생물이 빛을 내는 이유

아무도 본 적 없던 바다 - 해양생물학자의 경이로운 심해 생물 탐사기
에디스 위더 지음, 김보영 옮김 / 타인의사유 / 2023년 8월

 산업혁명 이후 유럽 세력을 필두로 반지름 6400km나 되는 이 광활한 행성은 인간의 발자취로 뒤덮였다. 그들은 사람이 가보지 못한 지역은 남겨두지 않으려 했다. 현대에 이르러 지구에 대한 탐험은 사실상 끝난 듯 하며 이제 남은 것은 우주로의 진출 뿐인 듯 하다. 하지만 지구상엔 아직 인간이 가보지 못한 광활한 지역이 남아 있는데 바로 심해지역이다. 아직 인간이 진출하지 못한 이 지역의 영역은 인간이 가본 지역보다 훨씬 더 광대하다. 여기는 탐험이 매우 어려운데 햇빛이 들지 않고, 기온이 낮은데다가 내려갈수록 수압이 엄청나게 상승하기 때문이다. 저자는 여기가 우주보다 더 위험하다 생각하는데 우주에선 우주복과 바깥 사이가 고작 1기압 차이지만, 심해에선 수백, 혹은 수천 기압의 압력차가 존재하기 때문이다. 약간의 틈만으로도 바깥의 물은 엄청난 압력으로 침투해 안에 있는 모든 것들을 찢어 놓게 된다. 

 그리고 이런 심해와 그 중층수에는 생각보다 많은 생물들이 존재한다. 저자는 해양생물학자로 수백번은 잠수정과 잠수복에 몸을 싣고 이 생물들을 관찰해왔다. 매우 중요한 첫 발견도 저자가 해냈는데 팰리컨 장어나 대왕오징어에 대한 것들이 그런 듯 하다. 그리고 상당히 많은 중층수와 심해생물을 발광을 한다. 발광은 진화사에서 무려 50회나 독립적으로 진화를 한 것으로 추정되는데 그 만큼 생존에 꼭 필요한 형질이란 뜻이다. 

 중층수에 사는 생물이 발광하는 이유는 이 곳에 마땅한 은신처가 없기 때문이다. 그야 말로 망망대해다. 연안이라면 해초도 있고, 가까운 해저도 있고, 산호도 있어 은신하기 충분하나 물밖에 없는 이곳은 360도로 뚫려 있다. 하지만 바다는 빛을 잘 투과시키지도 않고 산란시킨다. 그래서 반드시 빛이 거의 없는 어두운 곳이 존재하는데 이를 어둠의 가장자리라 한다. 지구가 자전을 하기에 이 어둠의 가장자리는 위치가 변화한다. 한 낮엔 바다 깊이 이동하지만 밤이 되면 표층으로 이동한다. 그래서 지구상 가장 거대한 생물군 이동이 하루에 일어나게 된다. 해양 중층수 생물들은 낮엔 어두운 중층수에 머무르다 밤이 되면 표층으로 이동하는 것이다. 그리고 여기서 서로 사냥을 한다. 

 생물발광은 다양한 색을 띠지만 육지에서 떨어진 외해로 갈수록 압도적으로 푸른색을 띤다. 이는 물속에서 다른 색은 거의 흡수되고 푸른색만이 압도적으로 가장 멀리까지 전파되기 때문이다. 그래서 심해와 중층수에 사는 생물들은 대개 적색은 띤다. 적색이 청색광을 흡수해버려 포식자의 눈에 띄지 않기 때문이다. 그리고 빛이 대개 청색광이기에 이 지역의 해양생물들의 눈은 거의 청색광만을 포착한다. 간혹, 적색광도 보는 것들도 있는데 이는 먹이 포착을 위해서다. 

 중층수의 생물들은 위장을 위해 몸도 변화시켰다. 이들은 매일 중층수와 표층수를 오가느라 많은 이동 에너지를 소모하게 된다. 그렇기에 발광 외에도 에너지가 들지 않는 다른 위장술이 필요한데 그것이 바로 신체 외형의 변화다. 대부분의 어류는 은색의 비늘을 갖고 매우 가는 몸체를 갖고 있다. 비늘이 은색이면 자신을 둘러싸고 있는 빛을 받아 위쪽의 빛과 흡사하게 빛을 반사하게 된다. 때문에 포식자는 이를 잘 발견하지 못하게 된다. 그리고 어류는 대개 등이 어둡다. 그러면 포식자가 보기에 아래로 갈수록 빛이 약해져 어둡기에 잘 보이지 않게 된다. 이를 역그늘 효과라고 한다. 또한 어류는 체형이 얇다. 어류는 배부분이 밝은 편으로 노출이 되는데 이를 최대한 줄여 안보이게 하는 것이다. 

 때문에 돛새치나 청새치, 청다랑어, 청새리상어등 매우 빠른 속도를 가진 어류들 만이 둥근 몸체를 갖는 것이 허락된다. 이들은 포식자이거나 포식자로부터 도망갈 수 있는 만큼 빠르기에 몸이 얇을 필요가 없는 것이다. 

 그리고 생물발광을 하면 몸이 흡수하는 빛을 대체하여 사실상 역조명 역할을 하게 도니다. 완벽한 위장을 위해서는 생물발광이 방출하는 파장이 그들 위의 빛의 파장과 일치해야 한다. 때문에 발광 생물은 눈이나 다른 기관으로 빛의 변화를 실시간 감지해 발광 정도를 세밀하게 조정한다. 빛의 색상과 각도도 일치해야 하므로 발광색은 언급한 것처럼 당연히 푸른색이고 렌즈, 오목거울, 광섬유등을 사용하여 각도를 맞춰나간다. 

 중층수 생물과는 다르게 심해생물을 발광을 다르게 이용한다. 여기엔 아예 거의 빛이 없기에 발광은 자신의 위치를 드러내는 치명적 약점이 된다. 그래서 이들은 포식자가 다가오면 순간적으로 강하게 발광하여 포식자를 일시적 실명상태로 만들어 도주하거나, 빛이 나는 물질을 뿜어내고 다른 데로 이동하여 포식자를 기만한다. 

 발광은 이처럼 위장 기능 외에도 짝짓기 용으로도 사용된 것으로 추정된다. 랜턴상어와 바이퍼 상어는 둘다 배쪽에 발광기관이 있는데 랜턴상어는 측면에도 빛표식이 있지만 바이퍼 상어는 그렇지 않다. 랜턴상어의 측면 발광은 짝짓기 용도로 추정되는데 이는 다양한 종분화를 일으켜 랜턴 상어는 무려 37종인데 반해 바이퍼는 겨우 1종에 불과하다. 짝을 유인하는 발광은 치명적으로 포식자도 유인하기에 짝짓기에 발광을 사용하는 심해 생물들은 빛구름을 방출하는 방식으로 진화하여 빛과 자신의 몸을 분리시켜 포식자를 피하며 짝짓기에 성공한다. 

 눈의 크기는 빛과 관련이 깊다. 눈이 커지면 작은 빛도 잘 감지하지만 그만큼 비용도 많이 든다. 해양에선 수심이 깊어질 수록 생물체가 눈이 커지고 몸은 작아지는 경향을 띤다. 빛이 줄어들고 먹이가 줄어 몸을 크게 유지하기 힘들기 때문이다. 하지만 오히려 중층수로 가면 다시 눈이 작아지게 된다. 이는 은신을 위해 중층수 생물들이 대개 발광하여 빛을 내기에 눈이 굳이 커질 필요가 없기 때문이다. 하지만 심해로 가면 발광생물이 다시 크게 줄기에 다시 눈이 커지는 경향이 있다. 실제 중층수 생물은 75%가 발광하는데 비해 심해생물은 1-2%만 발광한다. 

 그리고 중층수와 심해는 발광색이 다르다. 중층수는 언급한 것처럼 파란색을 발광하지만 심해는 녹색광을 발광한다. 이는 해저 가까이 부유하는 퇴적물이 청색보다는 녹색광을 잘 투과시키기 때문인 것으로 보인다. 

 놀랍게도 바다에선 세균들도 발광을 한다. 큰 발광 생물은 섬광을 발하는데 비해 세균 발광은 빛을 지속적으로 분출하기에 차이가 난다. 이것은 세균의 발광에 관여하는 화학반응이 호흡과 관련한 화학반응이기 때문이다. 그리고 일부 생물은 자체 발광 기관이 아닌 세균을 통해 발광을 한다. 아귀나 손전등고기가 그러한데 이들은 발광 세균을 몸의 특정 기관에 가두고 이들에게 산소를 공급하거나 차단하는 방식으로 발광한다. 즉, 발광 때는 산소를 공급하고 아닐때는 차단하는 식이다. 이들은 공생관계로 발광 세균은 빛을 제공하는 대신, 보금자리와 영양분을 얻게 도니다. 

 발광 세균은 공생 이외에도 자체적으로 발광하기도 한다. 이는 진화상 설명이 필요한 부분이다. 발광은 상당한 에너지를 요구하기에 충분한 적응도가 있어야 진화가 가능하기 때문이다. 우선 자외선이 요인이 된다. 자외선은 세균의 DNA를 파괴하는데 발광세균은 손상도니 유전자를 복구하는 포톨리아제라는 광분해 효소를 갖고 있다. 이는 발광 효과를 갖는다. 그리고 세균도 포식 작용을 하기에 발광을 하면 먹이를 찾느데 도움이 된다. 마지막으로 세균은 분변에 모여 발광을 한다. 심해 생물이나 중층수 생물은 표층 생물의 사체나 배설물이 중요한 먹이가 된다. 발광 세균은 이 분변에 모이는데 발광을 하여 분변을 눈에 띄게 하여 포식자의 내장으로 이동하게 된다. 이들은 포식자의 내장에서 살아남아 더 영양분이 많은 환경에서 번성하게 된다. 또한 이들의 발광에는 정족수 감지 기능이 있다. 세균 하나하나의 발광은 대단치 않아 포식자의 눈에 띄지 않게 된다. 따라서 어느정도 규모가 되어야만 발광이 의미가 있는데 이를 위해 세균들은 특정 분자를 방출하고 이것이 어느정도 임계점에 이르러야 같이 발광을 한다. 

 책에는 저자가 다양한 해저 탐험을 통해 훔볼트 오징어나 대왕오징어, 팰리컨 뱀장어, 갈치 등 무수히 많은 해양생물을 만나며 경외감을 갖게 되고 중요한 발견을 하게 되며 위기에 처하게 되는 순간도 나타난다. 하나하나 재밌는 이야기들이다. 저자는 어릴 적 매우 개구장이 였던 것 같은데 그로 인해 허리가 부러진 채로 자라나로 그 증상이 어른이 되어서야 나타나 죽을 고비에 처하기도 한다. 책 제목처럼 우린 심해와 바다 중층수에 대해 거의 알지 못한다. 우리가 일으키는 온난화는 알려진 생물 외에도 전혀 알지도 못하는 생물들도 절멸시키고 있을 것이다. 지구 온난화와 탄소가스의 흡수, 남획으로 해양 생태계는 어류보다는 해파리류가 번성하는 형태로 변화하고 있다고 한다. 머잖아 해파리 냉채만 먹게 될지도 모를 일이다.