열수구

열수구는 화산 활동 지역 근처에서 주로 발견되는 행성 표면의 균열로서, 지구의 내부 열에 의해 가열된 물이 분출된다. 해저 열수구는 일반적으로 화산 활동 지역 근처, 판 모양으로 움직이는 지각의 표층인 텍토닉 플레이트(tectonic plate)가 움직이는 곳 및 대양 분지 등에서 발견된다. 열수구 중 분출물이 검은 연기처럼 솟아오르는 열수구인 블랙 스모커(black smoker)는 1977년 동태평양해팽(East Pacific Rise)에서 미국 Woods Hole Oceanographic Institution의 과학자들에 의해 최초로 발견되었다. 심해의 해양 열수구 주위는 생물학적으로 생산성이 높고, 세균(bacteria)과 고균(archaea)이 먹이 사슬의 기초를 형성하여 새우, 조개 등 다양한 생물들의 생장을 돕는다.

남서 마리아나 후열도 확장대에서 관찰된 블랙스모커 열수분출공 (출처: 한국해양과학기술원 심해저광물자원연구센터)

목차

열수에 포함된 미네랄은 굴뚝 혹은 스모커라고 불리는 형태로 쌓이게 되며 열수구로부터 물이 계속 공급되는 한 계속 성장한다. 해저에서 스모커의 구조는 미네랄, 온도, 기둥에서의 흐름 수준 등에 의해 구별되는 특징을 가지며, 크게 블랙 스모커와 화이트 스모커(white smoker)로 나뉘게 된다. 블랙 스모커는 지구 지각 아래의 과열된 물(350±30°C)이 해저 층을 통과할 때 수백 미터의 너비로 형성 되며, 고온의 어두운 기둥 모양의 연기를 방출하고 기둥 구조를 이룬다. 이들 연기에는 일반적으로 황 함유 미네랄 또는 황화물이 많은 입자가 포함되어 있다. 블랙 스모커는 평균 2,100m 깊이에 존재하는 것으로 알려져 있으며 가장 깊은 곳에서 존재한다고 알려진 블랙 스모커는 케이먼 트로프(Cayman Trough)에 위치하고, 해수면으로부터 5,000m 깊이에 존재한다. 화이트 스모커는 일반적으로 열원으로부터 멀리 떨어져 있어 융기 온도가 낮은 경향을 보이며, 블랙 스모커와 달리 바륨, 칼슘, 실리콘 등 가벼운 광물질을 방출한다. 화이트 스모커를 생성하는 물의 온도는 270–350°C 정도로 블랙 스모커보다 낮은 온도이며 그 속도도 블랙 스모커보다 더 약한 흐름을 보이고 더 작은 기둥을 형성한다. 두 스모커는 동일한 열원에서 생겨날 수 있으나 블랙 스모커는 열원의 중심부에, 화이트 스모커는 열원의 말단부에 위치한다는 차이점이 있다.

일부 환경 조건은 열수구들끼리 비슷하지만, 각 열수구에는 탄소 포텐셜과 에너지원의 효용성에 큰 차이가 존재한다. 또한 하나의 열수구 환경 내에서도 영양소 구배가 존재하게 되는데, 이는 해수의 순환 패턴 때문이다. 열수구의 생태계는 태양열 에너지를 기반으로 하는 지구 표면의 생태계와는 다르게 대부분의 에너지를 주요 열원인 열수구에 의존한다. 심해 열수구에는 실리콘, 금속 및 망간, 황산염, 황 등이 존재하며 이들은 해수의 순환에 의해 심해로 운반되는데, 이 현상으로 인해 운반된 고농축된 철과 암모니아가 미생물의 대사에 영향을 주기 때문에 열수구에 서식하는 미생물들과 지구 표면 생태계와는 큰 차이가 존재한다. 이러한 환경에서 블랙 스모커는 전체 열수구 생태계의 중심이 되며 이 생태계는 화학합성균에 의존하여 유지된다. 즉 햇빛이 존재하지 않아 극한미생물과 같은 대부분의 생물체는 블랙 스모커의 메탄 및 황 화합물(특히 황화수소)을 화학합성 과정(산화 등)을 통해 에너지로 변환하고 유기 물질을 생산하는 일차생산자의 역할을 담당한다. Giant clam, tubeworm과 같이 보다 복잡한 생명체는 이러한 화학합성균 또는 그 산물을 섭취하여 생존한다. 열수구에서 서식하는 생명체에 관해서는 이미 1993년에 100개 이상의 복족류 종들이 존재하는 것으로 알려졌고, 달팽이, 새우, 게, 관벌레, 물고기(특히 등가시치, 긴꼬리장어, 첨치 및 Symphurus thermophiles 종) 및 문어(특히 Vulcanoctopus hydrothermalis 종)와 같은 대형 동물도 존재한다.

열수구에 서식하는 giant tube worm (출처: GettyimagesKorea)

노성운/세계김치연구소

김승범/충남대학교

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