14억년 전 암석 속 ‘사각 공기 방울’ 봤더니…풀린 산소의 비밀 [지구를 보다]

오래전 지구는 지금과는 매우 달랐다. 대륙은 지금보다 작았고 전혀 다른 형태를 지니고 있었으며 공기 역시 지금과 구성이 달랐다. 예를 들어 14억 년 이전의 지구는 지금과 비교해 산소 농도가 매우 낮았고 이산화탄소 농도는 높았다. 덕분에 태양이 지금보다 어두운데도 온도가 따뜻하게 유지된 반면 본격적인 다세포 동물의 진화는 한참 후에나 일어났다. 복잡한 생명체를 유지하기 위해서는 많은 산소가 필요한데, 5억 년 전에 이르러 지구 대기 중 산소 농도가 이 수준에 도달했기 때문이다.

하지만 사실 고대 지구의 대기 구성은 과학자들도 쉽게 밝히기 어려운 주제다. 공룡처럼 화석이 남는 것도 아니고 암석처럼 오래 보존될 수 있는 것도 아니기 때문이다. 과학자들은 여러 가지 간접적인 방법으로 고대 지구의 대기를 재구성해 왔는데, 방법론에 따라 결과가 조금씩 달라 항상 논쟁의 대상이 되어 왔다.

6일 미국 렌셀러 폴리테크닉대 모간 샬러 교수와 대학원생 저스틴 파크 연구팀에 따르면 이들은 최근 캐나다 온타리오주에서 발굴한 14억년 된 고대 암석에서 당시 대기의 구성을 알 수 있는 중요한 정보를 얻어냈다.

이 암석이 생성된 시기는 중기원생대(Mesoproterozoic)로 약 16억 년 전부터 10억 년 전 시기다. 중기원생대에는 광합성 진핵생물(조류 등)이 등장하고 유성생식을 시작하여 유전적 다양성을 확보했으며, 대륙이 형성되고 변화하는 중요한 시기였다. 다만 본격적인 현생 동물의 진화는 9억 년 후인 5억 년 전부터 시작되기 때문에 과학자들은 산소 농도는 여전히 낮았을 것으로 생각해왔다.

연구팀은 발굴한 암석이 당시 대기 환경에 대한 해답을 줄 것으로 보고 연구를 진행했다. 왜냐하면, 이 암석은 그냥 고대 광물이 아니라 소금 호수가 증발하면서 소금이 암석화돼 만들어진 암염(halite)이기 때문이다. 암염 속에는 당시 대기를 일부 간직한 공기 방울이 남아 있어 고대 기후를 연구하는 과학자들에게 중요한 데이터를 제공해왔다.

물론 암염 속 공기 방울은 주변 액체에 일부 녹아들기 때문에 실제 대기 구성과 다소 차이가 있다. 특히 산소는 잘 안 녹는데, 이산화탄소는 쉽게 물에 녹는다는 점이 문제다. 연구팀은 최신 장비와 방법론을 이용해 여기서 생기는 오류를 최소화하고 가장 믿을 수 있는 수치를 확보했다.

연구 결과 14억 년 지구 대기의 이산화탄소 농도는 지금보다 10배 정도 높았고 산소 농도는 현재의 20%보다 낮은 3.7%에 불과했다. 이산화탄소의 경우 예측과 부합되는 수준이다. 하지만 산소 농도는 과학자들이 과거 생각했던 것보다 훨씬 높았다. 인간이 숨쉬기에는 너무 낮은 농도이지만, 복잡한 다세포 동물의 진화를 막을 정도로 낮지는 않은 수준이다.

이 수치가 맞다고 생각하면 두 가지 해석이 가능하다. 우선 당시 대기가 불안정해 산소 농도가 변동이 컸고 이로 인해 복잡한 생물이 진화하는데 필요한 높은 산소 농도가 오래 유지되지 않았다는 것이다. 또 다른 해석은 당시 산소 농도 이외에 다른 요소가 다세포 동물의 진화를 막았다는 것이다.

어느 쪽이든 지구 대기 중 산소 농도는 생물 진화에 매우 중요한 요소이고 이산화탄소 농도는 기후에 중요한 요소다. 과학자들은 오래전 지구 대기의 변화를 알아내기 위해 노력하고 있다. 지금의 우리와는 별 상관이 없어 보이는 이야기 같지만, 사실 지금 우리가 여기 있을 수 있는 건 과거 이런 조건에서 살았고 진화한 먼 조상들 덕분이기 때문이다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com