30억 년 전, 초기 지구의 대기에는 0.0001% 미만의 산소만이 존재하였다. 현재 대기 중에 존재하는 산소의 함량은 약 20%이며, 이러한 변화는 원시 지구 해양에 존재하던 미생물의 활동 덕분이다. 남조류(cyanobacteria)는 현재까지도 유사한 형태로 여전히 지구상에 존재하고 있으며, 태양광으로부터 에너지를 얻어 대기 중의 이산화탄소 일부를 유기 화합물로 광합성하며 지구상에 살기 시작했을 것이다. 산소는 이러한 공정의 부산물로 형성된다. 약 20억 년이 흐른 후에는 인간을 포함한 산소 호흡을 하는 다양한 고등 생물이 출현, 진화할 수 있게 되었다.

독일 Tubingen 대학교 Elizabeth Swanner 박사와 Andreas Kappler 교수는, 최초의 남조류 진화가 일어난 직후에는, 남조류가 더 많이 그리고 더 빠르고 손쉽게 산소를 생산하였다고 말한다. Kappler 교수팀은 캐나다 Alberta 대학교와의 공동 연구를 통해, 속도가 크게 증대되었던 초기 박테리아의 대사 작용을 억제하는 환경 인자들에 대한 연구를 수행하였다. 연구진은 원시 바닷속에 존재하던 용해성 철(Fe) 입자들이 산소와 빠르게 결합하면서 녹(rust)을 형성하였음을 발견하였다. 반응성 산소 분자를 형성하는 이러한 과정은 생물 조직에 피해를 끼칠 뿐만 아니라 남조류의 성장을 둔화시키고 산소 생산량을 저감시키는 결과를 낳게 되었다. 이번 연구 결과는 “Nature Geoscience” 최신호에 게재된다.

오늘날의 해수에는 아주 적은 양의 철 입자들이 존재하고 있다. 하지만 30억여 년 전에는, 바닷속에 상당량의 철 입자가 환원된 상태로 존재하고 있었다. 이는, 원시 해양에는 철 입자의 침전을 유발하는 산소가 깊은 바닷속까지 녹아 들지 못했기 때문이며, 또한 그 당시의 해저에는 열수 활동의 분출로 인해 방출된 철의 농도가 상당히 높았기 때문이다. Elizabeth Swanner 교수는, “이와 같은 원시 기간 동안에는 산소 방출에 대한 어떠한 지표도 찾을 수 없었다”고 설명한다. 연구진은 고농도의 철과 남조류의 저속 생장 간의 연결고리를 밝혀내기 위해 실험실 규모의 연구를 수행하였다. 이를 통해, 박테리아 생존에 필요한 철이 고농도로 존재할 때에는 오히려 광합성을 방해하는 것을 알 수 있었으며, 그로 인해 박테리아의 에너지 공급이 끊어지게 됨을 발견하였다. Andreas Kappler 박사는 “산소가 존재하는 조건에서의 고농도 철은 유해하다. 원시 남조류는 고농도의 철에 중독된 셈”이라고 설명하였다.

이번 연구 결과는 용해성 철의 농도가 높았던 시기의 전지구적 탄소 및 산소 순환을 이해하는데 도움이 될 것으로 기대된다. 또한 남조류나 광합성 생물에게 있어 철이 더 이상 섭취의 대상이 아닌 독성물질로 바뀌는 과정을 밝혀내는데 기여하였다. 이번에 밝혀진 철의 농도와 산소 발생 간의 연결고리는 산소를 필요로 하는 고등동물의 출현과 진화가 일어나는 장기간의 과정을 재구성하는 연구에도 기여할 수 있을 것으로 보인다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 1월 8일]

Three billion years ago, Earth's atmosphere contained less than 0.0001 percent oxygen. Today's atmosphere has around 20 percent oxygen -- and that is due to the work of tiny microorganisms in Earth's primeval oceans. Cyanobacteria, which still exist in a similar form today, probably started using energy from sunlight to photosynthesize some of the carbon dioxide in the atmosphere into organic compounds. Oxygen gas was a byproduct of this process. After about two billion years, it enabled the evolution of the many higher organisms that respire on oxygen, including us.

 

Tübingen geomicrobiologists Dr. Elizabeth Swanner and Professor Andreas Kappler say that after evolution of the first cyanobacteria, one would expect a rapid and massive oxygen production, i.e. cyanobacteria could have produced much more oxygen much sooner. Working with colleagues from the Department of Geosciences at the University of Tübingen and geoscientists from the University of Alberta (Edmonton, Canada) they looked for factors which prevented early bacteria from multiplying faster. They found that soluble iron in the earliest oceans quickly combined with oxygen to form rust -- forming reactive oxygen molecules, which damage biological tissue and make the cyananobacteria grow more slowly and produce less oxygen. Their findings are published in the latest Nature Geoscience.

 

Today's seawater contains little iron. But more than three billion years ago, the oceans contained abundant reduced iron. This is partially because oxygen, which causes the iron to precipitate, had not yet entered the ocean to great depths, and also because the seafloor at that time contained abundant iron released by bursts of hydrothermal activity. "In these periods, we often find no indicators of oxygen release," says Elizabeth Swanner, the study's lead author. The researchers carried out lab experiments seeking a link between high concentrations of iron and low cyanobacteria growth. It appears that the iron -- which the bacteria needed to live -- hindered photosynthesis when it was present in high concentrations, thereby cutting off the bacteria's energy supply. "Too much iron in the presence of oxygen was harmful. You could say the early cyanobacteria poisoned themselves," Andreas Kappler says.

 

These new findings will help scientists to better understand the global cycles of carbon and oxygen in the periods of higher soluble iron concentration, also shedding light on the processes in which iron stopped being food and became poison for cyanobacteria and other photosynthesizing organisms. In addition, the connection between iron levels and oxygen production found here will help researchers to reconstruct the long-term processes behind the evolution of animals -- which need high levels of oxygen.