기후 변화와 오염으로 위험에 처한 산호초, 급속 냉동으로 살린다

전 세계 동물원에서 멸종 위기에 처한 동물을 사육하여 야생에 다시 번식시키는 것처럼, 과학자들은 산호초 복원을 위해 산호를 냉동 보관하는 전 세계적인 노력을 기울이고 있다.

산호초는 지구상에서 가장 오래되고 가장 다양한 생태계 중 하나이며, 가장 가치 있는 생태계 중 하나이다. 산호초는 모든 해양 생물의 25%를 키우고 폭풍으로부터 해안을 보호하며 어업, 신약 개발, 관광 및 레크리에이션에 영향을 미쳐 세계 경제에 매년 수십억 달러의 가치를 더해주고 있다.

오늘날 전 세계의 산호초는 오염, 남획, 육지의 파괴적인 임업 및 채굴 관행으로 인해 전례 없는 속도로 파괴되고 있다. 인간 활동으로 인한 기후 변화는 바다를 온난화하고 산성화하여 몇 세대 안에 대부분의 산호가 멸종할 수 있는 산호초 위기를 초래하고 있다.

최근 미국 스미소니언 국립 동물원 및 보존 생물학 연구소의 여성 해양생물학자인 메리 헤지돈(Mary Hagedorn)이 전하고 있는 과학자들의 색다른 산호초 보호 활동이 주목을 받고 있다. 메리 헤지돈은 17년 동안 동료들과 함께 냉동 보존 과학을 이용해 산호초를 살리는 것을 목표로 '산호초 회복 이니셔티브(Reef Recovery Initiative)'라는 글로벌 과학 프로그램을 만들었다.

이 새로운 접근 방식은 산호 정자와 유충 또는 생식 세포를 매우 낮은 온도에서 저장하고 냉각하여 국가에서 관리하는 생물 저장고에 보관하는 것이다.

이 저장소는 산호의 멸종을 막는 중요한 울타리 역할을 하고 있다. 효과적으로 관리하면 전 세계적으로 산호초에 대한 위협을 상쇄하는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 동결 자산은 현재, 10년 또는 100년 후에도 바다에 다시 씨를 뿌리고 살아있는 산호초를 복원하는 데 사용될 수 있다.

안전한 생체 냉동 보관
냉동 보존은 생물학적 물질의 생존력을 유지하면서 동결하는 과정이다. 냉동 단계에서 치명적인 얼음 형성을 방지하기 위해 동결 보호제라고 하는 설탕과 같은 물질을 세포에 주입하는 것이 포함된다. 이 과정을 제대로 거치면 세포는 액체 질소 속에서 수년 동안 변하지 않고 살아 있는 상태로 냉동 상태로 유지된다.

많은 생물은 서식지의 기온이 영하로 떨어지면 자연적으로 냉동 보존되어 추운 겨울을 견뎌내는데, 북미 전역에서 흔히 볼 수 있는 두 가지 사례는 이끼와 이끼에 서식하는 미세 동물인 완보동물(tardigradeㆍ또는 물곰이라 불림)과 청개구리이다.

오늘날 산호 동결 보존 기술은 주로 정자와 유충의 동결에 의존하고 있다. 현재 전 세계 생물 저장고에는 50여 종의 산호 정자가 보존되고 있다.

메리 헤지돈 팀은 이 냉동 보존된 정자를 사용하여 보조 유전자 흐름이라는 선택적 번식 과정을 통해 카리브해 전역에서 새로운 산호를 생산했다. 목표는 냉동 보존된 정자를 사용하여 서로 마주칠 일이 없는 산호를 교배하는 일종의 장거리 중매를 하는 것이었다.

유전적 다양성은 가능한 한 많은 다양한 부모를 결합하여 새로운 성적으로 생산된 자손을 생산함으로써 유지된다. 산호는 해저에 고착되어 있기 때문에 해당 지역의 개체 수가 감소하면 냉동 보존을 통해 새로운 개체를 도입할 수 있다. 이러한 새로운 유전자 조합은 산호가 미래의 온난화 바다의 변화에도 살아남을 수 있는 적응력을 갖출 수 있을 것으로 기대된다.

이러한 유전자 흐름 연구를 통해 마침내 멸종 위기에 처한 엘크혼(elkhorn) 산호 아크로포라 팔마타의 새로운 유전자 조합 개체 600마리가 탄생했다. 2024년 초 현재 플로리다에는 약 150마리의 엘크혼 개체가 야생에 남아 있다. 기회가 주어진다면, 선택적으로 사육된 산호를 통해 야생 엘크혼 산호의 유전자 풀을 크게 늘릴 수 있다고 한다.

정자 세포와 유충을 보존하는 것은 생물 다양성 손실과 종 멸종에 대한 중요한 방어책이다. 하지만 산호가 알과 정자를 물속으로 방출하는 순간적인 산란기 동안에만 이 물질을 수집할 수 있는 한계가 있다.

이러한 산란은 1년에 단 며칠 동안만 일어나기 때문에 연구자와 환경 보호론자들에게는 물류 문제가 발생하고, 산호 종을 성공적으로 냉동 보관할 수 있는 속도도 제한된다.

문제는 더욱 복잡해져, 해양 온난화와 점점 더 빈번해지는 해양 폭염은 산호에 생물학적 스트레스를 줄 수 있다. 이로 인해 산호의 생식 물질이 너무 약해져 냉동 보존과 해동의 혹독한 과정을 견디지 못할 수도 있다.

구조 활동 확대
현재 산호 재료를 더 빨리 수집하기 위해 등방성 유리화(isochoric vitrification)라는 방법을 사용하여 전체 산호 조각을 냉동 보존하는 프로세스가 개발되고 있다. 아직 개발 중이지만 이 기술이 완전히 성공한다면 산호 조직에 얼음이 생기지 않고 산호 조각 전체를 보존할 수 있어 해동 후 생존 가능한 조각을 만들어 산호초에 다시 놓을 수 있게 된다.

이를 위해 점성이 있는 냉동 보호제 칵테일에 노출시켜 조각을 탈수시킨다. 그런 다음 작은 알루미늄 실린더에 넣고 섭씨 영하 196도의 액체 질소에 실린더를 담근다.

이 과정은 실린더의 내용물을 매우 빠르게 얼려서 얼음 결정이 생기지 않고 투명한 유리를 형성한다. 조각을 해동하려면 따뜻한 수조에 몇 분 동안 넣은 다음 바닷물에 다시 담가 수분을 보충한다.

이 방법을 사용하면 산호 조각을 일 년 내내 수집하고 냉동 보존할 수 있으므로 산호의 산란을 기다리거나 관찰할 필요가 없다. 따라서 이러한 접근 방식은 산호 보존 노력을 크게 가속화할 수 있다.

가능한 한 많은 종을 보호하려면 다양한 방법을 통해 강력한 냉동 보존 및 해동 산호 자료를 만들기 위해 과학을 확장하고 공유해야 한다. 메리 헤지돈과 동료들은 이 기술이 쉽고, 빠르고, 저렴하게 개발되어 모든 전문가가 우리의 과정을 복제하고 전 세계의 산호를 보존하는 데 도움을 줄 수 있기를 바라고 있다.

이들은 간단한 3D 프린팅 냉동고 제작 지침이 포함된 동영상 기반 산호 냉동 교육 프로그램을 만들었으며, 엔지니어들과 협력하여 간단하고 저렴한 금속 망에 산호 유충을 수백 마리씩 냉동시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이러한 새로운 도구를 통해 전 세계 연구소는 향후 5년 이내에 전 세계 산호 수집 속도를 크게 높일 수 있을 것으로 보인다.

미래 보호
최근 기후 모델에 따르면 온실가스 배출량이 계속 줄어들지 않는다면 2030년대 중반까지 전 세계 산호의 95% 이상이 멸종할 것으로 예상된다. 산호초의 생물다양성과 유전적 다양성을 보존할 수 있는 시간이 얼마 남지 않은 셈이다.

이미 진행 중인 한 가지 접근 방식은 모든 산호 종을 인간의 보호 하에 두는 것이다. 스미소니언은 살아있는 산호 군락, 골격, 유전자 샘플을 수집하고 최고의 과학적 관행을 사용하여 산호초를 재건함으로써 산호를 보존하기 위한 국제 협력체인 '산호 생물은행 연합(Coral Biobank Alliance)'의 일원으로 활동하고 있다.

현재까지 알려진 1,000여 종의 경산호 중 200여 종의 산호와 수천 개의 군락이 미국 및 유럽동물원수족관협회와 연결된 기관을 포함한 전 세계 기관에서 인간의 보호를 받고 있다. 이들은 야생의 산호 군락을 복제한 것이지만, 나중에 유전적으로 분류된 유충을 냉동 보존하는 데 사용할 수 있는 산호 사육 시스템에 투입될 수 있다. 또는 산호초 복원 프로젝트에 유충을 사용할 수도 있다.

기후 변화를 늦추고 되돌릴 때까지 산호초는 계속 파괴될 것이다. 산호초의 더 나은 미래를 보장하기 위해서는 산호 생물 저장소를 구축하고, 산호 군락을 보존하고 새로운 유생 정착지를 개발하기 위한 육상 보육원을 설립하며, 새로운 냉동 전문가를 양성해야 한다.

수십 년 동안 동물원에서는 매우 낮은 수준으로 떨어진 동물 종을 보호하기 위해 포획 사육과 재도입을 사용해 왔다. 마찬가지로, 이러한 새로운 솔루션이 희망을 만들어 산호초를 보존하여 현재와 미래의 바다에 다시 씨를 뿌릴 수 있기를 기대해 본다.