
열수 미생물 자원확보에서는 초고온성, 화학무기영양성, 혐기성 등 46종의 신규 미생물 자원을 확보하고, 이 중 신종 후보 미생물 6종을 동정하였으며, 초고온 고세균 2종과 혐기 미생물 1종 등 3종에 대한 학계 보고를 완료하였다(Kim et al., 2020b; Lim et al., 2020b; Park et al., 2023).
4.3.2 열수환경 특이 기능유전자 연구
열수환경 특이 기능유전자 발굴을 위해 인도양 중앙해령대 5개 열수분출구에서 채집한 열수따개비, 열수달팽이, 홍합 및 게를 대상으로 RNA 시퀀싱, heat map 분석, 기능그룹별 유전자 클러스터링, 유전자 발현비교 등의 분석을 수행하였으며, 세계 최초로 열수따개비 종의 전사체 분석 논문을 출판하고, 5개 열수분출공 지역의 유전체를 비교하여 NCBI에 35개의 특이 유전자 및 21종의 전사체 정보를 등록하였다(Ryu et al., 2019). 인도양 Onnuri Vent Field에서 신종으로 기록된 Gigantidas vrijenhoeki 홍합에 대한 기능유전자 연구에서는 3,180개의 특이 유전자 목록을 얻었으며, 이들의 기능을 분석하여 논문으로 출판하였다(Fig. 21). 특히 Gigantidas vrijenhoeki의 유전자 단백질 도메인 분석에서는 심해 열수환경과 관련된 시그널 단백질들을 발굴하였는데, 가수 분해 효소 관련 도메인이 가장 많았으며, 다음으로 세포 스트레스, Nucleoside 결합 단백질 접힘 구조 관련 도메인이 많음을 확인하였다(Ryu et al., 2021). 심해 게, Austinograea rodriguezensis 종에 관한 연구를 통해서는 특이 기능유전자 20종 및 전사체 15종을 NCBI에 등록하였으며, 순치 시간에 따른 차등 발현 유전자들의 기능을 분석하여, 대량의 리보솜 생성에 관여하는 유전자 정보를 발굴하고, 다능성(multipotent) 줄기세포 인자들을 발견하였다.
Fig. 21.
Gigantidas vrijenhoeki specimen (a), the sampling site view of the Onnuri Vent Field (b), and heatmap of the Gigantidas vrijenhoeki transcriptome (c) (This figure is published in Ryu et al.(2021)).
4.3.3 열수환경 유래 신물질 발굴
열수환경 유래 미생물을 활용한 신물질 발굴을 위해, 인도양 탐사기간 동안 채집된 해양생물, 퇴적토, 해수 등의 시료로부터 해양미생물 466종을 분리하여 배양 추출물을 조제하였다(Fig. 22). 이에 대한 활성검색 분석을 진행하여 총 32종의 추출물에서 항암 활성을 확인하였으며, 분광학적 특이성 또는 항암 활성을 보인 추출물 중 유용균주 3종을 선정하여 대량배양을 진행하고, 대량배양 추출물로부터 신규물질 19종과 기지물질 19종을 분리·정제하였으며, 신규물질에 대한 절대 구조를 규명하였다. 이후 분리된 단일물질들에 대한 생리활성 검색을 진행한 결과, 뇌신경염증 억제 및 항암 활성이 뛰어난 신규물질 1종을 확보하였다. 해당 신물질(페나조스타틴 J)의 대량확보를 위해 사페닉산을 이용한 반합성을 통해 페나조스타틴 J의 대량확보 방법을 개발하였으며, 전구물질 사페닉산을 용매-용매 추출법을 통해 대량확보에 성공함으로써 페나조스타틴 J의 상업적 이용가능성을 증가시켰다. 이후 사페닉산을 이용하여 이량체(페나조스타틴 J), 삼량체(trimer), 사량체(tetramer) 등을 합성하고 고형암 및 혈액암에 대한 항암 활성을 평가한 결과, 전반적인 활성은 이량체인 신물질 페나조스타틴 J가 가장 강력하였고, 일부 혈액암에서는 삼량체가 더 좋은 활성을 보이기도 하였다. 대량 확보한 페나조스타틴 J를 이용하여 위암세포(NUGC-3)에 대한 동물실험을 진행한 결과에서는 종양 억제 활성을 확인하고 부작용이 없는 것을 확인하였다.
4.4 열수분출공 환경 특성
4.4.1 열수분출공 유형별 생성기반 및 지질구조 연구
인도양 열수 탐사를 통해 중앙인도양해령 해역에서 조사된 열수분출공들은 중앙해령 생성기반에 따라 현무암기반, 맨틀암기반, 현무암-맨틀암 혼합기반으로 각각 구분되었다. Onbada와 Onnare 지역은 전형적인 현무암 기반의 매우 높은 고온형의 열수분출공, Onnuri와 Cheoeum 지역은 맨틀암 기반이 우세한 상대적 저온형의 열수분출공, Mirae 지역은 혼합형으로 파악되었다. 맨틀암 기반인 Onnuri 지역은 확장대 경계에 형성된 OCC (Ocean Core Complex) 구조의 정상부에 위치하며, 초염기성암과 반려암으로 구성되어 있다(Fig. 23). Onnuri 지역의 열수는 맨틀암의 변질에 따른 사문석화 작용에서 발생하는 열과 하부에서 융기한 관입암체에 남아 있던 잔류열에 의한 것으로 해석된다. 현무암 기반인 Onbada, Onnare는 확장축에서 떨어져 있지만 OCC구조가 아닌 일반적인 심해구릉 단층대에 생성되었으며, 마그마로부터 형성된 열수가 단층구조를 따라 이동하여 해저면에 도달한 것으로 보여진다. Cheoeum 지역은 Onnuri와 마찬가지로 OCC 구조 사면에 형성되어 있으며, Mirae 지역의 경우 OCC 구조와 확장대의 경계부에 형성되어 혼합형의 특징을 보였다.
Fig. 23.
3D perspective of the Onnuri Vent Field at the summit of OCC. The red star indicate the location of the hydrothermal vent (Part of the figure is published in Kim et al.(2020a)).
4.4.2 열수지역 기반암의 열수변질작용 및 멜트 포유물 연구
열수시스템의 물리-화학적 특성을 이해하기 위한 연구로 Ari Vent Field 지역의 열수분출공 주변 지각에서 채취한 반려암질 암석의 미세구조 및 지화학 데이터를 분석한 결과, 하부 지각에서 멜트-암석 반응이 발생함을 확인하였으며, 이 반응이 현무암 성분에 영향을 주고 있다는 결론을 도출하고, 이를 통해 Ari 열수 지역 지각의 마그마 진화 과정에 대한 포괄적 모델을 제시하였다(Fig. 24). Onnuri 지역에서는 기반암 성분 및 구조를 분석한 결과, 기반암이 주로 반려암으로 이루어져 있으며, 그 위를 사문암과 단층암으로 구성된 수십m 이내의 단층대가 얇게 덮고 있는 구조임을 밝혀냈다. Onnuri 지역 열수 이동 경로에 관한 연구에서는 반려암 내 투수성이 높은 경로를 따라 이동한 열수가 주변 반려암과 반응하여 실리카가 풍부해진 유체로 진화했으며, 이 유체가 사문암과 반응 후 Onnuri 지역에서 분출하며 대량의 활석 형성에 기여한 것으로 추정되었다. Onbada, Onnare 지역 기반암인 현무암 내 납 동위원소를 포함한 지화학 조성 연구를 통해서는 두 지역의 기반암 형성에 심부 맨틀 기원 성분이 큰 영향을 끼치며, 해령 축에서 먼 지역일수록 심부 맨틀의 조성이 더욱 뚜렷하게 관찰됨을 확인하였다. 인도양 중앙해령대를 따라 남북으로 길게 이어진 열수지역 기반암의 멜트 포유물에 관한 연구에서는 용존 이산화탄소 함량을 이용한 마그마 정치 깊이를 분석한 결과, 조사 해역에서의 멜트 포유물 포획 깊이는 2.8~13 km였으며, 남쪽으로 갈수록 더 깊은 깊이에서 마그마의 정치가 일어났음을 확인하였다.
Fig. 24.
Schematic representation illustrating the sequential processes of melt evolution in the lower oceanic crust, leading to the formation of both MORB and gabbroic rocks in the Ari Vent Field of Central Indian Ridge (Part of the figure is published in Choi et al.(2024)).
4.4.3 열수 환경 내 지구 미생물학적 특성 연구
인도양 열수 환경 퇴적토에 서식하는, 열수 환경의 황 순환에서 가장 중요한 역할을 담당하는 황산염 환원 미생물에 대한 동위원소 분석을 통해, 해당 대사과정의 필수 요소인 APS 환원효소의 분별작용을 세계 최초로 측정해 보고하였으며, 이에 기반한 황 동위원소 분별 작용 모델을 제시하고 논문으로 출판하였다(Fig. 25)(Sim et al., 2019). 더불어 Onnuri Vent Field 퇴적토에서 새롭게 분리된 Tepidibacter mesophilus 균주에서는 생물학적 바나듐 환원 과정이 확인되었다. 미생물에 의한 바나듐 환원은 금속 환원 그람 음성 미생물에서 보고되어 왔으며, 그람 양성 미생물에서는 이번에 분리된 미생물이 두 번째 사례가 된다. 분리된 미생물의 바나듐 환원과정 분석을 통해 고농도 바나듐에 대한 저항성과 빠른 환원속도를 확인하였으며, 이는 관련 연구 결과가 생물정화와 환경복구에도 활용 가능함을 시사한다.
Fig. 25.
The pathway of dissimilatory sulfate reduction with the molecular structures of sulfur-containing metabolites and the enzymes catalyzing their transformation (This figure is published in Sim et al.(2019)).
4.4.4 열수 퇴적물의 지화학적 성분 및 프록시 개발 연구
인도양 중앙해령대 열수 분출구 주변 해역에서 총 56개의 코어 퇴적물 시료를 확보하여 분석하고, 퇴적물 내 화학적 성분 중 열수 물질 기원 성분인 Fe/Ti, Ba, Si-Mg, Cu-Zn, Hg, Eu anomaly를 활용하여 열수 기원 물질 추적에 유용한 지화학적 프록시를 개발하였으며, 이를 논문으로 출판하였다(Lim et al., 2020a). 퇴적물 내 성분 중 Fe/Ti과 Ba의 함량은 공간적으로 큰 변동을 보였는데, 열수 분출구에서 멀어질수록 급격히 감소하는 공간분포 특성을 보였다. 이에 대한 원인은 열수 분출 물질과 해수내 성분이 결합하여 형성된 중정석, 활석, 황철석 등과 같은 열수 광물의 형성 때문으로 사료된다. 특히 Onnuri Vent Field 주변 퇴적물에서 산출된 활석(talc)과 중정석(barite)은 대표적인 열수 활동 지시 광물로써 Onnuri Vent Field에서의 강력한 열수 순환 활동을 지시한다(Fig. 26). 더불어 Onnuri Vent Field 시스템은 해저면으로 융기된 맨틀암(peridotite)과 해수의 발열성 사문석화 반응에 의해 구동되는 off-axis 형태의 독특한 열수시스템으로 해석된다(Lim et al., 2022).
Fig. 26.
Microscopic photographs and SEM-BSI images of talc (a-c) and barite (d-f) samples from the Onnuri Vent Field of the Central Indian Ridge (Part of the figure is published in Lim et al.(2022)).
4.4.5 화학지시자 및 저서생태계 연관성 연구
열수플룸 지역의 저서생물과 지화학적 지시자의 상관관계를 통한 저서생태계 특성 파악을 위해 인도양 중앙해령대의 Onnuri, Onbada, Onnare, Ari, Cheoeum, Kairei 지역 퇴적물 코어시료의 미량원소에 대한 주성분 분석에서는 퇴적물의 지화학적 특성이 각 열수지역별로 확연히 구분되었는데, 이는 기반암 및 열수 생성기원의 차이에 기인한 것으로 해석되었다(Fig. 27). 또한 저서생태계에서 2차생산자이자 1차소비자로 중요한 역할을 담당하는 중형저서동물의 서식밀도와 미량원소 및 TOC의 상관관계를 분석한 결과에서는, 저서성요각류(Harpacticoids), 짠물응애류(Halacaroideans), 다모류(Polychaetes), 선형동물(Nematodes) 의 서식밀도가 미량원소 및 TOC와 강한 양의 상관관계를 보였으며, 같은 지역 내에서도 TOC 및 미량원소의 분포 차이에 따라 중형저서생물 서식밀도가 달라짐을 확인하였다.
4.4.6 열수기원 입자 플럭스 연구
인도양 중앙해령 내 활동성 열수분출공인 Onbada Vent Field 및 Onnare Vent Field 주변의 열수기원 입자를 포집하여 입자 플럭스를 분석하고, 다른 열수 지역인 동태평양 해령 Totem Vent 및 통가 열도화산대 열수분출공 주변에서 얻은 이전 자료와 비교한 결과, Onbada와 Onnare 열수분출공 주변에서 측정된 침강입자 플럭스는 이전 연구 결과와 매우 유사한 범위를 보이는 것으로 확인되었다. 태평양 및 이번 인도양 조사해역에서 분석된 자료를 이용하여 거리 관계식을 만들고 그에 기초하여 이론적인 열수입자 침전모델을 도출하였다(Fig. 28). 열수기원 입자 플럭스는 열수분출공으로부터의 거리에 따라 결정되며, 열수분출공을 통해 수층으로 분출된 열수기원 입자는 90%가 2 m 이내의 거리에서 침적되고, 99%는 반경 60 m 이내에, 99.9%는 1㎞ 이내에 침적되는 것으로 해석되었다.
4.5 Web-GIS 구축 및 국제협력
인도양 중앙해령대 심해 열수분출공 탐사의 데이터베이스 구축과 정보공유 및 활용 기반 마련을 위해 연구데이터와 GIS 기술의 연동이 가능한 시스템을 개발하였다. 이를 위해 데이터 수집 및 연구자료 유형에 따른 분류를 수행하고, 데이터베이스를 설계하고 구축하였으며, 오픈소스 기반 DBMS를 구축하였다. 공간정보 시스템 구현을 위해 응용프로그램을 설계하여 적용하고 공간정보 시각화 기술을 적용하였으며, 오픈소스 기반의 Web-GIS 시스템 운영 환경 구축 후, 히트맵(heat map) 분석 기능 및 GIS 공간 보간 분석 기능 등을 추가하여 최종 시스템 구축을 완성하였다(Fig. 29).
연구 기간 국제중앙해령연구협의체(InterRidge) 사무국의 한국 유치 및 서울대 이상묵 교수의 InterRidge 의장 선출을 통하여, 열수분출공 연구를 선도하는 국가들과의 국제협력 및 연구 정보력 증대와 더불어 국가 위상 강화를 도모하였으며, InterRidge 내 새로운 국제 워킹그룹을 활성화하고 의장 자격으로 국제해저기구(ISA) 회의 및 국제 심포지움 참석을 통해 세계 연구 동향 파악 및 본 연구팀의 탐사 성과 홍보 등을 수행하였다.
5. 성과 및 향후 전망
심해 열수 생태계를 탐색 및 발견하여 다양한 시료를 확보하고 연구를 수행하는 것은 고난도의 기술력과 최첨단 연구 장비가 뒷받침되어야 하는 어려운 연구로, 그동안 해양과학기술이 발달한 일부 선진 연구기관들을 중심으로 이루어져 왔으나, 이번 연구를 통해 본 연구진은 인도양 공해상에서 새로운 열수분출공 발견 및 심해 무인잠수정을 활용한 열수분출공 정밀 근접 탐사 수행, 양질의 다양한 열수 시료의 대량 확보 등 많은 성과를 달성함으로써, 계획했던 연구의 목표를 충실히 달성하였다. 전 세계적으로 아직 충분한 연구가 이루어지지 못한 인도양 중앙해령대 열수시스템을 이해할 수 있는 자료를 생산하였으며, 이 연구 결과들을 상위 학술지에 다량 발표함으로써 인도양 중앙해령 연구를 선도하는 기틀을 마련하였다. 또한 심해 극한 환경인 열수생태계에 대한 한국 최초의 종합적, 다학제적 연구를 수행하는 성과도 거두었다. 특히, 본 연구팀에 의해 인도양 공해상에서 2018년에 Onnuri Vent Field 및 2021년에 Onbada Vent Field와 Onnare Vent Field를 새롭게 발견함으로써, 열수 생물자원의 주도적 활용 및 후속 연구가 매우 수월한 환경을 조성하였다.
더불어 본 연구 기간 인도양 심해 열수탐사를 통해서 극한 환경 탐사에 대한 기술력과 인력을 확보하는 성과도 거두었으며, 특히 다년간 탐사를 통해 확보된 무인잠수정(ROV) 활용 기술은 향후 해양자원 개발, 해양구조물 가설, 해저 지질연구 등에 주요하게 활용이 가능한, 해양과학기술 강국의 초석이 되는 성과로서, 한국의 과학기술 선도국 진입을 위한 기반 마련의 계기가 되었다. 또한 이번 연구를 통해 새로운 생물 유전자원을 다량 발굴함으로써, 심화되고 있는 글로벌 생물자원 확보 경쟁에 대한 선제적 대응 및 관련 산업의 부가가치 창출에 대한 기반도 구축되었으며, 이제까지 잘 알려지지 않았던 열수와 관련된 주요한 생물학적, 생리학적, 유전학적 특성들도 새롭게 발견하고 발굴하는 성과를 달성하였다.
인도양의 열수분출공은 현재 가장 주목받고 있는 열수 연구 대상 지역으로 최근까지도 활발한 탐사와 연구가 집중되고 있다. 중국 자연자원부(Ministry of Natural Resources, MNR)의 산하기관인 제2해양연구소에서는 최근 국가 연구개발과제를 통해 인도양 칼스버그 해령(Carlsberg Ridge, CR)의 열수분출공 지역인 Daxi, Wocan, Tianxiu에서 다양한 연구를 수행하여, 이들 3개 열수 지역에 서식하는 저서생물 군집이 인도양 내 다른 해령인 인도양중앙해령 및 남서인도양해령 열수분출 지역의 저서생물 군집과 종구성 및 유전학적인 특성 면에서 생물지리학적으로 단절되고 분리된 생물권임을 밝혀내었으며(Zhou et al., 2022), 독일 정부 산하 국립연구소인 연방지질자원연구소(BGR)는 2014년에 남동인도양해령에서 발견한 열수분출공 지역인 Pelagia에 대한 미생물 관련 연구에 집중하여, 성장에 더 나은 조건이 도래할 때까지 휴면 상태에 있을 가능성이 높은, 다른 인도양 열수지역에서는 발견되지 않은 미생물 균주를 발견하는 등(Han et al., 2018), 국가 부처와 산하 기관이 주도하는 다양한 연구들이 수행되고 있다.
심해 열수분출공 연구는 민간 차원에서는 수행이 매우 어려운 거대과학 분야로서 국가 차원의 과학 기술 역량 결집이 이루어져야 하는 연구 분야이므로, 이러한 연구의 실제적인 수행은 국가 위상 확보와도 직결된다. 더욱이 천연물 및 유전 자원의 보고인 심해 열수생태계에서 미래 주요 산업이 될 블루바이오산업 소재 관련 기술을 개발하는 것은 전형적인 High Risk-High Return 분야로, 우수한 성과 창출을 위해 국가 차원의 중장기적인 투자가 필수적이다. 특히 UN 주도의 ‘국가관할권 이원지역 해양생물다양성 보전 및 지속가능이용 협정(Biodiversity Beyond National Jurisdiction, BBNJ)’을 통해 유전자원 이익을 공유하고 보호하는 새로운 해양질서가 2023년 6월에 채택되었고, 향후 3~4년 이후에는 심해 열수분출공에 대한 해양보호구역 설치 요구가 예상되는 현 상황에서는 더욱더 국가의 정책적이고 전략적인 대응이 필요하다.
따라서 본 연구를 통해 세계 최초로 발견한 인도양 3개 열수분출공 및 탐사 기간에 추가로 탐지된 3개 이상의 신규 열수분출공 후보 지역에 대해서 국제 규제 발효 이전에 지속 가능한 활용성 확보 및 열수 유용자원 선점과 더불어, 분자생물학적, 생화학적, 유전학적, 지화학적 기초 연구를 통해 달성한 성과들의 원천기술 고도화를 위한 국가연구개발의 투자와 연구 역량 집결이 요구된다.
앞서 언급했듯 한국은 2017년 건조된 5,900톤급 종합해양연구선 이사부호와 쇄빙선 아라온호 등 우수한 대양·심해 연구인프라가 구축되어 있으며, 이번 연구에서 보듯 연구의 장이 형성되면 한국의 연구자들은 미지의 심해 열수 탐사 및 미래자원 탐사에 대한 강한 의지를 통해 뛰어난 연구 결과들을 도출해 내고 있다. 미국과 일본 등 해양과학연구 선진국들은 80년대부터 열수 관련 연구를 국가적 장기프로젝트로 꾸준히 추진하고 있지만, 한국은 이번 연구가 종합연구로서 발걸음을 뗀 첫 시작이며, 주로 환경 특성과 생태계 구조 및 기능 이해 등 기초 연구에 집중되었으므로, 본 연구에서 이루어진 성과의 고도화가 향후 반드시 이루어져야 한다.
본 연구에서 확보된 기반 자료들을 토대로 한 다음 단계 연구로는 열수 생물의 생활사(초기발생) 이해, 열수생물의 생리 특성 및 환경인자와의 관계 이해, 열수생물 현장 생리실험 기술 확립, 공생미생물 배양기술 확립 연구, 열수생물자원 활용 원천기술 구축, 열수기원 물질의 공간분포 및 수층확산 연구 등이 필요하며, 이러한 고도화 연구들이 성공적으로 잘 이루어진다면 그다음 연구로는 열수 생명자원 라이브러리 구축, 오믹스 연구, 신물질 활용기술 구축 등과 같이 국가 기반 산업에 직접적으로 활용될 수 있는 실용화 기술 연구가 필요할 것으로 전망된다.
