[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 2부

“ 스터티안 빙하기 동안 호상 철광층縞狀鐵鑛層, Banded Iron Formation이 일부 제한적으로 적도에서 발견되는데, 이것은 빙하기 퇴적물을 대표할 수 있는 지층이라고 딱히 말할 수 없어 생성기작에 대한 다양한 해석이 존재한다. 이 호상 철광층은 잘 발달된 층리 구조를 보여주며 약 95% 이상의 철을 함유한 호상 철광층은 광물 자원 측면에서 매우 중요한 지층이다. 지질 연대에서 철광층은 바닷속 용존 철 이온이 광합성을 하는 미생물에 의해 만들어진 산소와 반응하여 산화철이 만들어지고 이것이 침전되어 나타난 결과물로 보고 있다. 실제로 18억 5000만 년 전 이전에도 철광층이 나타나는데, 그것은 일반적으로 철 무게함량 15% 이상의 세립질 퇴적암이다(Bekker et al., 2010). 그런데 스터티안 빙하기가 눈덩어리 지구 환경이었다면, 전 지구의 해양이 얼음으로 덮여 있었으니 당시 호상 철광층은 이전의 철광층과 다른 생성 기작을 갖고 있을 것이다. 왜냐하면 현재 발견되는 호상 철광층은 대기 환경의 요소들이 대기와 만나는 바다와 끊임없이 영향을 주고받아 생성되기 때문이다. 일단 스터티안 빙하기의 호상 철광층은 철 무게함량 50% 이상으로 이전과 다른 면모를 보여 준다. 호상 철광층 생성의 가장 기본적인 요소는 산소이기 때문에 지질 연대에 따른 산소의 변화가 고려되어야 한다. 바다의 산소 농도가 25억 년 전 이후로 계속 증가하는데, 생명체의 모든 활동은 물론 대기와 해양 간 화학적 교환이 거의 정지되는 눈덩어리 지구 환경이라면 바다는 산소가 거의 없는 환경이 될 것이다. 결국 당시 두꺼운 얼음으로 덮인 바다의 산소 농도가 급격히 낮아진 상태에서 호상 철광층이 생성되었다는 사실은 특이할 수밖에 없다. 이에 대한 기작은 뒤에서 다룰 것이다. ”

“ 가장 완벽하게 탐사된 고대 크라톤은 남아프리카 위트워터슬란드(Witwatersland) 지역 기반에 있는 캅발(Kaapwaal) 크라톤이다. 그 지역은 인류가 발견한 금 전체의 절반(4만 톤)을 안겨주었기 때문에 철저하게 발굴되었다. 금은 호철성이다. 즉 철을 좋아한다. 금 광상은 매픽 암석을 이루는 철 및 망간과 관련이 깊다. 1880년대 위트워터슬란드 지역에 골드 러시가 시작된 이래, 캅발 크라톤 위에 놓인 암석 - 그 암석은 최초 30억 년에 걸쳐 크라톤 위에 형성되었다 -은 총 굴착 깊이 12킬로미터에 이를 정도로 철저하게 파헤쳐졌다. 덕분에 우리는 지구의 역사와 생명의 진화를 무료로 볼 수 있게 되었다. ”

“ 보잘것없어 보이는 시아노 박테리아의 보글보글 '산소 만들기'는 오래오래 진행되어, 마침내 철광석을 만들어냈다. 호상철광이 형성되는 과정을 간략히 살펴보자. 시아노 박테리아가 만든 산소(O₂)는 철(Fe)과 야금야금 결합했다. 그렇게 생성된 산화철(Fe₂O₃)이 가라앉아 바닥에 차곡차곡 쌓여갔다. 수억 년 동안 이 과정이 반복된 결과, 두꺼운 호상철광 층이 형성됐다. ”

“ 과학자들은 눈덩어리 빙하기가 시작되는 25억 년 전쯤에 대기에 무슨 일이 일어났는지 추적한 결과, 당시 대기 중 산소 농도가 급격하게 증가했다는 사실에 주목했다. 이 변화로 그 이전 대기권에서 볼 수 없었던 오존층이 성층권에 형성될 정도였으니 말이다. 그렇다면 당시 산소 농도가 어떻게 급작스럽게 증가했는지 알아보자. 아주 오래전 지질학적 나이로 45억 년 전에서 25억 년 전까지 적어도 20억 년 동안 지구에는 산소가 없었다. 25억 년 이전에는 황화수소(H₂S)를 수소와 황으로 분해하는 황화 박테리아가 존재했다. 25억 년 전 어느 시점에 물에서 수소를 추출할 수 있는 시아노박테리아cyanobacteria라는 고마운 생명체의 탄생이 지구에 생겨난 산소 기체의 출발점으로 보고 있다. 이 생명체가 탄생하기 전에는 황화 박테리아가 유황성 광합성을 통해 황화수소에서 수소를 만들었다. 약 40억 년 전 지구에는 원시 대기가 형성되면서 메탄, 암모니아, 황화수소로 채워져 있었다. 원시 생명체는 풍부한 대기 성분을 토대로 살아야 한다. 하지만 지구가 물바다 행성으로 바뀌면서 생명체는 새로운 도약의 발판을 마련하게 된다. 생명체가 대기에서 수소를 만들기보다 너무나도 풍부해진 물에서 수소를 추출하려고 시도한 것이다. 이에 대한 결과물이 시아노박테리아의 출현이다. 사실 이 생명체의 출현이 혹독한 지구 행성의 대기에 중요한 것은 이들이 물에서 수소를 만들기 때문이라기보다는 이들이 광합성을 하는 과정에서 만들어내는 부산물 때문이다. 그 부산물이 바로 산소라는 기체다. 최근의 연구로 이 생명체는 약 37억 년 전부터 지구에 출현하여 차츰 번성을 거듭해 바다를 지배하기 시작했다. 이렇게 시아노박테리아가 광합성을 하면서 부산물로 만들어진 엄청난 양의 산소는 바다를 넘어 대기로 공급되었을 것이다. 이렇게 대기에 산소의 농도가 급격하게 늘어난 사건과 눈덩어리 지구 사건의 시작은 어디까지나 추측이지만 갑자기 급격하게 늘어난 대기 산소가 따뜻한 기후를 유지하도록 이어주는 온실가스의 급격한 산화(온실가스 제거, 즉 메탄 제거)로 이어져 빙하기를 이끌었다고 볼 수 있다. 극지방부터 얼기 시작한 지구는 얼음이 많아지면서 태양빛을 더 많이 반사해(알베도 증가0 지구가 어는 것이 급격하게 진행되었을 것이다. 열대 지역과 대양에서 얼음이 확장하면서, 얼음의 알베도는 계속 높아지고 얼음으로 덮인 지역은 더욱 안정화되어 지구는 거의 눈덩어리 상태에 도달할 것이다. 참고로 액체인 물의 알베도는 0.1, 육지는 0.3, 얼음은 0.45~0.65, 신선한 눈은 약 0.9다. 알베도가 높을수록 햇빛의 반사가 커진다. ”

“ 즉, 세계는 산소가 활용 가능해진 순간부터 극적으로 변했다. GOE에는 '산소 대학살'이라는 별명도 있다. 무산소 환경에서 살아가던 생물들에게 O₂와 같은 반응성이 큰 분자의 출현은 죽음을 의미했다. 오늘날 저산소 활경에 적응한 이런 세균과 미생물은 물이 고인 호수 밑바닥이나 흑해와 같은 해양 분지처럼 산소가 거의 없는 곳에서 살아야만 한다. 그러나 23억 년 전까지는 이런 생물들이 지구를 지배했다. 대기 중에 산소가 풍부해지면서 이 생물들은 실로 대학살을 당했고, 산소가 풍부한 환경에서 살아갈 수 있는 미생물들이 세상을 차지했다. 그러면 중요한 의문이 하나 생긴다. 지구의 대기는 어디에서 산소를 얻었을까? 그 해답은 명백하다. 바로 광합성이다. 광합성은 남조세균이라고도 불리는 시아노박테리아에서 처음 일어났고, 그 후 마침내 '진정한' 진핵 조류가 진화하면서 식물에서도 광합성이 일어났다. 한 가지 중대한 수수께끼는 바로 대학살 시기다. 시아노박테리아 화석은 35억 년 전의 것도 알려져 있고 심지어 38억 년 전에도 이 세균이 살았을 가능성이 있지만, GOE는 23억~19억 년 전에 일어나기 시작했다. 처음에는 시아노박테리아가 만들어낸 산소의 양이 보잘 것 없어서 지구에 그다지 큰 영향을 주지 못했을까? 시아노박테리아는 다량의 산소를 생산했지만 대부분 지각의 암석에 갇혀 있었던 것일까? 그렇다면 지각의 암석이 (BIF처럼) 산화되다가 결국 산소가 너무 많아져서 지각 속의 저장고가 포화 상태에 이르자 산소가 방출되었을 것이다. 아니면 23억 년 전에 진정한 진핵 조류가 진화하면서, 훨씬 더 커진 세포에서 훨씬 더 많은 양의 산소가 만들어졌을 수도 있다. 진정한 조류만이 지구를 가득 채울 정도로 많은 양의 산소를 생산할 수 있고, 크기가 훨씬 작은 시아노박테리아는 그럴 수 없었을지도 모른다. 이유가 무엇이든지, 이 논쟁에서 논란과 추측이 난무하며 합의된 해답은 없다. 분명한 것은 17억 년 전 이후엔 진정한 진핵 조류가 어디에나 있었고, 대기의 약 1퍼센트 또는 그보다 많은 양의 산소가 지구의 산소 균형을 영원히 바꿔놓았다는 점이다. ”