지구는 대기 중에 산소가 쌓이며 다세포 생물의 출발점이 된 '대산화사건'(Great Oxidation Event) 이전에 이미 수억 년에 걸쳐 광합성을 통해 산소를 배출하던 미생물을 갖고 있었지만 이들이 만든 산소를 모두 화산 가스에 뺏겼던 것으로 나타났다.

약 24억년 전 대산화사건 이전에 남세균 등 광합성 미생물이 수억 년간 산소를 뿜어냈지만 화산에서 배출된 가스와 결합해 다른 화합물로 바뀌는 바람에 대기 중에 쌓이지 못했다는 것이다.

미국 워싱턴대학(UW)에 따르면 이 대학 지구우주과학 연구원 가도야 신타로(門屋辰太?) 박사가 이끄는 연구팀은 대산화사건 이전 미생물이 배출한 산소가 대기 중에 축적되지 못하고 사라진 원인을 화산 가스에서 찾은 연구 결과를 오픈 액세스 과학저널 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 발표했다.

▲ 남아프리카공화국에서 발견된 25억년 전 '스트로마톨라이트' 화석. 광합성 박테리아를 비롯한 미생물군이 고대 해안에 형성한 것으로 사진 중앙 상단에 찍힌 다리로 크기를 짐작할 수 있다.

지질 기록으로는 광합성 미생물이 대산화사건 수억년 전부터 출현한 것으로 나타나 광합성을 하면서 배출한 산소의 행방이 풀리지 않는 미스터리가 돼왔다.

연구팀은 남아프리카공화국과 캐나다 등지에서 발굴된 약 35억5천만년 전 고대 화산암을 분석해 초기 지구의 맨틀이 현재보다 덜 산화돼 산소와 반응할 수 있는 물질을 더 많이 갖고 있었다는 기존 연구 결과를 출발점으로 삼았다.

연구팀은 지구의 초기 지각이 형성된 약 40억~25억년 전 '시생누대'(Archean Eon) 때는 현재보다 화산 활동이 많았으며, 이때 배출되는 용암과 가스는 산화가 덜 된 맨틀 물질의 화학적 구성에 영향을 받을 수밖에 없는 것으로 분석했다.

화산 폭발 때 산소와 쉽게 결합하는 수소와 같은 가스를 더 많이 배출해 대기 중 산소를 다른 화합물로 바꿔놓았다는 것이다.

연구팀은 이를 토대로 지각 밑 맨틀의 화학적 구성이 화산폭발로 분출되는 용암과 가스의 성분을 결정하고 궁극에는 대기 중 산소 농도까지 결정하는 것으로 봤다.

연구팀은 맨틀이 시간이 흐르면서 점점 더 산화가 진행된 자료와 약 25억년 전 이후 특정 시점에서 미생물이 만들어내는 산소가 화산 가스와 결합해 사라지는 산소를 초과하며 대기 중에 쌓이기 시작하는 것을 나타내는 퇴적암 증거를 결합해 보여줬다.

논문 공동 저자인 데이비드 캐틀링 UW 교수는 "산소와 결합할 수 있는 화산 가스는 기본적으로 광합성이 시작된 이후 수억 년간 생성된 산소를 먹어치울 수 있는 양"이라면서 "맨틀 자체가 점점 더 산화하고 산소와 결합할 수 있는 가스의 양이 줄어들면서 산소가 쌓이기 시작했다"고 설명했다.

가도야 박사는 "이번 연구 결과는 지구 맨틀의 진화가 대기의 진화를 좌우하고 생명체의 진화까지 통제했을 수 있다는 점을 보여준 것"이라면서 "이번 연구에서 제시한 대로 맨틀 내 변화가 대기 중 산소를 제어할 수 있다면 궁극에는 생명체 진화의 속도를 결정할 수도 있다"고 했다.

국제팀  press@jeonpa.co.kr

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