남세균
남세균(藍細菌) 또는 남조세균(藍藻細菌)은 광합성을 통해 산소를 만드는 세균을 일컬으며, 라틴어 계열의 언어로는 시아노박테리아(Cyanobacteria)라고 한다
남조류(藍藻類)라고도 하며, 진핵생물이 아닌 원핵생물인 원시 조류의 일종을 말한다. 남조류는 그 특성에 따라 조류로 분류되기도 하나, 기본적으로 생물학적 특성이 다른 세균(박테리아)의 일종이다.
남세균 특징
현재로부터 38억 년 ~ 25억 년 전 시생누대 중에서 고시생대에 발생한 것으로 사료되며, 지구 역사상 최초로 광합성을 시작한 생물이다.
비록 40억 년 전 등장한 최초의 생명체인 혐기성 세균은 아니지만 남세균이 약 4억 년 동안 지구에서 산소를 만들어 내면서 현재 생물군의 지배종인 인간을 비롯한 호기성 생명체에게 중요하다고 볼 수 있다. 가령 지구의 이산화탄소, 메탄과 같은 온실가스 등을 이용하여 산소를 만들어낸다. 지구가 금성처럼 이산화탄소 덩어리가 되지 않은 것은 남세균이 이산화탄소를 산소로 바꿔주기 때문이다. 남세균의 광합성으로 인해 지금도 바다에 산소를 공급하고 있는 것은 물론 대기 산소 농도를 급증시켜 오존층을 형성하였다. 이 덕분에 성층권에 오존층이 생겼으며, 그로 인해 캄브리아기 대폭발의 발생, 지표면의 유해광선 등이 대기에서부터 차단되어, 해상 → 육상생물이 생길 수 있는 결과까지 이어지게 되었다.
즉 육상생물을 만들기 위한 큰 공로를 세운 생물인 것이다. 또한 남세균은 생명활동을 통해 지질시대에 스트로마톨라이트라는 층을 형성하였다. 광합성을 하기에 엽록소를 갖지만 그 외에 카로티노이드, 피코빌린 같은 보조색소를 가진 남세균도 있다. 세포 속에는 핵이 없으며 미토콘드리아 같은 세포소기관이 존재하지 않는다. 엽록체 역시 세포소기관이므로 남세균에서 찾을 수는 없는데, 사실 엽록체 자체가 고대 남세균의 일부가 진핵세포에 공생하면서 만들어 진 것이다.
남세균은 엽록체 대신 틸라코이드라는 막 구조체를 가지고 있다. 틸라코이드는 엽록체의 안쪽처럼 층을 이룬 형태가 아니라 동심원 구조를 가지고 있으며 여기에 엽록소 등의 색소와 광합성에 필요한 효소가 들어있다. 하지만 일부 남세균은 틸라코이드를 가지고 있지 않기도 한다. 이분법으로 분열하며 일부 남세균은 질소 기체를 암모니아로 전환하는 질소고정 능력을 가지고 있다. 질소고정 능력이 있는 남세균은 보통 이질세포라는 특이한 구조를 만든다.
지금도 산소농도를 유지하기 위한 가장 높은 효율의 활동을 하고 있는 생물이다. 관행적으로 지구의 허파라는 말을 듣는 아마존 등의 열대우림의 경우, 사실 광합성으로 인해 이산화탄소를 포집하기도 하지만, 동시에 썩으면서 이산화탄소를 내뿜기도 하므로 사실상 +- 제로다. 열대우림에서 산소의 순생산을 하기 위해서는 탄소의 집합체라 할 수 있는 거대한 나무들을 땅에 파묻거나 해서 탄소를 지하에 묻어버려야하는데 그렇게되지않고 식물이 양분을 빨라올려 다시 재사용하거나 활발한 분해자의 활동으로 그냥 썩기 때문에 산소를 생산하는 만큼 바로 소비해버리기 때문이다.
하지만 남세균의 경우 광합성을 통해 대기중에서 포집한 탄소가 바다의 플랑크톤이나 어류에 먹힌 후 그 똥으로 바다에 녹거나 심해로 가라앉기 때문에 실질적인 대기중 탄소격리를 하고 있어서 생태계에서 유일하게 유의미한 이산화탄소 제거 및 산소생성을 하고 있는 종이다. 다시말해 과거 이산화탄소 농도가 매우 높던 지구 대기에 산소를 가득채웠던 종이기도 하지만, 동시에 현재 진행형으로 산소생산을 지속함으로써 다른 동물들이 살아갈 수 있는 기반이 되어주고 있는 생물이다.
독소
남세균이 분비하는 독소는 굉장히 강력한 신경독으로 작용하며, 녹조로 인해 물에 남세균이 증식할 시 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 먹이사슬의 아랫단계에 있는 동물이 남세균의 독소를 흡수하고, 이 동물을 윗단계에 있는 동물이 포식하면서 생물농축이 발생하기 때문에, 먹이사슬 윗단계에 있는 포식자는 엄청난 양의 독소가 축적되어 위험해질 수 있다. 그 효과는 실로 엄청나서 코끼리 떼죽음의 원인이 되기도 할 정도. 미국에서는 1980년대에 국조인 흰머리수리가 계속 떼죽음을 당하는 현상이 발생했는데, 이것의 원인이 남세균의 독소라는 사실이 밝혀지며 이 문제가 수면 위에 떠오르기 시작했다. 이 때문에 붙은 별명이 'eagle killer'.
그런데 사실 남세균이 분비하는 순수한 독소 자체는 그렇게까지 강력하지 않고, 이 독소가 브로민과 반응했을 때 비로소 맹독으로 변한다. 물속에 브로민이 존재하는 것은 인간이 무단 방류한 공업 폐수 때문이므로, 이 역시 일종의 인재라고 볼 수 있다.
이처럼 산소 생성으로 생명체 진화의 큰 역할을 했지만 원시 지구의 생명체는 대부분 혐기성이었기 때문에 약 23억 년 전, 남세균이 5대 멸종에 버금가는 대멸종인 산소 대참사(Oxygen Catastrpphe)를 일으킨 것은 물론 대기 중에서 이산화탄소를 제거해 지구 전체를 눈덩이로 만들었다는 가설이 있다.
화성에서 산소를 만드는 실험에 사용될 수 있다는 연구결과가 나왔다. 남세균(시아노 박테리아)을 통해서 화성에 산소를 공급하겠다는 테라포밍 계획인 셈. 남세균(시아노 박테리아) 자체가 원시지구의 극한 환경에서부터 생존했던 터라 별로 놀랍지는 않지만.
녹조 현상의 주된 원인이다. 주로 더운 여름에 개체수가 폭발적으로 증가하면서 수면을 뒤덮어 산소 용해를 막고, 남세균의 독소 자체도 강한 편이라 수중 생태계에 큰 악영향을 미친다.
클로렐라랑 비슷한 측면에서 건강식품으로 불리는 스피루리나(스피룰리나)가 남세균에 해당된다.
고맙고 무서운 남세균(시아노박테리아)
지구 초기 대기는 대부분 이산화탄소였다. 그러다 바닷속에서 광합성을 하는 원시 생명체가 등장했고, 에너지를 얻기 위해 광합성하고 남은 찌꺼기인 산소가 늘었다. 30억 년 전쯤 지구에 출현한 것으로 추정되는 남세균은 약 25억 년 전부터 지구를 뒤덮었고, 엄청난 양의 산소를 내뿜었다.
이 세균이 만든 산소는 바닷속에서 철과 만나 철이 대량 함유된 호상철광층을 형성했고, 엄청나게 많은 양의 산소가 소비되고도 남아 대기로 방출됐다. 그렇게 지구 대기에 산소가 많아졌고, 성층권에 오존층이 형성돼 육상으로 생명체가 올라올 수 있었다.
남조류(blue-green algae)로 알려졌던 남세균은 광합성으로 햇빛에서 에너지를 얻고, 유기 화합물과 산소를 생산하는 최초 유기체다. 주로 연녹색을 띠며 세포들이 모여 커다란 군체를 형성하기 때문에 맨눈으로 작은 알갱이들을 볼 수 있다. 세포가 죽어서 터지면 세포 속 청색 색소가 퍼져나와 남색을 띤다는 의미로 남조류라 부르게 됐다. 남세균은 지금도 지구에 살면서 왕성하게 산소를 만들고 있다. 바다와 강, 호수에서 단세포 미생물로 광합성하고, 육지에서는 식물 속 엽록체로 존재하며 광합성을 한다.
인공 광합성을 연구하는 과학자들은 인공 남세균을 만들어 온실기체인 이산화탄소를 제거하고, 사람들에게 유용한 물질을 생산하는 기술을 개발하고 있다. 미 항공우주국(NASA)에서는 남세균이 화성에 산소를 만들어낼 수 있는지를 연구한다. 남세균은 화성의 물처럼 먼지만 포함된 물이어도 성장할 수 있고, 화성처럼 압력이 낮은 대기에서 활용할 수 있는 기체들을 스스로의 탄소와 질소 공급원으로 사용할 수 있음을 확인했다. 현재 알려진 남세균은 150속, 2000종이 넘는다. 일반적으로 물이 있는 곳이면 어디에서든지 생존해 눈 속에 사는 종도 있고, 80도 이상의 뜨거운 온천물에 사는 종도 있다. 바다와 강, 호수는 물론 땅속이나 나무줄기 위에서도 살고, 같은 종이 열대 온대 한대에서 살기도 한다.
원시 지구에서부터 지금까지 산소를 만들고, 이산화탄소 제거 기술 개발에 도움을 주고, 나아가 우주 탐사 프로젝트에서도 중요한 연구 대상인 남세균은 우리보다 훨씬 전부터 지구에 정착한 고마운 생물이다. 그러나 세계 곳곳의 수역에서 녹조현상을 일으키는 주범으로 지목받고 있는 것 역시 남세균이다.
여름이면 강이나 호수의 물이 녹색으로 변하는 것을 ‘녹조(綠潮)현상’이라 부른다. 정확히는 조류가 대량으로 번성하는 ‘조류 대발생’으로, 다양한 조류가 대량으로 번성하면서 물의 색이 변하기 때문에 영어로는 ‘water bloom(물꽃)’, 일본어로는 ‘미즈노 하나(水の華)’라고 한다. 우리나라 학계는 이를 번역해 물꽃현상 또는 수화현상이라고 불렀다. 그런데 바닷물이 붉게 물드는 ‘적조(赤潮)현상’과 대비해 강이나 호수에서 녹색으로 변하는 현상을 녹조현상이라 부르기 시작했고, 지금은 일반에 쉽게 이해되는 용어로 널리 사용하고 있다.
남세균이 번식하기 좋은 조건은 수온이 높고, 인(燐)이 많고, 물의 흐름이 정체된 곳이다. 여름처럼 고온 환경을 좋아해서 햇볕이 잘 드는 최적의 환경을 유지하기 위해 세포 속 기포의 부력으로 수면에 가깝게 분포한다. 주로 수면에 떠 있기 때문에 흐르는 물에서는 떠내려가는데, 어떤 이유로 물의 흐름이 막히고 적절한 조건이 갖춰지면 대량 증식한다. 최근에는 지구온난화로 5월에도 발생하며, 11월까지 지속되기도 한다. 남세균은 인의 농도가 낮으면 경쟁력이 약해져 규조류에 밀리므로 인의 농도는 녹조를 일으키는 중요한 요소다. 모든 생물에게 꼭 필요하지만 미량만 필요한 인은 담수에서 용해도가 작고 토양에 잘 흡착하기 때문에 강이나 호수에서는 늘 고갈 상태다. 그러나 생활하수나 축산분뇨, 비료 등을 통해 강이나 호수에 인이 유입되면 늘어난 만큼 남세균이 증식하게 된다.
많은 나라에서 조류 경보 시스템을 운영하고 있고, 재난 대비 행동 요령에 ‘조류 대발생’ 항목이 들어 있다. 결국 인간이 환경오염과 지구온난화를 일으켜 조류 대발생이 빈번해졌고, 앞으로 더 늘어날 수도 있다. 고맙고도 무서운 남세균과 공생하는 길 역시 우리가 찾아야 할 것이다.
"바이러스와 함께 진화한 남세균 …23억년 전 지구에 산소 공급"
폭염이 이어지던 지난 8월 창녕함안보 일대 낙동강에서 짙은 녹조가 관찰되고 있다. 남세균(시아노박테리아)가 자라면서 강물이 녹색 물감을 푼 듯한 모습이다.
강과 호수에서 유해한 녹조를 일으켜 골칫거리가 된 남세균(시아노박테리아).
하지만 오랜 옛날 지구의 역사에서 중요한 역할을 해냈다.
바로 지구 대기 중에 막대한 산소를 공급한 일이다.
덕분에 다른 동물과 마찬가지로 우리 인류도 출현할 수 있었다.
이 같은 남세균의 산소 생성 광합성이 남세균과 시아노파지(Cyanophage)의 공진화(共進化, coevolution)의 결과일 수도 있다는 연구 결과가 나왔다.
시아노파지는 남세균에 감염하는 바이러스를 말하며, 공진화는 두 생물 종이 서로 영향을 주고받으며 함께 진화하는 것을 말한다.
폴란드 과학아카데미 산하 프란시세크 고르스키 연구소와 야기엘로니안대학 연구팀은 최근 '사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)' 저널에 발표한 논문에서 남세균과 시아노파지의 공진화 가능성을 제시했다.
산소 생산 광합성에 역할
광합성을 진행하는 광계(photosystem). 왼쪽은 남세균과 다른 조류, 식물들에서 관찰되는 것으로 광계 I과 산소를 생산하는 광계 II를 갖추고 있다. 오른쪽 그림은 녹색황세균의 광합성 시스템으로 광계 I만 갖고 있어서 광합성을 하더라도 산소가 생산되지 않는다.
광합성을 진행하는 광계(photosystem). 왼쪽은 남세균과 다른 조류, 식물들에서 관찰되는 것으로 광계 I과 산소를 생산하는 광계 II를 갖추고 있다. 오른쪽 그림은 녹색황세균의 광합성 시스템으로 광계 I만 갖고 있어서 광합성을 하더라도 산소가 생산되지 않는다.
광합성 세균은 광합성을 하더라도 산소를 생산하지 않는다.
녹색황세균 등은 광계(光系. photosystem) I만 갖고 있어서, 광합성을 해도 산소를 배출하지 않는다.
특정한 색소 단백질이 태양에너지를 흡수하고, 이 에너지를 전자를 들뜨게 하는 데 사용한다.
전자를 순환시켜 광합성에 필요한 에너지를 얻는다.
이에 비해 남세균이나 다른 조류(algae), 식물의 경우 이 광계 I 외에 광계 II를 더 갖고 있다.
광계 II는 태양에너지를 흡수하는데, 물(H2O)에서 전자를 떼어내고 산소(O2)를 배출하는 데 이 태양에너지를 사용한다.
물에서 떼어낸 전자는 광계 I로 보내고, 이 전자는 순환하지 않고 이산화탄소를 고정의 환원 반응에 사용한다.
광계 I과 광계 II를 함께 가지면서 광합성 효율이 획기적으로 높아진 남세균이 출현하면서, 23억~26억 년 전 지구에서는 대대적인 산소 생산(Great Oxygenation Event)이 나타나게 됐다는 것이다.
이처럼 남세균 조상이 산소 발생 광합성 체계를 갖는 과정에 시아노파지가 역할을 했을 수 있다는 게 연구팀의 추정이다.
시아노파지와 남세균 유전자 주고받아
연구팀은 우선 시아노파지는 남세균 광합성에 필요한 단백질 두 가지(D1과 D2) 가운데 하나 혹은 두 가지를 지령(coding)하는 유전자(psbA와 psbD)를 갖고 있다고 지적했다.
D1과 D2는 광계 II의 핵심 단백질이다.
시아노파지가 psbA와 psbD 유전자를 가진 것은 남세균 세포에 침투한 상태에서도 광합성이 일어날 수 있도록 해서 시아노파지가 복제되는 데 필요한 시간을 벌 수 있도록 해주는 역할을 하기 때문으로 추정되고 있다.
연구팀은 시아노파지와 남세균, 조류, 육상 식물 등에서 이들 두 단백질의 3차원 구조를 분석하는 계통발생학적인 분석으로 시아노파지가 어떻게 해서 이 유전자들을 갖게 됐는지를 추적했다.
연구팀은 당초 남세균의 조상은 D1이나 D2가 아닌, D0라는 원시 형태 단백질을 한 쌍 보유하고 있었다.
이들이 서로 조금씩 달라지면서 남세균은 D1과 D2로 바뀌게 됐다는 것이다.
이 남세균에 시아노파지가 감염하면서 남세균이 갖고 있던 두 유전자를 시아노파지도 갖게 됐다고 연구팀은 추정했다.
일부 시아노파지는 두 가지 유전자 가운데 D2 단백질 유전자(psbD)를 잃어버려 D1 단백질 유전자(psbA)만 갖게 된 것으로 보인다는 것이다.
두 가지 유전자에 대한 염기 서열과 돌연변이를 분석한 결과, 시아노파지와 남세균은 다른 조류나 식물보다 훨씬 유사한 것으로 나타났다.
이를 바탕으로 연구팀은 오랜 조상 때부터 남세균과 시아노파지가 유전자를 주고받으며 긴밀하게 공진화한 것으로 보인다고 밝혔다.
식물 세포는 남세균의 내공생 결과
한편, 진핵세포인 식물 세포는 엽록체를 갖고 있고, 엽록체는 광계 I과 광계 II를 다 갖고 있어 남세균의 광합성과 흡사하다.
식물 세포는 남세균의 내공생(內共生, endosymbiosis) 결과라는 게 학계의 지배적인 이론이다.
남세균의 한 갈래가 다른 세균과 융합했고, 남세균은 진핵세포에서 엽록체 형태로 남게 됐다는 것이다.
Blue-green algae
Cyanobacteria, also known as blue-green algae, are a group of photosynthetic microorganisms that are found in a wide range of aquatic environments, such as rivers, lakes, and oceans. They are considered to be one of the oldest forms of life on Earth, and have been around for more than three billion years.
Cyanobacteria are capable of performing photosynthesis, which means they produce oxygen as a byproduct of photosynthesis. This ability to produce oxygen is thought to have played a major role in the evolution of the Earth’s atmosphere.
Cyanobacteria occupy a wide variety of ecological niches in aquatic environments, from freshwater to saltwater, from cold to hot environments, from acidic to alkaline waters, and from deep waters to shallow waters. They can form a wide range of associations with other organisms, from mutualistic symbioses to parasitic relationships.
Food chain & uses
In the food chain, cyanobacteria can be primary producers, meaning they are at the base of the food chain and provide energy to other organisms through photosynthesis. They are consumed by many aquatic organisms, including zooplankton, aquatic insects, and fish, which in turn are consumed by larger aquatic animals and birds. Cyanobacteria can also form symbiotic relationships with certain organisms, such as lichens and certain types of coral.
Cyanobacteria are also important to humans as they are used in several ways. They are used in agriculture as a natural fertilizer, they are used in the production of biofuels and they are used in the production of certain types of food such as spirulina and some types of blue-green algae supplements.
However, cyanobacteria can also have negative impacts on human health and the environment. Some species of cyanobacteria can produce toxins, such as microcystins, which can cause liver damage, skin irritation, and even death in severe cases. These toxins can accumulate in seafood and shellfish, creating a danger for human consumption. Cyanobacteria blooms can also lead to the formation of harmful algal blooms (HABs), which can make the water unsafe for swimming, fishing and other recreational activities.