10,000m 아래에서도 생물이 살 수 있는 이유: 초심해 생명체의 에너지원

마리아나해구는 지구에서 가장 깊은 바다로 알려져 있습니다. 가장 깊은 지점인 챌린저 딥(Challenger Deep)은 약 11km에 이르는 깊이를 가지고 있으며, 높은 수압과 낮은 수온, 빛이 거의 없는 환경이 동시에 나타납니다.

이러한 환경을 생각하면 자연스럽게 한 가지 의문이 생깁니다.

햇빛이 도달하지 않는 10,000m 아래에서도 생명체는 어떻게 살아갈 수 있을까요?

식물은 햇빛을 이용해 광합성을 하고, 대부분의 생태계는 결국 태양에서 시작된 에너지에 의존합니다. 그렇다면 햇빛이 없는 마리아나해구의 바닥에서는 생명체가 사용할 에너지가 어디에서 오는 것일까요?

이 글에서는 초심해 생명체가 이용하는 에너지원과 표층에서 내려오는 유기물, 해저 퇴적물, 미생물의 대사 활동을 중심으로 살펴보겠습니다.

사진 출처: NOAA National Ocean Service / Wikimedia Commons

1. 10,000m 아래에는 햇빛이 거의 없다

초심해 생명체의 에너지원을 이해하려면 먼저 빛의 문제를 알아야 합니다.

바다 표층에서는 햇빛을 이용한 광합성이 활발하게 일어납니다. 식물성 플랑크톤과 같은 광합성 생물은 태양에너지를 이용해 유기물을 만들어냅니다.

하지만 물속으로 내려갈수록 빛의 양은 빠르게 감소합니다.

NOAA Ocean Exploration은 일반적으로 약 200m부터 빛이 크게 감소하기 시작하며, 수심 1,000m보다 깊은 곳에서는 광합성이 가능한 햇빛이 사실상 도달하지 않는다고 설명합니다.

챌린저 딥은 이보다 훨씬 깊은 약 11,000m에 위치합니다.

따라서 챌린저 딥 바닥에서는 햇빛을 직접 이용한 광합성이 불가능합니다.

그렇다면 생명체는 다른 에너지원을 이용해야 합니다.

2. 심해로 내려오는 ‘마린 스노’가 중요한 이유

심해 생태계를 설명할 때 자주 등장하는 개념이 마린 스노(marine snow)입니다.

마린 스노는 눈처럼 보이는 작은 입자들이 바닷속을 천천히 가라앉는 현상을 말합니다.

실제로는 하나의 물질만을 의미하지 않습니다.

표층에서 죽은 식물성 플랑크톤과 동물성 플랑크톤, 미세한 생물체의 잔해, 배설물, 유기물 입자 등이 서로 뭉쳐 만들어질 수 있습니다.

NOAA는 마린 스노가 상층 해양에서 시작되어 해저 방향으로 이동하며, 심해 생물에게 중요한 먹이와 에너지원이 될 수 있다고 설명합니다.

즉, 햇빛이 직접 도달하지 않는 심해에서도 표층에서 만들어진 에너지가 물질의 형태로 아래쪽까지 전달될 수 있는 것입니다.

3. 모든 마린 스노가 해저까지 도달하는 것은 아니다

여기에서 중요한 점이 있습니다.

표층에서 만들어진 유기물이 모두 마리아나해구 바닥까지 그대로 내려가는 것은 아닙니다.

입자가 아래로 이동하는 동안 다른 생물에게 먹히거나 미생물에 의해 분해될 수 있습니다.

따라서 수심이 깊어질수록 실제로 이용할 수 있는 유기물의 양은 일반적으로 감소합니다.

그럼에도 일부 유기물은 깊은 바다까지 이동하고 해저 퇴적물에 축적됩니다.

이러한 과정은 심해 생태계에 지속적으로 물질과 에너지를 공급하는 하나의 경로가 됩니다.

4. 마리아나해구의 깊은 바닥에도 유기물이 쌓일 수 있다

마리아나해구의 챌린저 딥은 좁고 깊게 파인 해저 지형입니다.

이러한 지형은 주변 해저에서 이동해 온 입자와 퇴적물이 모이는 데 영향을 줄 수 있습니다.

2013년 Nature Geoscience에 발표된 연구에서는 챌린저 딥의 해저 퇴적물을 조사했습니다.

연구진은 챌린저 딥의 퇴적물에서 높은 미생물 활동을 확인했으며, 퇴적물의 침전 속도와 유기물의 공급이 이러한 활동과 관련이 있다고 분석했습니다.

특히 챌린저 딥에서는 약 6,000m 깊이의 비교 지점보다 높은 산소 소비율이 관찰됐습니다.

연구진은 챌린저 딥에 상대적으로 많은 유기물이 퇴적되는 것이 높은 미생물 활동을 유지하는 데 중요한 역할을 한다고 해석했습니다.

연구 출처: Glud et al. (2013), High rates of microbial carbon turnover in sediments in the deepest oceanic trench on Earth, Nature Geoscience.

5. 해저 퇴적물은 미생물이 활동하는 공간이다

우리는 해저의 진흙을 단순한 흙처럼 생각하기 쉽습니다.

하지만 실제 해저 퇴적물에는 미생물이 존재하고 다양한 화학반응이 일어납니다.

미생물은 퇴적물 속에 들어온 유기물을 분해하면서 생명 활동에 필요한 에너지를 얻을 수 있습니다.

이 과정에서 산소가 소비되기도 하고, 산소가 부족한 환경에서는 다른 화학물질이 전자수용체로 이용될 수도 있습니다.

따라서 해저 퇴적물은 단순히 유기물이 쌓이는 장소가 아니라 미생물의 대사 활동이 이루어지는 생태계의 일부라고 볼 수 있습니다.

사진 출처: NOAA Fisheries, Core Values: Learning From the Mud at the Bottom of Deepwater Communities

6. 실제 연구에서는 해저 퇴적물을 어떻게 조사할까?

심해의 미생물을 연구하기 위해서는 먼저 퇴적물을 채취해야 합니다.

연구자들은 ROV(원격무인잠수정)나 다른 해저 장비를 이용해 해저에 접근한 뒤 퇴적물 코어를 채취할 수 있습니다.

채취한 퇴적물은 연구선으로 가져와 깊이별로 나누어 분석합니다.

예를 들어 다음과 같은 항목을 조사할 수 있습니다.

• 퇴적물의 입자 크기
• 유기물의 양
• 산소 농도
• 질소와 인 등의 영양염
• 황화물 등의 화학물질
• 미생물의 종류와 유전자
• 퇴적물 내부의 대사 활동

이러한 분석을 통해 연구자들은 단순히 “미생물이 있다”는 사실을 넘어 어떤 물질을 이용하고 어떤 화학반응에 관여하는지 조사할 수 있습니다.

7. 미생물은 유기물을 분해하면서 에너지를 얻는다

미생물에게 유기물은 단순한 먹이가 아니라 에너지와 탄소를 얻을 수 있는 중요한 자원입니다.

예를 들어 유기물에 포함된 탄소 화합물을 분해하면서 에너지를 얻는 미생물이 있습니다.

이러한 과정은 표층에서 볼 수 있는 광합성과는 완전히 다른 방식입니다.

광합성 생물은 빛을 이용해 에너지를 얻지만, 심해 퇴적물의 미생물은 이미 만들어져 내려온 유기물의 화학에너지를 이용할 수 있습니다.

따라서 초심해 생태계의 에너지 흐름은 다음과 같이 생각할 수 있습니다.

태양빛 → 표층의 광합성 → 유기물 생성 → 유기물의 심해 이동 → 해저 퇴적물 축적 → 미생물의 분해 및 대사

이것이 초심해 생태계의 중요한 에너지 전달 과정 가운데 하나입니다.

8. 심해 생물은 마린 스노를 직접 이용하기도 한다

마린 스노는 미생물뿐만 아니라 다양한 심해 생물에게도 중요한 먹이원이 될 수 있습니다.

일부 심해 생물은 물속에 떠다니는 작은 입자를 걸러 먹거나 해저에 내려앉은 유기물을 섭취합니다.

이런 생물들이 다시 다른 생물의 먹이가 되면서 심해에서도 먹이망이 형성됩니다.

사진 출처: NOAA Ocean Exploration, Seascape Alaska 3: Aleutians Remotely Operated Vehicle Exploration and Mapping

이 사진은 마리아나해구의 생물을 보여주는 것이 아니라, 마린 스노가 실제 심해 생물의 먹이로 이용되는 과정을 보여주는 대표적인 심해 생물 자료입니다.

9. 모든 초심해 생물이 같은 에너지원에 의존하는 것은 아니다

초심해 생태계를 설명하면서 흔히 발생하는 오해가 있습니다.

“심해 생물은 모두 표층에서 내려오는 마린 스노를 먹고 산다”는 식의 설명입니다.

실제로는 생물마다 에너지원을 이용하는 방식이 다릅니다.

많은 심해 생물에게 표층에서 내려오는 유기물이 중요하지만, 일부 미생물은 무기물의 화학반응에서 얻은 에너지를 이용할 수 있습니다.

이러한 미생물의 대사 방식은 일반적으로 화학무기영양(chemolithotrophy)과 관련되어 설명됩니다.

예를 들어 특정 환경에서는 수소, 황화수소, 철 등의 환원된 화학물질을 산화하면서 에너지를 얻는 미생물이 존재합니다.

다만 이 부분은 마리아나해구의 모든 생명체에 그대로 적용해서는 안 됩니다.

열수분출공이나 냉용출대와 챌린저 딥의 일반적인 해저 퇴적물은 서로 다른 환경이므로 구분해서 설명해야 합니다.

10. 챌린저 딥에서는 미생물의 다양한 대사 능력이 연구되고 있다

2013년 Nature Geoscience 연구는 챌린저 딥 퇴적물에서 높은 미생물 탄소 순환과 산소 소비가 나타나는 것을 조사했습니다.

2022년 Nature Communications 연구에서는 챌린저 딥의 경사면과 바닥축에서 퇴적물을 채취해 미생물 군집을 분석했습니다.

연구진은 서로 다른 위치에서 미생물 군집과 대사 잠재력에 차이가 나타나는 것을 조사했습니다.

이러한 연구는 초심해의 생명체가 단순히 “먹이가 적은 곳에서도 살아남는 생물”이라는 수준을 넘어, 주변 환경에서 이용할 수 있는 다양한 물질을 활용하고 있다는 점을 보여줍니다.

연구 출처: Zhou et al. (2022), Microbiomes in the Challenger Deep slope and bottom-axis sediments, Nature Communications.

11. 높은 수압에서도 미생물의 대사 활동은 가능하다

챌린저 딥에서는 수압이 매우 높기 때문에 생물의 세포와 단백질이 압력의 영향을 받습니다.

그러나 일부 미생물은 높은 압력 환경에서도 대사 활동을 유지할 수 있습니다.

이러한 생물을 연구할 때는 단순히 “압력을 견딘다”고만 표현하기보다는 세포막, 단백질, 효소 등의 기능이 높은 압력에 어떻게 적응하는지를 함께 살펴봐야 합니다.

특히 심해 미생물 가운데는 높은 압력에서 성장하거나 높은 압력에 적응한 종이 있습니다.

이를 통해 연구자들은 생명이 극한 환경에서 어떻게 생화학적 기능을 유지하는지 연구할 수 있습니다.

12. 초심해에서는 에너지가 매우 제한적이다

초심해 생태계가 유지된다는 것은 에너지가 풍부하다는 뜻이 아닙니다.

오히려 심해와 해저 퇴적물에서는 이용 가능한 에너지가 매우 제한적인 경우가 많습니다.

따라서 미생물은 표층의 생물처럼 빠르게 성장할 필요가 없는 환경에 적응할 수 있습니다.

심해 및 해저의 저에너지 환경에서는 미생물의 대사 속도가 매우 느릴 수 있으며, 생물량의 증가와 물질순환도 표층보다 훨씬 느린 시간 규모에서 일어날 수 있습니다.

이러한 특징 때문에 심해 미생물 연구에서는 “얼마나 많은 생물이 존재하는가”뿐만 아니라 “얼마나 느린 속도로 에너지를 이용하고 있는가”도 중요한 연구 대상입니다.

13. 마리아나해구의 생명은 하나의 먹이사슬로 설명하기 어렵다

초심해 생태계를 단순한 먹이사슬 하나로 표현하면 실제 환경을 지나치게 단순화하게 됩니다.

보다 정확하게 표현하면 여러 에너지 흐름이 동시에 존재합니다.

• 표층의 광합성 생물이 유기물을 만든다.
• 죽은 생물과 유기물 입자가 아래쪽으로 이동한다.
• 일부 유기물은 마린 스노 형태로 심해로 내려간다.
• 일부 유기물은 해저 퇴적물에 축적된다.
• 미생물이 유기물을 분해하면서 에너지를 얻는다.
• 미생물의 대사 과정이 탄소와 질소 등의 물질순환에 영향을 준다.
• 특정 환경에서는 화학물질을 이용하는 미생물도 존재한다.
• 이러한 미생물과 유기물은 다시 다른 생물의 먹이망에 연결될 수 있다.

14. 그렇다면 10,000m 아래의 생명은 무엇을 먹는가?

한 문장으로 답한다면 “주변 환경에서 이용 가능한 유기물과 화학적 에너지원을 이용한다”고 할 수 있습니다.

특히 챌린저 딥의 해저 퇴적물에서는 표층에서 내려온 유기물의 축적과 미생물 활동이 중요한 연구 대상입니다.

2013년 연구에서는 챌린저 딥에서 높은 미생물 활동이 관찰됐으며, 연구진은 상대적으로 높은 유기물 퇴적이 이러한 활동을 유지하는 데 중요한 역할을 한다고 결론지었습니다.

따라서 햇빛이 없다는 사실만으로 생명체가 존재할 수 없다고 생각해서는 안 됩니다.

15. 마리아나해구의 미생물 연구가 중요한 이유

초심해 미생물을 연구하는 이유는 단순히 특이한 생물을 발견하기 위해서만은 아닙니다.

미생물은 바다에서 탄소와 질소, 황 등의 원소가 순환하는 과정에 관여합니다.

특히 해저 퇴적물에서는 유기물이 분해되고 여러 화학물질이 서로 변환되는 과정이 일어납니다.

이러한 과정을 이해하면 깊은 바다가 지구의 물질순환에서 어떤 역할을 하는지도 더 잘 이해할 수 있습니다.

또한 극한 환경에서 생물이 에너지를 얼마나 효율적으로 이용하고, 높은 압력에서도 어떻게 생화학적 기능을 유지하는지 연구하는 데도 중요한 자료가 됩니다.

16. 아직 밝혀지지 않은 부분도 많다

마리아나해구는 연구가 진행되고 있지만 여전히 직접 관측하기 어려운 환경입니다.

특히 해저 퇴적물 깊은 곳에서 어떤 미생물이 활동하는지, 각 미생물이 어떤 화학반응을 사용하는지, 그리고 이러한 과정이 전체 해양의 탄소순환에 어느 정도 영향을 미치는지는 계속 연구되고 있습니다.

또한 같은 챌린저 딥 안에서도 경사면과 가장 깊은 바닥, 주변 해저 등 위치에 따라 환경 조건이 달라질 수 있습니다.

따라서 “마리아나해구의 생물은 모두 같은 방식으로 살아간다”고 단정하기보다는 환경에 따라 여러 생존 전략이 나타날 수 있다고 보는 것이 적절합니다.

17. 초심해 생명체의 에너지원 정리

• 수심 1,000m보다 깊은 곳에는 광합성이 가능한 햇빛이 사실상 없다.
• 표층에서 만들어진 유기물 일부는 마린 스노 형태로 심해로 이동한다.
• 일부 유기물은 해저 퇴적물에 축적된다.
• 미생물은 퇴적물의 유기물을 분해하면서 에너지를 얻을 수 있다.
• 챌린저 딥의 퇴적물에서는 높은 미생물 활동이 관찰된 연구가 있다.
• 일부 미생물은 유기물 외에 특정 화학물질을 이용할 수 있다.
• 모든 심해 생물이 동일한 에너지원에 의존하는 것은 아니다.
• 초심해 생태계의 에너지 흐름은 아직 계속 연구되고 있다.

18. 자주 묻는 질문

Q. 마리아나해구에는 햇빛이 전혀 없나요?

챌린저 딥처럼 약 11,000m 깊이에서는 광합성에 필요한 햇빛이 도달하지 않습니다. 따라서 표층처럼 햇빛을 이용한 광합성은 일어날 수 없습니다.

Q. 햇빛이 없는데 생물은 어떻게 에너지를 얻나요?

표층에서 만들어진 유기물이 심해로 이동해 에너지원이 될 수 있습니다. 특히 해저 퇴적물에서는 미생물이 유기물을 분해하면서 에너지를 얻을 수 있습니다.

Q. 마린 스노가 무엇인가요?

표층에서 발생한 유기물과 생물의 잔해, 배설물 등의 입자가 서로 뭉쳐 심해 방향으로 가라앉는 것을 말합니다. NOAA는 이를 심해 생물에게 중요한 먹이 공급원으로 설명합니다.

Q. 마리아나해구의 모든 생물이 마린 스노를 먹나요?

아닙니다. 생물마다 이용하는 에너지원이 다릅니다. 일부 미생물은 화학적 에너지원을 이용할 수도 있습니다.

Q. 마리아나해구의 생물은 모두 미생물인가요?

아닙니다. 하달대에서도 다양한 생물이 관찰됩니다. 다만 챌린저 딥의 생태계를 이해하는 데 미생물 연구가 특히 중요합니다.

19. 결론

10,000m 아래의 바다는 햇빛이 없고 수압이 매우 높은 극한 환경입니다.

하지만 햇빛이 없다는 것이 곧 에너지가 없다는 의미는 아닙니다.

표층에서 만들어진 유기물은 마린 스노와 같은 형태로 깊은 바다로 이동할 수 있으며, 일부는 해저 퇴적물에 축적됩니다.

미생물은 이러한 유기물을 분해하면서 에너지를 얻고, 그 과정에서 탄소와 질소 등의 물질순환에 관여합니다.

또한 일부 미생물은 특정 화학물질을 이용해 에너지를 얻는 대사 능력을 가지고 있습니다.

따라서 마리아나해구의 생명은 단순히 “햇빛 없이 살아가는 생물”이라고 표현하기보다는 표층에서 내려오는 유기물과 해저의 다양한 화학적 과정에서 에너지를 확보하는 생태계로 이해하는 것이 더 정확합니다.

20. 참고 자료 및 출처

• NOAA Ocean Exploration, What is “marine snow”? — 마린 스노의 형성과 심해 생물의 먹이 공급에 관한 자료
• NOAA Fisheries, Core Values: Learning From the Mud at the Bottom of Deepwater Communities — 심해 퇴적물 코어 채취와 미생물·영양염 연구 방법
• Glud, R. N. et al. (2013), High rates of microbial carbon turnover in sediments in the deepest oceanic trench on Earth, Nature Geoscience 6, 284–288.
• Zhou, Y.-L. et al. (2022), Microbiomes in the Challenger Deep slope and bottom-axis sediments, Nature Communications.
• Hoehler, T. M. & Jørgensen, B. B. (2013), Microbial life under extreme energy limitation, Nature Reviews Microbiology.

21. 원문 자료 확인하기

NOAA Ocean Exploration — Marine Snow
What is “marine snow”?

NOAA Fisheries — Deepwater Sediment Research
Core Values: Learning From the Mud at the Bottom of Deepwater Communities

Nature Geoscience — Challenger Deep Microbial Activity
High rates of microbial carbon turnover in sediments in the deepest oceanic trench on Earth

Nature Communications — Challenger Deep Microbiomes
Microbiomes in the Challenger Deep slope and bottom-axis sediments

Nature Reviews Microbiology — Low-Energy Microbial Life
Microbial life under extreme energy limitation

22. 사진 출처 및 이용 안내

사진 1 — 마린 스노
출처: NOAA National Ocean Service / Wikimedia Commons
내용: 표층에서 만들어진 유기물 입자가 아래로 가라앉는 마린 스노를 보여주는 대표 이미지입니다.

사진 2 — 해저 퇴적물 채취
출처: NOAA Fisheries / Veronica Salamone, USGS
내용: ROV ROPOS를 이용해 해저 퇴적물 코어를 채취하는 연구 장면입니다.

사진 3 — 라바세안과 마린 스노
출처: NOAA Ocean Exploration, Seascape Alaska 3
내용: 마린 스노가 주변에 존재하는 심해 생물의 모습입니다.