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이웃집과학자

특정 시기에 '산소 폭증' 왜?

By 이웃집과학자

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약 40억 년 전 지구가 여전히 부분적으로 녹아있고, 소행성 등이 끊임없이 충돌하는 '운석대충돌기'를 겪을 당시, '최초의 생명체'라 할 만한 일종의 시스템이 등장합니다. 하지만 지구 대기 중의 산소 양은 일정하지 않았고 지속적으로 변했던 것으로 추정됩니다. 당시에는 무산소 조건에서 살 수 있었던 시아노박테리아와 남조류 같은 미생물이 번성했습니다. 이들은 광합성을 통해 산소 분자를 배출했죠.

호주에 있는 스트로마톨라이트는 35억 년 전 고대 미생물로부터 형성됐다.

하지만 산소는 약 24억년 전 '산소대폭발사건(Great Oxidation Event, GOE)'이 발생하며 지구 대기에 처음으로 축적되기 시작했습니다. 지질학적 단서들은 이보다 수 억년 전 초기 박테리아가 광합성을 하며 산소를 뿜었다는 걸 암시했지만, 이해되지 않는 점이 있었는데요. 과학자들이 오랫동안 이해할 수 없었던 점은 왜 조금 더 일찍 대기에 산소가 축적되지 않았을까 하는 의문입니다. 산소는 어디로 다 사라졌던 걸까요?


지구 맨틀의 진화, 대기 중 산소 컨트롤

그런데 <Nature Communications>에 게재된 연구에 따르면 산소 농도가 증가하는 걸 방해하던 뭔가가 있었던 것 같습니다. 워싱턴대학교 연구진들이 수십억년 된 암석을 통해 분석한 결과 화산 가스가 유력한 원인이 될 수 있다는 사실을 발견한 건데요.

이 연구의 주요 저자이자 워싱턴대학교 지구 및 우주과학과 박사 후 연구원인 Shintaro Kadoya은 "이 연구는 대기 중 산소의 진화에 대한 고전적인 가설을 재구성 한 것"이라며 "데이터를 분석한 결과 지구 맨틀의 진화가 지구 대기의 진화를 통제할 수 있었고 어쩌면 생명체 진화에도 영향을 줬을 거라는 점을 보여준다"고 전했습니다. 

약 25억년 전 이 거대한 스트로마톨라이트 화석은 남아프리카에 위치하고 있다. 이 사진 속 숨은 그림 찾기를 할 수 있는 부분이 있는데, 사람의 다리를 찾아 보아라. 스케일 파악을 위해 스트로마톨라이트 위에 사람이 앉아있다. 이 화석의 층을 이룬 광물들은 산소를 발생시킨 광합성 박테리아를 포함한 미생물 집단에 의해 고대 해안지대에서 축적됐다. 새로운 연구는 이러한 미생물들이 만들어낸 산소가 약 24억년 전 지구 대기에 축적되기 전 수백만년 동안 화산가스와 반응했다는 걸 시사한다.

출처David Catling/University of Washington

다세포 생물은 산소의 집중적인 공급을 필요로 합니다. 이 때문에 지구 대기에 산소가 축적된 사건은 산소로 호흡하는 생명체 진화의 열쇠가 됩니다. Shintaro Kadoya 박사는 "만약 이 연구가 시사하듯이 맨틀의 변화가 대기의 산소를 제어했다면, 맨틀은 궁극적으로 생명체 진화의 속도를 조정했을 것"이라고 전했습니다.


이 연구는 <Geochimica et Cosmochimica Acta(2019)>에 게재된 연구를 기반으로 진행됐습니다. 연구는 초기 지구의 맨틀이 오늘날 맨틀보다 산화가 덜 일어났거나 산소와 반응할 수 있는 물질을 더 많이 함유하고 있다는 내용이었습니다. 이 연구의 저자는 스크립트 해양대학의 Robert Nicklas와 메릴랜드대학교의 Igor Puchtel와 애리조나 주립대학교의 Ariel Anbar인데요. 남아프리카와 캐나다 등지에서 수집한 35억 5천만년 전의 고대의 화산암을 연구했습니다. 이외에도 맨틀의 변화가 지표상으로 빠져나간 화산가스에 어떤 영향을 미치는지를 살폈습니다.

화산가스가 산소를 먹어치우다

지구상에 미생물이 만연했던 시생누대(Archean Eon)에는 오늘날보다 화산 활동이 활발했습니다. 화산 분출은 마그마와 화산가스를 만듭니다. 화산 가스는 분출이 발생하지 않아도 밖으로 빠져갈 때가 있습니다. 화산 가스 중 일부는 산소와 반응해 다른 화합물을 형성하기도 하는데요. 이는 산소가 전자를 선호하는 경향을 띠기 때문에 느슨하게 한두 개의 전자를 지닌 원자와 반응하게 됩니다. 예를 들어 화산 분출로 방출된 소수는 대기에서 산소와 결합해 대기 중 산소를 제거합니다.

지구 맨틀의 화학적 구성, 즉 지구의 지각 아래에 있는 부드러운 암석 층은 궁극적으로 화산에서 나오는 용융된 암석과 가스의 종류를 조절합니다. 산소가 적게 함유된 초기 맨틀은 산소와 잘 결합하는 수소 등의 가스를 더 많이 만들어 낼 수 있었을 것으로 보입니다. 2019년 논문에서 맨틀은 35억년 전부터 오늘날까지 점차적으로 산화되었다는 사실을 시사합니다.

남아프리카 코마디 계곡(Komati Valley)에서 나온 고대의 코마티아이트(komatiite) 용암. 우측의 망치는 스케일을 보기 위한 것. 공동저자들은 맨틀의 화학작용이 어떻게 변했는지 알아내기 위해 30억년보다 더 오래된 이런 종류의 용암을 이용한다.

출처CSIRO/Wikipedia

이번 연구의 공동저자이자 워싱턴대학교 지구 및 우주과학과 교수인 David Catling는 "기본적으로 산화되기 쉬운 화산가스의 공급은 광합성 진화 이후 수 억년 동안 광합성으로 배출된 산소를 먹어 치웠을 것"이라며 "그러나 맨틀 자체가 더욱 산화되면서 산화되기 쉬운 화산 가스가 더 적게 배출됐고, 더 이상 화산 가스가 산소를 모두 없애지 못하게 됐을 때 산소가 대기에 넘쳐나기 시작했다"고 설명했습니다.


이는 지구상의 복잡한 생명체가 어떻게 등장했는지를 이해하고 다른 행성에 생명체가 존재할 가능성을 파악할 때 도움을 줍니다. Kadoya는 "이번 연구는 행성 표면에서 생명체 진화를 고려할 때 행성의 맨틀을 배제할 수 없다는 걸 보여준다"고 말했습니다. 

##참고자료##

  • Kadoya, Shintaro, et al. "Mantle data imply a decline of oxidizable volcanic gases could have triggered the Great Oxidation." Nature Communications 11.1 (2020): 1-9. 
  • Nicklas, Robert W., et al. "Secular mantle oxidation across the Archean-Proterozoic boundary: Evidence from V partitioning in komatiites and picrites." Geochimica et Cosmochimica Acta 250 (2019): 49-75.

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