지구에 산소가 있다는 게 ‘기적’인 진짜 이유 — 산소는 원래 ‘독’이었다

지금 당신이 무심코 들이쉰 그 숨. 공기의 약 21%가 산소다. 너무 당연해서 한 번도
의심하지 않았겠지만, 사실 이건 우주적으로 매우 이상한 일이다. 우주 어디를 봐도
대기에 산소가 이렇게 풍부한 행성은 찾기 어렵다. 왜일까?

핵심은 하나다 — 산소는 가만히 두면 사라지는 기체이기 때문이다. 그런데도 지구엔
수억 년째 가득하다. 이 글은 (1) 원래 없던 산소가 어떻게 생겼고, (2) 그것이 왜 ‘대재앙’이었으며,
(3) 지금도 유지되는 비결을 근거와 함께 짚는다. 결론부터 말하면, 이 산소는 생명이
수십억 년에 걸쳐 만들어 낸 것이다.

원래 지구엔 산소가 없었다

지구 탄생 직후의 대기는 지금과 전혀 달랐다. 이산화탄소·질소·메탄 같은 기체가 가득했고, 자유
산소(O₂)는 거의 없었다. 당시 생명은 산소가 필요 없는—오히려 산소가 있으면 죽는—혐기성
미생물이 전부였다. 즉 산소 없는 세상이 수십억 년간 ‘정상’이었다.

왜 산소가 없었을까. 설령 어쩌다 산소가 생겨도, 반응성이 워낙 커서 곧바로 철·암석·가스와
결합해 사라졌기 때문이다. 산소는 ‘가만히 떠 있는’ 기체가 아니라 끊임없이 뭔가와 반응해 소모되는
기체다. 그래서 산소가 대기에 쌓이려면, 소모되는 속도보다 더 빨리 공급하는 무언가가
필요했다.¹

남세균의 발명 — 광합성이라는 혁명

그 ‘무언가’가 약 24억 년 전에 등장했다. 바로 남세균(시아노박테리아)이다.
이 작은 미생물은 햇빛과 물, 이산화탄소로 양분을 만드는 광합성을 발명했고, 그 부산물로
산소를 내뿜었다.¹ 지구 역사상 산소를 뿜는 광합성을 처음
해낸 생명이 바로 이들이다.

처음엔 이 산소마저 바다에 녹은 철과 반응해 사라졌다(그 흔적이 붉은 줄무늬 철광층이다).
하지만 남세균이 수억 년간 쉬지 않고 산소를 뿜자, 마침내 철도 암석도 다 산화되고
남은 산소가 대기에 쌓이기 시작했다. 이 대사건을 대산화사건(Great Oxidation
Event)이라 부른다.²

이 과정의 증거는 지금도 바위에 남아 있다. 바다의 철이 산소와 만나 가라앉으며 만든 붉은
줄무늬 철광층(BIF)이 대표적이다. 오늘날 우리가 캐 쓰는 철광석 상당수가 바로 이때—
남세균이 뿜은 산소가 바닷속 철을 ‘녹슬려’ 쌓은 결과물이다. 인류 문명을 떠받치는 철조차, 따지고 보면
산소가 남긴 유산인 셈이다.

‘산소 대학살’ — 최초의 대멸종과 눈덩이 지구

그런데 이 산소는 축복이 아니라 재앙이었다. 당시 지구를 지배하던 혐기성 생명에게
산소는 맹독이었기 때문이다. 갑자기 늘어난 산소에 대부분의 생명이 몰살했다.
이것이 사실상 지구 최초의 대멸종—이른바 ‘산소 대참사(Oxygen Catastrophe)’
다.²

피해는 여기서 그치지 않았다. 산소가 대기 중 온실가스인 메탄을 제거하자 지구가 급격히
식어, 적도까지 얼어붙는 ‘눈덩이 지구(Snowball Earth)’ 빙하기가 찾아왔다.²
생명이 만든 기체가 생명을 얼려 죽인 셈이다. 지구 대멸종의 역사가 사실 여기서 시작된 것이다.

독이 축복이 되기까지 — 21%로 가는 긴 길

대산화사건이 지구를 단숨에 21%로 만든 것도 아니다. 그 직후 산소는 겨우 1~5% 수준이었고,
오늘의 21%에 이르기까지 다시 수억 년이 더 걸렸다.¹ 산소는
그렇게 느리게, 여러 단계에 걸쳐 쌓였다.

그 사이 위기를 살아남은 생명 중 일부가 산소를 거꾸로 이용하는 법을 터득했다. 산소로
양분을 태우는 호기성 호흡은 이전 방식보다 에너지 효율이 압도적으로 높다.
이 풍부한 에너지가 크고 복잡한 생명체—결국 동물과 인간—로 가는 문을 열었다. 우리를
죽일 뻔한 독이, 우리를 존재하게 한 연료가 된 것이다.

그 흔적은 우리 세포 안에도 있다. 우리 몸의 모든 세포에서 산소로 에너지를 만드는 미토콘드리아는,
원래 산소를 잘 다루던 독립 세균이었다는 것이 정설이다. 어떤 큰 세포가 이 세균을 삼켜
죽이는 대신 한 몸으로 공생하게 됐고, 그 동거가 오늘날 모든 동식물의 세포로 이어졌다.
산소 재앙을 기회로 뒤집은 이 사건 없이는, 복잡한 생명도 우리도 없었을 것이다.

왜 산소는 지금도 유지될까

앞서 말했듯 산소는 가만두면 사라진다. 그런데도 21%가 유지되는 건, 지금 이
순간에도 바다의 플랑크톤과 육지의 식물이 쉬지 않고 광합성으로 산소를 채워
넣기 때문이다. 소모와 공급이 절묘하게 균형을 이루고 있는 것이다.

바꿔 말하면, 지구의 산소는 ‘생명이 살아 있다는 증거’ 그 자체다. 만약 광합성이 멈추면
산소는 서서히 사라질 것이다. 그래서 과학자들은 외계 행성 대기에서 산소를 생명의 신호로
찾는다. 산소가 있다는 건, 그곳에 끊임없이 산소를 만드는 무언가가 있다는 뜻이니까.
우주에서 산소 행성이 드문 이유이자, 지구 생명이 특별한 이유이기도 하다.

산소는 많을수록 좋을까 — 거대 곤충의 시대

그렇다면 산소는 많으면 많을수록 좋을까? 흥미로운 힌트가 약 3억 년 전 석탄기에 있다.
이 시기 대기 산소 농도는 지금의 21%를 훌쩍 넘어 30%대까지 올랐던 것으로 추정된다.
그 결과가 놀랍다 — 날개폭 70cm에 이르는 잠자리 같은 거대 곤충들이
번성했다.

이유는 곤충의 호흡 방식에 있다. 곤충은 폐가 아니라 몸에 뚫린 기관(氣管)으로 산소를 스며들게
하는데, 이 방식은 몸이 커지면 한계에 부딪힌다. 그런데 공기 중 산소가 진하면 더 깊숙이
산소가 전달돼 몸집을 키울 수 있었던 것이다. 산소 농도가 생물의 크기까지 좌우한
셈이다. 반대로 산소가 너무 많으면 산불이 쉽게 번지는 등 대가도 따른다 — 결국 지금의 21%는
절묘한 균형점인 것이다.

결론 — 숨 쉴 때마다

정리하면, 우리가 마시는 산소는 공짜로 주어진 배경이 아니다. 원래 없던 것을 남세균이
수억 년에 걸쳐 만들었고, 그 과정에서 최초의 대멸종과 빙하기라는 값을
치렀으며, 지금도 수많은 생명이 실시간으로 채워 유지하는 것이다.

그러니 다음에 크게 한 숨 들이쉴 때, 잠깐 떠올려 봐도 좋겠다. 그 한 모금은 24억 년짜리
기적의 결과이고, 지금 이 순간에도 어딘가의 나뭇잎과 플랑크톤이 당신 몫의 산소를
만들고 있다는 사실을.