생태계 프로파일러 안정동위원소

과학수사대(CSI)가 살인 사건 현장에서 범인을 잡을 때 가장 먼저 찾는 것은 지문과 혈흔이다. 그렇다면 수천 년 전 멸종된 매머드가 겨울철에 어떤 풀을 뜯어 먹고 살았는지, 호수 바닥에 가라앉은 물고기가 어느 지역에서 헤엄쳐 온 녀석인지 추적할 때는 무엇을 찾아야 할까? 생태학자들에게는 타임머신이 없지만, 그 대신 자연이 남겨놓은 완벽하고도 지워지지 않는 화학적 지문인 '안정동위원소(Stable Isotope)'를 쫓는 프로파일러의 기술이 있다. 생명체는 살아가면서 끊임없이 숨을 쉬고 음식을 먹으며 주변 환경과 원자들을 교환한다. 이때 몸속의 뼈, 털, 발톱에 쌓이는 미세한 화학 물질의 비율은 그 동물이 평생 무엇을 먹고 어디를 돌아다녔는지를 기록하는 지독하게 정확한 블랙박스가 된다. 탄소와 질소라는 가벼운 원소들의 미세한 무게 차이를 이용해 과거와 현재 생태계의 숨겨진 먹이사슬을 귀신같이 복원해 내는 안정동위원소의 과학을 들여다보자.

동위원소, 쌍둥이 원자의 미세한 무게 차이

세상을 이루는 화학 원소(탄소, 산소, 질소 등)들은 모두 양성자의 개수로 정체성이 결정된다. 탄소는 양성자가 6개다. 하지만 같은 탄소라도 뱃속에 들어있는 중성자의 개수는 약간씩 다를 수 있다. 중성자가 6개면 몸무게가 12인 '탄소-12'가 되고, 중성자가 7개면 조금 더 뚱뚱한 '탄소-13'이 된다. 이 둘은 화학적 성질은 완벽하게 똑같지만 오로지 '무게'만 미세하게 다른 쌍둥이다. 뚱뚱한 탄소-13은 방사능을 뿜지 않고 영원히 변하지 않기 때문에 '안정(Stable) 동위원소'라 부른다. 자연계에 탄소-12는 99% 널려 있지만, 무거운 탄소-13은 고작 1% 남짓 존재한다. 놀라운 사실은, 생명체들이 밥을 먹고 소화를 시킬 때 이 미세한 무게 차이 때문에 화학 반응의 속도가 달라진다는 점이다. 식물이 광합성을 하거나 동물이 숨을 쉴 때, 가벼운 탄소-12는 재빨리 날아가거나 소모되고 무거운 탄소-13은 뱃속에 남아 몸을 구성하는 조직(뼈, 근육)에 켜켜이 쌓이게 된다. 이 쌓이는 비율(동위원소 비, Ratio)이야말로 완벽한 생태계의 바코드가 된다.

네가 무엇을 먹었는지 탄소는 알고 있다

탄소 동위원소(C13/C12 비율)는 그 동물이 육상 생태계에서 '어떤 종류의 식물'을 먹고 자랐는지 완벽하게 폭로한다. 벼나 보리, 나무 같은 식물(C3 식물)들은 광합성을 할 때 무거운 탄소-13을 극도로 싫어해서 잎사귀에 가벼운 탄소가 압도적으로 많다. 반면 옥수수나 잔디 같은 더운 지방 식물(C4 식물)들은 광합성 방식이 달라서 무거운 탄소-13을 꽤 많이 흡수한다. 만약 어떤 짐승의 뼈를 분석했는데 무거운 탄소-13의 비율이 높게 나왔다면, 그 짐승은 옥수수밭이나 사바나 초원의 잔디를 뜯어 먹고 자란 녀석임이 틀림없다. 고고학자들은 수천 년 전 원시인들의 치아 화석에서 이 탄소 비율을 분석하여, 인류가 언제부터 밀(C3) 농사를 포기하고 옥수수(C4)를 주식으로 삼기 시작했는지 농업 혁명의 시기를 족집게처럼 찾아낸다.

먹이사슬의 포식자를 찾아내는 질소의 마법

질소 동위원소(N15/N14 비율)는 생태계의 '계급장'을 찾아내는 프로파일러다. 동물이 먹이를 먹고 배설물로 찌꺼기를 내보낼 때, 가벼운 질소-14는 오줌으로 쉽게 쑥쑥 빠져나가지만 무거운 질소-15는 빠져나가지 못하고 체내 단백질에 고스란히 농축된다. 이 때문에 먹이사슬의 피라미드를 한 칸씩 올라갈 때마다 포식자의 몸통에는 무거운 질소-15의 비율이 약 3%씩 꼬박꼬박 뻥튀기되어 쌓인다. 초식동물(토끼)보다 육식동물(여우)의 질소 동위원소 비율이 높고, 최상위 포식자(호랑이, 상어)로 갈수록 이 비율은 치솟는다. 바다표범 화석의 뼈를 분석해 질소 비율이 급격히 떨어지는 시기를 찾아내면, 당시 바다에 상어 같은 거대 포식자가 멸종하여 바다표범이 먹이사슬의 꼭대기를 차지했었다는 해양 생태계의 거대한 변화를 증명할 수 있다.

철새의 깃털이 말해주는 물의 고향, 산소 동위원소

산소 동위원소(O18/O16)와 수소 동위원소는 생명체의 '지리적 이동 경로'를 추적하는 내비게이션이다. 바다에서 증발한 물이 비구름이 되어 내륙으로 이동할 때, 무거운 산소-18은 무거워서 바닷가 근처에 비로 먼저 떨어져 버린다. 따라서 내륙 깊숙한 곳이나 극지방으로 갈수록 호수나 강물에는 가벼운 산소-16만 남게 된다. 어떤 철새가 봄에 날개털갈이를 하며 그 지역의 물을 마셨다면, 새의 깃털 케라틴 단백질에는 그 지역 고유의 물(산소 동위원소 비율)이 영원히 박제된다. 조류학자들은 한국에 날아온 철새의 깃털 하나만 쑥 뽑아 분석해도, 이 새가 시베리아 한복판에서 태어났는지 아니면 알래스카 해안가에서 자랐는지 GPS 없이도 완벽한 고향을 추적해 낸다.