얼마전에 옥스포드 면접 질문 리스트를 보다 아주 흥미로운 질문을 발견했어요.

만약 열대우림과 산호초 중 한 곳을 구할 수 있다면 어느 곳을 구하시겠습니까?

산호초를 잘 몰랐었다면 열대우림을 선택했겠지만, 산호초에 관해 EE를 적는 과정을 통해 산호초가 얼마나 중요한 존재인지 알았던 전 이 질문 앞에서 한참을 망설였어요. 사실 전 세계 바다 표면적의 0.1% 정도만을 차지하는 산호초 (Coral reef), 그 산호들의 죽음에 왜 이렇게 전세계가 떠들썩한걸까요?

산호 백화 현상 (Coral bleaching) 의 원리

정적인 산호와는 다르게 산호는 자포동물문에 속하는 동물이에요. 이 말인 즉슨, 스스로 광합성을 하거나 화학작용을 통해 에너지 자원을 만들 수가 없어요. 그래서 산호는 조속산텔라 조류라고 불리는 조류에게 영양소를 공급받고 또 본인은 조류에게 쉼터가 되며 서로 서로 도우며 살아가죠.

지금 현재는 산호 백화 현상의 정확한 기전이 알려지진 않았고 다양한 가설만 존재하는데요, 여러 가설들은 공통적으로 산호가 스트레스 상황에 놓이게 되면 이 조류를 자신의 몸에서 방출한다고 설명해요. 이렇게 조류를 잃은 산호는 더 이상 영양분을 공급받을 수 없어 시들해지다가 심한 경우 죽음에 이르러 백화현상에 도달하는 거죠.

본래의 색을 잃고 하얗게 변해버린 산호. CREDIT: Unsplash의Naja Bertolt Jensen

왜 산호 백화 현상이 문제라는 거야?

산호가 '산호만' 죽는다면, 그게 왜 문제가 되는 거야? 라고 생각하실 수 있는데요. 산호초는 전 세계의 1%만 차지하지만 그곳에 살고 있는 해양 생물은 전체 종의 약 30% 이상으로 추측하고 있어요. 한 마디로, 면적은 좁지만 생물 다양성은 정말 너~무! 높다는 거죠. 산호가 죽게 되면 그곳에 원래 살던 생물들은 자신의 터전을 잃고, 먹이사슬이 깨지는 위험에 처해요. 또 산호초는 관광지로서 이용 가치도 크기 때문에 (스노클링, 휴양지 형성,.. 등) 산호가 죽는 것은 해당 지역의 관광 가치를 하락시키기도 하고요. 한 마디로, 자연과 인간 모두에게 하나 좋을 것 없는 일이라는 거죠.

산호는 언제 스트레스를 받는 건데?

그러면 이렇게 되물을 수 있을 것 같아요. 스트레스만 안 받으면 되는 거 아냐? 라고요. 산호의 스트레스 요인은 생각보다 다양한데요. 예컨대 높은 온도, 낮은 pH, 그리고 화학 물질등이 있어요. 그 중에서도 산호의 확실한 스트레스 요인으로 파악되는 것 중 하나가 바로 높은 온도예요. Humanes et al. (2024)에 따르면, 2016년 그레이트 베리어 리프에서 있었던 집단 산호 백화 현상은 8도나 높아진 온도에 의해서, 1998년부터 2010년동안 팔라우에서 발생한 백화 현상은 7-8도정도 해수 온도가 올라가며 발생했어요.

열에 강한 산호의 필요성

앞에서 언급했듯, 열에 노출된 산호는 쉽게 죽거나 혹은 그와 맞먹는 수준의 시들시들함을 얻게 되지만.. 현실적으로 계속해 올라가는 해수 온도를 잡기란 이젠 거의 불가능한 상황이 될지도 모르겠어요. McGrath et al. (2024)에 첨부된 그래프에 따르면, 2024년과 2025년 전년도와는 상당히 다른 양상의 해수 온도가 관측되었거든요.

해당 그래프는 1979년부터 2024년까지 해수 온도를 월별로 측정한 값을 보여주는데요. 빨간색으로 그려진 선과 다른 회색 선들 사이 차이가 상당하죠? 또 2024년도 2023년과 상당한 차이를 보여주고요. 이 그래프는 2023년을 기점으로 해수 상승이 상당히 다른 형태로 이어지고 있다는 걸 말해요.

안타깝게도 해수의 온도 상승 속도라는 것은 대게 양성 피드백 반응 (Positive feedback)을 보이는데요, 그 이유는 바로 빙하 때문이에요. 일반적으로 대기 온도나 해수 온도가 높아지면 햇빛을 반사할 수 있는 빙하가 녹고, 빙하 면적이 작아지면 햇빛을 반사할 수가 없어 해수 온도가 올라가는 일종의 악순환이 계속해서 반복되어요. 이 끊을 수 없는 악순환이 해수 온도 상승을 가속하는 거죠.

우리가 극적으로 해수 온도를 낮추지 않는 이상 해수 온도는 계속해서 상승할 가능성이 매우 높은 셈이나 다름 없는 거죠. 이렇다 보니 과학자들이 차라리 열애 강한 산호초를 만들어 산호 백화 현상을 미연에 방지해야겠다!라고 생각한 거예요.

CRISPR-Cas9 Gene Knockout 실험 (Cleves et al., 2020).

2020년 스탠포드와 AIMS가 협력하여 CRISPR-Cas9를 이용해 산호의 특정 유전자를 ‘비활성화(knock-out)’함으로써 그 유전자가 열 스트레스(고온)에 대한 내성(thermotolerance)에 어떤 역할을 하는지 직접 확인했는데요

이 실험에서의 대상 유전자는 HSF1 (Heat Shock Transcription Factor 1)로, 많은 생물에서 열 스트레스 반응 조절에 중요하다고 알려져 있던 유전자가 산호에서도 핵심 역할을 함을 보여줬어요. 앞서 말씀드렸듯 실험은 유전자 기능이 제거된 산호 집단에서 수온을 34 °C까지 올리자 대량 사망했지만 유전자를 편집하지 않은 산호는 같은 조건에서 상대적으로 생존했어요.

이 케이스는 어떤 방법론적인 걸 제시했다기 보다는, 열저항성이 유전적 요인과 관련이 있을 수 있다! 정도를 보여준 중요한 의미있는 실험이라고 생각해요.

도움적 진화 실험 (Humanes et al., 2024)

2024년 네이처에 실린 또 하나의 열저항성 산호를 찾겠다는 실험은 바로 열저항성 산호를 선택적으로 교배하는 것과 관련된 논문인데요.

Naugle et al. (2024)에 따르면, 산호 같은 종내에서도 열저항성이 달라요. 한마디로, 몇몇 개체는 상대적으로 열에 저항성이 높다는 거죠. Humanes et al. (2024)에 따르면 이 열저항성은 세대를 타고 유전될 수 있다는 것이 확인되었어요. 좁은 의미의 유전율(narrow‐sense heritability, h²)이 약 0.2~0.3 수준으로 추정되었는데요, 이는 산호의 열저항성중 20-30%는 부모 세대의 유전 때문이라는 설명이라고 생각하면 좋을 것 같네요.

또, 부모가 높은 열저항성을 가진 집단을 선택했을 때 자손들이 유의미하게 높은 열저항성을 보인 것도 확인되었어요. 예컨대 한 세대(selection)만으로도 자손들이 부모 대비 약 +1 °C-주(°C‐weeks) 만큼 더 많은 누적 열스트레스(DHW)까지 견디는 경향이 나타는 건데요.

다만 안타깝게도 장기적 열 스트레스가 단기적 열 스트레스에 강한 산호만을 선택해서 자연스럽게 좋아지진 않는 것으로 나타났어요.

맺음말

아직까지 완전한 장기적 열저항성산호는 발견되거나 만들어지지 않았어요. 다만, 해양과학계에서 주목받는 분야인 만큼 다양한 연구가 이뤄지고 있고요.

Hobman et al. (2022)에 따르면 과반수 이상 (59%)의 사람들이 열저항성 산호를 개발하기 위한 인공적 개입을 지지 (4-5점)했어요. 다만, 분명히 생각해보아야 할 점들도 같이 제기되었는데요. 인간이 자연 환경 자체를 완전히 바꿔버리는 게 괜찮은 것인지에 대한 도덕적 질문도, 추가 연구의 필요성도 제시되었죠.

기후 변화와 지구온난화에 있어 부정적으로 보는 시각도 충분히 공감하고, 또 어쩌면 되돌릴 수 없는 시기에 서있을지도 모른다는 거 모두 공감해요. 다만, 과학자들은 지속해서 PACE와 같은 기후 위기를 조금이라도 해결할 수 있는 다양한 방안을 찾고 있어요. 그 중 하나가 이러한 열 저항성 산호이고요.

바다를 정말 사랑하는 사람으로서, 아름다운 산호초가 오랫동안 우리 곁에 남아있으면 좋겠습니다!

이미지 출처

메인 배경사진: Unsplash의Francesco Ungaro

중간 그래프: McGrath, M., Poynting, M., & Rowlatt, J. (2024, May 8). Climate change: World’s oceans suffer from record-breaking year of heat. Www.bbc.com. https://www.bbc.com/news/science-environment-68921215

참고 문헌

Cleves, P. A., Tinoco, A. I., Bradford, J., Perrin, D., Bay, L. K., & Pringle, J. R. (2020). Reduced thermal tolerance in a coral carrying CRISPR-induced mutations in the gene for a heat-shock transcription factor. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(46), 28899–28905. https://doi.org/10.1073/pnas.1920779117

Hobman, E. V., Mankad, A., Carter, L., & Ruttley, C. (2022). Genetically engineered heat-resistant coral: An initial analysis of public opinion. PLOS ONE, 17(1), e0252739. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0252739

Humanes, A., Lachs, L., Beauchamp, E., Bukurou, L., Buzzoni, D., Bythell, J., Craggs, J. R. K., de la Torre Cerro, R., Edwards, A. J., Golbuu, Y., Martinez, H. M., Palmowski, P., van der Steeg, E., Sweet, M., Ward, A., Wilson, A. J., & Guest, J. R. (2024). Selective breeding enhances coral heat tolerance to marine heatwaves. Nature Communications, 15(1). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52895-1

McGrath, M., Poynting, M., & Rowlatt, J. (2024, May 8). Climate change: World’s oceans suffer from record-breaking year of heat. Www.bbc.com. https://www.bbc.com/news/science-environment-68921215

Naugle, M. S., Denis, H., Véronique J. L. Mocellin, Laffy, P. W., Popovic, I., Bay, L. K., & Howells, E. J. (2024). Heat tolerance varies considerably within a reef-building coral species on the Great Barrier Reef. Communications Earth & Environment, 5(1). https://doi.org/10.1038/s43247-024-01649-4