지구의 산소는 어떻게 생성됐나?

지구 자전 속도가 사아노박테리아 통한 산소화에 영향 미쳐

약 46억 년 전 지구가 생성됐을 때 대기 중 산소는 매우 희박했으며, 이후 두 차례의 산소화(oxidation) 사건이 발생하면서 오늘날 생물이 번성할 수 있는 산소 환경이 만들어진 것으로 알려진다.

첫 번째 대산소화 사건(The Great Oxidation Event)은 24억 년 전 최초의 광합성 생물인 시아노박테리아(cyanobacteria, 남세균)에 의한 것으로 여겨지고 있다. 그리고 약 20억 년 뒤 신원생대 산소화 사건(Neoproterozoic Oxygenation Event)으로 일컬어지는 두 번째 산소 급증 현상이 발생했다.

지구 역사 초기의 산소 수준 상승은 동물이 놀랍도록 다양하게 발생하는 길을 열었다. 그러면 이런 지구 산소의 증가는 어떻게 가능했을까? 지난 수십 년 동안 과학자들은 20억 년에 걸쳐 전개된 이 점진적이고 단계적인 과정을 제어하는 요인이 무엇이었는지를 설명하기 위해 고심해 왔다.

최근 미국과 독일의 국제 과학자팀이 초기 지구에서 낮의 길이 증가(젊은 행성들은 시간이 지남에 따라 자전 속도가 점차 느려지면서 하루의 길이가 길어진다)가 광합성을 하는 남세균이 방출하는 산소의 양을 끌어올려 지구 산소화의 타이밍을 형성했다는 제안을 내놓았다. 

이 연구는 지구과학 저널 ‘네이처 지오사이언스’(Nature Geoscience) 에 발표됐다.

스쿠버 다이버가 휴런 호수의 미들 아일랜드 싱크홀에서 암석을 덮고 있는 보라색, 흰색 및 녹색 미생물을 관찰하고 있다. © Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary.

휴런호 싱크홀의 미생물 대상 연구

독일 막스플랑크 해양미생물학 연구소와 브레멘대 라이프니츠 열대해양연구센터 및 미국 미시간대(U-M)와 그랜드 밸리 주립대 연구팀은 북미 5대호 중 하나인 휴런 호(Lake Huron) 수면 80피트 아래 싱크홀 바닥의 극한 환경에서 자라는 미생물 군집 연구에서 그에 관한 영감을 얻었다.

이 ‘미들 아일랜드 싱크홀(the Middle Island Sinkhole)’의 물은 유황이 풍부하고 산소가 적은 것으로 알려져 있다. 그리고 그곳에서 번성하는 밝은 색의 박테리아는 수십 억 년 전 육지와 해저 바닥을 덮고 있던 단세포 유기체 군집인 남세균과 매우 유사한 것으로 간주한다.

연구팀은 이번 연구에서 낮의 길이가 길어질수록 광합성 미생물 매트에서 방출되는 산소의 양이 증가한다는 사실을 보여주었다. 이 발견은 지구의 산소화 이력과 자전 속도 사이에 이전에는 고려되지 않았던 연관성이 있음을 가리킨다.

지구는 현재 24시간에 한 번씩 자전을 하지만, 형성 초기 단계에서는 6시간 정도로 짧았을 수 있다. 달의 중력에 의해 조석 마찰이 생기기 때문에 자전 속도가 서서히 감소하고, 그에 따라 앞으로도 자전 시간이 계속 길어질 것으로 예측된다.

지질학적 맥락을 보여주는 오대호 분지의 지도. 화살표와 빨간색 원은 미들 아일랜드 싱크홀을 포함해 몇 개의 휴런 호수 싱크홀의 위치를 나타낸다. Image credits: Figure from Biddanda et al. 2012, published in Nature Education Knowledge, and originally sourced from Granneman et al. 2000.

“지구 자전 속도가 산소화 패턴에 영향 미쳐”

논문 공동 시니어 저자 중 한 명인 미시간대(U-M) 지구 및 환경과학과 그레고리 딕(Gregory Dick) 교수는 “지구과학에서 지속적으로 제기되는 질문 중 하나는 지구 대기가 어떻게 산소를 얻게 됐고, 산소화가 일어났을 때 어떤 요소들이 이를 제어했는가 하는 점”이라며, “이번 연구는 지구의 자전 속도 즉, 낮의 길이가 지구의 산소화 패턴과 시기에 중요한 영향을 미쳤을 수 있음을 시사한다”고 밝혔다.

연구팀은 지구의 자전 속도가 점차 느려지는 것을 시뮬레이션하고, 낮이 길수록 초기 시아노박테리아 매트에서 방출되는 산소의 양이 증가함으로써 지구에서의 두 가지 대형 산소화 사건을 설명하는데 도움을 준다는 것을 보여주었다.

시아노박테리아는 오늘날에도 전 세계 도처의 수역에서 녹조현상 등을 일으키는 주범으로 손가락질을 받고 있다. 그러나 이전에 남조류(blue-green algae)로 알려졌던 이 미생물은 수십 억 년 동안 생존해 오며, 햇빛에서 에너지를 얻어 광합성을 통해 유기 화합물을 생산해내고 부산물로 산소를 방출해 온 최초의 유기체다.

태곳적 바다에서 살았던 이 단순한 유기체가 산소를 방출한 덕분에 다세포 동물이 출현하게 됐고, 지구는 산소가 거의 없는 상태에서 약 21%의 수준을 유지하게 됐다.

연구팀이 휴런 호수의 미들 아일랜드 싱크홀에서 수집된 퇴적물 코어 중 하나를 조사하고 있다. 코어에는 수십 억 년 전에 지구에서 번성했던 미생물 유형과 유사한 미생물 매트 샘플이 들어있다. © Jim Erickson, University of Michigan News

경쟁 미생물 간의 자리 다툼

휴런 호수의 미들 아일랜드 싱크홀에서 산소를 생산하는 보라색 남세균은 유황을 주에너지 원으로 사용하는 백색 황산화(sulfur-oxidizing) 박테리아와 경쟁 관계에 있다.

미들 아일랜드 싱크홀에서는 매일 이 두 미생물이 위치를 바꾸는 춤이 계속되고 있다. 유황을 먹는 백색 박테리아는 아침과 저녁에 보라색 남세균 위에서 이들을 덮어 햇빛이 차단됨으로써 이 남세균들이 광합성을 수행할 수 없다.

그러나 햇빛 수준이 강해 임계치를 넘어서는 대낮에는 백색 황산화 박테리아들이 보라색 남세균 아래로 이동해 남세균들이 산소 생성을 시작하게 된다.

황산화 박테리아가 수직으로 이동하는 것은 이전에도 관찰된 바 있으나, 미생물들의 움직임과 그에 따른 산소 생산 속도를 지구 역사에서의 낮 길이 변화와 연결한 연구는 이번이 처음이다.

유디트 클라트 박사가 수집한 퇴적물 코어의 상단에서 미생물 매트를 긁어내고 있다. © Jim Erickson, University of Michigan News

논문 제1저자 중 한 사람인 막스플랑크 해양미생물학 연구소 유디트 클라트(Judith Klatt) 박사는 “이 같은 유형의 미생물 간 유사한 경쟁이 초기 지구에서의 산소 생산 지연에 영향을 미쳤을 가능성이 있다”고 말했다.

낮 길이 변화와 지구의 산소 공급 사이의 연관성을 이해하는 열쇠는, 낮이 길어지면 오후의 일조 시간이 길어져 시아노박테리아가 더 많은 산소를 생성할 수 있다는 점이다.

딕 교수는 “낮의 길이가 짧고 오후의 일조량도 적으면 백색 황산화 박테리아가 광합성 박테리아의 위로 올라가 산소 생산이 제한될 수 있다”고 설명했다.

모델링 연구에 따르면 실제로 낮의 길이가 매트에서 방출되는 산소의 양을 형성했다. 클라트 박사는 “간단히 말해 낮이 짧으면 산소가 매트를 떠날 시간이 적다”고 말했다.

연구팀은 이번에 제안된 모델이 지구 역사를 통해 저산소 기간의 지속과 함께 지구 산소화의 분명한 단계적 패턴을 보여준다고 강조했다.