소중한 우리 땅!  아름다운 독도! 해양과학으로 지켜 나가겠습니다.
해조류, 감태의 유전자 모니터링을 통해 해양환경을 진단하고 감시할 수 있습니다.
해조류란 무엇인가?
해조류는 광합성을 하는 생물로 아주 작은 단세포 미세조류로부터 길이가 수십 m에 달하는 다세포 대형 해조류(바다에 사는 조류(藻類) - 녹조, 갈조, 홍조)에 이르기까지 다양하다. 이러한 해조류는 스스로 영양분을 만드는 일차생산자로서 생태학적으로 매우 중요하다. 즉, 무기물을 다른 소비자들이 사용할 수 있는 형태인 유기물로 바꾸어 주는 역할을 하는 것이다. 해조류는 지구상의 광합성 산물 생산의 30~50%를 담당하며, 이는 지구 광합성 양의 90%에 해당하는 막대한 양이다.

또한 바닥에 붙어사는 대형 조류의 경우에는 다양한 해양생물들이 사는 공간을 제공함으로써 해당 지역의 해양생물 다양성 유지에 크게 공헌한다. 감태는 이러한 해조류 가운데 갈조류에 속한다(사진 1).
사진 1. 대형 갈조류인 감태로 이루어진 독도의 해조숲(동도 선착장 뒤 수심 10~15m)
사진 1. 대형 갈조류인 감태로 이루어진 독도의 해조숲(동도 선착장 뒤 수심 10~15m)
해조숲의 훼손
최근 ‘백화현상’ 또는 ‘갯녹음’이라고 불리는 해조숲의 훼손이 빨라지고 있다. ‘갯녹음’이란 자연환경 변화에 의해 암반 등과 같은 곳에 붙어사는 대형 해조류가 그곳으로부터 떨어져 나와 해조숲이 황폐화되는 현상을 말한다. 이러한 현상이 일어나면서 최근 북반구 해역에서 해조류 종의 다양성이 줄어들고 있다.

해조류는 연안의 무기영양물질을 흡수하여 물을 깨끗이 하는 역할도 하는데, ‘갯녹음’현상에 의해 해조류들이 줄어들게 됨으로써, 연안의 부영양화(오염된 유기물질에 의한 수질악화로 적조현상의 결과를 가져온다)가 촉진된다. 또 해조숲을 생활터전으로 살아가는 다양한 해양생물도 줄어들어 해양생태계에 혼란이 일어난다.

해조숲이 없어지는 속도는 육지의 경우 열대우림이 없어지는 속도와 비슷하며, 1990년 이후에는 매년 그 이전 해의 7%씩 증가하는 추세이다. 전 세계적으로는 지난 10년 동안 약 15% 정도의 해조숲이 지구온난화, 해양오염, 연안개발 등의 원인으로 인해 없어졌으며, 앞으로는 더욱 빠른 속도로 해조숲이 사라질 것으로 예상된다. 최근에는 해조류가 줄어들어 지구온난화의 원인인 이산화탄소의 고정률이 떨어져 지구온난화가 더 심해질 것이라는 추측도 있다.

해조숲의 경제적 가치는 연간 3조 8천억 달러에 달한다. 최근 해조들은 지구온난화의 주범인 이산화탄소의 고정능력이 육상식물보다 뛰어나다고 알려지고, 화석연료의 대체 에너지로 각광을 받는 바이오연료의 원료로 인식되면서 그 중요성이 점차 커지고 있다. 그러므로 해조류는 우선적으로 보존해야 할 해양생물 가운데 하나이다.
해조류의 보호
우리나라의 경우에도 동해안, 제주 연안 그리고 남해안 등에서 약 7,000ha에 ‘갯녹음’ 현상이 발생하였고, 이를 극복하기 위해 정부와 지방자치단체는 인공 해조숲 조림사업을 펼치고 있다. 즉, 각종 해조류를 심은 구조물을 바다 속에 넣어 해조숲을 인공적으로 조성하는 녹화사업을 하는 것인데, 아직 그에 대한 성공여부를 말하기 어렵다.

이러한 녹화사업이 성공하기 위해서는 대상 해조류의 포자생성, 기질부착 및 엽체의 성장 등과 같은 생활사에 대한 기초연구가 필요하다. 그리고 이를 바탕으로 우수한 종묘가 확보되어야 할 뿐만 아니라 기후변화 및 연안오염과 같은 환경변화에 대한 자기방어와 관련된 생체신호에 대한 다각적인 연구도 필요하다. 이들 생체신호는 유전자 수준에서 확인이 가능하며, 적응력이 뛰어난 개체의 선별은 물론, 환경진단과 생물건강진단에 이용될 수 있다. 이를 유전자 모니터링이라고 부른다.
감태의 중요성
해조류 중에서 우리나라 연안에서는 감태가 유전자 모니터링에 중요하다. 그 이유는 감태가 우리나라 연안에서 쉽게 발견되고, 감태숲의 분포 범위가 넓고 생체량이 많아서 연안생태계에 미치는 영향이 크기 때문이다.

또한 감태는 제주 연안으로부터 울릉도와 독도까지 분포하고 있기 때문에 한반도 기후변화가 연안생태계에 미치는 영향을 연구하는데 좋은 대상이다. 즉, 현재 제주 연안의 감태숲에서 일어나고 있는 현상들은 앞으로 독도와 울릉도의 감태숲에서도 일어날 가능성이 있다. 따라서 독도와 울릉도의 감태숲을 보호, 보존하기 위해서는 제주 연안의 감태숲을 면밀히 검토할 필요가 있으며, 두 지역 또는 중간의 몇몇 지역(예, 거문도 및 홍도)의 감태숲을 면밀히 관찰할 필요가 있다.
효과적인 유전자 모니터링
생물의 자기방어와 관련된 유전자의 발현 변화를 이용한 환경과 생물의 건강진단 방법은 외부 환경 스트레스에 대한 생물체 내의 반응을 분자 수준에서 진단하여 유해한 환경/물질/오염도 등을 예측하고 진단하는 방법이다.

구체적으로는 오염 및 기후변화 등과 같은 환경변화에 대한 생물 반응을 유전체 기술을 통해 해석하려는 것이다. 현재 유전체학 기반 기술은 분자생물학적 기술의 접목으로 매우 빠른 속도로 발전되고 있으며, 생태 및 환경분야에 활용하려는 시도도 이루어지고 있다.

생물을 이용하여 유해성 여부를 가늠하는 기존의 방법들(돌연변이 여부/행동이상/사망률/효소활성도 등)은 스트레스 환경 또는 오염물질에 이미 노출된 생물에게서 나타나는 결과를 측정하는 방법들로, 노출된 자극의 정도가 상당히 높은 수준이어야 측정이 가능하다는 약점을 가지고 있다. 그러나 환경변화에 대한 자기방어 관련 유전자의 발현 변화를 이용한 평가방법은 외부 자극을 받고 난 후 유전자 정보가 단백질로 넘어가는 전사 수준에서 나타나므로, 변화를 대상으로 스트레스 수준을 평가하는 방법으로 매우 작은 외부의 자극까지도 감지해 낼 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러므로 적은 양의 유해화학물질/환경변화/외부자극에 장기간 노출되었을 때의 생물 반응 결과까지도 예측해 볼 수 있다(사진 2).
사진 2. 감태의 엽체를 이용한 환경변화 노출 실험
사진 2. 감태의 엽체를 이용한 환경변화 노출 실험
이러한 유전자의 발현 변화를 이용한 평가방법에 사용되는 유전자 생체지표는 그 특이성에 의해 생태계 환경변화의 장기적 영향 및 그 환경 내 생물의 생리/대사 변화가 일어날 것인지에 대한 예측 및 진단이 가능하다. 또한 이를 통해 건강을 평가하는 것이 가능하므로 미세한 수준의 기후변화와 같은 생태계 환경변화, 환경오염/장기적 노출/특정 유해물질이라는 환경문제를 풀기에 적합한 방법이다.

감태는 독도와 울릉도는 물론 우리나라 연안에 넓게 분포하는 해조류이며, 생물다양성이 높은 연안생태계의 기반이 되는 중요한 생물이다. 따라서 이들을 대상으로 한 유전자 모니터링은 첫째, 감태의 생리대사 변화의 예측을 통해 감태의 건강진단이 가능하여, 이를 통해 생태계의 건강을 간접적으로 평가할 수 있다. 둘째, 이들의 건강진단 결과를 통해 독도와 울릉도 해역의 기후변화 및 환경오염 상황을 파악할 수 있다. 셋째, 제주도 연안의 감태숲에서부터 독도와 울릉도 감태숲까지 연속적인 모니터링을 통해 한반도 해역의 기후변화 상황을 예측할 수도 있다.
감태의 유전자 모니터링
그림 1. 양호한 상태의 표준화된 cDNA 라이브러리 확보(평균길이 0.8Kb)
그림 1. 양호한 상태의 표준화된 cDNA 라이브러리 확보(평균길이 0.8Kb)
유전자 모니터링을 위해서는 축적된 유전자 연구결과가 필요하다. 인간은 물론 실험생물을 대상으로 이미 유전체의 기본구조가 밝혀지는 등 광범위한 연구 결과가 축적되어 있다. 그러나 해양생물, 특히 해조류를 대상으로 한 유전체 연구는 초기단계에 머물러 있다.

한국해양과학기술원은 유전자 모니터링에 필요한 유용 유전자들을 발굴하기 위한 생태ㆍ환경유전체 연구를 하고 있다. 감태로부터 RNA를 추출하는 방법을 개발하였고, 평균 유전자 길이가 800베이스에 이르는 양호한 상태의 cDNA 라이브러리를 제작하였다 (그림 1). 이 라이브러리로부터 2,000여종의 감태 유전자를 확보하였으며, 이들을 발판으로 해조류 유전체 연구를 하고 있다.
이러한 노력을 통해, 자연집단 간의 유전적 연관관계와 유전적 다양성을 파악하고, 실험실에서 다양한 노출 실험을 통해 기후변화의 영향을 사전에 감지하고, 이에 대한 감태의 생물학적 반응을 이해할 수 있는 유전자 생체지표를 발굴하여 활용하는 방법이 만들어질 것이다.

기후변화와 환경오염으로부터 자신을 보호할 목적으로 작동되는 다양한 유전자와 단백질을 찾아내고, 이들에 대한 기능해석을 통해 환경변화에 대한 생물의 반응을 예측하고 진단함으로써, 감태숲의 건강은 물론 이들이 분포하는 해역의 건강성을 파악할 수 있게 될 것이다. 결론적으로 독도와 울릉도의 감태숲은 동해의 환경감시자로서의 역할을 뛰어넘어, 우리나라 해양 기후변화와 환경오염을 감시하는 중요한 생물로 자리매김할 수 있을 것이다.
해조류
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