지구가 지금처럼 산소 많은 행성 된 이유는 이것 덕분? [지구를 보다]

몇 분만 없어도 살 수 없지만, 우리가 평소에 고마움을 느끼지 못하는 귀중한 존재가 바로 산소다. 지구가 수많은 생물의 보금자리가 된 것도 사실 산소 덕분이다. 지금보다 산소 농도가 낮았던 초기 지구에는 세균이나 고세균밖에 없었지만, 덩치가 큰 진핵세포가 생겨나고 진핵세포가 모여 다세포 생물을 이룰 수 있게 된 건 큰 에너지를 공급할 수 있는 산소 덕분이기 때문이다.

과학자들은 지구 대기와 바다의 산소 농도가 크게 세 차례에 걸쳐 지금처럼 높아졌다는 점을 밝혀냈다. 처음 산소 농도가 의미 있게 상승한 것은 약 24억~20억 년 전의 대산소화 사건(GOE)이었다. 이 시기 단순한 세균에서 진핵생물이 등장한 주요 이유도 산소 덕분으로 생각된다.

이어진 10억 년간의 정체기인 ‘지루한 10억 년’을 지나 5억 4000만 년 전 신원생대 산소화 사건(NOE)을 통해 다시 산소 농도가 높아지는데, 이후 다세포 생물의 진화를 촉진한 사전 준비 작업으로 여겨진다. 이어 4억 5000만~2억 5000만 년 전 고생대 산소화 사건(POE)을 거쳐 현재의 산소 수준에 도달했는데, 덕분에 육지까지 복잡한 다세포 생물이 진출할 수 있었다.

하지만 과학자들은 왜 이렇게 여러 단계에 걸쳐 산소 농도가 상승했는지 설명하는 데 어려움을 겪었다. 광합성 생물의 등장으로 인한 산소 농도 증가와 이후 더 복잡한 식물의 등장, 화산 활동 등 여러 요인이 부분적으로 이 과정을 설명할 순 있지만, 모든 의문점을 해소하진 못했다.

중국 청두 공대 웨이 쉬와 동료 과학자들은 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재된 최신 연구를 통해, 지구 대기 산소량의 증가를 주도한 핵심 요인이 지각판의 섭입 방식 변화, 특히 ‘저온 섭입’(cold subduction)의 증가에 있다는 가설을 제시했다. 섭입은 차가운 해양 지각판이 지구 맨틀 속으로 가라앉는 지질학적 과정으로, 대륙의 이동이나 화산, 지진 활동을 설명하는 중요한 과정이다.

연구팀에 따르면 지질 시대 중 특정 시기에 이 저온 섭입이 활발해지면서 유기 탄소와 황철석(pyrite)이 맨틀 내부로 더 효율적으로 운반됐다. 탄소와 황철석은 산소와 쉽게 반응하는 ‘환원성 물질’로, 이들이 지표면에 남아 있으면 대기 중의 산소와 결합하여 소모된다. 다시 말해 이러한 물질들이 맨틀 깊숙이 가라앉음으로써 대기 중 산소를 흡수하는 역할이 감소했고, 결과적으로 대기 중 산소가 축적됐다는 것이다.

연구팀은 지난 40억 년간 전 세계에 분포된 암석의 변성 온도와 압력 비율(T/P 비율)을 분석하여 지각 섭입의 역사적 변화를 재구성했다. 그 결과, 저온 섭입의 특징적인 패턴이 세 차례의 산소 증가 시기들과 대체로 일치함을 발견했다. 연구팀의 COPSE 생지화학적 모델 역시 저온 섭입 가설의 타당성을 입증했다.

이 가설이 옳다면 우리가 숨 쉬는 산소는 뜻밖에도 과학 교과서에서 지진 및 화산 활동의 원인이라고 배우는 해양 지각의 섭입 덕분에 지금처럼 높아진 셈이다. 우리에게 엄청난 피해를 주지만 동시에 생명을 주기도 하는 지구 지질 활동의 놀라운 두 얼굴이 아닐 수 없다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com