미세 플라스틱과 기후 변화의 영향을 연구하기 위한 살아있는 산호 3D 스캐닝

산호초는 복잡하고 다양한 해양 생태계로 약 7,000~8,000종의 어린 바닷물고기에게 안전한 안식처를 제공합니다. 그 주위에 풍부한 먹이가 소용돌이치기 때문에 작은 물고기들은 산호초의 많은 틈새와 구불구불한 통로 사이에 있는 큰 포식자로부터 숨을 수 있습니다.

많은 사람들이 생각하는 것과는 달리 산호는 연약한 생물이며 매우 활기찹니다. 각 산호는 "산호충(polyp)"이라고 불리는 수백에서 수천 마리의 작은 생물로 구성되어 있습니다. 이들 산호충은 일반적으로 지름이 1~10mm이고 두께가 동전만큼 두꺼우며 단단한 석회암 외골격을 덮고 있는 부드러운 외부 구조를 가지고 있습니다.

후드 산호(Stylophora pistillata)의 클로즈업. 이미지 제공: Jessica Reichert 박사

멸종 위기

기후 변화, 남획 및 오염으로 인해 1950년대 이후 끊임없는 환경 압력을 받아 온 전 세계 산호초의 50% 이상이 하나하나씩 사라져 갔습니다. 남은 산호초 중 최대 90%는 향후 100년을 남아있지 못할 수도 있습니다.

모든 산호가 죽는다면 물고기도 죽을 것이고, 멸종은 영원함을 의미합니다.

수백만 마리의 물고기와 다른 해양 생물의 손실은 물론 산호초의 지속적인 공급에 의존하는 수십 개의 산업을 포함하여 전 세계에 반향을 불러일으킬 광범위한 영향은 말할 것도 없습니다.

산호초는 알츠하이머병, 암, 심장병 등의 치료를 위한 여러 의약품의 중요한 원천입니다.

Jessica Reichert 박사는 지구 변화 스트레스 요인이 다양한 산호 종에 미치는 장기적인 영향을 연구하고 있는 기센대학교(Giessen University ) 연구팀에 속해 있습니다.

Jessica Reichert 박사, Artec Spider 및 후드 산호(Stylophora pistillata). 이미지 제공: Jessica Reichert 박사

이는 연구자들이 지구 기후 변화 시나리오를 시뮬레이션하고 산호, 산호초 및 그 안에 사는 유기체에 미치는 영향을 연구할 수 있게 해주는 기센대학교의 Ocean2100 시설 덕분에 가능했습니다.

기센대학교의 Ocean2100 시설. 이미지 제공: Patrick Schubert 박사

적합한 조건 조성

총 9,000L에 가까운 해수 용량을 갖춘 특수 설계된 수족관 시설은 각각 265L를 수용하는 18개의 개별적으로 제어되고 24시간 모니터링되는 수족관으로 구성되어 있습니다.

이곳에서 연구자들은 수온 상승, 다양한 산성화 수준, 미세 플라스틱의 존재 등과 같이 산호가 처한 조건과 매우 유사한 조건을 재현합니다.

다양한 종류와 크기의 미세 플라스틱 이미지 제공: Jessica Reichert 박사

Reichert와 그녀의 팀은 현재 30종의 돌로 된 산호와 20종 이상의 다른 관련 산호초 유기체를 연구하고 있습니다.

산호는 정말 놀라운 생물입니다. 각각의 산호충은 죽지만, 이론적으로 하나의 산호는 수백 년 동안 살 수 있습니다. 이것이 다른 산호 종에 초점을 맞춘 장기간의 변화에 따른 연구가 중요한 이유입니다. 기존의 60~90일 동안 수행하는 연구는 발생하는 물리적 변화를 측정하고 이해하기에는 충분히 길지 않습니다.

연구 시간이 더 길어지더라도 연구팀의 측정 도구는 결과의 정확성을 좌우할 수 있습니다. 군체 생장은 과학자들이 산호에 미치는 스트레스의 영향을 연구하는 데 도움을 주는 가장 중요한 매개 변수 중 하나입니다.

인도네시아 발리의 산호초 이미지 제공: Jessica Reichert 박사

그러나 핫 왁스나 알루미늄 호일을 사용하여 산호의 치수를 결정하는 전통적인 접근법으로는 하나의 살아있는 산호를 정밀하고 반복적으로 측정하는 것은 거의 불가능합니다.

두 방법 모두 오늘날에도 여전히 사용되고 있지만, 그 한계는 바로 나타납니다. 핫 왁스 과정에는 뜨거운 파라핀 통에 산호 한 개를 담그고, 완전히 마르면 왁스 껍질로 인해 증가된 무게를 측정하는 작업이 수반됩니다.

불행하게도 산호는 이 단계에서 살아남지 못하므로 후속 측정은 인접해 있는 별도의 치수가 다른 산호에 대해서만 할 수 있습니다.

알루미늄 호일을 사용하여 산호가 실제로 시련에서 살아남도록 비슷하지만 훨씬 덜 정확한 측정을 수행할 수 있지만, 연구자가 오랜 시간 동안 매우 느리게 움직여야 하며, 이는 산호의 느린 성장 속도(월 0.8~5mm)를 정량화할 만큼 충분히 민감한 결과를 만들어 내지 못합니다.

새로운 기술 도입

그러나 기센에서는 기존 방법 중 어느 것도 몇 년 동안 사용되지 않았습니다. 대신 그들은 측정 방식으로 Artec Spider를 사용한 3D 스캐닝을 전적으로 채택했습니다.

Artec Spider와 스캐닝 대기 중인 푸른 산호(Heliopora coerulea) 이미지 제공: Jessica Reichert 박사

최소한의 접촉으로 모든 산호가 모든 측정 세션에서 살아남을 뿐만 아니라 전체 스캔에 단 1분도 걸리지 않습니다.

이것은 그들의 생산성에 지대한 영향을 끼쳤습니다. Reichert는 “저는 보통 오후에 약 50개 아니면 하루에 100개의 산호를 스캔합니다. 산호의 안전을 100% 확실하게 하는 것은 말할 것도 없고, 과거에는 그렇게 빨리 작업할 수 없었습니다."라고 설명했습니다.

Reichert는 “하나의 장기 스캐닝 프로젝트에서 300개의 산호를 스캔했습니다. 이 산호들을 서로 밀접하게 스캔해야 했기 때문에 Spider 없이 이전 방식으로 측정해야 한다면 단순히 그렇게 짧은 시간 내에 그것들을 모두 측정할 수 없기 때문에 여러 연구자가 산호를 측정해야 하거나 정확도가 낮아져야 합니다.”라고 말했습니다.

스캐닝 작업 흐름 측면에서 Reichert는 모든 스캔을 한 번에 수행하고 나중에 Artec Studio 소프트웨어에서 스캔을 처리합니다.

Artec Spider를 사용하여 손가락 산호(Acropora humilis) 스캐닝 이미지 제공: Jessica Reichert 박사

스캐닝에서는 두 명의 연구자가 중요합니다. 한 명은 수족관에서 신선하게 젖은 상태로 가져온 산호를 스캔할 회전 테이블에 배치할 때 다루고 다른 한 명은 Spider로 스캔하기 때문입니다.

그들은 또한 자체적으로 특정 유형의 산호를 배치하는 '이쑤시개와 바늘' 방법을 개발했습니다. 이를 통해 한 번도 위치를 바꾸지 않고도 전체 산호를 구석구석 스캔할 수 있습니다.

습기를 통해 스캔하는 Spider의 기능 또한 유용한 것으로 입증되었습니다. Reichert는 “산호가 젖어 있어도 Spider는 반사율 측면에서 산호를 문제없이 잘 캡처합니다. 스캔 설정을 실험하면서 이 사실을 발견했습니다."라고 말했습니다.

그녀는 이어서 "Spider를 사용하면 설정을 사용자 지정할 수 있기 때문에 무언가를 스캔할 수 있는지 여부에 얽매이지 않게 됩니다. 이렇게 하면 다른 스캐너로는 캡처할 수 없는 것이 스파이더로 가능해집니다."라고 말했습니다.

예를 들어, 밝고 복잡한 산호를 스캔할 때 더 높은 감도 설정을 사용하여 아주 작고 복잡한 구조도 캡처합니다. 반면에 어둡고 단순한 산호에 대해서는 더 낮은 감도로 전환됩니다. 초기에 이 팀은 각 산호 종에 대한 최적의 스캐너 설정 목록을 작성했습니다.

후드 산호(S. pistillata)의 Spider 스캔( 텍스처가 적용되지 않은 상태 및 적용된 상태)의 스크린숏. 이미지 제공: Jessica Reichert 박사

Artec Studio에서 스캔을 처리한 후 산호의 3D 모델은 일반적으로 OBJ 파일로 MeshLab으로 내보냅니다. 그들은 또한 산호 모델의 표면적과 부피를 자동으로 분석하기 위한 그들만의 파이썬(Python) 스크립트를 만들었습니다.

Spider 스캔에 대한 다른 중요한 가능성도 열렸습니다. 브라질 동료인 수학자 André R. Backes는 산호의 프랙털 차원(fractal dimensions)을 분석하기 위한 C 프로그램을 개발했습니다. 기본적으로 산호가 얼마나 복잡한지 그리고 서로 얼마나 유사한지 확인하기 위해서입니다.

그들의 최신 연구에 따르면 전 세계 해양의 미세 플라스틱 수준이 높아지면서 산호의 성장과 건강에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 동시에, 산호는 미세 플라스틱을 삼키고 그것을 먹이로 혼동하며, 그러고 나서 그것을 자신의 골격 안에 캡슐화함으로써 주변의 바다를 청소합니다.

산호의 탄산칼슘 골격에 박힌 미세플라스틱. 이미지 제공: Jessica Reichert 박사

대규모 수중 연구

대부분의 사람들이 생각하는 것과 달리, 미세 플라스틱의 가장 큰 원천은 샤워젤이나 화장품과 같은 사치품이 아닙니다. 대신, 크게 최악의 범죄자는 자동차 타이어 먼지, 합성 의류와 페인트 입자입니다.

Reichert와 그녀의 팀은 또한 섭취한 미세 플라스틱이 산호 구조를 약화시키고 더 쉽게 부서지게 하는지에 대한 질문을 조사하고 있습니다. 입증된다면 이것은 전 세계 해안선이 폭풍과 쓰나미 사이에 서 있는 유일한 것인 산호초를 잃을 위험에 처해 있다는 것을 더욱 강조할 것입니다.

연구에 따르면 환경적 피해 외에도 미세 플라스틱은 신경 독성이 있으며 심지어 우리의 DNA를 바꿀 수도 있습니다.

이러한 결과를 언급하면서, Reichert는 "우리는 미래의 영향, 즉 만약 우리가 지금 당장 미세 플라스틱을 없애거나 극적으로 줄이지 않는다면 10년이나 20년 후에 무슨 일이 일어날지 살펴보고 있습니다. 우리는 방향을 바꿔야 하며, 우리는 이 일을 즉시 시작할 힘과 책임이 있습니다."라고 말했습니다.

Reichert와 그녀 동료들의 또 다른 초점은 따뜻한 물과 바닷물의 높아진 CO₂ 수치를 포함하여 산호에 대한 기후 변화의 영향입니다. 특히 해양 산성화의 영향에 초점을 두는데 이는 산호의 골격이 형성되는 방식에 큰 영향을 미치기 때문입니다.

또한 산호에서 일어나는 이러한 형태학적 변화가 파도 작용에 영향을 미치는지 여부도 조사 중입니다. 산호는 주변 환경의 영향을 많이 받기 때문에 물에 강한 해류가 있으면 약하거나 중간 정도의 해류가 있을 때에 비해 다른 방식으로 성장합니다.

이러한 방향에서 Reichert의 동료인 Universidad Nacional de Colombia, Sede Caribe, Grupo de Investigación en Oceanografía e Ingeniería Costera(OCEÁNICOS)의 Juan David Osorio Cano, I.C, M. Ing 박사는 Reichert의 Spider 스캔에서 산호 모델을 3D 프린팅하고 이를 수로에서 사용하여 시간이 지남에 따라 산호 모양이 변하면서 그 주변의 해류에 미치는 영향을 연구했습니다.

Blender를 사용하여 3D 프린팅을 위한 후드 산호(S. pistillata)의 3D 모델 준비. 이미지 제공: Juan David Osorio Cano 박사

3D 프린팅 산호를 사용함으로써 연구자들은 산호의 정확한 치수를 얻게 되고, 실험이 거듭될수록 크기와 모양 변수가 일정하게 유지되어 잘못 다루어서 산호가 죽을 위험이 없습니다.

Reichert는 “우리가 수행하고 있는 이 연구는 Spider로 하는 3D 스캐닝 없이는 할 수 없다는 점을 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 과거에는 시간이 지남에 따라 발생하는 산호의 성장과 모양의 변화를 이렇게 정확하게 추적할 수 없었습니다. 그러나 우리는 이제 이 모든 것을 할 수 있는 힘이 있습니다.“라고 말했습니다.

그녀는 이어 “잘 훈련된 눈을 가진 연구자라면 누구나 산호를 보고 그 모양이 변했다는 것을 알 수 있지만, 과학적 관점에서 볼 때 그것으로는 충분하지 않습니다. Spider 스캐너를 사용하면 이를 정량적으로 측정하여 모양이 정확히 어떤 방식으로 변했는지 보여줄 수 있습니다. 그래야만 무슨 일이 일어나고 왜 그런지 이해하기 시작할 수 있습니다."라고 말했습니다.

물 흐름 연구를 위해 준비된 3D 프린팅된 후드 산호(S. pistillata). 이미지 제공: Juan David Osorio Cano 박사

Reichert와 그녀의 팀은 기센에서 작업을 하면서 많은 다양한 산호 종에 대한 연구를 계속하고 있습니다.

아직 훨씬 더 많은 것들이 탐구를 기다리고 있습니다. 산호가 모양을 바꿀 수 있는 다양한 방법, 그러한 변화를 주도하고 있는 매개 변수는 어떤 것인지, 이 지식을 산호초 생태계 수준으로 가장 잘 전달할 수 있는 방법, 그리고 마지막으로 산호초의 복잡성이 어떤 영향을 받을 것인지, 그리고 이 산호초 안에 사는 물고기들에게 그리고 궁극적으로 우리에게도 어떤 결과가 나타날 것인지를 이해하는 것입니다.