지구의 산소 급증과 빠른 성장

산소는 거의 대부분의 동물을 비롯한 호기성 생물에 필수적인 연료입니다. 또한 더 크고 더 활동적인 동물일수록 더 많은 산소가 필요합니다. 그렇다면 커다란 몸체로의 진화가 해양과 대기 중 산소 수치 변화와 관계가 있을까요?

 

지구의 대기와 해양이 초기의 무산소 상태에서 발전하여 현재 대기 중 산소 농도가 21%인 상태까지 오게 된 이야기는 대기의 산소가 초기에 아주 천천히 오랜 시간 동안 증가하며 비교적 단순한 생명체의 진화를 일으켰다는 부분에 대체로 중점을 둡니다.

 

이제는 선캄브리아기 초기에 생명체가 느리게 진화한 것은 바닷물에 산소가 매우 부족했기 때문이라고 널리 받아들여지고 있습니다. 하지만 약 24억 년 전에 산소 급증 사건이 일어났고, 그다음 산소 수치의 큰 변화는 약 5억 5천만 년 전인 에디아카라기 후반에 일어났습니다.

 

이러한 산소의 증가는 해저에서 서식하는 유기체들의 크기와 다양성이 엄청나게 증가한 때와 들어맞고, 화석 기록에서 최초로 단단한 껍질과 골격이 나타난 것과도 일치합니다. 하지만 여전히 해양 생물체 대부분의 크기는 겨우 몇 센치미터에 불과했습니다. 오늘날 새로운 연구를 통해서 좀 더 이후인 데본기 초기 동안의 산소 수치 증가가 동물의 몸체 크기 증가 및 최초의 거대한 동물의 출현과 연관되어 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

 

필수적인 산소

산소는 세포 호흡 과정에 필수적인 연료이기 때문에 거의 모든 동물과 대부분의 균류, 일부 세균을 포함하는 모든 호기성 유기체의 생존에 필수적입니다. 척추동물에서 산소는 아가미와 폐 같은 세포막을 통과해서 적혈구 안에 있는 헤모글로빈 분자와 결합하여 순환계를 통해 신체 조직까지 전달됩니다.

 

일반적으로 동물의 크기가 클수록 필요로 하는 산소량이 더 많아집니다. 움직이지 않는 성인이 분당 1.8g에서 2.4g의 산소를 소비하고 인류 전체는 연간 60억 톤의 산소를 필요로 합니다. 대기 중 산소의 대부분은 녹조류와 시아노박테리아의 광합성으로 생산되고, 나머지 30%는 육상 식물에 의해 생산됩니다.

 

과거의 산소 수치 측정하기

오늘날의 지구 대기와 바닷물의 산소 수치와 출처를 파악하는 것은 비교적 쉬운 일이지만 과거의 산소 수치를 추적하는 것은 상당히 어렵습니다. 산소는 굉장히 반응성이 높고 다른 물질들과 화학 반응을 일으키는 경향이 있습니다.

 

따라서 암석 기록에서 적절한 신호를 찾아 과거의 산소 수치를 측정하는 것은 상당히 힘들 수 있습니다. 하지만 최근 광범위하게 지질할적 기록을 조사한 결과 산소화의 역사에 있어서 정말 놀라운 사실이 드러났습니다. 하버드 대학의 타이즈 달이 이끄는 국제 연구팀이 수행한 새로운 조사에서는 몰리브데넘 원소의 화학적 성질을 바탕으로 대기 중 산소를 대리 측정했습니다.

 

몰리브데넘은 여러 개의 자연적인 동위 원소를 가졌고, 가장 무겁고 안정적인 형태98Mo가 가장 흔해서 몰리브데넘 광성에서 발견되는 모든 원자의 약 24%를 차지합니다. 그런데 이 원소의 지구화학적 조성은 바닷물에 있는 용존 산소와 황하수소의 양에 달려 있습니다.

 

이에 따라 황철광과 유기 물질이 풍부한 퇴적층에 보존될 수 있습니다. 산소 급증 사건 이전에 그랬던 것처럼 산소가 없는 혐기성 상태에서는 몰리브데넘이 움직이지 않지만, 산소가 있으면 수용성 물리브데넘산염 이온이 토양에서 침출되어 강으로 흘러가 결국 바다에 도착하고, 거기서 궁극적으로 퇴적층에 쌓입니다.

 

좀 더 무거운 98Mo이 더 가벼운 95Mo같은 원자들보다 더 쉽게 토양에서 걸러지는 경향이 있으며, 따라서 산소의 양이 늘어나면 바닷물과 퇴적층의 몰리브데넘 조성에 있어 무거운 몰리브데넘이 예상했던 24% 보다 훨씬 풍부해집니다.

 

새로운 연구에 따르면 무거운 몰리브데넘은 약 27억 년 전까지 자연적인 수치로 유지되다가 약 24억 년 전 산소 급증 사건 때까지 점차 증가하기 시작했습니다. 24억 년 전부터 22억 년 전 사이에 그 수치가 감소한 것은 초기 눈덩이 지구 빙하기로 산소 증가 과정이 잠시 중단되었기 때문으로 보입니다.

 

그 후에 14억 년 전부터 5억 5천만 년 전까지 꾸준히 증가했고 그와 더불어 해저에 서식하는 후생동물 역시 늘어나고 다양해졌습니다. 비슷한 비율이 약 4억 년 전인 데본기 초기까지 유지되다가 다시금 바다의 산소 수치가 더 크게 급증했습니다.

 

데본기 바다 괴물들

데본기의 산소 급증은 퇴적층 기록에서 석탄 양이 갑자기 증가한 것과 일치합니다. 이는 아마도 최초의 육상 삼림지에서 산불 발생이 상당히 증가했음을 반영하는 듯합니다. 직립해서 자라는 최초의 육상 관다발 식물은 실루리아기 초기에 진화했지만, 높이가 1m 이상으로 자라지는 못했습니다.

 

데본기가 되어서야 처음으로 나무 크기의 육상 식물로 진화했고 풍부한 산소가 있는 곳에서 굉장히 타기 쉬운 대량의 건조한 목질 조직을 생성했습니다. 동시에 바다의 높은 산소 수치 역시 최초의 대형 육식성 어류로 갑작스러운 진화를 일으킨 원인으로 여겨집니다. 길이가 3m까지 자라는 가시가 달린 극어류인 상어, 길이가 10m까지 자라는 거대한 둔클레오스테우스 같은 단단한 껍질을 가진 판피류 등의 동물들이 이 시기에 나타났습니다.

 

데본기 이후 몰리브데넘 동위 원소 기록은 매우 드물어졌지만, 그 몇 안 되는 기록들은 대기 중 산소가 현재 수치까지 점진적으로 증가했음을 보여 줍니다. 대기 중의 산소와 해양의 산소 사이에 장기적이고 전반적인 관계를 찾을 수는 있지만, 퇴적물과 동위 원소 기록은 산소 수치가 심각하게 떨어졌던 지난 1억 5천만 년 동안 해양에 중대한 산소 결핍이 있었음을 보여줍니다. 이것은 대기와 해양의 관계가 어느 특정 시기에 복잡했거, 해양의 순한 패턴과 전 세계 기후 같은 수많은 다른 요인들에 영향을 받았을 수 있음을 보여줍니다.