정확히 어떻게 산호의 뼈대, 성게가 척추를 자라게 하는가, 혹은 전복이 껍질에서 자개를 형성하게 되는가? 에너지부의 로렌스 버클리 국립 연구소의 첨단 광원의 새로운 연구는 바다 생물들이 그들의 몸에 탄소를 가두기 위해 사용하는 생물 광물화의 이 과정이 이전에 생각되었던 것보다 더 복잡하고 다양하다는 것을 밝혀냈습니다.
연구원들은 “광물 전구체”로 알려진 일시적인 구성 요소들이 새로운 껍질이나 뼈대를 형성하기 시작하는 산호, 성게, 그리고 연체동물에서 채취한 샘플의 가장자리를 연구했습니다. 그곳에서, 그들은 놀라운 사실을 발견했습니다: 산호와 연체동물은 이전에 살아있는 유기체에서 관찰된 적이 없고 단지 최근에 합성적으로 생성된 광물 전구체를 생산했습니다.
그들은 또한 존재하는 구성 요소의 종류에도 다양성을 발견했습니다. 과학자들은 반복되는 원자 구조가 없는 광물인 “비결정적인” 전구체를 보기를 기대했습니다. 그들은 그렇게 했지만, 그들은 또한 더 구조적이고 질서정연한 광물인 “결정적인” 전구체를 발견했습니다. 그 연구는 네이처 커뮤니케이션즈 저널에 실렸습니다.
“한 가지 흥미로운 관찰은 산호 골격과 연체동물 자개가 정확히 같은 전구체를 가지고 형성되지만 서로 완전히 별개로 진화했다는 것입니다,” 라고 버클리 연구소의 방문 교수이자 매디슨 위스콘신 대학의 교수인 푸파 길버트(Pupa Gilbert)가 말했습니다. 그녀는 두 종이 생명의 나무에서 서로 분기된 지 오래 후에 생체 광물을 만들기 시작했다고 언급했습니다.
길버트는 “그렇게 많은 전구체를 가진 생물광물을 만드는 것은 에너지적으로, 열역학적으로, 또는 다른 방식으로 진화적 이점을 얻는다는 것을 의미하기 때문에 멋집니다”라고 말했습니다. “물리학자로서, 저는 생명체와 생물학의 많은 부분이 진화적 이점을 얻기 위해 물리학의 아름다움을 활용하는 것이 흥미롭다고 생각합니다.”
과학자들은 또한 다른 종에 존재하는 구성 요소의 다른 비율을 발견했습니다. 놀라운 광물 전구체인 탄산칼슘 반수화물 (CCH)과 또 다른 구성 요소 (단수질산염, 또는 MHC)는 모두 산호와 연체동물에서 발견되었습니다. 그러나 CCHH와 MHC는 성게 가시에만 미량으로 나타났는데, 이것은 동물마다 생물광물화에 대해 다른 접근법을 취한다는 것을 암시합니다.
연구원들은 강렬한 빛의 광선을 만들어내는 원형 입자 가속기인 ALS를 사용하여 그 발견을 했습니다. ALS는 샘플의 원자 및 화학 구조에 대한 정보를 제공하는 강력한 현미경처럼 작용할 수 있습니다. 과학자들은 재료의 표면과 화학적 구성을 연구하기 위해 두 가지 다른 기술을 사용하여 건물 블록의 다양성뿐만 아니라 예상치 못한 광물을 드러냈습니다.
“이런 실험들을 실행하는 것은 엄청나게 복잡합니다. 왜냐하면 우리는 샘플들이 신선한 동안, 생체 광물들이 형성되는 동안, 전구체들을 보기 위해 바로 분석해야 하기 때문입니다.”라고 길버트가 말했습니다.
“만약 우리가 단 하루만 기다리면, 우리는 일시적으로만 존재하는 이러한 단계들을 놓치게 됩니다. 버클리 연구소에서, 우리는 현장에서 샘플을 준비한 다음, 세계 최고 수준의 이 환상적인 빔과 현미경에 접근할 수 있고 우리에게 필요한 나노 스케일 해상도와 깊이 민감성을 제공할 수 있는 독특한 능력을 가지고 있습니다.”
이 극소량의 광물 입자들을 연구하기 위해, 연구원들은 “미리아드 매핑”이라고 불리는 새로운 방법도 개발했습니다. 그 기술은 모든 다른 종류의 광물들과 상대적인 농도의 광물들을 하나의 이미지로 시각화하는 것을 가능하게 합니다; 이전의 방법들은 연구원들을 단지 세 종류의 광물들로만 제한했습니다. 그 접근법은 원자에서부터 우주 규모에 이르는 다른 분야에도 적용될 수 있습니다.
길버트(Gilbert)와 그녀의 협력자들은 바다 생물이 생체 광물을 만드는 방식에 증가하는 바닷물의 산성도가 어떻게 영향을 미치는지에 대한 지속적인 연구를 진행하고 있습니다. 이 과정을 이해하는 것은 해양 생물이 기후 변화로 인한 더 산성화된 바다와 같은 환경 변화에 어떻게 반응할지 예측하는 데 핵심입니다.