마리아나해구에서 채취한 시료는 연구실에서 어떻게 분석할까?

마리아나해구 탐사에서 심해잠수정이나 원격조종무인잠수정(ROV)이 암석, 퇴적물, 바닷물 또는 생물 시료를 채취하는 장면은 탐사의 중요한 순간입니다. 하지만 과학적인 연구는 시료가 연구선 위로 올라온 뒤부터 본격적으로 시작됩니다.

수심 수천 미터에서 1만 미터가 넘는 환경에서 얻은 시료는 단순히 용기에 담아 연구실로 가져가는 것만으로 충분하지 않습니다.

어떤 위치와 수심에서 채취했는지 기록해야 하고, 시료가 다른 물질과 섞이지 않도록 관리해야 하며, 연구 목적에 따라 냉동하거나 화학적으로 보존해야 합니다. 생물 시료에서는 DNA를 분석할 부분과 형태를 관찰할 부분을 따로 보존하기도 합니다.

이러한 과정이 제대로 이루어지지 않으면 아무리 어렵게 확보한 마리아나해구 시료라도 원래 환경에 대한 정보를 잃을 수 있습니다.

이번 글에서는 심해에서 올라온 시료가 연구선과 육상 연구실에서 어떤 과정을 거쳐 과학적 데이터로 바뀌는지 살펴보겠습니다.

시료 분석은 채취 순간부터 시작된다

심해 시료 연구에서 중요한 것은 시료 자체만이 아닙니다.

시료가 어디에서 어떤 환경에서 채취됐는지를 함께 기록해야 합니다.

NOAA Ocean Exploration의 시료 처리 절차에서는 생물 시료를 채취할 때 날짜와 시간뿐 아니라 수심, 위도와 경도, 수온, 용존산소, 염분 등의 관련 정보를 기록합니다.

이러한 정보를 메타데이터(metadata)라고 합니다.

예를 들어 똑같은 미생물이 두 개의 시료에서 발견됐다고 해도 하나는 수심 5,000m에서, 다른 하나는 10,000m에서 채취됐다면 두 시료가 의미하는 환경 조건은 크게 다를 수 있습니다.

따라서 심해 연구에서는 시료와 메타데이터를 하나의 연구자료처럼 관리합니다.

연구선으로 올라온 시료는 먼저 기록된다

ROV가 탐사를 마치고 연구선으로 돌아오면 채취된 시료는 선내 연구실로 옮겨집니다.

연구자들은 시료의 상태를 확인하고 사진을 촬영한 뒤 고유한 식별번호를 부여합니다.

생물 시료라면 목표 생물에 다른 작은 생물이 붙어 있는지도 확인합니다. 함께 발견된 생물이 있다면 주 시료와 분리해 별도의 시료로 처리할 수 있습니다.

이 과정이 중요한 이유는 시간이 지난 뒤에도 해당 시료가 정확히 어느 탐사와 어느 지점에서 확보된 것인지 추적할 수 있어야 하기 때문입니다.

수백 개의 시료가 여러 연구기관으로 이동한 뒤에도 고유번호와 데이터베이스 기록을 이용하면 원래의 채취 위치와 환경조건을 다시 확인할 수 있습니다.

시료를 사진으로 남기는 이유

심해에서 올라온 시료는 보존 과정에서 원래 모습이 달라질 수 있습니다.

생물은 에탄올이나 포르말린 등에 보존되면서 색이나 형태가 변할 수 있고, 퇴적물 역시 분할하거나 냉동하면 처음 연구선으로 올라왔을 때의 모습을 그대로 유지하기 어렵습니다.

따라서 시료를 처리하기 전에 사진을 남기는 것이 중요합니다.

사진은 크기와 색상, 형태, 표면 구조 등을 기록하는 자료가 되며 이후 현미경 관찰이나 분류학적 연구 결과와 비교할 수도 있습니다.

실제 연구선에서는 어떻게 시료를 살펴볼까?

연구선에는 시료를 바로 처리할 수 있는 습식 연구실(wet lab)이 마련되어 있습니다.

연구자들은 시료를 확대해 관찰하고 사진을 촬영하며 필요한 경우 작은 부분을 분리합니다.

하나의 생물 시료를 여러 조각으로 나누는 이유

하나의 심해 생물 시료가 여러 연구에 사용되는 경우가 있습니다.

예를 들어 한 부분은 생물의 형태를 연구하는 데 사용하고, 작은 조직 조각은 DNA 분석용으로 따로 보존할 수 있습니다.

NOAA Ocean Exploration의 시료 처리 절차에서는 충분한 크기의 생물 시료에서 작은 조직을 떼어 DNA 분석용으로 별도 보존할 수 있습니다.

DNA 분석용 조직은 일반적으로 고농도 에탄올 등에 보존해 DNA가 분해되는 것을 최대한 억제합니다.

반면 조직의 세포 구조를 관찰하는 조직학적 연구가 필요하다면 별도의 고정 방법이 사용될 수 있습니다.

즉 같은 생물이라도 어떤 분석을 할 것인지에 따라 보존 방법이 달라집니다.

왜 DNA 시료는 특별히 관리할까?

DNA는 생물의 종을 확인하고 서로 다른 개체나 집단 사이의 유전적 관계를 연구하는 중요한 자료입니다.

하지만 DNA는 시료가 죽은 뒤에도 계속 안정적으로 유지되는 것은 아닙니다.

세포 내부의 효소와 미생물 활동, 온도 등의 영향을 받으면 DNA가 점차 분해될 수 있습니다.

따라서 심해에서 확보한 생물 시료 가운데 DNA 분석에 사용할 부분은 가능한 한 빠르게 적절한 조건으로 보존해야 합니다.

연구실에서는 이후 DNA를 추출하고 특정 유전자 영역을 증폭하거나 염기서열을 분석해 생물의 분류와 유전적 특징을 연구할 수 있습니다.

다만 DNA 분석 과정 자체는 별도의 전문 분야이기 때문에 이후 글에서 더 자세히 다루겠습니다.

퇴적물은 층별로 나누어 분석할 수 있다

마리아나해구 연구에서 중요한 또 다른 시료가 해저 퇴적물입니다.

퇴적물 코어는 단순한 흙덩어리가 아니라 깊이에 따라 서로 다른 시기에 쌓인 물질을 포함하고 있을 수 있습니다.

따라서 연구자는 퇴적물 코어의 색과 입자 크기, 층 구조 등을 먼저 기록하고 일정한 깊이 간격으로 나눠 분석할 수 있습니다.

각 구간에서는 유기탄소, 광물, 미생물 DNA, 영양염 또는 여러 화학 성분을 조사할 수 있습니다.

이러한 분석을 통해 퇴적물이 어떤 물질로 구성되어 있는지뿐 아니라 깊이에 따라 환경 기록이 어떻게 달라지는지도 조사할 수 있습니다.

앞서 다룬 퇴적층의 연대와 과거 환경 연구도 결국 이러한 정확한 시료 분할과 분석에서 시작됩니다.

퇴적물 속 물도 중요한 연구 대상이다

퇴적물 입자 사이에는 물이 존재합니다. 이를 공극수(pore water)라고 합니다.

공극수의 화학성분을 분석하면 퇴적물 내부에서 어떤 화학반응이나 미생물 대사가 일어나고 있는지를 연구할 수 있습니다.

예를 들어 산소나 질산염, 암모늄, 황화물 등 여러 성분의 농도가 깊이에 따라 어떻게 변하는지 조사할 수 있습니다.

따라서 퇴적물 코어는 고체 입자만 분석하는 것이 아니라 필요에 따라 입자 사이의 물까지 분리해 분석합니다.

바닷물 시료에서는 무엇을 측정할까?

심해 탐사에서는 암석과 생물뿐 아니라 특정 수심의 바닷물도 채취합니다.

CTD 로제트 등에 장착된 니스킨병(Niskin bottle)을 이용하면 원하는 수심의 물을 채취할 수 있습니다.

바닷물 시료에서는 산소와 영양염, 탄소 관련 성분, 미량금속, 미생물 또는 환경 DNA(eDNA) 등을 연구할 수 있습니다.

특히 환경 DNA 연구에서는 바닷물을 필터에 통과시켜 물속에 떠다니는 DNA 조각을 포집한 뒤 이를 보존해 육상 연구실에서 분석합니다.

생물을 직접 잡지 않아도 물속에 남아 있는 DNA를 통해 어떤 생물이 주변에 존재했을 가능성이 있는지 조사할 수 있다는 점이 특징입니다.

암석 시료에서는 무엇을 분석할까?

암석 시료의 분석 목적은 생물이나 퇴적물과 다릅니다.

연구자는 먼저 암석의 색과 조직, 광물 등을 관찰한 뒤 필요한 경우 암석을 절단해 내부 구조를 확인합니다.

얇은 박편(thin section)을 만들어 편광현미경으로 광물을 관찰할 수도 있습니다.

또한 X선 회절분석(XRD)을 이용해 광물 조성을 조사하거나 X선 형광분석(XRF), 질량분석법 등을 이용해 주요 원소와 미량원소의 조성을 분석할 수 있습니다.

이러한 화학적 특징은 암석을 만든 마그마의 성질이나 암석이 형성된 지질환경을 해석하는 데 사용됩니다.

16번 글에서 살펴본 방사성 동위원소 연대측정도 이러한 암석 분석의 전문적인 한 분야입니다.

심해 시료 분석에서 오염이 특히 중요한 이유

심해 시료에는 극히 적은 양의 DNA나 미량 원소가 포함되어 있을 수 있습니다.

이런 경우 연구자의 손이나 실험도구, 실험실의 먼지 또는 다른 시료에서 들어온 아주 작은 물질도 분석 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

예를 들어 심해 미생물 DNA를 조사하는 과정에서 사람의 DNA나 실험실 미생물 DNA가 섞이면 실제 심해 생물에서 나온 신호와 외부 오염을 구분해야 하는 문제가 생길 수 있습니다.

미량금속 분석에서도 채취용 장비나 용기에서 나온 금속 성분이 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 연구 목적에 따라 멸균된 도구와 용기를 사용하고, 작업 순서를 관리하며, 오염 여부를 확인하기 위한 대조 시료를 함께 분석하기도 합니다.

심해 연구에서 오염 관리가 별도의 중요한 연구 주제가 되는 이유입니다.

높은 수압에서 올라온 시료는 원래 상태 그대로일까?

마리아나해구의 가장 깊은 지역에서는 압력이 1,000기압을 넘을 수 있습니다.

하지만 일반적인 시료 채취장비가 수면으로 올라오면 시료는 점차 낮은 압력 환경에 노출됩니다.

따라서 일부 심해 생물이나 미생물의 생리상태, 용존가스 또는 압력에 민감한 화학적 특성은 원래 심해 환경과 달라질 가능성이 있습니다.

이 때문에 연구자는 분석 결과를 해석할 때 ‘채취된 시료가 현장 환경을 어느 정도 그대로 대표하는가’라는 문제를 고려해야 합니다.

특별한 연구에서는 심해의 높은 압력을 유지하거나 다시 재현할 수 있는 고압 배양·실험 장비를 이용하기도 합니다.

즉 심해 시료를 확보했다는 사실만으로 모든 특성을 완벽하게 보존했다고 볼 수는 없습니다.

시료 보존 방법은 연구 목적에 따라 달라진다

모든 시료를 같은 방법으로 보존할 수는 없습니다.

형태학적 관찰을 위한 생물 시료, DNA 분석용 조직, 미생물 배양용 시료, 퇴적물, 암석과 바닷물은 각각 필요한 조건이 다릅니다.

어떤 시료는 에탄올이나 고정액을 사용하고, 어떤 시료는 냉장 또는 냉동하며, 암석처럼 상대적으로 안정적인 시료는 건조 상태로 보관할 수도 있습니다.

중요한 것은 연구자가 앞으로 실시할 분석 방법을 고려해 시료가 변하기 전에 적절한 보존법을 선택하는 것입니다.

연구선에서 모든 분석을 끝내지는 않는다

연구선에는 다양한 장비가 있지만 육상의 전문 연구시설과 같은 모든 분석장비를 갖추기는 어렵습니다.

따라서 탐사 중에는 시료의 기본 상태를 기록하고 필요한 부분을 분리·보존한 뒤 육상 연구실에서 정밀분석을 진행하는 경우가 많습니다.

질량분석기, 고성능 현미경, 유전자 염기서열 분석장비 등 대형·전문 장비가 필요한 연구는 육상 연구기관에서 이루어집니다.

즉 심해 탐사선의 연구실은 단순한 보관장소가 아니라 현장에서 얻은 시료의 정보를 잃지 않은 상태로 다음 분석 단계까지 연결하는 곳이라고 볼 수 있습니다.

분석이 끝난 시료는 버려질까?

가치 있는 심해 시료는 한 번의 연구가 끝났다고 바로 폐기되는 것이 아닙니다.

NOAA Ship Okeanos Explorer 탐사에서 확보된 생물 시료는 미국 스미스소니언 국립자연사박물관 등의 컬렉션에 보관되어 연구자가 이용할 수 있도록 관리됩니다.

지질 시료 역시 전문 해양지질 시료 저장시설에 보관됩니다.

NOAA에 따르면 2025년 이후 Okeanos Explorer 탐사에서 확보된 지질 시료는 University of Rhode Island의 Marine Geological Samples Laboratory에 보관됩니다.

이러한 장기 보관은 중요한 의미를 갖습니다.

현재 존재하지 않는 분석기술이 미래에 개발되면 수십 년 전에 채취한 시료를 새로운 방법으로 다시 분석할 수도 있기 때문입니다.

시료와 데이터가 함께 보존되어야 하는 이유

심해 시료의 과학적 가치는 시료 자체와 관련 정보가 연결되어 있을 때 가장 커집니다.

암석 하나만 남아 있고 정확한 채취 위치와 수심을 알 수 없다면 지질학적 해석의 가치가 크게 줄어들 수 있습니다.

반대로 시료 번호와 채취 위치, 수심, 영상, 환경측정 자료 등이 연결되어 있다면 연구자는 수년이 지난 뒤에도 해당 시료가 어떤 환경에서 발견됐는지를 재구성할 수 있습니다.

그래서 현대 해양탐사에서는 물리적인 시료와 함께 영상·항법·환경·시료 처리 기록을 체계적으로 보존합니다.

마리아나해구 시료 분석이 중요한 이유

마리아나해구는 사람이 반복적으로 접근하기 어려운 환경입니다.

한 번의 탐사에서 확보한 작은 시료가 여러 연구 분야에서 오랫동안 사용될 수 있는 이유입니다.

암석은 판구조와 화산활동의 역사를 알려주고, 퇴적물은 물질 이동과 과거 환경을 기록하며, 생물과 DNA는 극한환경에서 살아가는 생명체의 다양성과 적응을 연구하는 자료가 됩니다.

바닷물과 공극수의 화학성분은 심해에서 진행되는 물질순환과 미생물 대사를 이해하는 데 활용됩니다.

따라서 마리아나해구 탐사의 가치는 단순히 심해에 내려가 새로운 장면을 촬영하는 것에 있지 않습니다.

정확한 위치에서 시료를 채취하고, 오염을 통제하며, 적절하게 보존하고, 다양한 분석기술을 이용해 시료 안의 정보를 읽어내는 전체 과정이 하나의 과학적 탐사를 완성합니다.

자주 묻는 질문

마리아나해구에서 가져온 생물은 살아 있는 상태로 연구하나요?

연구 목적에 따라 다릅니다. 많은 시료는 형태학적·유전학적 분석 등을 위해 적절한 방법으로 보존됩니다. 살아 있는 상태나 원래의 고압 환경에서 생리적 특성을 연구하려면 별도의 채취·유지 장비가 필요할 수 있습니다.

DNA 분석용 시료는 어떻게 보존하나요?

방법은 연구 목적에 따라 달라지지만 NOAA Ocean Exploration의 생물 시료 처리에서는 충분히 큰 시료의 작은 조직을 분리해 95% 에탄올에 보존하는 방법 등이 사용됩니다.

퇴적물도 DNA 분석이 가능한가요?

가능합니다. 퇴적물에는 미생물과 생물에서 유래한 유전물질이 포함될 수 있으며 연구자는 시료에서 DNA를 추출해 미생물 다양성이나 환경 DNA 등을 분석할 수 있습니다.

심해 시료가 수면으로 올라오면 변하지 않나요?

변할 수 있습니다. 압력과 온도 변화, 산소와의 접촉 등에 의해 일부 생물학적·화학적 특성이 달라질 수 있기 때문에 시료를 신속하게 처리하고 분석 결과를 해석할 때 이러한 변화를 고려합니다.

연구가 끝난 시료는 어떻게 되나요?

중요한 생물·지질 시료는 전문 박물관이나 시료 저장시설에 장기간 보관될 수 있습니다. 시료의 채취 정보와 데이터도 함께 관리되어 이후 다른 연구자가 다시 연구할 수 있습니다.

마무리

마리아나해구에서 시료를 채취하는 것은 연구의 끝이 아니라 시작입니다.

심해에서 올라온 암석과 퇴적물, 바닷물과 생물 시료는 먼저 채취 위치와 환경정보가 기록되고 사진촬영과 분류, 라벨링 과정을 거칩니다.

그 뒤 연구 목적에 따라 시료를 분할하고 냉동하거나 화학적으로 보존한 뒤 육상 연구실로 옮겨 현미경 관찰, 화학분석, 광물분석, DNA 분석 등 다양한 연구가 진행됩니다.

특히 극소량의 물질을 분석하는 심해 연구에서는 외부 오염을 막고 시료의 원래 상태를 최대한 보존하는 과정이 분석기술 자체만큼 중요합니다.

결국 수심 1만 미터 아래에서 확보한 작은 시료 하나가 의미 있는 과학적 자료가 되기 위해서는 채취 → 기록 → 보존 → 분석 → 데이터 관리 → 장기 보관이라는 긴 과정이 필요합니다.

이러한 과정 덕분에 연구자들은 직접 마리아나해구 바닥에 머물지 않고도 그곳의 지질과 화학, 생물 그리고 극한환경의 특징을 정밀하게 연구할 수 있습니다.

참고자료

NOAA Ocean Exploration. Okeanos Explorer Sampling FAQs.

NOAA Ocean Exploration. Life Cycle of a Deep-Sea Sample.

NOAA Ocean Exploration. Deep-Sea Sampling Fact Sheet.

NOAA Ocean Exploration. How to Sample Water From the Deep Sea.

NOAA Ocean Exploration. Accessing Samples Collected During Expeditions on NOAA Ship Okeanos Explorer.

NOAA Ocean Exploration. Sample Processing — 2026 American Samoa ROV + Mapping Exploration.