지구에 풍부하게 산소가 존재하는 이유는 '지구의 자전이 느려진 덕분'이라는 연구결과...태고의 지구는 1일 6시간

by Specious Reasons. https://www.flickr.com/photos/28594931@N03/4726267363/

인간을 포함한 동물은 물론 광합성으로 산소를 생산하는 식물이나 미생물도 산소를 들이마시고 이산화탄소를 내뿜는 호흡을 하며 생존하고 있습니다. 이와 같이 지구상에 살아 숨쉬는 생활을 지탱하는 산소가 지금처럼 풍부하게 된 것은 '지구의 자전이 느려진 영향'이라고 연구결과가 과학지 Nature에 게재되었습니다.

Possible link between Earth’s rotation rate and oxygenation | Nature Geoscience
https://www.nature.com/articles/s41561-021-00784-3

‘Totally new’ idea suggests longer days on early Earth set stage for complex life | Science | AAAS
https://www.sciencemag.org/news/2021/08/totally-new-idea-suggests-longer-days-early-earth-set-stage-complex-life

‘Totally new’ idea suggests longer days on early Earth set stage for complex life

Slowdown of Earth's spin caused an oxygen surge | Live Science
https://www.livescience.com/early-earth-rotation-increase-oxygen.html

Slowdown of Earth's spin caused an oxygen surge

지구의 대기권에 대량의 산소가 존재하는 이유는 지금으로부터 약 24억 년 전에 조류가 광합성으로 산소를 만들어 낸 대산화 이벤트로 인한 것이라고 추정되고 있습니다. 그러나 약 35억 년 전에 최초의 광합성 미생물이 탄생했던 것이 화석의 발굴로 밝혀졌기 때문에 '초기 조류가 탄생하고 나서 대산화 이벤트까지의 약 10억 년이라는 공백'에 대한 의문이 오랫동안 과학자들을 괴롭혀 왔습니다.

이 문제를 연구하던 막스플랑크해양미생물연구소의 주디스 크라트 씨는 우연한 발견에서 '대산화 이벤트와 지구의 자전속도가 크게 바뀐 시기가 거의 동일'하다는 것을 깨달았습니다.

다음은 하루의 길이(파란색 선 그래프)와 산소의 양(주황색)의 관계를 나타낸 그래프입니다. 지구 탄생 직후에는 약 6시간이던 지구의 하루는 달의 인력에 의해 감속되어 지금으로부터 약 24억 년 전에 약 21시간이 되었습니다. 그리고 첫 번째 대산화 이벤트(GOE)가 발생한 시기도 바로 이 무렵입니다. 또 지금으로부터 약 5억 년 전에 지구와 달의 궤도 밸런스가 무너져 하루의 길이가 24시간이 되는 시기에 신원생대 산화 이벤트(NOE)'와 '고생대 산화 이벤트(POE)'가 발생했습니다.

이 산소와 지구의 자전속도의 관계를 확인하기 위해 크라트 씨는 세계에서 가장 큰 담수호 중 하나인 휴런호수에 서식하는 남조세균을 채취하여 실험을 실시했습니다. 휴런호수는 남조세균이 광합성할 수 있는 여울이 널리 있는 반면, 호수 바닥에는 산소가 적은 물과 유황가스가 솟아오르고 있어 태고의 지구 바다와 유사한 무산소 상태가 유지되고 있다는 것.

크라트 씨가 휴런호수의 남조세균에 빛을 발산하는 길이를 바꾸어 일조시간의 변화를 재현하는 실험을 실시한 결과, 일조시간이 길수록 광합성이 활발하게 이루어지는 것이 확인되었습니다. 또 크라트 씨가 라이프니츠열대해양연구센터의 이론학자인 Arjun Chennu 씨와 함께 '남조세균이 만들어내는 산소와 소비하는 산소의 일조시간에 따른 변화'에 대한 모델을 구축하여 시뮬레이션을 수행했는데, 실험실내의 남조세균이 광합성을 통해 만들어내는 산소가스의 양과 일치하는 결과가 나왔다고 합니다.

하루가 길어지는 것으로 인해 대기 중에 방출되는 산소의 양이 증가하는 메커니즘에 대해 연구팀은 "남조세균이 만들어 낸 산소는 미생물 매트에 녹아들어 밤이 되면 박테리아 자신의 호흡에 의해 소비됩니다. 그러나 지구의 자전이 느려져 하루의 시간이 늘어나자 남조세균이 광합성을 계속하는 시간이 늘어 미생물 매트에서 넘치는 산소가 물속에 녹아들게 되었습니다. 그리고 그 산소가 최종적으로 대기 중에 방출되어 갔다"고 설명합니다.

지구의 산소량은 이번에 발견한 메커니즘 이외에도 다양한 요인이 관여하고 있다고 생각되고 있습니다. 예를 들어, 캘리포니아대학 리버사이드캠퍼스의 생물지구화학자인 티모시 라이온스 씨에 따르면, 암면의 미생물 매트에 서식하는 박테리아뿐만 아니라 물속을 부유하는 박테리아도 산소 공급에 큰 역할을 했다는 것. 또한 화산활동으로 지표면에 올라온 광물이 산소와 결합하여 초기 박테리아에 의한 산소공급을 상쇄하고 있었다고 지적하는 연구도 있습니다.

따라서 연구팀은 논문에서 '지구와 달 사이의 역학이 생물진화의 중요한 전환점인 산소 수준에 큰 영향을 미쳤을 가능성이 있습니다. 그 영향은 지금까지 제안되어 온 다양한 메커니즘과 병행하여 작용하고 있었다'고 결론을 내렸습니다.