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- 선사 시대 대기에 산소가 풍부한 것은 시아노박테리아 때문만은 아니다.
- 육지 덩어리의 융기로 인한 광물 과잉
- 비 생물적 요인과 생물적 요인의 시너지

미네랄이 지구 산소를 풍부하게 만들었을까?
선사 시대 대기에 산소가 풍부한 것은 시아노박테리아 때문만은 아니다.

▲ 조류 생산으로 인한 산소가 대기에 들어가는 지 여부와 양은 물과 퇴적물의 결합 (DIC) 및 유기 탄소 (OC)에도 의존한다. © Zhao et al./ Nature Geoscience, CC-By 4.0

지구의 대기가 초기에 거대한 산소화가 가능한 것은 원시 청록색 조류뿐만은 아니다. 연구 결과에 따르면, 특정 광물은 또한 24억 년 전 "대산소화"의 핵심 기여자였다고 한 연구에서 밝혔다. 이러한 미네랄만이 죽은 조류의 빠른 분해를 막았기 때문이다. 이것은 과도한 호흡 가스를 위해 산소 생산과 소비 사이의 균형을 이동시켰고 새로운 진화의 시대를 열었다.

약 24억 년 전에 지구의 대기는 근본적인 변화를 겪었다. 처음에는 주로 질소, 수증기 및 이산화탄소로 구성된 지구의 가스 외피가 인간과 현재 전체 동물세계를 살리는 산소로 갑자기 풍부해졌다. 이 "Great Oxigenation Event"이 고등 동물의 진화를 가능하게 했다.

O2 생성 및 제거의 평형

원시 산소 과잉은 어디에서 왔을까? 최초의 시아노박테리아의 발달은 오랫동안 대 산화 사건의 촉발자로 여겨져 왔다. 그러나 그사이에 시아노박테리아와 다른 산소를 생산하는 원생동물이 이미 30억 년 전에 존재했다는 사실이 밝혀졌다. 왜 지구의 대기가 매우 늦게 반응했는지에 대해 지금까지 논란이 있었다. 일부 가설은 다세포 남조류의 발달 지연을 원인으로 보고 다른 가설은 지구화학적 요인을 가정한다.

리즈 대학의 밍유 즈하오(Mingyu Zhao)와 그의 동료들은 이제 이러한 지구화학적 요인을 보다 자세히 조사했다. 그들이 설명하듯이 대산소화는 24억 년 전에 시아노박테리아에 의한 산소 생산과 죽은 조류의 분해에 의한 산소 소비 사이의 균형이 크게 바뀌었을 때만 가능했다. 미생물이 산소를 소비하면서 유기 탄소를 CO2로 산화시키기 때문에 대규모 조류 번성 이후에는 일반적으로 바다에서 집중적인 산소 소비 단계가 이어진다.

미네랄은 분해로부터 보호한다.

이것은 미네랄이 들어오는 곳이다. “과학자들은 미네랄 입자가 죽은 조류와 식물 물질에 결합할 수 있다는 것을 수년 동안 알고 있었다. 이것은 미생물에 덜 민감하게 만들고 분해를 억제한다”고 수석 저자인 캐롤린 피코크(Caroline Peacock)는 설명했다. 특히 철 함유 산화물 및 수산화물은 우수한 분해 억제제로 간주된다. "반응성 철상은 유기 탄소에 대한 '녹슨 싱크대' 역할을 하고 미생물 재광화로부터 보호한다"고 팀은 말했다.

이것이 현대 수생 생태계에 대해 비교적 잘 연구되었지만 그러한 광물이 Great Oxygenation에서 지질학적 변화에도 기여할 수 있었는지 불분명했다. 연구자들은 이제 원시 물질 순환의 생지화학적 모델을 사용하여 이것을 재구성했다.

육지 덩어리의 융기로 인한 광물 과잉

실제로 모델에서 시뮬레이션된 원시 대기의 산소 함량은 바다에 더 많은 철 함유 광물이 있을 때만 크게 증가했다. "바다의 광물 입자 증가는 조류 물질의 분해 속도를 낮추었고 이는 산소 수준에 상당한 영향을 미쳤다"고 Zhao는 보고했다. 24억 년 전의 산소 급증은 육지가 바다에서 융기하고 많은 광물 퇴적물이 처음으로 바다로 씻겨졌기 때문에 일어날 수 있었다.

"30억-23억 년 전에 육지가 융기하면서 상당한 양의 육지 물질이 바닷물로 옮겨갔고 따라서 상당한 양의 철 화합물도 옮겨졌을 것이다"고 연구원들은 보고했다. "이것은 24억 년 전의 대산소화와 그 직전 기간에 산소 폭발이 더 적었다는 증거와도 잘 맞다." 시뮬레이션은 또한 고대 시스템이 일시적인 생물학적 위기를 더 잘 견딜 수 있다는 것을 발견했다. 미네랄이 유기물을 분해하도록 허용했을 때 제동이 걸렸다.

비 생물적 요인과 생물적 요인의 시너지

Zhao와 그의 팀에 따르면, 그들의 결과는 지구 대기의 산소화가 단지 시아노박테리아의 발달 때문만은 아니라는 가정을 뒷받침한다. 대신, 대륙의 융기와 같은 지질학적 과정도 육지 조건의 이러한 결정적인 변화의 중요한 동인이었다. 그것들이 없었다면 거대한 청색층 꽃이 만발해도 그렇게 강력하고 빠른 대기 산소 농축을 일으키기에 충분하지 않았을 것이기 때문이다.

"따라서 우리의 연구는 지구의 대기가 어떻게 산소가 풍부해져서 복잡한 생명체의 발달을 위한 조건을 만들었는지에 대한 새로운 정보를 제공한다"고 Peacock는 말했다. 이것은 또한 다른 행성의 복잡한 생명체에 대한 전제 조건에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다.
(Nature Geoscience, 2023; doi: 10.1038/s41561-023-01133-2)
출처: University of Leeds

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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