3'50" 읽기
- 최초의 시아노박테리아가 대기에 충분한 산소를 생산한 것은 약 24억 년 전
- 대 산소화 사건 이후, O2 값은 현재 점유율인 약 21%의 수백 분의 1로 상승
- 지구 표면은 약 4억 년 전까지 약 10억 년 동안 증가된 UV 부하에 노출
- 새로운 통찰력은 외계 행성의 거주 가능성을 평가하는 데에도 도움

태초의 지구는 얼마나 생명 우호적이었을까?
자외선 차단 기능 오존층은 예상보다 훨씬 늦게 발전돼 

약간의 보호:
우리 행성의 생활 조건은 예상보다 열악했을 것이다. 오존층은 약 4억 년 전까지만 해도 상대적으로 얇았기 때문에 지구 대기의 산소 함량은 아직 더 많은 오존을 생성하기에 충분하지 않았다. 그 결과 지표면은 더 해로운 자외선을 받아 생명체와 나중에는 육상 동물의 발달에 부정적인 영향을 미칠 수 있었다. 

▲ 우리 행성을 보호하는 오존층은 예상보다 늦게 나타났을 수 있다. © Magnilion / 게티 이미지

자기장과 대기는 우리 행성의 생명 친화에 중요한 역할을 한다.
이러한 보호막이 없으면 지구 표면이 우주에서 방출되는 고에너지 방사선의 치사량에 노출될 것이기 때문이다. 성층권의 오존층은 태양의 자외선을 차단하는 필터 역할을 한다. 없어지거나 얇아지면 세포 손상 및 피부암 위험이 높아진다.

산소가 없으면 오존층도 없다.

"오늘날 지구의 ​​대기에 산소 분자가 풍부하지 않았다면 지구의 오존층은 존재하지 않을 것이다"고 리즈(Leeds) 대학의 그레고리 쿡(gregory Cooke)과 그의 동료들이 설명했다. 삼원자 오존(O3)은 이원자 산소의 화학 반응을 통해서만 형성되기 때문이다. 그러나 처음에 지구의 대기에는 산소가 거의 없었다.

최초의 남세균(시아노박테리아)이 대기를 풍부하게 하기에 충분한 산소를 생산한 것은 약 24억 년 전이었다. 이른바 대 산소화 사건(GOE, Great Oxidation Event) 이후, O2 값은 현재 점유율인 약 21%의 수백 분의 1로 상승했다. 그런 다음 약 6억 년 전에 추가로 증가했다. 그 이후로 지구 대기의 산소 함량은 연구원들이 설명하는 것처럼 오늘날 값의 10~150% 사이에서 변동했다.

▲ 그림 2. WACCM6 지구 시스템 모델의 개략도. 이 작업에서 WACCM6은 육지-얼음, 바다-얼음, 육지 및 대기 모델뿐만 아니라 완전한 대화형 해양 모델을 사용했다. WACCM6은 최첨단 습윤 물리학 체계인 화학 및 물리학을 완벽하게 결합했으며 산업화 이전 대기에서 고도 약 140km까지 시뮬레이션했다. (출처: 관련논문 A revised lower estimate of ozone columns during Earth’s oxygenated history / Royal Society Open Science)

지구의 역사 속으로 시간 여행

보호 오존층이 언제 형성되기 시작했을까?
단순화된 대기 모델에 기초해 과학자들은 이전에 충분히 보호적인 오존층이 첫 번째 산소화 사건으로부터 이미 존재했다고 가정했다. 이 모델에 따르면 120~185 Dobson 단위의 필요한 성층권 오존 밀도를 생성하기 위해 현재 O2 값의 1%면 충분하다.

Cook과 그의 팀은 이제 더 복잡한 3차원 대기 모델을 사용해 이것이 사실인지 처음으로 확인했다. 이를 통해 그들은 지구의 역사와 대기 산소 함량의 조건에서 오존층이 어떻게 발달했는지를 보여주었다. 그들은 또한 다른 대기 가스의 영향과 이전에 훨씬 더 약한 태양 복사의 영향을 고려했다.

▲ 지구 역사 동안 대기의 산소 함량. GOE = 대산화 사건Great Oxidation Event, NOE = 신원생대 산화 사건Neoproterozoic Oxidation Event, CE = 캄브리아기 생물다양성 폭발Kambrische Explosion der Artenvielfalt.. © Gregory Cooke/ Royal Society Open Science

오존 감소 및 자외선 증가

놀라운 결과:
오존층을 생성하기 위해서는 이전에 가정한 것보다 훨씬 더 많은 산소가 필요했다.
"형성된 오존의 평균 밀도는 이전 시뮬레이션보다 1.2~2.9배 더 낮다"고 Cook과 그의 팀은 보고했다. 최소값을 가정하면 오존 밀도는 오늘날 산소 함량의 1%인 대기에서 3~4.7배 더 낮다.

이것은 약 24억 년 전 엄청난 양의 산소가 급증한 후에도 지구 대기에 보호용 오존층을 생성할 만큼 충분한 산소가 포함되어 있지 않았을 수 있음을 의미한다. 따라서 지구 표면은 약 4억 년 전까지 약 10억 년 동안 증가된 UV 부하에 노출되었을 수 있다. O2 값이 오늘날 수준의 5~10%까지 올라갔을 때만 자외선 차단이 가능해졌다.

"만약 우리의 모델이 맞다면 지구 표면과 해양의 상층부가 오랫동안 생각했던 것보다 훨씬 더 높은 자외선을 받았을 것이다"고 Cook이 말했다. 특히, 그와 그의 팀은 육상 생물권의 UV 노출이 오늘날보다 최대 10배 더 높을 수 있다고 계산했다.

▲ 그림 4. O3 열은 PI 대기와 산소 농도만 변경된 모든 대기에 대해 Dobson Units(DU)로 표시(지구 표면에 겹쳐짐)된다. 컬러 막대의 다른 스케일에 주목하십시오. 열대 지방은 적도의 양쪽에 걸쳐 있으며 2차원 지도의 상단과 하단에 극이 있고 중간 위도에는 온대 지방이 있다. (출처: 관련논문 A revised lower estimate of ozone columns during Earth’s oxygenated history)

더 어려운 삶의 조건

이것은 우리가 지상에 있는 생명의 세계에 영향을 미칠 수 있다.
“당시 UV 값이 생명의 출현과 진화를 막지 못했을 것이다. 동물과 식물은 오늘날보다 훨씬 더 가혹한 조건에서 발달했어야 했다”고 Cook은 설명했다. 특히 물 표면에 살았거나 육지에 정착하기 시작한 유기체는 방사선의 영향을 받았을 수 있다.

예를 들어, 현재 연구에 따르면 남극의 오존층이 얇아지면서 남극해에서 1차 생산량이 6~12% 감소했다. 산호, 갑각류 그리고 물고기 산란도 증가된 UV-B 값에 민감한 것으로 알려져 있다. 육상 식물과 동물에서 증가된 자외선은 생식 능력 감소, 세포 손상 및 암을 유발할 수 있다.

오늘날 우리가 사는 세상은 더 높은 UV 값이 진화의 진행을 막을 수 없다는 것을 보여준다. 대신, UV 내성이 더 높은 유기체를 선호하는 선택 압력을 생성했을 가능성이 크다.
"많은 유기체가 예를 들어 UV 관련 세포 및 DNA 손상을 더 잘 복구할 수 있는 등의 보호 메커니즘을 개발했다"고 Cook은 설명했다.

외계 행성 연구에도 도움

연구원들에 따르면, 그들의 모델은 지구의 역사에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있지만 외계 행성의 거주 가능성을 평가하는 데에도 도움이 될 수 있다.
예를 들어, James Webb 망원경의 민감한 분광기가 미래에 외계행성 대기의 산소 함량을 보여줄 경우 이제 행성 표면이 UV 복사로부터 얼마나 잘 보호되는지 추정하기가 더 쉬울 것이다.
(Royal Society Open Science, 2022; doi: 10.1098 / rsos.211165)
출처: University of Leeds

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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