독립영양생물

독립영양생물(autotroph)은 탄소원으로 이산화탄소를 이용하는 생명체를 말한다. ‘auto’은 ‘self’를 의미하고, ‘troph’는 ‘영양’을 뜻하는 그리스어에서 유래한 것이다. 독립영양생물은 때때로 1차 생산자(primary producer)로 불리기도 한다. 지구 상의 모든 생명체는 탄소로 이루어진 유기물(탄수화물, 지방, 단백질 등)로 구성되어 있다. 무기물인 이산화탄소(CO₂)로부터 자신의 구성물질인 유기물을 합성할 수 있는 생명체를 독립영양생물(autotroph)이라고 부른다. 즉, 이산화탄소를 유기물로 전환하는 탄소 고정(carbon fixation) 반응을 수행할 수 있는 생명체를 말한다.

목차

독립영양생물은 에너지를 얻는 방식에 따라 광독립영양생물(photoautotroph)과 화학독립영양생물(chemoautotroph) 두 종류로 분류한다. 광독립영양생물은 빛에너지를 에너지원으로 이용하여 탄소 고정 반응을 수행하여 유기물을 만드는 생명체이고, 화학독립영양생물은 무기물(수소, 황화수소, Fe²⁺, 암모니아 등)을 에너지원으로 이용하여 탄소 고정 반응을 수행하는 생명체이다. 식물이 대표적인 광독립영양생물이다. Ralstonia eutropha, Acidithiobacillus ferrooxidans와 같은 화학무기영양생물(chemolithotroph)이 대표적인 화학독립영양생물이다.

빛 에너지를 에너지원으로 사용하여 ATP를 생산하고 이산화탄소를 유기물로 동화시킨다. 광독립영양생물에는 식물(plant), 조류(algae), 남세균(cyanobacteria), 자색세균(purple bacteria), 녹색황세균(green sulfur bacteria), 녹색비황세균(green non-sulfur bacteria)이 포함된다(그림 1). 이들이 이산화탄소를 유기물로 전환하기 위해 이용하는 탄소 고정 반응은 다양하다. 식물, 조류, 남조세균, 자색세균은 탄소 고정 반응으로 캘빈 회로를 주로 이용하고, 녹색황세균은 역 TCA 순환(reverse TCA cycle)을, 녹색비황세균은 히드록시프로피온산 경로(hydroxypropionate pathway)를 주로 이용한다.

그림 1. 광독립영양생물의 예. A. 식물, B. 조류, C. 남조류, D. 자색세균, E. 녹색세균. 출처: GettyimagesKorea

화학독립영양생물은 에너지원으로 무기물을, 탄소원으로 이산화탄소를 사용하는 생명체로 화학무기영양생물이 여기에 속한다. 화학무기영양생물은 러시아의 미생물학자인 Sergei Winogradsky(1856-1953)에 의해 처음 발견 되었다¹⁾. 예를 들어, Ralstonia eutropha 세균의 경우 수소(H₂)를 산화하여 ATP를 만들고, 이를 이용하여 캘빈 회로 반응을 통해 유기물을 만들게 된다. 대부분의 화학무기영양생물들이 캘빈 회로를 이용하지만, 몇몇 초고온성 고균(archaea)은 역 TCA 순환이나 히드록시프로피온산 경로를 사용하기도 한다.

독립영양생물은 지구의 생태계를 유지하는 근본이 되는 생명체이다. 즉 생태계에서 1차 생산자로서의 역할을 수행한다. 독립영양생물이 생산한 유기물은 종속영양생물(heterotroph)의 탄소원으로 사용이 된다. 식물이 1차 생산자로서 중요한 역할을 한다는 사실은 주지의 사실이지만, 화학독립영양생물에 속하는 생물들 또한 중요한 1차 생산자이다. 예를 들어, 심해 열수구(hydrothermal vent)의 경우 태양 빛이 들어오지 못하는 환경이지만, 열수구에서 분출되는 다양한 무기물을 에너지원으로 사용하고 이산화탄소를 탄소원으로 사용하는 화학무기영양생물인 초고온 고균이 주요한 1차 생산자로 존재한다(그림 2)²⁾. 그러므로 심해 열수구에 존재하는 생태계는 지상에 존재하는 태양에 의존된 생태계와는 구분되는 독립된 생태계이다. 화학무기영양생물은 또한 탄소, 질소, 황 등 다양한 원소의 생지화학적 순환(biogeochemical cycle)에서도 중요한 역할을 수행한다.

그림 2. 심해 열수구의 생태계. A. 심해 열수구, B. 심해 열수구의 미생물에 기초한 생태계. 출처: GettyimagesKorea

이창로/명지대학교

김은자/한국미생물학회

1. Dworkin M. 2012. Sergei Winogradsky: A founder of modern microbiology and the first microbial ecologist. FEMS Microbiology Reviews. 36: 364–379.
2. Gold T. 1992. The Deep Hot Biosphere. Proc Natl Acad Sci USA. 89: 6045–9.