과학자들은 지구의 산소 폭발이 10억 년 동안 지연된 이유를 밝혀냈습니다.

한때 높은 수준의 니켈과 요소는 초기 남조류의 성장을 저해하여 지구 대기에 산소가 부족하게 만들었습니다. 남조류의 점진적인 감소는 산소 붐을 일으켜 지구를 변화시키고 복잡한 생명체를 탄생시켰습니다. 출처: Shutterstock

지구 대기에 산소가 유입된 것은 지구 역사에 있어 중요한 전환점이었고, 복잡한 생명체를 지탱할 수 있는 환경으로 변모했습니다. 대산화 사건(GOE)으로 알려진 이 중요한 변화는 약 21억 년에서 24억 년 전에 일어났습니다. 그러나 남세균이 생성하는 산소 광합성은 이 사건보다 수억 년 전에 진화했을 가능성이 높습니다. 이처럼 산소를 생성할 수 있는 초기 능력에도 불구하고 대기 중 산소 농도는 놀라울 정도로 오랫동안 낮은 수준을 유지했습니다. 과학자들은 화산 폭발, 화학 흡수원, 생물학적 상호작용 등의 설명을 고려하며 이러한 지연의 원인을 오랫동안 논의해 왔습니다. 그러나 지구 대기에 산소가 축적되는 데 왜 그렇게 오랜 시간이 걸렸는지 완전히 설명하는 단일 요인은 아직 없습니다.

이러한 지속적인 의문을 해결하기 위해 연구자들은 초기 지구 화학에서 종종 간과되는 요소, 즉 남조류 성장에서 니켈과 요소와 같은 미량 화합물의 역할에 초점을 맞췄습니다.

일본 오카야마대학교 행성물질연구소(현재 스리랑카 페라데니야대학교 지질학과)의 수석 연구원인 딜란 M. 라트나야케 박사는 "우리가 다른 행성을 식민지화하려면 산소를 생성하는 것이 엄청난 과제가 될 것입니다. 따라서 우리는 작은 미생물인 남세균이 어떻게 지구의 환경을 변화시켜 우리 자신을 포함한 복잡한 생명체의 진화에 적합하게 만들 수 있는지 이해하고자 했습니다. 이 연구를 통해 얻은 통찰력은 향후 화성 샘플 회수 임무의 샘플 분석 전략에 새로운 틀을 제공할 것입니다."라고 설명했습니다.

같은 연구소의 타나카 료지 교수와 나카무라 에이조 교수도 이 연구에 공동으로 참여했으며, 해당 연구는 Communications Earth & Environment 저널에 게재되었습니다 .

실험실에서 초기 지구 재현

연구팀은 시생대 지구(약 40억 년에서 25억 년 전)의 환경을 모방하도록 설계된 두 부분으로 구성된 실험 연구를 수행했습니다. 첫 번째 실험에서는 암모늄, 시안화물, 철 화합물의 혼합물을 자외선(UV)-C에 노출시켜 오존층이 형성되기 전에 지구 표면에 도달했을 것으로 추정되는 강렬한 복사선을 재현했습니다. 이 실험은 생명체에 중요한 질소 화합물인 요소가 그러한 환경에서 자연적으로 형성될 수 있었는지 탐구했습니다.

두 번째 단계에서는 남세균(Synechococcus sp. PCC 7002) 배양물을 환경 내 니켈과 요소의 양을 변화시키면서 명암을 번갈아 가며 배양했습니다. 연구진은 광학 밀도와 엽록소 a 수치를 통해 성장을 모니터링하여 이러한 화학적 요인이 남세균 생산성에 미치는 영향을 측정했습니다.

연구팀은 결과를 바탕으로 대기 중 산소가 어떻게 점진적으로 축적되었는지 설명하는 새로운 모델을 제안했습니다. 초기 시생대에는 풍부한 니켈과 요소가 시아노박테리아의 번성을 억제하여 지속적인 산소 방출을 막았을 가능성이 있습니다. 라트나야케 박사가 지적했듯이, "니켈은 요소의 형성 및 생물학적 소비 측면에서 요소와 복잡하면서도 흥미로운 관계를 가지고 있으며, 낮은 농도에서도 이러한 요소의 가용성은 시아노박테리아의 증식으로 이어질 수 있습니다." 이러한 농도가 결국 감소하자 시아노박테리아는 더욱 지속적으로 번성하여 산소 증가를 촉진했고, 이는 GOE로 이어졌습니다.

지구와 그 너머를 위한 교훈

이러한 발견의 함의는 고대사를 이해하는 것을 훨씬 뛰어넘습니다. 라트나야케 박사는 "대기 산소 함량 증가 메커니즘을 명확하게 이해할 수 있다면, 다른 행성에서 발견되는 생체 신호에 대한 이해를 넓힐 수 있을 것입니다."라고 말했습니다. 그는 이어서 "이번 발견은 무기 화합물과 유기 화합물 간의 상호작용이 지구 환경 변화에 중요한 역할을 했음을 보여주며, 지구 산소의 진화와 그 생명체에 대한 이해를 심화시켜 줍니다."라고 덧붙였습니다.

니켈과 요소와 같은 원소가 다른 세계의 산소와 생명체 발달에 영향을 미칠 수 있으므로, 이러한 통찰력은 미래의 행성 탐사에도 도움이 될 수 있습니다.

연구진은 원시 환경에서 요소가 어떻게 자연적으로 형성될 수 있었는지, 그리고 요소가 영양소이자 억제제 역할을 한다는 것을 보여줌으로써 미묘한 화학적 균형이 지구 초기 생물권을 어떻게 형성했는지 밝혀냈습니다. 연구 결과는 니켈 농도가 감소하고 요소가 안정화됨에 따라 남세균이 번성하여 대량의 산소를 방출했음을 시사합니다. 이러한 점진적인 변화는 궁극적으로 지구를 생명 없는 행성에서 복잡한 생태계를 유지할 수 있는 행성으로 변화시켰으며, 이는 지구가 생명체가 살기 좋은 행성으로 나아가는 긴 여정에 있어 중요한 전환점이었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251102011144.htm