지하에 ‘암흑산소’ 만드는 세포 발견

CChatGPT8
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과학자들은 우리 발 밑에 있는 토양과 암석에 전 세계 바다의 거의 두 배에 달하는 양을 지닌 광대한 생물권이 존재한다는 사실을 깨닫게 되었습니다. 지구 미생물 덩어리의 대부분을 차지하고 그 다양성이 지표면에 서식하는 생명체의 다양성을 초과할 수 있는 이러한 지하 유기체에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 이들의 존재에는 큰 수수께끼가 따른다. 연구자들은 지하 영역 중 다수가 산소가 부족한 데드존이며 원시 미생물만이 신진대사를 유지하고 미량의 영양분을 긁어모으는 곳이라고 종종 가정해 왔다. 이러한 자원이 고갈됨에 따라 지하 환경은 더 깊어지고 생명이 없어져야 한다고 생각되었습니다.

지난달 발표된 새로운 연구에서는 네이처커뮤니케이션즈, 연구자들은 이러한 가정에 도전하는 증거를 제시했습니다. 캐나다 앨버타의 화석연료지대에서 200m 아래 지하수 저수지에서 빛이 없어도 예상외로 많은 양의 산소를 생산하는 풍부한 미생물을 발견했습니다. 미생물은 연구자들이 “암흑 산소”라고 부르는 것을 너무 많이 생성하고 방출하여 “아마존 열대 우림의 광합성에서 나오는 산소의 규모”를 발견하는 것과 같다고 테네시 대학의 지하 미생물학자인 Karen Lloyd는 말했습니다. 연구의 일부. 세포 밖으로 확산되는 가스의 양이 너무 많아서 주변 지하수와 지층에 산소 의존형 생명체가 살기에 유리한 조건을 만드는 것 같습니다.

이번 연구에는 참여하지 않았지만 토론토 대학의 지구화학자인 바바라 셔우드 롤라(Barbara Sherwood Lollar)는 “이것은 획기적인 연구”라고 말했습니다. 과거 연구에서는 지하 생명체에 필요한 수소와 기타 필수 분자를 생산할 수 있는 메커니즘을 자주 조사했지만, 산소 함유 분자의 생성은 지하 환경에서 너무 빨리 소모되기 때문에 간과되어 왔습니다. 지금까지 “이와 같이 모든 것을 종합한 연구는 없었습니다.”라고 그녀는 말했습니다.

새로운 연구에서는 캐나다 앨버타주의 깊은 대수층을 조사했습니다. 이곳에는 지하 타르, 오일샌드, 탄화수소가 풍부하게 매장되어 있어 “캐나다의 텍사스”라고 불렸습니다. 대규모 축산업과 농업 산업이 지하수에 크게 의존하고 있기 때문에 주 정부는 물의 산성도와 화학 성분을 적극적으로 모니터링합니다. 그러나 지하수 미생물학을 체계적으로 연구한 사람은 아무도 없었다.

Emil Ruff가 2015년 캘거리 대학에서 미생물학 박사후 과정을 시작했을 때 그러한 조사를 수행하는 것은 “낮은 열매”처럼 보였습니다. 그는 겉으로는 간단해 보이는 이 연구가 향후 6년 동안 그에게 부담이 될 것이라는 사실을 거의 알지 못했습니다.

혼잡한 심연

Ruff와 그의 동료들은 앨버타 전역의 95개 우물에서 지하수를 수집한 후 기본적인 현미경 검사를 시작했습니다. 그들은 지하수 샘플의 미생물 세포를 핵산 염료로 염색하고 형광 현미경을 사용하여 그 수를 세었습니다. 샘플에 포함된 유기물의 방사성 연대측정과 수집된 깊이를 확인함으로써 연구자들은 그들이 채취한 지하수 대수층의 연대를 확인할 수 있었습니다.

숫자의 패턴이 그들을 당황하게 했습니다. 예를 들어, 일반적으로 해저 퇴적물을 조사할 때 과학자들은 미생물 세포 수가 깊이에 따라 감소한다는 사실을 발견합니다. 더 오래되고 더 깊은 샘플은 광합성 식물이 만드는 영양분에서 더 많이 차단되기 때문에 많은 생명을 유지할 수 없습니다. 그리고 표면 근처의 조류. 그러나 Ruff 팀은 놀랍게도 더 오래되고 더 깊은 지하수가 담수보다 더 많은 세포를 보유하고 있다는 사실을 발견했습니다.

그런 다음 연구자들은 분자 도구를 사용하여 그들의 숨길 수 없는 마커 유전자를 찾아냄으로써 샘플에서 미생물을 식별하기 시작했습니다. 그 중 다수는 메탄생성 고세균, 즉 암석이나 부패하는 유기물에서 스며나오는 수소와 탄소를 소비한 후 메탄을 생성하는 단순한 단세포 미생물이었습니다. 또한 물 속의 메탄이나 미네랄을 먹고 사는 많은 박테리아도 존재했습니다.

그러나 이해가 되지 않는 것은 박테리아의 대부분이 호기성 미생물, 즉 메탄과 기타 화합물을 소화하기 위해 산소가 필요한 미생물이라는 것입니다. 광합성이 불가능하기 때문에 산소가 없어야 하는 지하수에서 호기성 생물이 어떻게 번성할 수 있습니까? 그러나 화학적 분석 결과 200m 깊이의 지하수 샘플에서도 많은 양의 용존 산소가 발견되었습니다.

들어 본 적이 없습니다. Ruff의 초기 반응은 “우리는 확실히 샘플을 망쳤습니다.”였습니다.

그는 먼저 샘플의 용존 산소가 잘못된 취급의 결과라는 것을 보여주려고 노력했습니다. Ruff는 “셜록 홈즈가 되는 것과 같습니다.”라고 말했습니다. 당신은 당신의 가정을 반증하기 위해 “증거와 징후를 찾으려고 노력합니다”. 그러나 용존 산소 함량은 수백 개의 샘플에서 일관된 것처럼 보였습니다. 잘못된 취급은 그것을 설명할 수 없었습니다.

용존산소가 오염으로 인한 것이 아니라면, 그것은 어디에서 왔는가? Ruff는 논란의 여지가 있는 주장을 하는 것이 그의 본성에 어긋나더라도 자신이 큰 일의 위기에 처해 있다는 것을 깨달았습니다. 그의 공동저자 중 다수도 의심을 품고 있었습니다. 이번 발견은 지하 생태계에 대한 우리의 이해 기반을 무너뜨릴 위험이 있었습니다.

모두를 위한 산소 만들기

이론적으로 지하수의 용존 산소는 식물, 미생물 또는 지질학적 과정에서 유래했을 수 있습니다. 답을 찾기 위해 연구자들은 원자 동위원소의 질량을 측정할 수 있는 기술인 질량 분석법을 사용했습니다. 일반적으로 지질학적 원천의 산소 원자는 생물학적 원천의 산소보다 무겁습니다. 지하수의 산소는 가벼웠는데, 이는 그것이 생명체로부터 나온 것임을 암시합니다. 가장 그럴듯한 후보는 미생물이었다.

연구진은 지하수에 있는 전체 미생물 군집의 게놈 서열을 분석하고 산소를 생성할 가능성이 가장 높은 생화학적 경로와 반응을 추적했습니다. 대답은 계속해서 새로운 연구의 수석 저자이자 러프가 연구하고 있던 실험실의 책임자인 캘거리 대학의 마크 스트라우스(Marc Strous)가 10여년 전에 발견한 것을 가리키고 있었습니다.

Strous는 2000년대 후반 네덜란드의 한 연구실에서 일하던 중 호수 퇴적물과 폐수 슬러지에서 흔히 발견되는 일종의 메탄 공급 박테리아가 이상한 생활 방식을 가지고 있다는 사실을 발견했습니다. 박테리아는 다른 호기성 생물처럼 주변에서 산소를 흡수하는 대신 효소를 사용하여 아질산염(질소와 두 개의 산소 원자로 구성된 화학 그룹을 포함)이라는 가용성 화합물을 분해함으로써 자체 산소를 생성했습니다. 박테리아는 스스로 생성된 산소를 사용하여 메탄을 에너지로 분해했습니다.

미생물이 이런 방식으로 화합물을 분해하는 것을 불일치라고 합니다. 지금까지는 산소를 발생시키는 방법으로 자연계에서는 희귀한 것으로 여겨져 왔다. 그러나 인공 미생물 군집을 포함하는 최근 실험실 실험에서는 dismutation에 의해 생성된 산소가 일종의 공생 과정에서 다른 산소 의존 유기체의 이익을 위해 세포 밖으로 누출되어 주변 배지로 누출될 수 있음이 밝혀졌습니다. Ruff는 이것이 전체 호기성 미생물 군집이 지하수와 잠재적으로 주변 토양에서 번성할 수 있게 하는 원인이 될 수 있다고 생각합니다.

다른 곳에서의 생명을 위한 화학

이 발견은 거대한 지하 생물권이 어떻게 진화했는지, 그리고 불균등화(dismutation)가 지구 환경을 통해 이동하는 화합물의 순환에 어떻게 기여하는지에 대한 우리의 이해에 있어서 중요한 격차를 메워줍니다. 지하수에 산소가 존재한다는 단순한 가능성은 “지하의 과거, 현재, 미래에 대한 우리의 이해를 변화시킨다”고 현재 매사추세츠 주 우즈 홀에 있는 해양 생물학 연구소의 보조 과학자인 러프는 말했습니다.

Sherwood Lollar는 우리 행성 지하에 무엇이 살고 있는지 이해하는 것도 “그 지식을 다른 곳으로 번역하는 데 중요합니다”라고 말했습니다. 예를 들어, 화성의 토양에는 일부 지구 미생물이 염화물과 산소로 변할 수 있는 과염소산염 화합물이 포함되어 있습니다. 목성의 달 유로파에는 깊고 얼어붙은 바다가 있습니다. 햇빛은 침투하지 못할 수도 있지만 광합성 대신 미생물의 분해에 의해 산소가 잠재적으로 생성될 수 있습니다. 과학자들은 토성의 위성 중 하나인 엔셀라두스 표면에서 수증기 기둥이 뿜어져 나오는 것을 관찰했습니다. 기둥은 액체 물로 이루어진 지하 바다에서 유래했을 가능성이 높습니다. 언젠가 우리가 그러한 다른 세계에서 생명체를 발견한다면, 생존을 위해 불일치 경로를 사용하는 것일 수 있습니다.

불일치가 우주의 다른 곳에 얼마나 중요한 것으로 밝혀졌는지에 관계없이 Lloyd는 새로운 발견이 생명의 필요에 대한 선입견을 얼마나 많이 무시하고 행성의 가장 큰 생물권 중 하나에 대해 드러내는 과학적 단서에 놀랐습니다. “마치 우리 얼굴에 항상 알이 붙어 있는 것 같아요.” 그녀가 말했습니다.

편집자 주: Ruff는 Simons Foundation으로부터 초기 경력 조사자 자금을 지원받았습니다. 퀀타 편집적으로 독립적인 과학 뉴스 잡지로서. 자금 지원 결정은 편집 범위에 영향을 미치지 않습니다.

수학, 물리 및 생명 과학 분야의 연구 개발 및 동향을 다루어 과학에 대한 대중의 이해를 높이는 것을 사명으로 하는 Simons Foundation의 편집 독립 간행물인 Quanta Magazine의 허가를 받아 재인쇄되었습니다. 여기에서 원본 기사를 읽어보세요.

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