오늘날 지구 대기의 21% 는 산소입니다. 또 지각에 다양한 원자들과 결합한 상태로 막대한 양의 산소가 존재합니다. 이렇게 산소는 지구에서 가장 흔한 원자가운데 하나이지만 과학자들은 오래전 지구 대기에는 산소의 비율이 매우 낮았다는 것을 알고 있습니다. 오래전 단순한 생명체가 탄생한 이후 수십억년 동안 다세포 동물로 진화하지 못했던 이유로 흔히 지목되는 것이 바로 이런 낮은 산소의 비율이었습니다.
단순한 박테리아, 그리고 핵을 가진 진핵 생물, 이 진핵 생물이 모여서 만들어진 다세포 생물이 되는 과정은 엄청난 에너지 소비가 수반되는 과정입니다. 이런 큰 에너지를 얻을 수 있는 화학 반응은 반응성이 매우 큰 원자인 산소를 이용하는 것이었습니다. 산소는 반응성이 매우 커서 많은 원소와 반응해 산화물을 형성하고 에너지를 내놓습니다. 우리가 보는 대부분의 불꽃이 바로 그런 경우이며 호흡은 제어된 연소라고 할 수 있을 것입니다.
대기 중 산소는 원시적인 원핵 생물의 광합성에서 부터 비롯되었습니다. 이들이 만든 산소는 금방 다른 원소들과 결합해서 침전되었는데 이 흔적은 지금도 지구 곳곳에 남아 있습니다. (예를 들어 철과 반응해서 산화철을 만듬) 반응성이 큰 산소의 특징 때문에 이 시기 만들어진 산소는 대기에서 대부분 제거되었습니다. 그러나 아마도 원생대 (Proterozoic) 의 마지막 시기인 6-7 억년 전쯤에는 대기 및 해양에서 산소가 점차 축적되게 되는데 이 시기에 이르러 초기 동물들이 탄생한 이유라고 여겨지고 있습니다.
이와 같은 산소 가설은 여러가지 증거를 통해 지지되고 있습니다. 그러나 보다 정확한 증거를 찾아서 이론을 검증하는 것은 과학자의 의무와도 같은 것이죠. 최근 중국 및 미국의 과학자들이 선사시대 대기 중 산소의 농도에 대한 중요한 증거를 발견했다고 합니다. 예일 대학의 노아 플라나브스키 (Yale University biogeochemist Noah J. Planavsky) 와 그의 동료들이 과학저널 사이언스에 발표한 내용에 따르면 10 억년 전 대기 중 산소 농도는 지금의 불과 0.1 % 에 지나지 않았다고 합니다.
(북중국에서 발견된 암석. The photo shows a sample collected in northern China with abundant large grains coated by iron oxides. The grains, deposited in shallow, nearshore settings in the ancient ocean, can capture the chromium isotope composition of river water draining the ancient continents. Those waters, in turn, can record reactions in ancient soil in the presence or absence of appreciable atmospheric oxygen. In this way, the iron-rich grains are something like an oxygen paleobarometer for the ancient atmosphere. Credit: X. Chu, Chinese Academy of Sciences)
연구자들은 중국, 호주, 캐나다, 미국 등에서 발견된 암석의 크롬 동위원소 분석을 통해서 과거 원생대의 산소 농도를 밝혀줄 자료를 찾았습니다. 크롬 산화물에 섞인 동위원소는 연구자들에 의하면 중요한 단서를 제공한다고 하네요.
연구팀은 18 억년에서 8 억년 사이의 대기 중 산소 농도를 이를 통해 재구성했습니다. 그 결과에 의하면 초기 지구 대기의 산소 농도는 사실 안정된 것은 아니었다고 합니다. 간간히 대기 중 산소 농도가 치솟았다가 감소한 역사도 있었다고 합니다. 그러나 원생대 말에 이르면 다세포 동물이 등장할 수 있을 만큼 풍부한 산소가 대기 중에 존재하고 있었다고 합니다.
이와 같은 연구의 중요점은 바로 최초의 동물의 탄생이 과연 산소와 관련이 있는지 아닌지 가설을 검증하는데 있습니다. 산소 농도가 충분히 올라갔음에도 오랜 세월 다세포 동물의 증거가 보이지 않는다면다세포 동물의 등장에 있어서 산소 가설은 다시 검증이 필요할 것입니다. 이 연구 결과는 다세포 생물의 탄생에 높은 산소 농도가 중요한 역할을 했다는 내용을 지지하는 것으로 풀이됩니다.
오늘날 우리는 그 고마움을 잘 느끼진 못하지만 대기중의 높은 산소 농도가 아니었다면 삼엽충, 공룡, 곤충, 인간까지 우리가 아는 모든 다세포 동물은 존재할 수 없었을 것입니다. 그렇게 생각하면 지금 우리가 들이쉬는 산소야 말로 지구라는 행성의 생명의 역사에서 조연이 아닌 숨은 주역이라고 생각할 수 있겠죠.
참고
"Low Mid-Proterozoic atmospheric oxygen levels and the delayed rise of animals." Science 31 October 2014: Vol. 346 no. 6209 pp. 635-638 DOI: 10.1126/science.1258410
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