오래 전, 지구는 지금과는 매우 다른 장소였다. 

판 구조론에 따르면, 로디니아라고 불리는 거대한 초대륙(supercontinentㆍ여러 대륙이 하나로 뭉친 대륙)이 로렌시아, 발티카, 곤드와나 등으로 조각조각 부서졌고 한동안 지구는 얼음으로 덮여 있었다.

생명이 다양하게 출현한 건 신원생대(Neoproterozoic)의 일. 지금으로부터 약 10억~5억4000만년 전이다. 고대 바다의 원생동물에서 진화한 포유류와 조류, 경골어류 등이 활기를 띠었던 시기다. 

이들이 나타났다는 건 이들이 호흡하고 생존하기 위한 산소가 있었다는 건데, 그렇다면 산소는 어디서, 언제, 어떻게 왔을까.  

이에 대한 수많은 연구가 이뤄지고 있지만 아직 확실한 답은 없다. 14일(현지시간) 사이언스 어드밴시스에 발표된 논문은 신원생대에 산소가 어떻게 축적되었는지에 대한 더 깊은 연구 결과 중 하나다.  

지구가 형성된 후 초기 대기는 화산 폭발에 의해 나오는 가스들로 메탄, 황화수소, 이산화탄소, 그리고 수증기로 가득차 있었다.

그리고 첫 번째 대산소화 사건(The Great Oxidation Event)이 일어난다. 약 24억년 전 시아노박테리아(cyanobacteria)라는 미생물이 광합성을 통해 산소를 내뿜기 시작한데 따른 것이었다. 그러나 '대산소화'란 거창한 이름에도 불구하고 이 시기에 대기 중 산소량은 극히 적었다.

과학자들은 그 때와 지금 사이에 산소가 급증한 시기, 신원생대 산소화 사건(Neoproterozoic Oxygenation Event)이 있었다고 주장한다. 어떤 학자들은 약 4억년 전 고생대 때 동물들이 바다에서 육지로 기어나오기 시작하면서 또다른 산소화 사건이 있었다고 주장하는가 하면, 이번 논문의 저자들을 포함한 또다른 진영에서는 약 7억년 전 신원생대 때 세 번째 사건이 있었다고 본다.  

유니버시티 칼리지 런던(UCL)의 지질학 교수인 알렉스 크라우스(Alex Krause)를 비롯한 저자들은 15억년 전부터 오늘날까지의 대기를 시뮬레이션해 봤다. 고대 대기가 어떻게 구성됐을지를 재구성하는 건 대기 중 산소에 의존하는 탄소와 황 동위원소를 그 시대 퇴적암에서 조사하는 방식으로 진행됐다. 

또 지구의 지각판이 움직이면서 멘틀 깊숙한 곳에 묻힌 산소는 이른바 탈가스(mantle degassing)라고 알려진 과정을 통해 공기 중으로 분출될 수 있다. 연구팀은 이 시기 지각 활동에 대한 정보를 이용해 시간이 지나면서 어떻게 탈가스가 이뤄졌는지도 추정했다. 

이를 통해 연구팀은 15억년 전부터 오늘날까지 대기의 산소 농도 수준을 추정했다.

그 결과 신원생대 산소는 현재 대기 내 산소 수준의 -1~50% 사이에서 요동쳤을 것으로 예상했다. 그러니까 최초의 동물들은 극심한 산소 변동성을 배경으로 진화했다는 결론이다.

신원생대에서 이런 '산소 롤러코스터' 현상은 5번 있었던 것으로 추정했다. 

그동안에도 이런 연구가 없었던 것은 아니다. 하지만 몇 천만년 전까지의 추정 정도였고, 10억년 이상의 기간동안 추정해낸 것은 이번이 처음이다.

5억4000만년 전 고생대에 가서야 대기에 산소가 많이 차기 시작했으며, 약 3억5000만년 전 현재의 수준에 이르렀다. 이는 캄브리아기 폭발로 알려진 시기 다양한 생물들이 폭발적으로 늘어나는 것과 동시에 이뤄진 것이다.