우리가 숨 쉬는 산소는 원래 지구에 없었습니다. 그리고 처음 생겼을 때, 그건 대부분의 생물에게 맹독이었습니다.
지구 최초의 대규모 환경 오염을 일으킨 것은 인간이 아닙니다. 세균입니다. 그것도 자기가 살려고 한 일이었죠. 생명이 행성 전체를 바꿔 놓는 일이 정말 가능할까요?
지금 대기의 21%는 산소입니다. 우리에겐 너무 당연해서 원래 그랬을 것 같지만, 지구 역사의 절반 가까이는 산소가 거의 없었습니다.
초기 대기는 질소, 이산화탄소, 메테인, 수증기가 주를 이뤘습니다. 산소가 없다는 건 단순히 "숨 쉴 수 없다"는 뜻이 아닙니다.
약 30억 년 전(더 이르다는 견해도 있습니다), 시아노박테리아가 물을 분해해 전자를 얻는 방식의 광합성을 시작합니다. 지금 식물이 하는 것과 같은 방식입니다.
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
여기서 산소는 목적이 아니라 부산물입니다. 시아노박테리아는 산소를 만들려던 게 아니라 물에서 전자를 빼내려던 것이고, 산소는 그러고 남은 쓰레기였습니다.
그 전의 광합성 세균들은 황화수소(H2S)처럼 전자를 빼내기 쉬운 물질을 썼습니다. 문제는 그런 물질이 특정 장소에만 있다는 것이었죠.
물에서 전자를 빼내는 건 훨씬 어렵습니다. 에너지가 더 듭니다. 하지만 일단 그 기술을 갖추면 물이 있는 곳 어디서든 광합성을 할 수 있습니다. 어려운 원료를 쓸 수 있게 된 대가로 무한한 공급처를 얻은 것입니다. 이 한 번의 진화가 지구를 바꿉니다.
여기가 이 주제에서 가장 흥미로운 지점입니다. 시아노박테리아가 산소를 만들기 시작한 것이 약 30억 년 전인데, 대기 산소가 실제로 오른 것은 24억 년 전입니다. 수억 년의 시차가 있습니다.
이유는 간단합니다. 만들어진 산소가 곧바로 소비됐기 때문입니다. 지구에는 산소와 반응할 물질이 잔뜩 있었습니다.
1번 과정에서 가라앉은 산화철이 층층이 쌓인 것이 호상철광층(Banded Iron Formation, BIF)입니다. 붉은 산화철 층과 규산질 층이 줄무늬처럼 반복되는 암석이죠.
세계 철광석 매장량의 대부분이 이 시기에 만들어진 것입니다. 자동차, 건물, 젓가락에 들어 있는 철은 24억 년 전 세균이 만든 산소가 바다의 철을 녹슬게 한 결과입니다.
산소는 반응성이 강한 기체입니다. 세포 안에서 단백질과 DNA를 손상시킬 수 있습니다. 당시 지구를 채우고 있던 혐기성 생물들에게 산소는 독이었습니다.
화석 기록이 빈약해 정확한 규모는 알 수 없지만, 많은 연구자가 이 시기를 지구 최초의 대멸종으로 봅니다. 살아남은 혐기성 생물들은 산소가 닿지 않는 곳으로 밀려났습니다 — 깊은 퇴적층, 심해 열수구, 그리고 동물의 창자 속. 지금도 그곳에 있습니다.
산소가 늘자 대기의 메테인이 산화되어 사라집니다. 메테인은 이산화탄소보다 훨씬 강력한 온실기체입니다. 그것이 없어지면 어떻게 될까요?
온실 효과가 급격히 약해지면서 지구는 극심한 빙하기에 들어갑니다. 약 24억~21억 년 전의 이 사건을 휴로니안 빙하기라고 부르며, 지구 최초의 눈덩이 지구였을 가능성이 제기됩니다(028에서 다룹니다).
정리하면 이렇습니다. 세균이 대기 조성을 바꿨고 → 그것이 기후를 바꿨고 → 행성이 얼었습니다. 생물이 지구 시스템에 얼마나 깊이 개입할 수 있는지 보여주는 최초의 사례입니다.
24억 년 전 대기를 직접 잴 수는 없습니다. 그렇다면 어떻게 알까요?
| 과목·영역 | 이 레슨과의 연결 | 성취기준 |
|---|---|---|
| 중학교 과학 — 광합성 | 광합성의 반응식과 부산물로서의 산소. 세포 하나의 반응이 행성 규모로 누적된 사례 | [9과12-01] |
| 통합과학1 — 지구시스템의 상호작용 | 생물권이 기권·수권·지권을 차례로 바꾼 연쇄. 권역 간 물질 순환의 교과서적 사례 | [10통과1-03-01] |
| 통합과학2 — 산화와 환원 | 성취기준이 직접 드는 예가 광합성과 철의 제련이다. Fe²⁺→Fe³⁺ 산화로 만들어진 호상철광층이 곧 오늘날의 철광석 | [10통과2-01-03] |
| 지구시스템과학 — 물질 순환 | 산소 순환이 지권·수권·기권을 바꿔 온 역사. 적색층·황 동위원소로 그 변화를 추적한다 | [12지시01-02] |
영상 준비 중입니다.
기획안 — 「당신이 쓰는 철은 24억 년 전 세균이 만들었다」
① 호상철광층 실물 줄무늬 → ② 철이 녹아 있던 바다를 실험으로 시연 →
③ 제철소 → 젓가락까지 이어지는 연결
시아노박테리아는 자기 이익을 위해 광합성을 했을 뿐인데 결과적으로 동료 생물 대부분을 죽였습니다. 이 사건을 "오염"이라고 부르는 것이 적절할까요? 지금 인류가 일으키는 변화와 비교하면 무엇이 같고 무엇이 다를까요?
산소가 만들어지기 시작한 뒤 수억 년이 지나서야 대기 농도가 올랐습니다. 이런 "지연"은 오늘날 기후 문제에도 나타날 수 있을까요? 바다가 이산화탄소와 열을 흡수하고 있다는 사실과 연결해 생각해 보세요.
혐기성 생물들은 멸종하지 않고 산소가 없는 구석으로 밀려나 살아남았습니다. 이것은 "멸종"일까요, "적응"일까요? 지금 그들이 사는 장소(심해 열수구, 늪 바닥, 동물의 장)의 공통점은 무엇인가요?
이 글은 위 자료들을 확인해 직접 작성한 것입니다. 특정 저작물의 문장을 옮기거나 요약하지 않았습니다. 사실 관계에 오류가 있다면 알려주세요.