지구가 지금처럼 대기권과 수권(atmosphere-hydrosphere system)에 산소가 풍부한 ‘산소탱크’로 변하게된 과정이 두 연구진의 침전층 함유 동위원소 분석 연구를 통해 밝혀졌다. 이 연구결과들은 학계의 기존 통설과 그 간의 여러 연구 결과들을 뒤받침하면서 산소의 발생시기를 약 3억년 정도 앞당기는 것이어서 큰 반향을 일으키고 있다.

원시지구(primordial earth)의 대기권과 해양(atmosphere-hydrosphere system)엔 산소가 매우 부족했지만 대략 2단계에 걸쳐 지금처럼 산소가 풍부한 상태가 되었을 것으로 추측된다. 하지만 정확한 과정에 대해선 아직 정확히 밝혀진 것이 없었다. 산소의 대량공급은 새로운 동식물의 출현을 이끈 원동력이었다.

미국 럿거스대학(Rutgers University) 폴 G. 팔콥스키(Paul G. Falkowski) 교수 연구진은 남아프리카 침전층을 시추한 시편에 질소동위원소 함량을 분석한 결과 질소동위원소 비율이 광합성에 의한 산소 발생과 밀접한 관련이 있다는 결론을 내렸다고 밝혔다. 즉 침전층에 남아 있는 화학적 지문을 분석해 지구상에 산소 농도 변화를 정확하게 밝혀낸 것이다.

지질학적 증거에 따르면 약 24억년(Great oxidation event; GOE)전 산소의 양이 폭발적으로 증가한 것으로 나타난다. 학계에서는 여러 동위원소 분석 연구결과에 따르면 25억년전쯤 산소를 발생시키는 미생물이 나타났고, 이들이 GOE를 일으켰다는 것이 정설로 받아들여지고 있다.

하지만 팔콥스키 연구진은 이보다 이른 약 27억년전 이미 산소를 발생시키는 미생물이 출현했다고 주장한다. 연구진은 그 증거로 질소동위원소 조성비값(delta 15N values)의 변화를 제시했다. 질소의 경우 14N과 15N의 두 가지 안정한 동위원소가 존재하며, 두 동위원소 사이의 비는 산소 존재량에 매우 민감한 것으로 나타났다.

적은 양의 산소가 존재할 경우 질소는 미생물에 의해 암모니아, 질산, 아질산 등으로 전환되고, 질산(NO3-)이나 아질산(NO2-)을 소비하는 생명체에 의해 다시 질소로 전환되어 대기중으로 돌아간다. 일반적으로 원자간 결합은 같은 원자라도 원자량이 큰 원자가 더 강한 결합을 나타낸다. 따라서 15NO3- 보다 14NO3-가 N2 형태로 전환되어 대기중으로 방출되기 쉬어 질소동위원소 조성비값의 차이가 발생한다.

연구진은 약 27억년전 질소동위원소 조성비값이 약 2%가량 상승했고 이는 산소를 방출하는 미생물의 출현으로 인한 것이라고 주장했다. 이러한 주장은 기존의 주장보다 2억년 이상 출현시기를 앞당긴 것이어서 커다란 반향을 불러 일으키고 있다.

또 덴마크 코펜하겐대학(Universtiy of Copenhagen) 로버트 프라이(Robert Frei) 교수 연구진도 이와 관련된 새로운 주장을 펴고 있다. 프라이 교수 연구진은 침전층 암석에 다량의 산소가 산화철 형태로 함유되어 있다는 것을 발견하고, 이 철성분에 포함되어 있는 안정한 크롬 동위원소의 비율을 분석했다. 크롬 원소의 지질화학적 거동은 표면환경에 매우 민감하다. 산화성 풍화작용은 +3가 크롬을 +6가 크롬[Cr(VI)]으로 산화시키는데, 이때 동위원소 분할이 일어나면서 +6가 크롬 중 원자량이 큰 동위원소의 비중이 증가한다. 즉 이러한 변화는 산소농도 변화를 직접적으로 반영한다.

분석 결과는 GOE 이후 산소 농도가 계속 증가했을 것이란 기존 통념을 뒤업는 것이었다. 산소농도는 GOE가 발생한 24.5억년에서 22억년전 사이에 산소가 급격히 증가한 것으로 나타났다. 하지만 18.8억년전 침전층 암석에 들어있는 산화철에선 이러한 증거를 찾을 수 없었다. 8억년전에서 5.8억년전에 한번 더 상당한 변화가 확인되었다. 이는 2단계에 걸쳐 산소 농도가 크게 증가했다는 기존 학설을 뒷받침하는 것이나 GOE 이후 산소 농도가 계속 증가했던 것이 아니라 일시적으로 감소했다가 재차 증가했다는 것을 의미한다.

참고문헌

1. Nat. Geoscience, DOI: 10.1038/ngeo633

2. Nature 2009, 461, 250

3. Trend in microbiology, 2009, 17(5), 212

http://pubs.acs.org/cen/news/87/i38/8738news2.html

제공 : kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2009.09.29 21:24

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