(The Jeerinah Formation in Western Australia, where a UW-led team found a sudden shift in nitrogen isotopes. "Nitrogen isotopes tell a story about oxygenation of the surface ocean, and this oxygenation spans hundreds of kilometers across a marine basin and lasts for somewhere less than 50 million years," said lead author Matt Koehler. Credit: Roger Buick / University of Washington)
초기 지구 대기에는 산소가 거의 없었습니다. 초기 지구의 대기 상태는 이산화탄소와 메탄 같은 온실효가 강한 기체가 대부분이었고 덕분에 지금보다 태양의 밝기가 어두웠는데도 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 기온을 유지한 것으로 생각됩니다. 그러나 지구 역사의 초기에 탄생한 생명체가 이와 같은 상황을 바꿔 놓습니다. 시아노박테리아 같이 지금까지 번성하는 초기 생물체가 광합성을 통해 이산화탄소를 산소로 바꿨기 때문입니다.
하지만 이로 인해 바로 대기 중 산소 농도가 올라가지는 않았습니다. 산소는 다른 원소와 쉽게 반응하는 반응성이 좋은 기체라 당시에 산화되지 않은 여러 물질에 달라 붙어 흡수되었기 때문입니다. 이 시기에 막대한 산화철을 비롯한 다양한 산화물이 풍부한 지층이 형성되어 그 사실을 말해주고 있습니다. 하지만 산화시킬 물질을 다 산화시킨 후 지구 대기에는 산소 농도가 극적으로 증가하는 큰 변화가 발생했습니다.
이를 대산소화 사건 (GOE, Great Oxygenation Event)라고 부르는데, 생명체가 호흡할 수 있는 산소가 생기면서 진핵세포나 다세포 동물 같은 더 복잡한 생물이 등장할 토대를 마련했다고 해석되고 있습니다. 이 내용에 대해서는 제 책인 포식자에서 설명한 바 있습니다.
대산소화 사건은 24-25억년 전으로 생각되지만, 흥미롭게도 그 이전에도 산소 농도가 증가했다는 연구 결과가 발표되고 있습니다. ( https://blog.naver.com/jjy0501/221191399535 참조) 최근 워싱턴 대학의 연구팀은 이 이벤트가 한 번이 아니라 여러 차례 있었을지 모른다는 증거를 발견했습니다. 매트 코흘러 (Matt Koehler)를 비롯한 연구팀은 호주의 오래된 지층에서 대산소화 사건 이전 1억 5천만년 전과 5천만년 - 1억년 사이 최소 한 차례 이상 산소 농도가 올라간 사건이 있었다고 저널 PNAS에 발표했습니다.
물론 이렇게 오래된 지층에서 산소 원자의 존재를 밝히는 일은 쉽지 않습니다. 연구팀은 대기 중 산화 반응 및 침식의 간접적인 증거인 셀레늄 동위 원소의 변화를 측정해 이와 같은 결론을 내렸습니다. 이에 따르면 대산소화 시기 이전인 26억 6000만년 전에도 대기 중 산소 농도가 의미있게 증가한 것으로 보인다고 합니다.
구체적으로 어떤 기전이 산소 농도의 증감을 가져왔는지는 알 수 없지만, 초기 지구에서 대기 중 산소 농도는 불안정하게 큰 변화를 보였을 가능성이 있습니다. 연구팀은 이를 근거로 외계 행성 탐사에서 산소 농도를 통해 진보된 생명체의 증거가 없다는 결론을 성급하게 내려서는 안된다고 주장했습니다.
마지막 부분은 외계 행성에서 생명체를 탐사하는 과학자들에게도 흥미로운 내용이 될 것 같습니다.
참고
Matthew C. Koehler el al., "Transient surface ocean oxygenation recorded in the ∼2.66-Ga Jeerinah Formation, Australia," PNAS (2018). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1720820115
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