갈조류

갈조류는 갈색을 띠는 조류로서 모두 다세포체로 구성된다. 작은 사상체로부터 조류 중 가장 크고 복잡한 구조까지 다양한 형태가 존재하며 대부분 해양에 서식하고 주로 해안지역에서 발견된다. 직접적인 식용뿐만 아니라 기능성 식품과 생리활성물질의 공급원으로 이용되며 생물연료의 재료로도 활용되고 있다.

우크라이나 남부 연안의 갈조류 Cystoseira barbata (출처: )

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조류와 원생동물이 포함된 원생생물의 분류는 계속 변화하고 있다. 이전에는 조류를 식물로 취급하였으나 진화를 감안한 계통분류학에서는 이들을 식물로부터 분리하여 원생생물 계에 속하는 갈조류 문(phylum Phaeophyta 또는 Heterokontophyta)으로 분류하였다. 분자계통학의 발전에 따라 진핵생물 영역(또는 역) 아래 Chromista 계, Ochrophyta 문, 갈조류 강(Phaeophyceae)으로 분류하는데 보다 자세하게는 Chromista 계, Diaphoretickers 분류군, SAR supergroup (아계에 해당됨), Halvaria, Heterokonta, Gyrista을 거쳐 Ochrophyta 문 내에 갈조류가 위치하는 것으로 보고되었다¹⁾. 갈조류 강 내에는 Discoporangiophycidae, Ishigeophycidae, Dictypophycidae와 Fucophycidae의 4개 아강이 있으며, 그 아래 약 285개 속에 1836 종이 있는 것으로 추산되고 있다.

갈조류는 광합성 색소 함유에 따라 올리브색, 금색 또는 진한 갈색을 띠는데, 주로 카로티노이드와 엽록소보다 많은 갈색의 xanthophylls 색소인 fucoxanthin을 함유하여 갈색을 띠게 한다. 여러 광합성 색소들이 각각 다른 파장의 빛을 흡수하는데 물에서 깊게 투과되는 청록색 빛을 갈색 색소가 흡수하므로 이들이 깊은 물에서 살 수 있게 한다. 갈조류는 거의 대부분이 해양에 존재하며 1% 미만만이 담수 서식지에서 발견된다²⁾. 갈조류의 주요 저장물질은 라미나린(laminarin)과 만니톨(mannitol)이다. 갈조류의 세포벽은 내부의 셀룰로스 층과 외부의 점액질 층의 두 층으로 구성되어 있으며 알긴산염(alginate)도 세포벽 구성물질로 존재한다.

갈조류는 전체가 유조직체로 구성되어 관다발 조직이 없는 엽상체(thallus)라 부르며 가근(holdfast), 줄기(stem 또는 stipe)와 잎(blade)으로 구성되는 특징적인 영양구조를 갖는다. 갈조류는 흔히 바위나 수중의 고체 표면에 가근을 이용하여 부착해서 자라지만 모자반류(Sargassum 속)의 종들은 부유 생장을 한다. 많은 종들이 잎에 기포낭이 있어서 해양 표면으로 잎이 뜨게 만든다. 다른 조류들처럼 갈조류도 열대에서 극지방까지 널리 분포하는데 주로 조간대와 산호초 인근에 많이 존재하며 켈프 같은 대형 갈조류는 비교적 깊은 곳에서 50미터 이상의 길이로 자라기도 한다.

갈조류의 대표적인 종류인 켈프(kelp)의 대부분은 잎과 줄기가 만나는 부위에 생장점을 가져서 잎의 끝이 뜯겨도 아래에서 계속 자랄 수 있다. 켈프는 모든 조류 중에서 가장 복잡한 조직을 갖는데 줄기가 강화된 조직과 관모양의 세포를 가져 개체 전체로 양분을 보낸다. 잎은 외부의 보호층이 있는 여러 세포로 되어 두꺼우며, 색소를 함유한 광합성 장소로서 전분과 탄닌이 들어있어 초식동물로부터 자신을 보호한다³⁾.

미국 알래스카 Kachemak 만에서 자라는 켈프(kelp) (출처: GettyImages-911946568)

갈조류는 다양한 범위의 생활주기를 나타내는데 이는 생활주기의 변경이 이 종류의 진화에서 핵심적인 적응 방법임을 가리킨다. 대부분의 갈조류는 감수분열을 통한 유성 포자(sexual spore) 형성에 의한 유성생식을 수행하며 포자체(sporophyte, 2배체)와 배우체(gametophyte, 반수체)의 독립된 시기가 반복되는 세대교번을 하는데 생애의 대부분은 포자체 상태로 우리가 흔히 보는 형태이다. 일부 종은 운동성의 2배체 유주자(zoospore)의 생성을 통한 무성생식을 하기도 하는데 이 유주자가 포자체로 숙성한다⁴⁾.

갈조류 Laminaria의 유성 생활주기 (출처: )

갈조류는 인간을 포함한 다양한 동물들이 이용하는데 어류, 복족류와 성게 등의 초식동물이 직접 섭취하며 몸체 일부가 해저에 가라앉으면 저서동물들이 그것을 섭취한다. 인간은 갈조류를 다양하게 이용하는데 우리나라와 일본을 포함한 동아시아 지역에서는 미역, 다시마 등을 직접 또는 건조하여 많은 양을 소비하고 있다. 갈조류에서 추출한 알긴산염(alginate)은 증점제와 충전제를 포함하여 식품 첨가제로 많이 사용되며 배터리의 이온화 과정을 위한 안정제로도 사용된다. 또한 조류의 천연 색소인 카로티노이드 등은 식품과 사료의 비타민, 착색제, 화장품과 의약품 등의 전구물질로 이용된다.

최근 화석연료의 고갈과 가격 상승뿐만 아니라 화석연료로부터 발생하는 온실가스 감축이 전 세계적으로 중요한 문제가 되고 있다. 이의 해결을 위한 신재생에너지(new and renewable energy)로서의 바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오부타놀과 바이오하이드로젠 같은 생물연료(biofuel)가 유망한 방법 중 하나가 될 수 있다. 이의 생산을 위한 식용 곡물이나 식물로부터의 리그노셀룰로스의 사용 대안으로 조류가 이용될 수 있으며 대형 갈조류가 그 후보가 될 수 있다. 그러나 대형조류 종은 다양한 종류의 다당류를 함유하며 당 공급원으로 사용하기 위해 전 처리가 필요하다. 갈조류에 가장 풍부한 당은 알긴산, 만니톨(mannitol)과 글루칸(glucan)으로 이 다당류를 단당류로 분해하기 위해서는 특별한 효소가 필요하며 단당류는 유전자 변형 미생물에 의해 효과적으로 에탄올로 발효될 수 있으며 다른 미생물을 이용하여 기타 생물연료 생산을 위해 이용될 수 있다⁵⁾.

다시마 (출처: GettyImages-a11210546)

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송홍규/강원대학교

이하나/고려대학교 

1. Cavalier-Smith, T. 2017. Kingdom Chromista and its eight phyla: a new synthesis emphasizing periplastid protein targeting, cytoskeletal and periplastid evolution, and ancient divergences. Protoplasma 255, 1-61.
2. Wehr, J. 2015. Brown Algae. In Wehr, J., Sheath, R., and Kociolek, J. (eds.) Freshwater Algae of North America 2^nd ed. pp. 851-871. Academic Press.
3. Brown algae-Two oceans aquarium.
4. Cork, J., Godfroy, O., Macaisna, N., Peters, A., and Coelho, S. 2014. Evolution and regulation of complex life cycles: a brown algal perspective. Curr. Opin. Plant Biol. 17, 1-6.
5. Ravanal, M., Camus, C., Buschmann, A., Gimpel, J., Olivera-Nappa, A., et al. 2019. Production of bioethanol from brown algae. In Dhanasekram, D. (ed.) Advances in Feedstock Conversion Technologies for Alternative Fuels and bioproducts. pp. 69-88. Woodhead Publishing.