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25억년 전, 미생물은 황으로 호흡했다

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2019년 01월 16일 14:14 프린트하기

데술포비브리오 데술푸리칸스(Desulfovibrio vulgaris)의 전자현미경 사진. -사진 제공 로렌스버클리국립연구소
대표적인 황산염 호흡 미생물인 데술포비브리오 데술푸리칸스(Desulfovibrio vulgaris)의 전자현미경 사진. -사진 제공 로렌스버클리국립연구소

국내 연구진이 황산염을 이용해 숨을 쉬던 25억년 전 미생물의 ‘숨결’ 흔적을 처음으로 발견했다. 심민섭 서울대 지구환경과학부 교수팀은 25억 년 전 퇴적암에서 당시 미생물의 호흡으로 발생한 미세한 동위원소 조성 차이를 확인해 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 10일자에 발표했다.


사람과 동물, 식물이 호흡하는 과정은 산소를 들이마셔서 몸 속에서 유기물을 산화시키는 과정이다. 이 과정에서 생물은 에너지를 얻는다. 하지만 미생물은 황산염이나 질산염, 산화철 등 산호가 포함된 물질에서 산소를 떼어내는 독특한 호흡을 통해 산소 없이도 에너지를 확보할 수 있다.

 

예를 들어 황산염 호흡 미생물은 황산이온(SO42-)을 물(H2O)와 황화수소(H2S)로 바꾸는 과정에서 에너지를 얻는다. 지구는 45억 년 전 탄생한 뒤 약 20억 년 동안 대기 중에 산소가 거의 없는 환경이었으므로, 이 같은 무산소 호흡을 하는 미생물이 많았을 것으로 추정된다. 황산염 호흡 미생물도 최소한 35억 년 전부터는 지구에 등장한 것으로 추정된다. 하지만 미생물의 호흡은 화석으로 남기 어려워 증명하기가 어려웠다. 


심 교수팀은 미생물이 황산염을 환원시킬 때 참여하는 효소의 반응속도에 주목해 이들 미생물의 숨결 흔적을 찾았다. 황에는 무거운 동위원소(34S)와 가벼운 동위원소(32S)가 있는데, 미생물이 지닌 ‘아데노신 5’-포스포황산염(APS) 환원효소’는 이 가운데 가벼운 동위원소 황과 반응할 때 약 2% 빨리 반응하는 특성이 있다. 심 교수팀은 만약 황을 이용하는 미생물이 25억 년 전에 존재했다면, 이 미생물이 대기 중의 가벼운 황을 호흡을 통해 더 빨리 소모해, 결과적으로 대기 중 32S의 비율을 줄일 것이라고 추정했다. 

 

황산염 환원 미생물의 효소 도식도. - 사진제공 서울대
황산염 환원 미생물의 효소 도식도. - 사진제공 서울대

연구팀이 실제로 25억 년과 현재의 퇴적암 속 황 동위원소 조성 변화를 조사해 비교한 결과, 25억 년 전에는 지금보다 32S의 비율이 낮고 34S의 비율은 높은 것으로 확인됐다. 연구팀은 “당시 미생물이 환원에 필요한 전자를 지닌 유기물이나 수소에 쉽게 접근할 수 있는 곳에 존재했음을 확인시켜주는 것”이라고 해석했다. 반면 25억 년 전 이후로는 34S의 비율이 과거보다 증가했는데, 연구팀은 이를 대기 중 산소 농도가 증가하면서 산소를 이용하는 미생물이 등장해 황산염 환원을 이용하는 미생물 대신 번성한 결과로 추정했다.


심 교수는 “동위원소를 기반으로 한 미생물 활동을 밝혀냈다”며 “과거의 생명 활동뿐만 아니라, 암석권 깊은 곳에서 황을 기반으로 한 미생물의 활동을 확인하고 나아가 외계행성에서 생명 활동을 추적할 때에도 이용될 수 있을 것”이라고 말했다.
 

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