14억 년 전 지구 대기를 열어 본 과학자들.

 (Microscopic image of fluid inclusions in 1.4-billion-year-old halite crystals, which preserve ancient air and brine. Credit: Justin Park/RPI)

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과학자들이 14억 년 전 암석 속에 갇혀 있던 공기 방울을 통해 고대 지구의 환경에 대한 단서를 찾아냈습니다. 미국 렌셀러 폴리테크닉 대학교의 모간 샬러 교슈와 대학원생 저스틴 파크 (Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) graduate student Justin Park, and guided by RPI Professor Morgan Schaller, Ph.D)는 캐나다 온타리오주 북부에서 발견된 14억 년 전 중기원생대 (Mesoproterozoic) 암석을 연구했습니다.

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중기원생대(中原生代, Mesoproterozoic)는 지구의 지질시대 중 원생누대(Proterozoic Eon)의 중간 시기로, 약 16억 년 전부터 10억 년 전까지에 해당하며, 고원생대와 신원생대 사이에 위치합니다. 이 시기는 광합성 진핵생물(조류 등)이 등장하고 유성생식을 시작하여 유전적 다양성을 확보했으며, 대륙이 형성되고 변화하는 중요한 시기였고, 초기 후생동물(다세포 동물)의 진화가 시작된 중요한 전환점으로 알려져 있습니다.

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다만 14억 년 전까지는 지구 대기의 산소 농도가 낮아 본격적인 다세포 생물의 진화는 시작되기 전으로 여겨졌습니다. 그러나 사실 이 시기 대기 중 산소 농도를 간접적으로라도 측정할 수 있는 방법은 많지 않았습니다. 연구팀은 14억 년 당시 소금 호수가 증발하면서 남긴 암염 (halite) 속에 갇힌 공기 방울을 분석하는 데 도전했습니다.

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암염 속 공기 방울을 이용해서 고대 대기를 분석하는 방법은 항상 여러 가지 어려움이 동반됩니다. 우선 산소와 이산화탄소가 액체에 흡수되는 정도가 다르다보니 정확한 재구성이 쉽지 않은 게 문제입니다. 연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 특수 장비를 개발해 기체와 액체의 상호작용을 조정하고 정확한 측정 값을 얻기 위해 필요한 보정 작업을 수행했습니다.

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그 결과 얻어진 14억 년 전 대기의 구성은 예상과 달랐습니다. 이산화탄소 농도는 현재의 10배 정도로 어느 정도 예상과 부합했으나 산소 농도는 3.7%로 생각보다 훨씬 높았습니다. 이산화탄소는 지구 대기에서 중요한 온실가스로 지금보다 태양이 어두웠던 시기에 지구 온도를 따뜻하게 유지하는데 큰 기여를 했습니다. 반면 이 시기까지는 산소 농도가 높지 않아 복잡한 다세포 생물의 진화가 늦어졌다는 것이 일반적이 견해였습니다.

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하지만 이번 연구 결과는 기존의 이론에 의문을 제기하고 있습니다. 이 결과가 맞다면 중기원생대에도 조류 (algae)의 광합성에 의해 산소 농도가 생각보다 높게 유지된 경우가 있었던 것으로 보입니다. 다만 이것이 오래 지속되지 못했는지 아니면 산소 이외의 다른 요인이 진화를 억제했는지는 모르지만, 다세포 동물의 본격적 진화는 이 시점보다 이후에 발생했습니다.

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과연 산소가 아니라면 어떤 요인이 작용했을지 궁금합니다.

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참고

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Scientists crack ancient salt crystals to unlock secrets of 1.4 billion-year-old air (phys.org)

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Justin G. Park et al, Breathing life into the boring billion: Direct constraints from 1.4 Ga fluid inclusions reveal a fair climate and oxygenated atmosphere, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2513030122