대산화 사건 — 지구 대기는 어떻게 산소를 얻었을까

우리가 숨 쉬는 공기의 다섯 가운데 하나는 산소입니다. 이웃 행성인 금성과 화성의 대기에는 산소가 거의 없습니다. 산소는 반응을 잘 하는 기체라서, 철을 녹슬게 하고 나무를 태우며 스스로는 다른 물질에 붙어 사라집니다. 가만히 두면 없어지는 기체가 공기의 21 % 를 차지하려면 누군가 끊임없이 만들어 넣어야 합니다. 처음 지구에는 그런 것이 없었습니다. 대기에 산소가 처음 나타난 때를 대산화 사건이라고 부릅니다. 그런데 생물이 산소를 만들기 시작하고도 수억 년이 지나서야 대기에 산소가 쌓였습니다. 그 사이에 산소는 어디로 갔을까요.

원시 대기에는 산소가 없었습니다

46억 년 전 막 만들어진 지구의 대기는 화산이 뿜은 가스로 이루어져 있었습니다. 수증기, 이산화 탄소, 질소가 주된 성분이었고 산소는 없었습니다. 화산은 지금도 산소를 내뿜지 않습니다. 지구가 식자 수증기가 비가 되어 내려 바다가 생겼고, 이산화 탄소는 바닷물에 녹아 들어가 석회암으로 굳으면서 대기에서 크게 줄었습니다. 잘 반응하지 않는 질소만 남아 대기의 주성분이 되었습니다. 이 대기에 산소를 넣을 수 있는 길은 하나, 광합성뿐이었습니다.

바다에서 광합성을 시작한 생물은 남세균입니다. 남세균이 얕은 바다에서 켜켜이 쌓아 만든 돌이 스트로마톨라이트이고, 가장 오래된 것은 35억 년 전의 지층에서 나옵니다. 남세균은 물과 이산화 탄소로 양분을 만들고 산소를 내놓습니다.

산소는 먼저 바다의 철을 녹슬게 했습니다

남세균이 낸 산소는 곧바로 대기로 가지 못했습니다. 산소가 없던 초기 바다에는 철이 2가 철 이온($\mathrm{Fe^{2+}}$)으로 많이 녹아 있었습니다. 산소가 없는 물에서는 철이 녹은 채로 남고, 산소가 있는 물에서는 녹슬어 가라앉습니다. 그래서 남세균 둘레에 산소가 나오는 족족 바닷물 속의 철과 만나 산화 철이 되어 바닥에 쌓였습니다.

바다 밑에 철이 많은 층과 규소가 많은 층이 번갈아 쌓인 줄무늬 암석이 호상 철광층입니다. 호상 철광층은 25억 년 전에서 18억 년 전 사이에 집중해서 만들어졌고, 오늘날 캐는 철광석의 대부분이 이 암석입니다. 다시 말해 지구 대기의 산소보다 먼저 만들어진 것은 철광석입니다. 바닷물의 철이 다 씻겨 가라앉을 때까지 산소는 바다 밖으로 나가지 못했습니다.

철 말고도 산소를 먹는 것이 둘 더 있었습니다. 하나는 화산 가스의 수소와 황화 수소처럼 산소와 잘 붙는 기체입니다. 다른 하나는 생물 자신입니다. 광합성은 산소와 함께 유기물을 만드는데, 그 생물이 죽어 썩으면 만들 때 내놓은 산소를 같은 양만큼 도로 씁니다. 그러므로 산소가 남으려면 유기물이 썩기 전에 바다 밑 퇴적물에 묻혀야 합니다. 땅속에 묻힌 유기물의 양이 곧 대기에 남은 산소의 양입니다. 오늘날의 석탄과 석유도 이렇게 묻힌 유기물입니다.

24억 년 전, 대기에 산소가 나타났습니다

바다의 철이 줄고 화산 가스가 약해지자 산소는 마침내 대기로 새어 나왔습니다. 그 흔적이 암석에 남아 있습니다. 첫째는 적색층입니다. 23억 년 전 이후의 육지 퇴적층은 붉은 색을 띠는데, 모래알 표면의 철이 공기 중의 산소에 녹슬었기 때문입니다. 그 전의 퇴적층에는 이 붉은 빛이 없습니다. 둘째는 사라진 광물입니다. 황철석과 우라니나이트는 산소가 있는 물에서는 녹아 없어지는 광물인데, 24억 년 전보다 오래된 강가의 자갈층에는 이 광물이 둥글게 닳은 알갱이로 남아 있고 그 뒤의 지층에서는 보이지 않습니다. 그 사이 어느 때부터 비와 강에 산소가 녹아 있었다는 뜻입니다.

이때의 산소는 지금에 견주면 아주 적었습니다. 대산화 사건 뒤로도 10억 년이 넘도록 대기의 산소는 지금의 100분의 1에도 못 미치는 낮은 농도에 머물렀습니다. 그래도 지구에는 큰 변화였습니다. 그때까지 대기에 많던 메테인은 강한 온실 기체인데, 산소를 만나면 산화되어 사라집니다. 메테인이 걷히자 온실 효과가 약해졌고, 대산화 사건 직후 지구가 거의 통째로 얼어붙은 긴 빙하기가 뒤따랐다고 설명합니다.

산소가 두 번째로 크게 늘어난 것은 6억 년 전 무렵입니다. 그 뒤에야 몸집이 큰 동물이 나타납니다. 세포가 산소로 호흡하면 같은 양분에서 훨씬 많은 에너지를 얻을 수 있어(광합성과 호흡), 움직이고 몸을 키우는 생물은 산소가 넉넉해진 뒤에야 가능했습니다.

오존층이 생기고 생물이 육지로 올라왔습니다

대기에 산소가 쌓이자 성층권에서 자외선을 받은 산소 분자가 오존이 되어 층을 이루었습니다(오존층). 그 전까지 태양의 자외선은 땅까지 그대로 내리쬐어 생물은 물속에서만 살 수 있었습니다. 오존층이 자외선을 막아 주자 4억 년 전 무렵 식물이 먼저, 이어 동물이 육지로 올라왔습니다. 산소는 생물이 만들었고, 그 산소가 다시 생물의 살 자리를 넓힌 것입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 원시 대기의 성분: 화산 가스에서 온 수증기 · 이산화 탄소 · 질소. 산소는 없었습니다.
• 이산화 탄소가 줄어든 까닭: 바다가 생겨 녹아 들어가 석회암이 되었기 때문. 질소는 반응하지 않아 남았습니다.
• 산소가 늘어난 까닭: 남세균의 광합성. 증거는 스트로마톨라이트.
• 호상 철광층: 바닷물에 녹아 있던 철이 산소와 만나 가라앉은 것. 25억~18억 년 전에 집중. 대기의 산소보다 먼저입니다.
• 순서: 남세균의 광합성 → 바다의 철 산화(호상 철광층) → 대기의 산소 증가(적색층) → 오존층 형성 → 육상 생물 출현.
• 대기 조성 그래프에서 이산화 탄소는 감소, 질소는 증가, 산소는 뒤늦게 증가합니다.

자주 헷갈리는 것

• "화산이 산소를 뿜어 대기에 산소가 생겼다" — 화산 가스에 산소는 없습니다. 지구 대기의 산소는 전부 생물의 광합성이 만든 것입니다.
• "남세균이 생기자마자 대기에 산소가 쌓였다" — 바다의 철과 화산 가스가 산소를 먼저 다 썼습니다. 광합성이 시작되고 수억 년이 지나서야 대기에 산소가 나타났습니다.
• "호상 철광층은 대기에 산소가 많아서 생겼다" — 바닷속에서 녹은 철과 산소가 만난 것으로, 대기에 산소가 쌓이기 전에 집중됩니다. 대기 산소의 증거는 육지의 적색층입니다.
• "산소가 늘면 그대로 남는다" — 유기물이 썩으면 광합성이 낸 산소가 도로 쓰입니다. 산소가 남는 것은 유기물이 묻힌 만큼입니다.

정리합니다. 원시 대기에는 산소가 없었고, 남세균의 광합성이 산소를 만들었지만 그 산소는 바다에 녹은 철과 화산 가스에 먼저 쓰여 호상 철광층을 남겼습니다. 철이 바닥난 24억 년 전 무렵 산소가 대기로 나와 적색층을 남긴 것이 대산화 사건이고, 유기물이 묻힌 만큼 산소가 쌓여 오존층이 생기자 생물이 육지로 올라왔습니다.