03. 캄브리아기 미스터리 , 대산소화 사건 — 25억 년 전 지구를 바꾼 산소 혁명

03. 캄브리아기 미스터리 , 대산소화 사건 — 25억 년 전 지구를 바꾼 산소 혁명

지구 역사에서 생명이 지구 환경 자체를 근본적으로 바꿔놓은 사건이 있다. 대산소화 사건(Great Oxidation Event)이다. 약 24억~25억 년 전, 대기 중 산소 농도가 갑자기 크게 올라갔다. 이 변화는 당시 지구에 살던 생물 대부분을 죽음으로 몰아넣은 재앙이었고, 동시에 완전히 새로운 형태의 생명이 번성할 조건을 만들어낸 혁명이었다.

대산소화 사건이란 약 24억~25억 년 전 시아노박테리아(남세균)의 광합성 활동이 폭발적으로 증가하면서 지구 대기의 산소 농도가 처음으로 의미 있는 수준으로 상승한 사건을 말한다. 그 이전 지구 대기에는 산소가 거의 없었고, 대부분의 생물은 산소 없이 사는 혐기성 생물이었다. 산소의 급격한 증가는 이들에게 독성 물질의 범람과 다름없었고, 대규모 멸종으로 이어졌다.

 

대산소화 사건 — 시아노박테리아 광합성으로 지구 대기 산소 농도 급증 과정 다이어그램

대산소화 사건 이전 지구 대기는 어떤 상태였는가

지구가 형성된 약 46억 년 전부터 대산소화 사건이 일어난 약 24억 년 전까지, 지구 대기에는 산소가 거의 없었다. 당시 대기의 주성분은 질소, 이산화탄소, 메탄, 수증기였다. 오늘날 대기 중 약 21%를 차지하는 산소는 존재하지 않았거나 극히 미량이었다.

이 환경에서 살아가던 생물은 산소 없이 에너지를 만드는 혐기성(anaerobic) 생물이었다. 황, 철, 이산화탄소 등을 이용하는 대사 경로로 에너지를 얻었다. 이들에게 산소는 에너지원이 아니라 독성 물질이다. 산소 분자는 반응성이 매우 높아 세포 안의 단백질과 DNA를 손상시킬 수 있기 때문이다. 그러므로 당시 지구의 혐기성 생물들은 산소가 없는 환경에 완벽히 적응해 있었다.

지구 초기에도 광합성을 하는 생물은 있었다. 하지만 그 광합성은 산소를 생산하지 않는 방식이었다. 황이나 수소를 이용해 유기물을 합성하는, 오늘날 일부 세균에서 볼 수 있는 원시적인 광합성이었다.

시아노박테리아가 산소를 만들어낸 방법과 그 결과

약 27억 년 전쯤, 시아노박테리아(cyanobacteria, 남세균)라는 새로운 광합성 생물이 등장했다. 이들의 광합성은 이전과 결정적으로 달랐다. 물 분자를 분해하여 수소를 빼내고 이산화탄소를 고정해 유기물을 만드는 과정에서, 부산물로 산소를 방출했다. 오늘날 식물이 하는 광합성과 같은 방식이다.

처음에는 방출된 산소가 대기에 쌓이지 않았다. 바다에 녹아 있던 철 이온과 즉각 반응해 산화철이 됐고, 이것이 해저에 쌓였다. 이 퇴적물이 호상 철광층(Banded Iron Formation)이다. 전 세계 주요 철광석 광상 대부분이 이 시기에 형성됐다. 인류가 쓰는 철의 상당 부분이 약 25억 년 전 시아노박테리아의 부산물이다.

바다에 녹아 있던 철이 산화철로 거의 다 소진됐을 때, 더 이상 산소가 흡수될 곳이 없어지자 대기로 흘러넘치기 시작했다. 약 24억 년 전을 기점으로 대기 중 산소 농도가 눈에 띄게 올라갔다. 이것이 대산소화 사건의 핵심 메커니즘이다.

산소의 급격한 증가는 당시 지구 생물 대부분에게 재앙이었다. 산소는 혐기성 생물에게 독성 물질이다. 지금도 세균의 산소 독성을 이용하는 것이 과산화수소나 표백제로 소독하는 원리다. 25억 년 전에는 그 독성 물질이 지구 전체를 뒤덮었다. 혐기성 생물 대부분이 이 과정에서 죽거나 산소가 없는 환경인 깊은 해저나 퇴적층 안으로 피신했다. 일부는 지금도 산소가 거의 없는 환경에만 살아가는 형태로 남아 있다.

 

호상 철광층 — 시아노박테리아 산소가 철과 반응해 만든 붉은 줄무늬 고대 암석

대산소화 사건이 진핵생물과 복잡한 생명의 탄생에 어떤 역할을 했는가

대산소화 사건은 단순한 멸종 사건이 아니었다. 이 사건이 없었다면 복잡한 생명체의 등장도 없었을 것이다.

산소를 독성으로 겪던 시대에, 산소를 오히려 에너지 생산에 활용하는 새로운 대사 전략을 가진 생물이 등장했다. 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)라고 부르는 이 대사 경로는 같은 양의 유기물로부터 혐기성 발효보다 수십 배 더 많은 에너지를 만들어낸다. 산소 호흡을 하는 생물이 그렇지 않은 생물보다 훨씬 더 많은 에너지를 가질 수 있게 된 것이다.

에너지의 차이는 복잡성의 차이로 이어진다. 충분한 에너지가 있어야 복잡한 세포 구조를 만들고 유지할 수 있고, 다세포 조직을 조율할 수 있으며, 감각 기관이나 근육 같은 비용이 많이 드는 기관을 만들어낼 수 있다. 산소 호흡이라는 강력한 에너지 엔진이 없었다면, 캄브리아기에 등장한 복잡한 동물들은 애초에 존재할 수 없었다.

다음 편에서 다룰 진핵생물의 등장도 이 문맥 안에 있다. 산소 호흡을 하는 박테리아가 다른 세포 안으로 들어와 공생하게 된 것, 즉 미토콘드리아의 기원이 대산소화 사건 이후의 산소 풍부한 환경과 밀접하게 연결돼 있다. 산소 없이는 미토콘드리아도, 미토콘드리아 없이는 진핵생물도, 진핵생물 없이는 다세포 동물도 없었다.

대산소화 사건은 또 다른 결과도 낳았다. 산소가 생산되면서 대기 상층부에서 자외선과 반응해 오존층이 형성됐다. 오존층은 태양에서 오는 자외선을 차단해 지표면과 얕은 바다를 자외선으로부터 보호한다. 생명이 얕은 바다에서 다양하게 번성하고, 나중에 육지로 진출할 수 있었던 것도 오존층의 보호와 관련이 있다.

 

대산소화 사건 이후 지구 — 산소 호흡 생물 등장과 오존층 형성으로 변화한 지구 환경

마무리

대산소화 사건은 지구 역사에서 생명이 환경을 바꾼 가장 극적인 사례다. 시아노박테리아의 광합성 부산물이 지구 대기 조성을 영구적으로 바꿨고, 그 변화는 기존 생물의 대규모 절멸과 새로운 생물의 번성이라는 극단적인 결과를 동시에 가져왔다. 인류가 숨 쉬는 산소도, 몸속 세포가 에너지를 만드는 방식도, 결국 25억 년 전 그 사건의 유산이다.

다음 편에서는 산소와 캄브리아기 폭발의 직접적인 연결을 살펴본다. 산소 농도의 상승이 어떻게 복잡한 동물이 등장할 에너지 조건을 만들었는지, 그 구체적인 메커니즘을 다룬다.

 

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