요약:
약 23억~22억 5천만년 전 남아프리카공화국의 퇴적암에 대한 연구는 지구의 초기 대기에서 산소가 어떻게 상승하고 하강했는지에 대한 새로운 설명을 제공합니다. 연구자들은 남아프리카 Transvaal Supergroup의 드릴 코어 샘플을 분석하여 해양의 인 순환, 산화환원 상태 및 황산염 변화가 서로 얽혀 있음을 발견했습니다. 그들은 생지화학적 모델과 결합하여 이러한 피드백이 대산화 사건(Great Oxidation Event) 동안 대기 산소 함량에 반복적인 극적인 변화를 가져올 수 있으며 동시에 지구가 지속적인 산소 함유 대기 환경으로 점진적으로 이동하도록 밀어붙일 수 있다고 믿습니다.
지구 대기 중 산소가 처음으로 크게 증가한 것은 약 24억 3천만년에서 20억 6천만년 전으로, 흔히 '대산소화 시대'라고 불립니다. 산소의 출현은 그 이후 대기가 즉시 안정되었음을 의미하지 않습니다. 이 단계에서는 극적인 기후 변화와 여러 번의 빙하기를 경험했으며 해양의 화학적 환경과 생명체가 이용할 수 있는 영양분도 변화했습니다. 인은 생명의 성장에 필요한 핵심 요소이지만 암석에서 발견되는 총 인의 양은 고대 유기체가 사용할 수 있는 인과 같지 않습니다.
연구팀은 인 형태 분류법을 사용해 암석에 들어 있는 다양한 광물을 점진적으로 용해시켜 주로 잔해에서 유래하는 철 결합, 속성, 유기 결합, 결정화 인 등의 성분을 구별했습니다. 이를 바탕으로 그들은 고대 바다에서 생물학적으로 이용 가능한 인이 무엇인지 결정할 수 있습니다. 샘플에 따르면 빙하기가 끝난 후 강화된 풍화 작용으로 인해 더 많은 인이 바다로 유입되어 생물학적 생산성이 향상되었을 수 있습니다. 결과적으로 해양 산소 상태와 황산염 공급의 변화는 퇴적물 내 유기물의 분해와 인의 재활용에 영향을 미쳤습니다. 인은 바닷물로 다시 들어가 잠재적으로 더 많은 유기체가 자랄 수 있는 조건을 제공합니다.
이 과정은 결국 대기 산소에 영향을 미칩니다. 생물학적 생산성이 증가함에 따라 더 많은 유기탄소가 해저에 퇴적되고 매장될 수 있습니다. 이 탄소가 분해 중에 산소를 다시 소비하지 않으면 더 많은 산소가 순 축적됩니다. 이를 토대로 연구팀은 풍화 투입, 인 재활용, 해양 산화환원 상태, 황산염 사이에 되먹임 사슬이 형성되지만, 되먹임이 산소를 일정 수준으로 원활하게 유지하지 못하고, 수천만 년 규모의 큰 변동을 일으킬 수 있음을 제안했다. 논문의 모델 결과는 이러한 해석을 뒷받침하지만, 고대 대기 변화는 여전히 직접적인 측정보다는 암석의 지구화학적 기록과 모델을 기반으로 재구성되어 있습니다.
이 연구는 'Nature Communications'에 게재되었습니다. 저자들은 이 메커니즘이 어떻게 산소, 영양소, 초기 생명체가 함께 진화했는지 설명하는 데 도움이 된다고 지적하고, 또한 복잡한 생명체의 출현에 영향을 미치는 유일한 조건은 산소가 아니라는 점을 시사합니다. 이 연구는 또한 현대 해양 무산소증을 이해하기 위한 역사적 참고 자료를 제공할 수도 있습니다. 즉, 바닷물 산소 수준이 감소하면 인 가용성과 해양 생산성도 바뀔 수 있습니다. 그러나 고생물학적 시간의 피드백 관계는 현대 생태계의 특정 예측과 직접적으로 동일시될 수 없습니다.
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