화학합성 생태계의 현장: 동굴의 생태학과 황화수소 기반 먹이망

동굴 생태학에서 ‘화학합성 생태계’는 햇빛 없이도 유기물을 만들어 먹이망을 세우는 드문 사례다.

이 글은 황화수소 기반 먹이망이 어떻게 미생물에서 동굴 생물로 이어지는지, 그리고 그 구조가 왜 미기후와 기체 조성에 의해 쉽게 바뀌는지 동굴 생태학 관점에서 정리한다.

 

 

1. 화학합성 생태계의 출발점: 동굴 생태학이 보는 ‘황화수소 기반 1차 생산’

동굴 생태학에서 가장 기본 전제는 “빛이 거의 없으므로 광합성 중심의 생산이 제한된다”는 사실이다. 그런데 일부 동굴 환경에서는 예외가 생긴다. 동굴수나 지하수에 황화수소(H₂S) 같은 환원성 물질이 지속적으로 공급되면, 특정 미생물은 이를 에너지원으로 이용해 무기탄소(CO₂ 등)를 고정하고 유기물을 만들어 낼 수 있다.

 

이 과정이 곧 화학합성(정확히는 화학합성 기반의 화학독립영양, chemoautotrophy)이며, 황화수소 기반 먹이망의 가장 아래층을 만든다. 실제로 황화수소를 에너지원으로 삼아 무기탄소를 고정하는 화학합성 미생물 매트가 “먹이의 바닥”이 되는 동굴 생태계가 보고되어 왔다. 동굴 생태학 관점에서 이것은 ‘동굴도 내부에서 생산이 가능하다’는 뜻이 아니라, ‘특정 화학 조건이 갖춰지면 동굴 내부에서 제한적이지만 독립적인 생산이 성립한다’는 뜻이다. 다만 황화수소는 인체에도 유해한 독성 기체이므로, 이런 환경은 생물에게도 쉬운 서식지가 아니다.

 

그럼에도 먹이 유입이 적은 동굴에서 “황화수소 기반 1차 생산”이 성립하는 순간, 에너지 흐름의 출발점이 외부 유입(낙엽·구아노)에서 내부 생산(미생물)으로 일부 이동하고, 화학합성 생태계라는 별도의 현장이 만들어진다.

 

나는 동굴 생태학 글을 쓸 때 ‘어둠이라서 아무것도 못 만든다’는 선입견이 깨지는 지점이 이 글을 읽는 이들의 집중력을 올린다고 생각한다.

 

 

2. 황화수소 기반 먹이망의 구조: 미생물 매트 → 섭식자 → 포식자라는 동굴 생태학의 층

동굴 생태학에서 황화수소 기반 먹이망은 대체로 “미생물 생산층–미생물 섭식층–상위 포식층”으로 정리된다.

 

첫 층은 벽면·수면·바닥에 형성되는 미생물 매트(바이오필름)다. 여기에는 황화수소를 산화해 에너지를 얻는 미생물이 포함될 수 있으며, 이들이 무기탄소를 고정해 유기물을 만든다.

둘째 층은 이 미생물 매트 자체를 긁어먹거나(그레이징), 매트에서 떨어져 나온 유기입자·미생물 덩어리를 먹는 작은 무척추동물이다. 동굴 생태학에서 곤충·절지동물, 환형동물, 갑각류 같은 소형 생물은 “에너지 전달의 핵심 다리”다. 이들은 먹이를 자주 못 만나는 환경에서 한 번의 자원을 최대한 활용하도록 행동이 단순해지거나(벽면 따라 이동, 매트 집중 섭식), 이동 비용을 줄이는 방향으로 적응하기 쉽다.

셋째 층은 이 소형 섭식자를 먹는 포식자다. 포식성 절지동물이나 더 큰 수서생물은 ‘먹이가 모이는 지점’에서 사냥 효율이 높아지므로, 황화수소 기반 먹이망에서는 공간 구조가 곧 먹이망 구조가 되기 쉽다.

 

그리고 중요한 포인트가 하나 있다. 이런 동굴 먹이망은 햇빛 기반 생태계처럼 “식물→초식→육식”의 익숙한 서열이 아니라, “미생물 생산→미생물 섭식→포식”이라는 동굴 생태학 특유의 설계로 굴러간다는 점이다. 실제로 화학합성 생산이 동굴 생물군의 먹이 기반이 될 수 있다는 점은 안정동위원소 분석 등으로 확인된 바 있다. 즉 황화수소 기반 먹이망은 ‘특이한 사례’가 아니라, 동굴 생태학이 말하는 에너지 흐름의 또 다른 정식 모델로 이해할 수 있다.

 

 

3. 미기후가 곧 경계선이다: 산소·황화수소·수온·바람이 먹이망을 자르는 방식

동굴 생태학에서 화학합성 생태계는 “생물이 어떤 기능을 갖췄는가”만큼 “물과 공기의 조성이 어떻게 층을 이루는가”가 중요하다. 황화수소 기반 먹이망이 성립하는 동굴 환경은 대체로 황화수소·메탄·암모늄 등 환원성 물질이 존재하고, 산소 농도가 낮거나 변동이 큰 경우가 많다.

 

여기서 산소와 황화수소의 만나는 경계는 생태적으로 매우 큰 의미를 가진다. 황화수소를 산화하는 미생물은 산소(또는 다른 전자수용체)가 필요한 경우가 있어, “황화수소는 충분하지만 산소가 너무 없으면” 생산이 제한될 수 있고, 반대로 “산소는 있지만 황화수소가 부족하면” 먹이망의 기반이 약해질 수 있다. 그래서 동굴 생태학은 동굴수의 층상 구조(산소가 있는 얇은 표층, 산소가 거의 없는 하층), 수온의 안정성, 공기 흐름(바람길)과 기체 축적, 습도 같은 미기후가 먹이망의 위치와 범위를 결정한다고 본다. 이 조건이 바뀌면 미생물 매트의 두께와 분포가 달라지고, 섭식자가 모이는 지점도 이동하며, 포식자까지 연쇄적으로 재배치된다. 또한 이런 환경은 인간에게도 위험할 수 있는 저산소·유해가스 조건을 동반할 수 있으므로, 동굴 생태학 글에서는 “신비한 생태계”로만 소비하지 않고, ‘조건의 경계가 생물 분포를 자른다’는 메커니즘 중심으로 설명하는 편이 정보성 글로 더 안정적이다.

 

요약하면 황화수소 기반 먹이망은 화학반응 하나로 완성되는 것이 아니라, 산소·황화수소·수온·바람이 만든 미세한 경계 위에서만 유지되는 ‘현장형 생태계’다.

 

 

4. 동굴 생태학 관점 정리와 체크포인트 적용: 글의 SEO 일관성과 병준이 해야 할 일

결론적으로 화학합성 생태계의 현장은 동굴 생태학이 말하는 “빛 없이도 가능한 에너지 흐름”을 가장 극단적으로 보여준다.

 

황화수소 기반 먹이망은 미생물 매트가 1차 생산을 담당하고 , 그 생산이 동굴 무척추동물 군집의 먹이 기반이 될 수 있으며 , 이 모든 구조는 산소·황화수소의 경계와 미기후에 의해 쉽게 재편된다. 따라서 동굴 생태학에서 이 주제는 ‘희귀해서 재미있는 소재’가 아니라, 에너지 흐름·먹이망·미기후가 한 번에 연결되는 핵심 단원으로 정리할 수 있다.